探討工程測量GPS測量技術(shù)應(yīng)用

◎于東東

引言

全球定位系統(tǒng)也被稱為“全球定位系統(tǒng)”，這是一種接收設(shè)備，通過衛(wèi)星將收集的信息傳輸?shù)降厍?，使用無線電進行遠距離傳輸，可以為用戶提供目標位置、時間信息等。GPS作為定位系統(tǒng)的新秀，有著許多無可比擬的優(yōu)勢。隨著先進技術(shù)的不斷發(fā)展，GPS衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)在工程測量領(lǐng)域的應(yīng)用得到了一致認可，同時，其保密性和抗干擾性對工程測量也非常重要。

一、全球定位系統(tǒng)測量技術(shù)介紹

1.全球定位系統(tǒng)測量技術(shù)概述。

全球定位系統(tǒng)是全球定位系統(tǒng)的簡稱，是一種新型的衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)。全球定位系統(tǒng)最初于20世紀70年代在美國開發(fā)用于軍事用途，并于20世紀90年代完全建成，可實現(xiàn)海陸空全方位實時三維導(dǎo)航和高精度定位。GPS系統(tǒng)的組成由三部分組成，一部分是空間部分，即GPS衛(wèi)星星座，第二部分是地面控制部分，即GPS系統(tǒng)中的地面監(jiān)控系統(tǒng)，另一部分是用戶設(shè)備部分，主要用于接收GPS信號。GPS測量技術(shù)可以在短時間內(nèi)提供精確的三維坐標，由點、線、面三要素組成，具有高精度、高效率的特點。隨著全球定位系統(tǒng)技術(shù)的不斷發(fā)展，全球定位系統(tǒng)技術(shù)不僅被應(yīng)用于軍事領(lǐng)域，還被應(yīng)用于民用交通導(dǎo)航、土地勘測、野外調(diào)查、日常生活等領(lǐng)域。目前，隨著通信技術(shù)的廣泛應(yīng)用，GPS和通信技術(shù)也實現(xiàn)了高效結(jié)合。三維坐標的測量逐漸從靜態(tài)變?yōu)閯討B(tài)，定位導(dǎo)航也開始變成實時測量，不再需要通過數(shù)據(jù)處理來獲取，全球定位系統(tǒng)技術(shù)的廣度和深度都得到了極大的拓展。目前，全球定位系統(tǒng)技術(shù)廣泛應(yīng)用于地形和土地調(diào)查。同時，也被廣泛應(yīng)用于一些工程和地面沉降的監(jiān)測中。

2.利用GPS系統(tǒng)進行測量的原理。

用GPS系統(tǒng)測量的原理并沒有想象中的那么難，通常根據(jù)高軌測距系統(tǒng)，將待測地點與空間衛(wèi)星之間的距離作為基本觀測，然后測量與之相關(guān)的觀測數(shù)據(jù)。通常，人們會優(yōu)先使用偽距測量或載波相位測量來獲得相關(guān)觀測值。偽距測量是根據(jù)接收儀器獲得的衛(wèi)星信號，測量觀測站與空間衛(wèi)星之間的距離，使人們獲得基本的觀測測量。但在實際使用中，偽距測量方法容易產(chǎn)生較大誤差，因此現(xiàn)階段該方法很少用于GPS測量。相反，載波相位測量使用全球定位系統(tǒng)衛(wèi)星信號的傳播來確定位置。與偽距測量方法相比，這種方法的測量結(jié)果更加準確，因此在人們的日常工程測量中，載波相位測量方法將會優(yōu)先考慮。

3.全球定位系統(tǒng)測量技術(shù)的特點。

（1）定位精度高，觀測時間長。

全球定位系統(tǒng)測量技術(shù)在廣泛應(yīng)用中不斷完善，為了使GPS技術(shù)的定位功能更加完善，采用了許多前沿技術(shù)對其進行改進，使得現(xiàn)有的GPS測量技術(shù)更具優(yōu)勢。通常，大多數(shù)人在利用GPS測量技術(shù)進行工程測量時，會采用快速靜態(tài)定位的方法來節(jié)省觀測時間。

（2）操作相對簡單。

不難發(fā)現(xiàn)，GPS測量技術(shù)具有自動化、操作流程簡單等優(yōu)點，用戶只需滿足以下要求。一是認真收集氣象資料；二是仔細安裝和檢查開關(guān)柜；三是測量設(shè)備的高度；四是及時檢測設(shè)備的運行狀態(tài)。例如，通過衛(wèi)星獲取信息、觀測和跟蹤等一些項目可以利用全球定位系統(tǒng)測量技術(shù)的自動化來完成。觀察結(jié)束后，工作人員關(guān)閉電源，收好儀器，輕松完成數(shù)據(jù)采集。使用GPS測量技術(shù)進行觀測時，不會受到時間地點的影響，也不會因天氣原因耽誤測量工作，在任何情況下都能工作。目前，我國GPS測量技術(shù)不斷完善，已應(yīng)用于石油開采、隧道建設(shè)、地鐵建設(shè)等各個領(lǐng)域。

二、工程測量GPS測量技術(shù)應(yīng)用

1.在施水準點測量中的應(yīng)用。

可以說，測量是一項重要的技術(shù)。如果采用傳統(tǒng)技術(shù)進行測量，由于事先沒有仔細的調(diào)查和預(yù)算，在調(diào)平過程中會出現(xiàn)很多問題，無法保證測量的準確性。如果測量中測量結(jié)果不準確，距離會越大，影響施工和工程質(zhì)量。但應(yīng)用GPS技術(shù)時，可以接收衛(wèi)星信號，確定水準點的具體位置。此外，GPS測量技術(shù)的應(yīng)用可以協(xié)調(diào)工程觀測的全過程，保證整個測量結(jié)果的準確性，保證水準點測量項目的有序開展。

2.在位置確定和分析中的應(yīng)用。

利用GPS技術(shù)，通過衛(wèi)星描述、分析、整理確定位置。該方法獲得的位置信息更加準確，對建筑工程具有重要意義。位置精度的提高可以提高建筑質(zhì)量，縮短工期，降低生產(chǎn)成本。對于施工單位來說，全球定位系統(tǒng)測量技術(shù)的應(yīng)用提高了他們的生產(chǎn)率和利潤。對于人們來說，建筑的質(zhì)量更加穩(wěn)定，人們的幸福生活也能得到保障。

3.土地動態(tài)監(jiān)測。

在城市建設(shè)和土地規(guī)劃過程中，土地動態(tài)監(jiān)測非常重要。從自然和社會的角度，對該地區(qū)的土地利用情況進行了調(diào)查，為后續(xù)的土地利用規(guī)劃提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。在土地動態(tài)監(jiān)測過程中，借助GPS測繪技術(shù)，可以獲得更為詳細的數(shù)據(jù)信息。比如在公共交通建設(shè)中，需要全面了解沿線居民的生活需求和農(nóng)田實際分布情況，從而制定出最科學(xué)合理的交通方案。此時，可以利用GPS測繪技術(shù)，在短時間內(nèi)采集到所需規(guī)劃區(qū)域內(nèi)的所有土地資源信息數(shù)據(jù)，同時將其繪制成3D地圖模型。測繪人員可以通過三維仿真圖和采集到的測繪數(shù)據(jù)信息，直觀地了解規(guī)劃區(qū)的實際情況。為交通開發(fā)設(shè)計單位提供詳細的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)信息，從而制定交通規(guī)劃，既能滿足大多數(shù)人的出行需求，又能盡可能少的占用耕地資源。

4.在大比例尺地圖制圖中的應(yīng)用。

很多情況下，工程施工前需要提前準備好地形圖，在繪制地形圖時需要采用多種方法，根據(jù)實際情況進行繪制。其中地形圖的比例尺不確定，造成這種現(xiàn)象的原因與實際情況相同。此外，在傳統(tǒng)測量中，由于受多種因素的影響，定量方法速度慢、耗時長、工作量大，測量結(jié)果不準確，嚴重阻礙了工程測量的秩序。

5.在虛擬現(xiàn)實測繪中的應(yīng)用。

GPS測量技術(shù)可以顯示和繪制被測物體，讓工作人員進行分析測量，大大減輕了工作人員的負擔(dān)。對于地形危險的地方，這項技術(shù)更能發(fā)揮其作用，大大降低工人的風(fēng)險系數(shù)，提高施工效率，對建設(shè)項目意義重大。

6.城市建設(shè)項目。

城市建設(shè)項目的主要功能是合理開發(fā)城市資源，從而促進城市經(jīng)濟的有序發(fā)展。GPS測繪技術(shù)在城市建設(shè)項目控制網(wǎng)的授時中也起著非常重要的作用，該技術(shù)主要為城市設(shè)計提供可靠的基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)，為城市規(guī)劃提供準確的定位保障。城市發(fā)展過程中，離不開各種資源的支撐，其中土地資源存量是制約城市發(fā)展速度的重要因素。在GPS測繪技術(shù)的應(yīng)用背景下，可以合理評估土地資源流失現(xiàn)狀，從而制定合理的規(guī)劃方案，提高規(guī)劃方案的實用性。

7.測繪數(shù)據(jù)的處理和分析。

（1）設(shè)備采集的第一手資料需要預(yù)處理。采集到的數(shù)據(jù)信息不能直接使用，需要技術(shù)人員對數(shù)據(jù)信息進行全面的分析和處理，消除明顯的偏差和未經(jīng)確認的信息，然后進行補充和完善，保證數(shù)據(jù)信息的準確性和全面性。（2）對預(yù)處理后的數(shù)據(jù)進行再處理。對基礎(chǔ)數(shù)據(jù)信息進行預(yù)處理后，需要進行精確計算。例如平差計算方法、三維和2D計算方法，可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的可靠性。最后，計算和檢查的數(shù)據(jù)可以作為工程測繪的最終數(shù)據(jù)提供給工程施工人員。綜上所述，工程建設(shè)項目日益增多，工程建設(shè)規(guī)模也在不斷擴大。特別是一些技術(shù)問題得到解決，復(fù)雜的工程項目開始建設(shè)，如大型橋梁和隧道的建設(shè)。進行工程項目建設(shè)時，工程測繪是絕對必要的。工程測繪提供的詳細數(shù)據(jù)信息可以為項目后續(xù)方案的制定提供基礎(chǔ)依據(jù)，作為一種先進的測繪技術(shù)，GPS測繪技術(shù)具有操作簡單、精度高、不受時間和空間限制、適應(yīng)性強等優(yōu)點，因此在工程測繪中得到廣泛應(yīng)用。

8.GPS在建立工程的控制網(wǎng)中的應(yīng)用。

測繪控制網(wǎng)是工程建設(shè)的基礎(chǔ)工作，不同的工程規(guī)模對控制網(wǎng)的精度要求不同。一級測繪控制網(wǎng)的精度要求往往比較高，因為作為測繪的參考點，位置坐標必須準確。工程中常用的確定控制網(wǎng)的方法是轉(zhuǎn)角法，即利用測量儀器確定控制線。這種方法在測量范圍比較小的時候方便實用，但在測量范圍比較大的時候就非常有限了，比如大型公路隧道工程。這時，GPS的優(yōu)勢就顯現(xiàn)出來了，全球定位系統(tǒng)具有選擇控制點限制少、精度高、成本低等優(yōu)點。GPS建立的控制網(wǎng)基于載波相位靜差技術(shù)，精度高，可達毫米級。公路隧道工程的特點是縱向距離長，橫向距離小。由于導(dǎo)線法的測量范圍有限，需要用常規(guī)導(dǎo)線法進行多次測量，會造成很大的誤差積累，使用上述技術(shù)可以很好地解決這個問題。由于GPS技術(shù)不需要地面的相互能見度，可以遠距離設(shè)置控制點，形成三角鎖進行測量，大大節(jié)省了人力物力，提高了測量精度。

9.全球定位系統(tǒng)在變形監(jiān)測中的應(yīng)用。

這里的變形監(jiān)測是指高層建筑、大壩、橋梁等大型建筑設(shè)施的變形監(jiān)測。測量的主要項目是地基的沉降位移和建筑物的傾斜位移，這些大型設(shè)施的規(guī)模非常龐大，所處的環(huán)境也非常復(fù)雜，對監(jiān)控的要求非常高。水準測量通常用于測量這些大型設(shè)施的地基沉降，三角測量用于測量建筑物的傾斜度。這些方法費時費力，應(yīng)用GPS技術(shù)更方便。例如，要測量大壩的變形，可以在大壩上選擇幾個控制點，然后在控制點上部署GPS接收機，這樣就可以實時連續(xù)監(jiān)測大壩變形。如果想要遠程獲取數(shù)據(jù)，還需要利用無線傳輸技術(shù)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)中心進行處理，這樣就可以對大壩變形進行實時監(jiān)測。GPS技術(shù)也可用于監(jiān)測路面沉降，實施方法與大壩變形類似，只是沉降監(jiān)測只需要高程數(shù)據(jù)。

三、全球定位系統(tǒng)在工程測量中的野外工作

在GPS的野外測量中，最重要的是選點。結(jié)合實際工程經(jīng)驗，測量場地應(yīng)選擇在設(shè)備安裝方便、視野開闊的地方，包括既有建筑和在建高層建筑的操作層上的適當(dāng)位置。為了有效保證GPS信號不受周圍建筑物的干擾，測量點應(yīng)選在視野周圍無障礙物的地方（包括既有建筑物）。同時，為了便于測量點的延伸觀測和其他用途，測量點也適合選在交通便利的地方。結(jié)合實際工程經(jīng)驗，為了更準確地選擇合理的測點，選址人員應(yīng)前往現(xiàn)場進行實地勘察，根據(jù)現(xiàn)場情況選擇合理的測點。同時，選定的測量點應(yīng)能形成網(wǎng)格，有利于點的連接。測點選定后，可采用埋設(shè)標記，但應(yīng)準確確定測點。同時，應(yīng)確保嵌入測量點的標記可以永久穩(wěn)定。特別是施工現(xiàn)場以外的點，測量點應(yīng)采取有效的保護措施，測量點的命名應(yīng)與建設(shè)單位協(xié)商后確定。

GPS快速靜態(tài)定位的工作原理是通過GPS接收機接收四顆以上通信衛(wèi)星的信號，計算衛(wèi)星與GPS接收機之間的距離，通過衛(wèi)星的位置確定GPS接收機在地心坐標系中的位置，從而計算出多個GPS接收機的相對位置，達到相對定位的目的。在圖根控制測量中，圖根控制網(wǎng)采用4個以上的GPS接收機，采用雙基準站，通過快速靜態(tài)定位測量進行觀測。每個周期的同步觀測衛(wèi)星有效數(shù)量大于4顆，衛(wèi)星數(shù)據(jù)采樣率為15s，衛(wèi)星高度角大于15，PDOP值小于6，每個觀測基線的整周模糊放大因子在1.5以上，保證了衛(wèi)星與接收機之間較強的圖形強度。移動臺的觀測時間為15分鐘，觀測單元之間的移動臺重疊點數(shù)為2。觀測前后用專用的GPS高度計測量儀器的高度，取中位數(shù)作為該站的最終站高。通過數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查，單基線雙差的固定解作為最終結(jié)果。同步環(huán)、異步閉環(huán)、復(fù)測基線差的長度均符合規(guī)范，精度高，在良好的觀測條件下滿足E級GPS的精度要求。

1.在公路測量中的應(yīng)用。

（1）選擇工作時間。隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，國家對公路建設(shè)的投入也在不斷增加。然而，公路工程的地形確實很復(fù)雜。為了保證公路工程的順利開展，有必要科學(xué)地選擇工作時間。在選擇工作時，要結(jié)合當(dāng)?shù)氐奶鞖忸A(yù)報，利用Planning軟件檢查衛(wèi)星在合適的觀測工作時間內(nèi)的幾何分布，合理安排工作時間。（2）建構(gòu)測量工作區(qū)平面控制網(wǎng)。利用GPS靜態(tài)測量技術(shù)和放樣數(shù)據(jù)，確定并構(gòu)建測量工區(qū)平面控制網(wǎng)。可以和國家點聯(lián)合測量，保持5-8公里的點間距，得到控制點的平面?zhèn)葮?。同時，考慮到投影變形的實際情況，對于長度變形較大的區(qū)域要采取一定的措施，以減少長度變形。（3）實現(xiàn)高度測量控制。在測量公路工程高度時，應(yīng)注意正常高度與大地高的換算。由于工藝變化非常復(fù)雜，精度較低，為了保證粘接的標高精度，可以采用水平操作方式，水準點之間的距離應(yīng)控制在4公里。（4）通過運算獲得局部坐標轉(zhuǎn)換參數(shù)。為了做好RTK動態(tài)測量的準備，需要合理選擇局部獨立網(wǎng)格坐標、控制網(wǎng)中的WGS84和高程的公共點，通過計算得到局部坐標的轉(zhuǎn)換參數(shù)。同時，控制點的數(shù)量和均勻分布也與測量精度有關(guān)，控制點的數(shù)量應(yīng)在三個以上。此外，最小二乘法可用于計算和求解局部坐標變換參數(shù)。（5）選擇參考站。在WGS84坐標和局部網(wǎng)格坐標的已知點設(shè)置基準站，為GPS測量技術(shù)創(chuàng)造觀測條件。（6）在辦公室準備資料。待放樣坐標的設(shè)置需要結(jié)合輸入線的起點坐標、直線長度、方位角等數(shù)據(jù)，并使用集成程序進行計算。遇到地形突變的情況，可以在地形突變的位置添加一個點，然后將各處待放樣點的坐標以數(shù)據(jù)文件格式保存，做好辦公數(shù)據(jù)的準備。（7）現(xiàn)場工作。為了初始化流動站，可以在參考點放置接收器、無線電或天線，并使用點校正的方法來確保本地網(wǎng)絡(luò)坐標的準確性，從而確保工作區(qū)域在正確的點范圍內(nèi)。

2.在礦山測量中的應(yīng)用。

GPS測量技術(shù)在礦山測量中的應(yīng)用，可以保證礦區(qū)控制點的加密活動。在實際礦山測量工程中，一旦原平面控制網(wǎng)中的控制點被破壞，控制網(wǎng)的精度將受到很大影響。GPS技術(shù)在控制點加密中的應(yīng)用，可以準確找到控制點所在的坐標點，并對控制點進行加密，保證控制點的精度。而且，在礦區(qū)的測量工作中，可以利用GPS測量技術(shù)獲取鉆孔剖面點、探槽、探井、探坑、地質(zhì)點和近井點的坐標放樣等相關(guān)信息，從而更好地發(fā)揮GPS測量技術(shù)在作業(yè)調(diào)度和地質(zhì)填圖中的作用。

結(jié)語

隨著國家現(xiàn)代化建設(shè)的不斷推進，工程測量技術(shù)在工程建設(shè)中發(fā)揮著越來越重要的作用。GPS定位測量技術(shù)以其高精度、高經(jīng)濟效益的特點和優(yōu)勢廣泛應(yīng)用于工程測繪中，為工程測繪的良好發(fā)展提供了有利的技術(shù)支撐，也為現(xiàn)代城市建設(shè)和工程建設(shè)奠定了堅實的技術(shù)基礎(chǔ)，為提高工程測量的測量精度和保證測量結(jié)果的科學(xué)可靠創(chuàng)造了有利條件，極大地加快了信息全球化的發(fā)展和社會經(jīng)濟的發(fā)展?？茖W(xué)進步推動了全球定位系統(tǒng)測量技術(shù)的發(fā)展。利用全球定位系統(tǒng)技術(shù)不僅可以提高工程測量的精度，而且可以保證工程測量的質(zhì)量，具有很大的優(yōu)勢。然而，這項技術(shù)也有一些缺點。因此，要在應(yīng)用過程中不斷完善，實現(xiàn)GPS測量技術(shù)的價值。測量是項目決策和具體實施的科學(xué)依據(jù)，測量的準確性和數(shù)據(jù)的可靠性對項目管理和具體施工有很大影響。GPS測量技術(shù)具有操作簡單、測量效率高、定位準確等優(yōu)點，具有很大的發(fā)展?jié)摿?。利用GPS測量技術(shù)可以有效提高測量精度，幫助施工人員進行有效的工程分析，保證各項工程的施工和質(zhì)量，進一步促進工程建設(shè)的科學(xué)發(fā)展和施工水平的有效提高。