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    試論高層建筑測(cè)量中GPS技術(shù)的有效運(yùn)用

    2022-09-14 10:37:02楊磊晶
    建材與裝飾 2022年27期
    關(guān)鍵詞:精準(zhǔn)度接收機(jī)基線

    楊磊晶

    (云南工業(yè)技師學(xué)院,云南 曲靖 655000)

    1 GPS技術(shù)測(cè)量的特征

    近幾年,GPS測(cè)量技術(shù)得以在高層建筑施工中大量應(yīng)用。就GPS測(cè)量技術(shù)的優(yōu)勢(shì)來(lái)說(shuō),在高層建筑施工期間,哪怕是密度特別低的基本控制網(wǎng)點(diǎn),也能借助系GPS測(cè)量技術(shù)精準(zhǔn)、快速定位。GPS測(cè)量技術(shù)的顯著特征如下:首先,此技術(shù)的測(cè)量精準(zhǔn)度較高。當(dāng)基線<50km時(shí),其精準(zhǔn)測(cè)量度可實(shí)現(xiàn)1×10-6,若是基線長(zhǎng)度大于1000km,那么,精準(zhǔn)度可實(shí)現(xiàn)1×10-8,顯而易見(jiàn),GPS測(cè)量技術(shù)的精準(zhǔn)度優(yōu)勢(shì)明顯;其次,直接取消測(cè)站間相互通視的需求,使得測(cè)量工作更加靈活。GPS測(cè)量技術(shù)在應(yīng)用過(guò)程中,將測(cè)站間的互相通視的形式直接省去,可直接根據(jù)需求界定測(cè)試點(diǎn);同時(shí),GPS測(cè)量技術(shù)在觀測(cè)時(shí)間層面,也獨(dú)具優(yōu)勢(shì)。在GPS測(cè)量過(guò)程中,靜態(tài)相對(duì)定位的情況下,設(shè)站的時(shí)間只需要20min;若是動(dòng)態(tài)觀測(cè),只需要5~10s;最后,GPS測(cè)量技術(shù)操作簡(jiǎn)便且靈活,能夠?qū)崿F(xiàn)接收機(jī)自動(dòng)化完成測(cè)量作業(yè)。在測(cè)量工作中,測(cè)量工作者僅僅需要將測(cè)量?jī)x器對(duì)中放好。那么,就可以快速量取高度。在開(kāi)機(jī)之后依照測(cè)量要求設(shè)置一定的參數(shù),接收機(jī)就能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化作業(yè)[1]。

    2 高層建筑測(cè)量中GPS技術(shù)的設(shè)計(jì)分析

    2.1 高層建筑測(cè)量中GPS技術(shù)的設(shè)計(jì)依據(jù)

    GPS技術(shù)依據(jù)涉及兩個(gè)層面,一種是測(cè)量任務(wù)書(shū),另外一種是測(cè)量規(guī)范。其中,測(cè)量任務(wù)書(shū)是相關(guān)管理部門(mén)結(jié)合高層建筑的施工狀況,下達(dá)至下級(jí)業(yè)務(wù)部門(mén)的文件;此文件涉及測(cè)量高層建筑的范圍、精度以及目的。測(cè)量任務(wù)書(shū)是一種指令性的文件,當(dāng)下級(jí)部門(mén)收到文件指示以后,一定要嚴(yán)格依照測(cè)量任務(wù)書(shū)的規(guī)定執(zhí)行設(shè)計(jì)并施工。而測(cè)量規(guī)范是指國(guó)家相關(guān)部門(mén)制定的硬性技術(shù)指標(biāo),明確界定GPS測(cè)量技術(shù)的實(shí)施步驟及要求。如測(cè)量部門(mén)針對(duì)建筑施工制定的全球性定位測(cè)量規(guī)范以及建設(shè)部門(mén)制定的有關(guān)GPS技術(shù)在城市測(cè)量中的相關(guān)規(guī)范等。

    2.2 測(cè)量精度設(shè)計(jì)

    GPS測(cè)量設(shè)計(jì)精準(zhǔn)度的過(guò)程中會(huì)受到多種因素的影響,其中,GPS網(wǎng)的用途是影響GPS測(cè)量設(shè)計(jì)精準(zhǔn)度的重要因素。在城市或者工程網(wǎng)內(nèi),能夠結(jié)合相鄰兩點(diǎn)的距離劃分測(cè)量等級(jí),此方式可以有效地測(cè)量精準(zhǔn)度。在等級(jí)劃分過(guò)程中,嚴(yán)格界定城市、工程網(wǎng)的觀測(cè)點(diǎn)。以相鄰兩個(gè)觀測(cè)點(diǎn)的間距作為劃分依據(jù),分別設(shè)置四個(gè)等級(jí)。一般而言,在高層建筑中兩個(gè)相鄰的觀測(cè)點(diǎn)的間距不會(huì)超過(guò)1km,通常在2級(jí)測(cè)量范圍內(nèi)。在測(cè)量精準(zhǔn)度設(shè)計(jì)期間可結(jié)合等效距離的誤差公式,具體如下。

    式中:a——接收機(jī)的誤差,并且誤差值一定要低于15mm;b——比例誤差,誤差值不能超過(guò)20ppm·D;d——GPS網(wǎng)中的相鄰點(diǎn)的間距,誤差不能超過(guò)1km。

    GPS網(wǎng)技術(shù)設(shè)計(jì)的核心要素則是精度標(biāo)準(zhǔn),精度的大小關(guān)乎GPS網(wǎng)的設(shè)計(jì)方案、觀測(cè)數(shù)據(jù)以及觀測(cè)計(jì)劃等處理方式。通常來(lái)說(shuō),如果邊長(zhǎng)低于200m,那么邊長(zhǎng)中的誤差不能超過(guò)20mm。在高層建筑施工期間,需要結(jié)合實(shí)際需要的人力、財(cái)力及物力等綜合情況,合理設(shè)計(jì)精度標(biāo)準(zhǔn),或者結(jié)合建筑企業(yè)其他部門(mén)現(xiàn)有的作業(yè)經(jīng)驗(yàn)及生產(chǎn)流程進(jìn)行設(shè)計(jì)[2]。

    2.3 高層建筑測(cè)量中GPS網(wǎng)的構(gòu)成和圖形設(shè)計(jì)

    2.3.1 GPS網(wǎng)同步圖形的獨(dú)立邊設(shè)計(jì)

    經(jīng)過(guò)GPS網(wǎng)設(shè)計(jì)的理論,可推算出,如果GPS接收機(jī)有N臺(tái),共同構(gòu)成同步圖形中一個(gè)特定時(shí)段的GPS基線數(shù)如下。

    然而,其中獨(dú)立存在的GPS邊只有N-1條,剩下的則是非獨(dú)立的GPS邊長(zhǎng),如果接收機(jī)N=2~5時(shí),其構(gòu)成的同步圖形如圖1所示。

    圖1 N臺(tái)GPS接收機(jī)同步的觀測(cè)圖形

    如果同步觀測(cè)的GPS接收機(jī)超過(guò)3個(gè),那么,同步閉合的最小個(gè)數(shù)如下。

    就理論層面而言,同步閉合環(huán)節(jié)中的每個(gè)GPS邊的坐標(biāo)差之和應(yīng)該是零。然而,各個(gè)GPS接收機(jī)無(wú)法同步,使得同步閉合環(huán)的差值也無(wú)法是零。所以,GPS規(guī)范明確界定了同步閉合限差的規(guī)定。在實(shí)際測(cè)量過(guò)程中,如果同步閉合差值較高,那么,需要嚴(yán)格遵循線差的要求;不然,就要結(jié)合高層建筑實(shí)際情況適當(dāng)放寬限差。在實(shí)際測(cè)量過(guò)程中,如果同步環(huán)閉合線差較小,那么,只能表明GPS基線向量的計(jì)算剛剛達(dá)到基本要求,無(wú)法代表GPS邊的觀測(cè)精度。為了充分保障GPS測(cè)量的精準(zhǔn)度,及時(shí)發(fā)現(xiàn)測(cè)量誤差,那么,一定要使GPS獨(dú)立邊構(gòu)成特定的幾何圖形。這類幾何圖形,可能由多條GPS獨(dú)立邊構(gòu)成非同步的多邊形,如四邊形、六邊形等。如果GPS網(wǎng)中起算點(diǎn)有若干個(gè),那么,可用兩個(gè)起算點(diǎn)之間的多余GPS獨(dú)立邊,構(gòu)成合格線路。而相對(duì)于異步環(huán)的構(gòu)成而言,需要事先選定網(wǎng)圖進(jìn)行設(shè)計(jì),如果需要的話,需要審核通過(guò),或者結(jié)合工程的實(shí)際情況優(yōu)化調(diào)整。如果接收機(jī)超過(guò)3臺(tái),依照軟件功能自動(dòng)挑選獨(dú)立基線構(gòu)成環(huán)路。N,J,T之間的關(guān)系如表1所示。

    表1 N,J,T之間的關(guān)系

    2.3.2 GPS圖形網(wǎng)的設(shè)計(jì)

    GPS網(wǎng)的圖形設(shè)計(jì)主要由用戶的要求所決定,還涉及人力、物力、接收設(shè)備的類型、財(cái)力等多種和網(wǎng)設(shè)計(jì)有關(guān)的因素。高層建筑測(cè)量工程錯(cuò)綜復(fù)雜,需采取合理、科學(xué)的方式,在滿足用戶要求的同時(shí),將各項(xiàng)誤差降到最低。

    (1)GPS網(wǎng)的圖形設(shè)計(jì)原則。

    GPS網(wǎng)通常借助非獨(dú)立同步觀測(cè)邊構(gòu)成符合線路和若干個(gè)閉合環(huán),以此來(lái)強(qiáng)化測(cè)量的條件,提升GPS網(wǎng)的可靠性和穩(wěn)定性。GPS網(wǎng)點(diǎn)需和原有地面的控制網(wǎng)點(diǎn)有效結(jié)合;同時(shí)確保重合的點(diǎn)不能低于3個(gè),如果重合點(diǎn)低于3個(gè),需要進(jìn)行聯(lián)測(cè),同時(shí),網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)需均勻分布,進(jìn)而能精準(zhǔn)確定GPS網(wǎng)和地面網(wǎng)之間的轉(zhuǎn)換參數(shù)。為了保障GPS測(cè)量工作的精準(zhǔn)性,可適時(shí)采用城市坐標(biāo)系統(tǒng),標(biāo)識(shí)所有符合GPS網(wǎng)點(diǎn)要求的舊網(wǎng)點(diǎn)[3]。

    (2)GPS網(wǎng)的圖形形式。

    一般而言,GPS網(wǎng)的獨(dú)立觀測(cè)邊一定要構(gòu)成幾何圖形。圖形形式通常有星形網(wǎng)、環(huán)形網(wǎng)以及三角形網(wǎng)等。三角形網(wǎng)是由非同步的三角形邊及獨(dú)立觀測(cè)邊組成,其優(yōu)勢(shì)特征顯著,如自己的能力好、穩(wěn)定性高、幾何結(jié)構(gòu)強(qiáng)等,經(jīng)平差后網(wǎng)中相鄰點(diǎn)間基線向量的精度分布均勻。三角形網(wǎng)的不足之處是觀測(cè)量過(guò)大,特別是接收機(jī)數(shù)量欠缺時(shí),將會(huì)降低觀測(cè)的效率和質(zhì)量。所以,如果對(duì)GPS網(wǎng)要求較高,可運(yùn)用此種圖形;與此同時(shí),還有環(huán)形網(wǎng),由多個(gè)獨(dú)立觀測(cè)條閉合而成。圖形的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不如三角形。環(huán)形的優(yōu)勢(shì)在于觀測(cè)量小,可靠性及自檢性較好,不足之處是對(duì)于不是直接觀測(cè)的基線條,其精準(zhǔn)度會(huì)明顯降低,使得相鄰點(diǎn)間的基線精度分布不均;還有星形條,幾何圖形簡(jiǎn)單,每個(gè)直接觀測(cè)邊不會(huì)構(gòu)成任何閉合圖形,因此,檢驗(yàn)和誤差值較大。不過(guò),這種圖形的網(wǎng)僅需兩臺(tái)接收機(jī)便能作業(yè);如果用三臺(tái)儀器,可將一臺(tái)作為中心站,另外兩臺(tái)用于作業(yè)流動(dòng),不會(huì)受同步條件的約束。采用WGS-84的坐標(biāo)系測(cè)定點(diǎn)位坐標(biāo),每點(diǎn)坐標(biāo)則要用坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)實(shí)行轉(zhuǎn)換。

    在高層建筑中測(cè)量GPS網(wǎng)的圖形一般采用環(huán)形網(wǎng)或者三角形網(wǎng)。如果條件允許,也可融合環(huán)形網(wǎng)和三角形網(wǎng)同時(shí)運(yùn)用,進(jìn)而形成混合網(wǎng),混合網(wǎng)在保障網(wǎng)幾何強(qiáng)度的同時(shí),還能充分保障網(wǎng)的穩(wěn)定性,進(jìn)而有效降低高層建筑的施工成本及施工量。因此,混合網(wǎng)應(yīng)該是高層建筑測(cè)量中GPS測(cè)量的首選,如圖2所示。

    圖2 環(huán)形網(wǎng)和三角形網(wǎng)混合連接的圖形

    由圖2可以看出,三臺(tái)接收器的觀測(cè)方案可以構(gòu)成10個(gè)同步三角形,6條復(fù)測(cè)基線邊,2個(gè)異步環(huán)。獨(dú)立基線數(shù)是20條,總基線數(shù)是29條。圖3的圖線呈封閉狀,可靠指標(biāo)有效提升,相比較環(huán)形網(wǎng),其外部作業(yè)量明顯減少[4]。

    2.3.3 GPS網(wǎng)基準(zhǔn)設(shè)計(jì)

    GPS測(cè)量所獲得的數(shù)據(jù)是GPS的基線量,位于WGS-84坐標(biāo)系,是一種三維坐標(biāo)差。但是高層建筑施工的標(biāo)準(zhǔn)坐標(biāo)系是地方獨(dú)立坐標(biāo)系或者國(guó)家坐標(biāo)系。因此,GPS網(wǎng)在技術(shù)設(shè)計(jì)過(guò)程中,需清晰界定GPS成果的起算數(shù)據(jù)和坐標(biāo)體系,也就是GPS的基準(zhǔn)設(shè)計(jì)。GPS網(wǎng)的基準(zhǔn)包含尺度、方位、位置。尺度基準(zhǔn)的確定方式由地面的電磁波觀測(cè)的數(shù)據(jù)邊所決定,也可借助GPS基線的向量距離決定。GPS的方位基準(zhǔn)通常用既定的起算方位界定,或者GPS基線向量的方位決定方位基準(zhǔn)。而GPS網(wǎng)的位置基準(zhǔn)則是通過(guò)既定的起算坐標(biāo)所決定。所以,GPS網(wǎng)的基準(zhǔn)設(shè)計(jì),主要是為了確定網(wǎng)的位置基準(zhǔn)。

    高層建筑測(cè)量GPS網(wǎng)基準(zhǔn)設(shè)計(jì)時(shí),可注意以下3點(diǎn):①為了確定GPS點(diǎn)在地面坐標(biāo)系的坐標(biāo),需合理選定計(jì)算數(shù)據(jù),并聯(lián)測(cè)若干個(gè)控制點(diǎn),以此來(lái)轉(zhuǎn)換坐標(biāo)。在選定聯(lián)測(cè)點(diǎn)的過(guò)程中,可借助舊材料,提升新材料的精準(zhǔn)度。②除了未知點(diǎn)連接圖形觀測(cè)以外,也要適當(dāng)構(gòu)成長(zhǎng)邊圖形,以此來(lái)降低GPS網(wǎng)約束平差后的誤差以及坐標(biāo)的均勻性。③經(jīng)平差計(jì)算GPS網(wǎng)之后,可以計(jì)算出GPS點(diǎn)在地面參照坐標(biāo)系的高度,為了充分保障GPS點(diǎn)的正常值,可結(jié)合高層建筑的觀測(cè)情況,計(jì)算分析符合精度的觀測(cè)要求,以便更好地應(yīng)用于高層建筑施工。

    3 高層建筑測(cè)量中GPS技術(shù)的應(yīng)用策略

    以我國(guó)某省高層建筑為例,在高層建筑中應(yīng)用GPS定位技術(shù),首先,需建立并確定大地坐標(biāo)系(WGS-84)和工程施工坐標(biāo)系的內(nèi)在的轉(zhuǎn)換關(guān)系,以便為后期施測(cè)GPS基準(zhǔn)傳遞使用。

    3.1 GPS測(cè)量基準(zhǔn)建立

    此高層建筑施工坐標(biāo)系,屬于獨(dú)立高層建筑工程施工的獨(dú)立坐標(biāo)系。為了便于放樣,4個(gè)測(cè)量基點(diǎn)數(shù)設(shè)置在主體建筑物內(nèi),也就是內(nèi)控法。根據(jù)建筑施工場(chǎng)地小、周期短、精度高等特征,在高層建筑的施工圍墻外增設(shè)兩個(gè)較為穩(wěn)定的臨時(shí)基準(zhǔn)點(diǎn)XM01和XM02,將兩個(gè)臨時(shí)基準(zhǔn)點(diǎn)作為GPS基準(zhǔn)傳遞的基準(zhǔn),如圖3所示。

    圖3 GPS施工測(cè)量基準(zhǔn)點(diǎn)

    上述兩個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)的作用是在測(cè)量過(guò)程中將其中一點(diǎn)固定,作為GPS測(cè)量的起算點(diǎn);將兩點(diǎn)固定,可將此作為起算方位,進(jìn)而精準(zhǔn)確定GPS的網(wǎng)平差和測(cè)量基準(zhǔn),保障每次都能夠形成統(tǒng)一的起算方位和基準(zhǔn)。將初次測(cè)量GPS的定位基準(zhǔn)作為GPS的起算方位和坐標(biāo)。同時(shí),每次轉(zhuǎn)換GPS測(cè)量成果時(shí)一定要采用統(tǒng)一的轉(zhuǎn)換參數(shù),充分保障坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成果基準(zhǔn)的一致性,轉(zhuǎn)換參數(shù)同樣是由首次GPS測(cè)量所決定[5]。

    3.2 GPS測(cè)量基準(zhǔn)點(diǎn)的位置

    XM01點(diǎn)設(shè)置在高層建筑的屋面上,此建筑的屋面便于保護(hù)、使用和設(shè)點(diǎn)。點(diǎn)位和建筑主體間距是90m,天空通視情況較好。XM02點(diǎn)設(shè)置在高層建筑施工圍墻外的混凝土路面上,點(diǎn)位基礎(chǔ)穩(wěn)定牢固,不會(huì)過(guò)多的有交通影響,有利于設(shè)點(diǎn),點(diǎn)位和高層建筑主體的間距是140m。

    3.3 GPS測(cè)量基準(zhǔn)傳遞

    此高層建筑的GPS測(cè)量處于傳統(tǒng)建筑的首次試驗(yàn),測(cè)量方案和實(shí)施計(jì)劃嚴(yán)格依照國(guó)家及測(cè)量行業(yè)的規(guī)范所制定。為了充分保障高層建筑的正常施工,選定局部樓層實(shí)行GPS測(cè)量基準(zhǔn)傳遞,對(duì)比分析測(cè)量結(jié)果可知,GPS測(cè)量能夠充分滿足高層建筑的應(yīng)用需求。

    4 結(jié)語(yǔ)

    綜上所述,GPS測(cè)量技術(shù)在高層建筑中的有效應(yīng)用,能夠充分保障高層建筑測(cè)量的精準(zhǔn)度、效率及質(zhì)量,在我國(guó)建筑行業(yè)中的實(shí)施效果顯著。相比較傳統(tǒng)的建筑施工定位技術(shù),GPS測(cè)量技術(shù)優(yōu)勢(shì)較多,能夠最大限度降低測(cè)量的工作量和人工誤差,實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)傳遞和高效定位,對(duì)樓層施工控制網(wǎng)基點(diǎn)的選擇約束較小。

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