試論GPS技術(shù)在工程測(cè)繪中的應(yīng)用與改進(jìn)

任舒寧 劉柘銳 楊保增 趙文龍

1. 珠海華成電力設(shè)計(jì)院有限公司 廣東 珠海 519000 2. 國(guó)家石油天然氣管網(wǎng)集團(tuán)有限公司 廣東 深圳 518040 3. 北京興油項(xiàng)目管理有限公司 北京 100029 4. 中國(guó)寰球工程有限公司北京分公司 北京 100012

傳統(tǒng)的測(cè)繪技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中存在較大的缺陷與問(wèn)題，隨著現(xiàn)代技術(shù)的不斷發(fā)展，GPS技術(shù)也逐漸應(yīng)用于測(cè)繪工作中，擁有廣闊的發(fā)展前景。通過(guò)對(duì)GPS測(cè)繪技術(shù)的開(kāi)發(fā)和利用，已經(jīng)逐漸解決了傳統(tǒng)測(cè)繪技術(shù)存在的精準(zhǔn)度查和效率低等問(wèn)題，同時(shí)因?yàn)槠淇刹僮餍愿?，現(xiàn)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于測(cè)繪工程中，取得了較好的測(cè)繪效果。利用GPS技術(shù)所開(kāi)展的測(cè)繪工作，不僅保障了工程質(zhì)量，同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了測(cè)繪功能的不斷發(fā)展。

1 GPS技術(shù)概述

GPS系統(tǒng)主要由空間部分、地面部分和用戶設(shè)備部分這三部分組成，空間部分也就是衛(wèi)星星座，地面部分則主要是由地面監(jiān)測(cè)系統(tǒng)構(gòu)成，而用戶設(shè)備部分就是GPS接收機(jī)械[1]。根據(jù)測(cè)繪工程的實(shí)際需要，在某一確定位置設(shè)定信號(hào)的接收裝置，這樣地面部分就能夠接收來(lái)自GPS空間部分的數(shù)據(jù)信息，同時(shí)也會(huì)對(duì)所得到的信息進(jìn)行分析與處理，反饋給用戶設(shè)備部分，最終獲得比較詳細(xì)的地理坐標(biāo)系信息。

GPS技術(shù)因?yàn)槠渥陨硖攸c(diǎn)，所以被廣泛應(yīng)用在測(cè)繪工作中。一方面，GPS技術(shù)功能性較強(qiáng)，能夠測(cè)繪的范圍非常廣泛；利用GPS技術(shù)，可以在較大范圍內(nèi)進(jìn)行高準(zhǔn)確度的測(cè)量，同時(shí)，在進(jìn)行實(shí)時(shí)定位時(shí)，精準(zhǔn)度可以達(dá)到分米或者厘米單位，并且誤差相對(duì)較小[2]。另一方面，GPS技術(shù)準(zhǔn)確性較高，將GPS技術(shù)應(yīng)用于測(cè)繪工程，其動(dòng)態(tài)化和靜態(tài)化的測(cè)繪操作都妥善解決了傳統(tǒng)測(cè)繪模式下的問(wèn)題，并且也能夠?qū)y(cè)繪結(jié)果的精準(zhǔn)度控制在標(biāo)準(zhǔn)之內(nèi)；利用GPS技術(shù)，從而建立起三維坐標(biāo)，實(shí)現(xiàn)對(duì)所有信息數(shù)據(jù)的高精準(zhǔn)度測(cè)繪。最后，GPS測(cè)繪技術(shù)還擁有經(jīng)濟(jì)性的特點(diǎn)，根據(jù)有關(guān)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，與傳統(tǒng)測(cè)繪工程相比，GPS技術(shù)的應(yīng)用能夠節(jié)省費(fèi)用資金，一是因?yàn)镚PS測(cè)繪技術(shù)擁有較高的效率，所以縮短了測(cè)繪工作進(jìn)行的時(shí)間；二是因?yàn)镚PS測(cè)繪工作和測(cè)量站之間互通性較低，這樣也實(shí)現(xiàn)了時(shí)間和人力資源的節(jié)省。

2 GPS技術(shù)在工程測(cè)繪中的應(yīng)用

首先是選擇測(cè)繪點(diǎn)和建立測(cè)繪標(biāo)志，無(wú)論是測(cè)繪點(diǎn)還是測(cè)繪標(biāo)志的選擇，都應(yīng)該便于接收機(jī)的運(yùn)輸和安裝工作，并且還需要選在視野開(kāi)闊的位置，能夠遠(yuǎn)離電磁波的干擾。接下來(lái)是外業(yè)觀測(cè)，這一環(huán)節(jié)主要工作包含設(shè)備天線的布置、觀測(cè)實(shí)踐以及數(shù)據(jù)記錄，其中天線的布置又可分為定中心和選取方向；在進(jìn)行觀察記錄過(guò)程中，需要將有關(guān)結(jié)果存儲(chǔ)在接收端的內(nèi)存中，這樣也方便后續(xù)工作的進(jìn)行，對(duì)有關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行及時(shí)查找與利用[3]。然后是GPS布網(wǎng)，在利用有關(guān)測(cè)量技術(shù)時(shí)，這一環(huán)節(jié)是非常重要的，必須要將三焦同步圖形精準(zhǔn)畫(huà)出，確保GPS網(wǎng)的穩(wěn)定進(jìn)行；同時(shí)對(duì)于各個(gè)工程測(cè)繪區(qū)域，所開(kāi)展的GPS布網(wǎng)需要基于區(qū)域的實(shí)際地形地貌特點(diǎn)，利用信息公網(wǎng)對(duì)GPS布網(wǎng)進(jìn)行優(yōu)化與改進(jìn)，進(jìn)一步增強(qiáng)GPS技術(shù)應(yīng)用的穩(wěn)固性，方便在日后工程測(cè)繪工作中可以利用GPS布網(wǎng)及時(shí)得到有效數(shù)據(jù)內(nèi)容[4]。除此以外，還需要進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，又被稱(chēng)為RTK技術(shù)，需要在地面觀測(cè)點(diǎn)安裝GPS接收器，并將其作為準(zhǔn)確觀測(cè)點(diǎn)，然后與GPS衛(wèi)星相連接，方便接收測(cè)量信息，實(shí)現(xiàn)內(nèi)容的實(shí)時(shí)采集。最后是成果的校對(duì)和數(shù)據(jù)處理，這是為了確保測(cè)繪工作的準(zhǔn)確性，同時(shí)也能夠達(dá)到預(yù)期的定位精度；當(dāng)完成有關(guān)觀察工作以后，需要按照規(guī)定對(duì)結(jié)果進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)預(yù)處理并檢查分析，若是結(jié)果不合格，則就需要進(jìn)行重新測(cè)試[5]。

3 GPS技術(shù)在工程測(cè)繪中的應(yīng)用案例分析

3.1 項(xiàng)目任務(wù)

受珠海華成電力設(shè)計(jì)院股份有限公司委托，深圳地質(zhì)建設(shè)工程公司承擔(dān)了國(guó)家管網(wǎng)深圳液化天然氣應(yīng)急調(diào)峰站項(xiàng)目接收站工程外電線路工程施工控制測(cè)量工作，本次施工控制測(cè)量主要內(nèi)容是以下幾點(diǎn)。

（1）D級(jí)GPS衛(wèi)星定位控制網(wǎng)布測(cè)。

（2）E級(jí)GPS衛(wèi)星定位控制網(wǎng)布測(cè)。

（3）四等水準(zhǔn)網(wǎng)布測(cè)。

（4）原施工控制點(diǎn)復(fù)測(cè)。

3.2 任務(wù)范圍及完成的工作量

本次測(cè)量范圍為國(guó)家管網(wǎng)深圳液化天然氣應(yīng)急調(diào)峰站項(xiàng)目接收站工程外電線路工程線路正線全長(zhǎng)約9.1公里。

3.3 測(cè)區(qū)概況

國(guó)家管網(wǎng)深圳液化天然氣應(yīng)急調(diào)峰站項(xiàng)目接收站工程外電線路工程位于深圳大鵬新區(qū)，測(cè)區(qū)線路東西兩邊臨海，南北兩面環(huán)山植物茂盛且大部分為山地，地形較為復(fù)雜，通行通視條件差。受海洋影響，多雨霧，常受臺(tái)風(fēng)吹襲，地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)程度較高。由于正處在深圳新冠疫情管控期間（全市地鐵公交停運(yùn)，單位企業(yè)停工停產(chǎn)7天）。所有企事業(yè)單位、建筑工地及街道社區(qū)等進(jìn)行最嚴(yán)格的圍合封閉管理，拒絕人員出入。疫情給本次測(cè)量工作帶來(lái)極大困難。

3.4 既有資料情況

測(cè)區(qū)范圍內(nèi)有歷年深圳市規(guī)劃和自然資源局測(cè)繪的基本圖（1:1000地形圖）用于項(xiàng)目踏勘選點(diǎn)，已有控制點(diǎn)、水準(zhǔn)點(diǎn)點(diǎn)位查找，基于充分利用既有資源的原則，沿線共收集到既有控制資料情況如下：

（1）平面控制點(diǎn)

由于深圳市規(guī)劃和自然資源局布設(shè)在測(cè)區(qū)附近的高等級(jí)控制點(diǎn)破壞嚴(yán)重，且個(gè)別未破壞的點(diǎn)位無(wú)法滿足本次控制網(wǎng)布設(shè)需求，本次擬布設(shè)4個(gè)D級(jí)GPS控制點(diǎn)，D級(jí)GPS控制點(diǎn)將采用廣東省CORS中心解算，為國(guó)家2000大地坐標(biāo)系成果。E級(jí)衛(wèi)星定位控制網(wǎng)則以D級(jí)GPS控制點(diǎn)作為起算點(diǎn)。

（2）高程控制點(diǎn)

本次收集到深圳市規(guī)劃和自然資源局1998年7月布設(shè)在測(cè)區(qū)附近的二等水準(zhǔn)點(diǎn)：II葵大2、II葵大7，為1956年黃海高程系，作為本次控制網(wǎng)高程起算點(diǎn)。

3.5 測(cè)繪技術(shù)方案執(zhí)行情況

3.5.1 平面控制網(wǎng)觀測(cè)方案的執(zhí)行情況

（1）平面控制網(wǎng)布設(shè)

1.在D級(jí)衛(wèi)星定位控制網(wǎng)的基礎(chǔ)上，沿線路走向分別構(gòu)建了E級(jí)衛(wèi)星定位控制網(wǎng)；其中D級(jí)GPS控制點(diǎn)4個(gè)，E級(jí)GPS控制點(diǎn)數(shù)19個(gè)。

2.E級(jí)衛(wèi)星定位控制網(wǎng)附合在D級(jí)GPS控制點(diǎn)上，E級(jí)衛(wèi)星定位控制網(wǎng)最短邊長(zhǎng)不低于350m，每個(gè)控制點(diǎn)至少有1個(gè)通視點(diǎn)。

3.構(gòu)成的異步閉合環(huán)或附合路線中的邊數(shù)均不大于6。

4.由于外電線路工程設(shè)計(jì)在大鵬灣北側(cè)臨山位置，布設(shè)控制點(diǎn)通行、通視條件困難。加之受新冠疫情影響，各街道社區(qū)、企業(yè)、小區(qū)等實(shí)行最嚴(yán)格的封閉管理，設(shè)卡圍合、部分道路封閉，外來(lái)人員和車(chē)輛通行困難，嚴(yán)格的防疫措施給布設(shè)控制點(diǎn)帶來(lái)了很大的困難。

（2）選點(diǎn)、埋石

1.點(diǎn)位的選擇必須要遵循能夠長(zhǎng)久保存和測(cè)繪方便的原則，并且不能夠受到來(lái)自施工變性的影響，有利于下級(jí)網(wǎng)擴(kuò)展和聯(lián)測(cè)。

2.所選點(diǎn)位附近還應(yīng)該確保沒(méi)有較大面積的水域，同時(shí)也不能夠存在有對(duì)電磁波反射較為強(qiáng)烈的物體；同時(shí)，選點(diǎn)位置應(yīng)該距離無(wú)線電發(fā)射裝置200m以外，距離高壓輸電線距離50m以外。

3.點(diǎn)位大多選在線路兩側(cè)堅(jiān)固的永久性建筑物頂承重結(jié)構(gòu)上，并確保與相鄰?fù)ㄒ暱刂泣c(diǎn)間的垂直角小于30°。

4.衛(wèi)星定位控制點(diǎn)點(diǎn)位的選擇考慮到了避開(kāi)施工的影響，遠(yuǎn)離線位一定距離。

5.D級(jí)衛(wèi)星定位控制點(diǎn)編號(hào)以“L-01”為冠號(hào)，分別編號(hào)為L(zhǎng)-01、L-02、L-03、L-04；E級(jí)衛(wèi)星定位控制點(diǎn)編號(hào)以“E-01”為冠號(hào)，分別編號(hào)為E-01、E-02、E-03……E-19；

6.位于構(gòu)筑物頂上的衛(wèi)星定位控制點(diǎn)均為水泥墩，墩頂部為20×20cm，底部為30×30cm，高為15cm，頂部中央為Φ20mm不銹鋼標(biāo)志，埋設(shè)時(shí)對(duì)樓板進(jìn)行了打鑿并砸入水泥釘，便于與樓面連接牢固，保證穩(wěn)定，采用速凝水泥填入水泥墩各邊角縫隙，為樓頂做防漏水處理。

7.地面點(diǎn)標(biāo)石埋設(shè)混凝土預(yù)制樁，預(yù)制樁尺寸頂部為20×20cm，底部為40×40cm，深為40cm，頂部中央為Φ20mm不銹鋼筋；位于水泥路面的點(diǎn)，則用沖擊鉆在路面打孔，并將測(cè)量標(biāo)志用植筋膠固定，埋設(shè)于水泥路面以下，且樁面有“測(cè)量控制點(diǎn)”字樣。

8.本次D級(jí)衛(wèi)星定位控制網(wǎng)共布設(shè)4個(gè)點(diǎn)，E級(jí)衛(wèi)星定位控制網(wǎng)共布設(shè)19個(gè)點(diǎn)，E級(jí)衛(wèi)星定位控制點(diǎn)應(yīng)滿足至少有一個(gè)以上通視方向的要求。

（3）平面控制網(wǎng)測(cè)量

本次作業(yè)采用4臺(tái)南方S86及1臺(tái)南方銀河1雙頻GNSS接收機(jī)作業(yè)。采用靜態(tài)相對(duì)定位原理進(jìn)行，根據(jù)預(yù)報(bào)星歷選擇最佳觀測(cè)時(shí)間，按照設(shè)計(jì)網(wǎng)形進(jìn)行觀測(cè)。

本次衛(wèi)星定位控制網(wǎng)分兩級(jí)布設(shè)，首先在全線范圍內(nèi)建立D級(jí)衛(wèi)星定位控制網(wǎng)。D級(jí)衛(wèi)星定位控制網(wǎng)基線的觀測(cè)時(shí)間不短于60分鐘，平均重復(fù)觀測(cè)時(shí)段數(shù)不少于1.6，本工程D級(jí)衛(wèi)星定位控制網(wǎng)平均重復(fù)觀測(cè)時(shí)段數(shù)為2.0；然后進(jìn)行E級(jí)衛(wèi)星定位控制網(wǎng)的觀測(cè)，觀測(cè)時(shí)間不短于40分鐘，平均重復(fù)觀測(cè)時(shí)段數(shù)不少于1.6，本工程E級(jí)衛(wèi)星定位控制網(wǎng)平均重復(fù)觀測(cè)時(shí)段數(shù)為1.8。

（4）數(shù)據(jù)處理

1.D級(jí)衛(wèi)星定位控制網(wǎng)數(shù)據(jù)處理

D級(jí)衛(wèi)星定位控制網(wǎng)的觀測(cè)采用雙頻GNSS接收機(jī)，其固定誤差a不大于5mm，比例誤差系數(shù)b不大于1mm/km。本次工程的D級(jí)衛(wèi)星定位控制網(wǎng)的數(shù)據(jù)提交由廣東省CORS中心解算成果。

2.E級(jí)衛(wèi)星定位控制網(wǎng)數(shù)據(jù)處理

首先將E級(jí)衛(wèi)星定位控制網(wǎng)衛(wèi)星定位控制網(wǎng)原始觀測(cè)文件導(dǎo)入南方SGO2.2GNSS靜態(tài)處理軟件進(jìn)行處理，還需要符合點(diǎn)號(hào)、天線量高方式、天線高等有關(guān)數(shù)據(jù)。其次，基線解算采用廣播星歷和南方SGO2.2GNSS靜態(tài)處理軟件進(jìn)行解算。最后對(duì)基線解算質(zhì)量不符合要求或環(huán)閉合差超限的均進(jìn)行了補(bǔ)測(cè)。

3.無(wú)約束平差計(jì)算

全部重復(fù)基線及異步環(huán)滿足要求后，采用中國(guó)鐵設(shè)與同濟(jì)大學(xué)測(cè)量系聯(lián)合開(kāi)發(fā)的TGPPSWin32軟件進(jìn)行整網(wǎng)平差計(jì)算。

4.約束平差計(jì)算

本段E級(jí)衛(wèi)星定位控制網(wǎng)以D級(jí)衛(wèi)星定位控制網(wǎng)計(jì)算得到的控制點(diǎn)作為約束平差的起算點(diǎn)。

（5）E級(jí)衛(wèi)星定位控制點(diǎn)設(shè)站檢查

按照規(guī)范要求，采用常規(guī)測(cè)量方法對(duì)所有E級(jí)衛(wèi)星定位控制點(diǎn)進(jìn)行邊長(zhǎng)、角度檢核。使用徠卡TCRP1201全站儀在三等衛(wèi)星定位控制點(diǎn)設(shè)站,實(shí)測(cè)各點(diǎn)夾角及邊長(zhǎng)、角度檢測(cè)值與反算值較差，精度滿足規(guī)范要求。

3.5.2 高程控制網(wǎng)測(cè)量

國(guó)家管網(wǎng)深圳液化天然氣應(yīng)急調(diào)峰站項(xiàng)目接收站工程外電線路工程施工控制測(cè)量，采用四等水準(zhǔn)路線觀測(cè)。

（1）高程控制網(wǎng)布設(shè)及選點(diǎn)埋石

依據(jù)《國(guó)家三、四等水準(zhǔn)測(cè)量規(guī)范》（GB／T12898-2009）、本次項(xiàng)目的要求，延設(shè)計(jì)線路已布設(shè)在道路周邊的E級(jí)GPS控制點(diǎn)進(jìn)行水準(zhǔn)測(cè)量。本階段共計(jì)施測(cè)水準(zhǔn)點(diǎn)17個(gè)。起始點(diǎn)為E-04，終點(diǎn)為L(zhǎng)-01。水準(zhǔn)路線起始于深圳市二等水準(zhǔn)點(diǎn)II葵大7，附合到深圳市二等水準(zhǔn)點(diǎn)II葵大2。

（2）外業(yè)觀測(cè)

四等等水準(zhǔn)網(wǎng)測(cè)量采用徠卡DNA03電子水準(zhǔn)儀及與電子水準(zhǔn)儀配套的3m銦鋼水準(zhǔn)尺，自動(dòng)觀測(cè)記錄。

（3）數(shù)據(jù)處理

平差前進(jìn)行附合水準(zhǔn)路線閉合差檢核和每千米水準(zhǔn)測(cè)量的高差偶然中誤差計(jì)算。本次外業(yè)測(cè)量按照四等水準(zhǔn)規(guī)范要求行附和水準(zhǔn)線路測(cè)量。計(jì)算得到每千米水準(zhǔn)測(cè)量的高差偶然中誤差為1.1mm，小于限差的±5mm。

在數(shù)據(jù)處理時(shí)，首先開(kāi)展全線附合水準(zhǔn)路線閉合差統(tǒng)計(jì)。經(jīng)統(tǒng)計(jì)計(jì)算本線附合水準(zhǔn)路線閉合差均滿足規(guī)范要求。

為了印證本次測(cè)量數(shù)據(jù)的可靠性，質(zhì)檢按照《國(guó)家三、四等水準(zhǔn)測(cè)量規(guī)范》中的四等水準(zhǔn)測(cè)量的有關(guān)規(guī)定執(zhí)行，本線共檢查了3個(gè)測(cè)段，檢測(cè)高差與測(cè)段高差之差均小于限差，可見(jiàn)本次外業(yè)測(cè)量數(shù)據(jù)真實(shí)可靠。

4 GPS技術(shù)在工程測(cè)繪中應(yīng)用的改進(jìn)措施

首先，在具體的GPS測(cè)繪技術(shù)應(yīng)用過(guò)程中，必須要重視對(duì)有關(guān)技術(shù)人員的培訓(xùn)工作。雖然將GPS技術(shù)應(yīng)用于測(cè)繪工作中使得操作相對(duì)簡(jiǎn)便，但是仍然要建立一支具有良好知識(shí)儲(chǔ)備，并且實(shí)踐能力較強(qiáng)的專(zhuān)業(yè)人才隊(duì)伍，從最基本的測(cè)繪操作開(kāi)始，對(duì)技術(shù)人員進(jìn)行規(guī)范培訓(xùn)，使其熟悉并掌握GPS技術(shù)，盡可能規(guī)避因?yàn)槿藶椴僮魉鶎?dǎo)致的誤差或測(cè)量不準(zhǔn)問(wèn)題的出現(xiàn)[6]。同時(shí)，需要提升技術(shù)人員的職業(yè)道德素養(yǎng)，確保其能夠以端正的態(tài)度和較強(qiáng)的責(zé)任感來(lái)完成測(cè)繪工作，明確測(cè)繪工作進(jìn)行目標(biāo)，按照有關(guān)規(guī)定要求規(guī)范運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)測(cè)繪質(zhì)量的進(jìn)一步提升。

同時(shí)，還要對(duì)GPS測(cè)量誤差進(jìn)行有效控制。在具體測(cè)量工作開(kāi)展過(guò)程中，誤差的存在是難免的，同時(shí)受到來(lái)自誤差的干擾，也有可能會(huì)導(dǎo)致GPS測(cè)量結(jié)果不準(zhǔn)確，所以必須要重視誤差的控制工作。在具體操作中，有關(guān)技術(shù)人員必須要按照操作規(guī)范來(lái)進(jìn)行GPS測(cè)繪技術(shù)的應(yīng)用，嚴(yán)格落實(shí)每一個(gè)環(huán)節(jié)的質(zhì)量管理標(biāo)準(zhǔn)，減少問(wèn)題出現(xiàn)的可能。在測(cè)量中，根據(jù)測(cè)量區(qū)域的實(shí)際情況，確定好測(cè)量點(diǎn)，確保測(cè)量點(diǎn)選擇的合理性和科學(xué)性，有效規(guī)避地形地貌對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。在數(shù)據(jù)計(jì)算和數(shù)學(xué)模型的選擇上，需要根據(jù)測(cè)繪工程實(shí)際有針對(duì)性地選擇合適的地形地貌模型，保障數(shù)據(jù)結(jié)果的有效性，這樣也能夠降低模型所帶來(lái)的誤差影響[7]。

5 結(jié)語(yǔ)

將GPS技術(shù)應(yīng)用于測(cè)繪工作中有著較多的明顯優(yōu)勢(shì)，通過(guò)上述案例實(shí)踐和內(nèi)容分析，對(duì)GPS測(cè)繪技術(shù)在工程測(cè)繪中的實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行了探討，并希望在GPS測(cè)繪技術(shù)今后的應(yīng)用中，發(fā)揮出其功能和實(shí)用性，以高質(zhì)量完成測(cè)繪工作，推動(dòng)我國(guó)測(cè)繪技術(shù)的現(xiàn)代化發(fā)展。