GPS測(cè)繪技術(shù)在工程測(cè)繪中的應(yīng)用分析

李 林

(普寧市自然資源信息中心，廣東 揭陽(yáng) 515300)

0 引 言

GPS技術(shù)在測(cè)量與工程測(cè)繪領(lǐng)域中應(yīng)用，不僅需要地面監(jiān)控系統(tǒng)為其提供支持，還需要信號(hào)接收中繼、聯(lián)合定位衛(wèi)星系統(tǒng)等作為輔助[1]。測(cè)繪過程中，每個(gè)環(huán)節(jié)都是相輔相成的，為了提高測(cè)繪結(jié)果的精度，保證測(cè)繪系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，應(yīng)規(guī)范測(cè)繪作業(yè)流程，并結(jié)合相關(guān)工作的具體需求，設(shè)計(jì)優(yōu)化、完整的測(cè)繪方案與執(zhí)行步驟[2]。目前，已有理論證明GPS技術(shù)是一項(xiàng)可靠度較高的技術(shù)。相比其他技術(shù)，此項(xiàng)技術(shù)具有作業(yè)效率高、操作簡(jiǎn)單、測(cè)繪結(jié)果精度高、節(jié)約現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人力資源等優(yōu)勢(shì)，但如何將其在實(shí)踐中合理、規(guī)范地應(yīng)用，仍需要深入研究。

1 GPS測(cè)繪技術(shù)在工程測(cè)繪中的應(yīng)用

1.1 GPS控制網(wǎng)布設(shè)

在進(jìn)行工程測(cè)繪前，需要完成對(duì)GPS控制網(wǎng)的布設(shè)，既需要滿足近期工程建設(shè)規(guī)劃要求，同時(shí)又需要考慮到工程在未來長(zhǎng)期建設(shè)當(dāng)中的各項(xiàng)發(fā)展條件以及1∶500數(shù)字化測(cè)圖和測(cè)繪結(jié)構(gòu)立體成像的需要[3]。在遵循測(cè)繪精度和測(cè)繪速度的原則基礎(chǔ)上，布設(shè)如圖1所示的GPS控制網(wǎng)。

圖1 GPS控制網(wǎng)局部布設(shè)示意圖

在布設(shè)GPS控制網(wǎng)時(shí)，需要按照各個(gè)節(jié)點(diǎn)所在位置的重要程度和復(fù)雜程度，將其劃分為一等點(diǎn)、二等點(diǎn)和三等點(diǎn)，等級(jí)從小到大依次對(duì)應(yīng)重要程度和復(fù)雜程度從大到小[4]。在進(jìn)行控制網(wǎng)中各個(gè)節(jié)點(diǎn)的布設(shè)時(shí)，要求點(diǎn)位中誤差不得超過50 mm，控制網(wǎng)邊界的長(zhǎng)度精度不得低于1/100 000。同時(shí)，要求在GPS控制網(wǎng)中測(cè)繪基線數(shù)與獨(dú)立基線數(shù)之間的比值不得超過1∶3～1∶2的范圍，設(shè)站2次以上的點(diǎn)數(shù)，應(yīng)當(dāng)占總點(diǎn)數(shù)的六成及以上[5]。在對(duì)GPS控制網(wǎng)上的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行選擇時(shí)，還需要滿足下述要求：第一，要選擇在交通便利、埋設(shè)容易、容易防護(hù)的地點(diǎn)；第二，點(diǎn)位要有足夠的視野，在高度角度超過15°時(shí)，不能有任何障礙物；第三，距點(diǎn)位200 m以內(nèi)無高能無線電信號(hào)源或高壓線。根據(jù)上述要求，完成對(duì)GPS控制網(wǎng)中節(jié)點(diǎn)的選擇，為后續(xù)測(cè)繪提供條件。

1.2 基于GPS測(cè)繪技術(shù)的測(cè)繪目標(biāo)定位

在完成對(duì)GPS控制網(wǎng)的布設(shè)后，引入GPS測(cè)繪技術(shù)，對(duì)測(cè)繪目標(biāo)進(jìn)行定位。通過GPS衛(wèi)星發(fā)射出的無線電信號(hào)，首先通過GPS接收裝置進(jìn)行接收，若接收裝置的時(shí)鐘與衛(wèi)星時(shí)鐘同步，則從GPS衛(wèi)星到達(dá)GS接收裝置之間的時(shí)間可以測(cè)定得出，其時(shí)間差可用下述公式表示：

△t′=t2-t1

(1)

式中：△t′代表時(shí)間差，即GPS衛(wèi)星信號(hào)在空間當(dāng)中傳播的時(shí)間；t2代表接收到信號(hào)時(shí)的時(shí)間；t1代表發(fā)射信號(hào)時(shí)的時(shí)間。在公式(1)基礎(chǔ)上，結(jié)合歐式空間兩點(diǎn)之間距離的計(jì)算公式，得出GPS接收機(jī)裝置與GPS衛(wèi)星之間的距離，其公式為：

(2)

式中：d代表GPS接收機(jī)裝置與GPS衛(wèi)星之間的距離；(x，y，z)代表GPS接收裝置的空間位置坐標(biāo)；(xi，yi，zi)代表某一點(diǎn)i在GPS衛(wèi)星軌道上的坐標(biāo)。在計(jì)算得出d的具體數(shù)之后，再加上時(shí)間差與GPS信號(hào)在空間中傳播速度的乘積，并建立四個(gè)類似方程，求解出GPS接收裝置的位置信息，每一個(gè)方程都代表在GPS衛(wèi)星運(yùn)行到不同位置上時(shí)的定位方程，結(jié)合GPS定位原理，得出具體的測(cè)繪數(shù)據(jù)[6]。圖2為GPS測(cè)繪技術(shù)定位原理示意圖。

圖2 GPS測(cè)繪技術(shù)定位原理示意圖

1.3 GPS數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換

利用GPS測(cè)繪技術(shù)獲取到的測(cè)繪目標(biāo)定位信號(hào)當(dāng)中包含了載波、測(cè)距碼和數(shù)據(jù)碼，所有信號(hào)分量都是在同一個(gè)基準(zhǔn)頻率上產(chǎn)生的[7]。為確保后續(xù)對(duì)工程測(cè)繪結(jié)果進(jìn)行立體成像時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)GPS數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確識(shí)別，需要對(duì)其格式進(jìn)行轉(zhuǎn)換。在轉(zhuǎn)換前，還需要按照NMEA0183協(xié)議，完成對(duì)GPS數(shù)據(jù)的傳輸。表1為NMEA0183協(xié)議語(yǔ)句命令與對(duì)應(yīng)語(yǔ)句信息表。

表1 NMEA0183協(xié)議語(yǔ)句命令與對(duì)應(yīng)語(yǔ)句信息表

在利用上述協(xié)議實(shí)現(xiàn)對(duì)GPS信號(hào)的傳輸后，使用GPRMC語(yǔ)句對(duì)其數(shù)據(jù)格式進(jìn)行轉(zhuǎn)換，假設(shè)轉(zhuǎn)換后得到的GPS數(shù)據(jù)格式為“$GPRMC，<1>，<2>，<3>，<4>，<5>，<6>，<7>，<8>，<9>，<10>，<11>，<12>，<13>”，則其格式當(dāng)中每個(gè)字段對(duì)應(yīng)的含義依次對(duì)應(yīng)表2中的內(nèi)容。

表2 GPS數(shù)據(jù)經(jīng)GPRMC語(yǔ)句轉(zhuǎn)換后各字段含義

按照上述格式完成對(duì)GPS數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)與GPS接收機(jī)、數(shù)據(jù)處理軟件以及測(cè)繪軟件等之間的兼容，對(duì)于提高測(cè)繪效率具有較大幫助。

1.4 工程結(jié)構(gòu)參數(shù)測(cè)定與測(cè)繪結(jié)果立體成像

在完成對(duì)GPS數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換后，將得到的GPS數(shù)據(jù)導(dǎo)入到高程模型當(dāng)中，利用該模型實(shí)現(xiàn)對(duì)工程項(xiàng)目中各個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)的測(cè)定[8]。利用數(shù)字高程模型提取工程結(jié)構(gòu)參數(shù)信息計(jì)算具體數(shù)值，并針對(duì)大范圍建筑結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。以工程結(jié)構(gòu)當(dāng)中傾斜角度參數(shù)為例，在對(duì)其進(jìn)行計(jì)算時(shí)，只需要對(duì)有限角度進(jìn)行傾斜檢測(cè)，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)傾角單個(gè)軸向數(shù)據(jù)的獲取。當(dāng)工程結(jié)構(gòu)具備特定方向并且數(shù)據(jù)軸能夠始終處于重心面時(shí)，測(cè)定得出的傾斜角度數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確。在測(cè)定過程中，還可應(yīng)用傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)定的輔助[9]。在對(duì)傳感器進(jìn)行放置時(shí)，其水平線通常與重力矢量相互垂直，在數(shù)據(jù)軸上的重力矢量投影會(huì)產(chǎn)生與傳感器橫軸與水平線交角正弦值相同的輸出結(jié)果。在軟件當(dāng)中對(duì)傳感器的量程進(jìn)行設(shè)定，輸出的加速度結(jié)果與角度之間存在下述關(guān)系：

ax,out=2g*sinθ

(3)

式中：ax,out代表結(jié)果輸出中的加速度；θ代表工程結(jié)構(gòu)傾斜角度；g代表傳感器量程。基于上述公式中的關(guān)系，得出工程結(jié)構(gòu)傾角的具體數(shù)值。按照上述邏輯完成對(duì)工程項(xiàng)目中所有結(jié)構(gòu)各個(gè)參數(shù)的測(cè)定。針對(duì)所有測(cè)定得到的結(jié)果進(jìn)行立體化采集，并對(duì)其進(jìn)行編輯和調(diào)繪[10]。在MapMattrix軟件中進(jìn)行對(duì)高程模型的導(dǎo)入，并構(gòu)建一個(gè)立體的三維結(jié)構(gòu)。將所有測(cè)定數(shù)據(jù)導(dǎo)入到該模型當(dāng)中，實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)繪結(jié)果的立體成像。由于引入了GPS測(cè)繪技術(shù)，利用其本身具備的廣泛性特點(diǎn)，在不對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行二次剪裁的情況下，可實(shí)現(xiàn)各結(jié)構(gòu)之間的貼合，從而減少甚至避免模型上出現(xiàn)縫隙，保證測(cè)繪模型的完整性。

2 實(shí)證研究

2.1 測(cè)繪區(qū)域大致范圍

本次選擇某山區(qū)建筑工程項(xiàng)目作為測(cè)繪研究對(duì)象，該地區(qū)的地形、地勢(shì)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，沿著工程項(xiàng)目所在地的多條道路均表現(xiàn)為帶狀地形。盡管該地區(qū)交通條件較為便利，但由于場(chǎng)地條件有限，因此，針對(duì)該區(qū)域的測(cè)繪工作一直是有關(guān)單位的關(guān)注重點(diǎn)。

2.2 可用參照資料

(1) 由地區(qū)省測(cè)繪局測(cè)量的C類GPS控制點(diǎn)，可用作該工程平面控制點(diǎn)的初始資料。此外，還可以利用測(cè)區(qū)周邊其他能夠滿足地圖控制需要的等高水平作為控制點(diǎn)設(shè)計(jì)參照資料。

(2) C級(jí)GPS控制點(diǎn)的三等水平聯(lián)測(cè)及福建各省大地水準(zhǔn)面的精確插值，可用作該工程的基準(zhǔn)高程控制參照資料。

(3) 省測(cè)繪總局現(xiàn)有的圖幅分幅、作業(yè)計(jì)劃圖、圖幅分幅等共計(jì)1萬多幅，均可作為此次實(shí)驗(yàn)的參照。

2.3 測(cè)繪作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)計(jì)

可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)繪需求，使用GPS技術(shù)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)繪，測(cè)繪過程中，在一個(gè)特定的區(qū)域內(nèi)安裝一個(gè)信號(hào)接收器，通過衛(wèi)星信號(hào)接收系統(tǒng)與地面接收設(shè)備，進(jìn)行發(fā)送信號(hào)的接收，再通過數(shù)據(jù)傳送，將地區(qū)地質(zhì)信息和位置坐標(biāo)傳送到處理終端，并通過對(duì)系統(tǒng)地質(zhì)資料進(jìn)行整理、編輯等方式獲得信號(hào)接收器的坐標(biāo)和數(shù)據(jù)，將接收與獲得的坐標(biāo)數(shù)據(jù)在坐標(biāo)系不同位置進(jìn)行特征標(biāo)記，即可實(shí)現(xiàn)在現(xiàn)場(chǎng)的測(cè)繪。設(shè)計(jì)方案如圖3所示。

圖3 現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)測(cè)繪方案

GPS定位是利用數(shù)學(xué)、物理等原理，結(jié)合人造衛(wèi)星的方法，對(duì)地面數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、分析，并對(duì)靜止相、動(dòng)相進(jìn)行測(cè)量。將其作為參照，設(shè)計(jì)GPS在測(cè)繪中的定位方式，如圖4所示。

圖4 GPS在測(cè)繪中的定位方式

在實(shí)際應(yīng)用中，將接收設(shè)備放置在測(cè)點(diǎn)上，既能準(zhǔn)確地測(cè)定測(cè)量坐標(biāo)，又能縮短觀測(cè)時(shí)間，以此提高工作效率。在進(jìn)行動(dòng)態(tài)定位時(shí)，操作員可依據(jù)載波特性，合理地選取工作點(diǎn)，設(shè)置接收設(shè)備，實(shí)現(xiàn)多方位、高效地測(cè)量。

2.4 主要技術(shù)指標(biāo)

將相關(guān)文件作為參照，設(shè)計(jì)測(cè)繪作業(yè)中的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)，見表3。

表3 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)繪作業(yè)中的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)

設(shè)計(jì)基于GPS技術(shù)的作業(yè)規(guī)范，見表4。

表4 基于GPS技術(shù)的作業(yè)規(guī)范

2.5 測(cè)繪坐標(biāo)數(shù)據(jù)對(duì)比

將GPS測(cè)繪的工程坐標(biāo)數(shù)值與已知的工程數(shù)值進(jìn)行對(duì)比，見表5。

表5 坐標(biāo)測(cè)繪結(jié)果對(duì)比(單位：mm)

對(duì)測(cè)繪結(jié)果進(jìn)行差值比較，見表6。

表6 差值比較(單位：mm)

從表結(jié)果可以看出，測(cè)繪結(jié)果與已知數(shù)值兩者的差值較小，證實(shí)該測(cè)繪方法的測(cè)繪精度較高。

2.6 高程測(cè)量精度對(duì)比

將測(cè)繪中的高程測(cè)量結(jié)果作為另一評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)GPS測(cè)繪結(jié)果與水準(zhǔn)儀測(cè)繪高程測(cè)繪結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比結(jié)果見表7。

表7 高程測(cè)量精度對(duì)比(單位：mm)

從上述結(jié)果可知，本文測(cè)繪方法在應(yīng)用中的比較差值較低，相對(duì)精度較高，滿足工程測(cè)繪現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)需要。

綜上，利用GPS技術(shù)對(duì)工程進(jìn)行測(cè)量，既具有高精度、高效率等優(yōu)點(diǎn)，如網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，點(diǎn)密度和邊長(zhǎng)可自由選擇，即使距離已知的控制點(diǎn)很遠(yuǎn)也能實(shí)現(xiàn)對(duì)控制網(wǎng)的定位和定向等，又克服了傳統(tǒng)方法難以克服的缺點(diǎn)。所以，運(yùn)用科技手段進(jìn)行工程測(cè)量，并建立針對(duì)工程的平面控制，是一項(xiàng)值得在領(lǐng)域內(nèi)推廣的方法。

3 結(jié) 論

本次研究將某山區(qū)建筑工程項(xiàng)目作為測(cè)繪研究對(duì)象，通過布置GPS控制網(wǎng)、定位測(cè)繪目標(biāo)、數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換、結(jié)構(gòu)參數(shù)測(cè)定、測(cè)繪結(jié)果成像等方式，完成了設(shè)計(jì)。

通過上述設(shè)計(jì)，得到以下結(jié)論：

(1) GPS技術(shù)的應(yīng)用，可以有效提高坐標(biāo)測(cè)繪結(jié)果精度，實(shí)現(xiàn)將測(cè)繪誤差控制在一個(gè)相對(duì)較低的水平。同時(shí)，該方法還可以在應(yīng)用中提高高程測(cè)量精度，確保測(cè)繪結(jié)果與真實(shí)結(jié)果之間的偏差較小。

(2) 在后續(xù)研究中，將持續(xù)對(duì)此項(xiàng)工作進(jìn)行深化，根據(jù)實(shí)際研究需求，進(jìn)行測(cè)繪方法的進(jìn)一步優(yōu)化，以期通過此種方式，為項(xiàng)目測(cè)繪等相關(guān)工作的實(shí)施提供更為優(yōu)化的技術(shù)作為指導(dǎo)與幫助。