GPS 技術(shù)在工程測繪中的應(yīng)用及發(fā)展趨勢

許常善

（甘肅省地質(zhì)調(diào)查院，蘭州730000）

1 引言

目前，隨著網(wǎng)絡(luò)時(shí)代的進(jìn)步和發(fā)展，GPS 等測量技術(shù)也已經(jīng)被應(yīng)用到了軍事測量和工程監(jiān)測上面，而測量技術(shù)也將隨著信息時(shí)代的發(fā)展更加智能化和自動化，以便于從各個方面上適應(yīng)人類的智能化發(fā)展的要求[1]。

2 GPS 技術(shù)

2.1 GPS 技術(shù)的定義

GPS 技術(shù)本質(zhì)上屬于一種定位系統(tǒng)，主要是利用衛(wèi)星系統(tǒng)，通過主控站和地面接收器以及監(jiān)控系統(tǒng)等，收集到某一特定區(qū)域的地理信息。GPS 測量快速、高效，主要依靠的還是衛(wèi)星技術(shù)，可隨時(shí)隨地進(jìn)行地質(zhì)信息的收集，并且保證接收信號的穩(wěn)定性，可快速傳輸所需要的定位信息，可高質(zhì)量、高效率地完成工程測量工作。但是GPS 技術(shù)在應(yīng)用的過程中，還是會受到一些外在因素的干擾，影響測量工作的準(zhǔn)確性。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，GPS 技術(shù)也在不斷地完善，其在工程測量中的應(yīng)用將會越來越成熟。

2.2 GPS 技術(shù)的特點(diǎn)與優(yōu)勢

2.2.1 定位精度高

對于GPS 定位技術(shù)來說，它的動態(tài)定位精度達(dá)到米級至亞米級，靜態(tài)定位精度能達(dá)到毫米級[2，3]。其達(dá)到的定位精度和其他測量技術(shù)相比，存在明顯的定位優(yōu)勢。而大量的實(shí)際工程應(yīng)用已經(jīng)證明，使用載波相位觀測，實(shí)現(xiàn)了靜態(tài)相對位置，即使在不超過50 km 的基線上，絕對位置的相對精確度也能夠超過1×10-6～2×10-6，在100～500 km 的基線上能夠達(dá)到10-6～10-7。同時(shí)，由于現(xiàn)代信息處理方式和電子探測技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，也能夠在大于l 000 km 的基線上，位置的相對精確度高于甚至超過10-8。當(dāng)同時(shí)完成即時(shí)動態(tài)定位與即時(shí)差分位置任務(wù)時(shí)，位置的精確度超過了分米級和厘米級，可以適應(yīng)信息工程中不同監(jiān)測技術(shù)的需要。隨著GPS 技術(shù)和信息處理技術(shù)的發(fā)展，它的監(jiān)測精度將會繼續(xù)提高。

2.2.2 功能較多，應(yīng)用廣泛

利用GPS 技術(shù)可以迅速提取客戶所需要的需求數(shù)據(jù)，保證了數(shù)據(jù)的即時(shí)連續(xù)性，并保證了數(shù)據(jù)的流動性，而且還可以直接為使用者提供信息的三維位置和時(shí)序信號，使得其應(yīng)用范圍不僅僅局限于監(jiān)測和引導(dǎo)的范疇中，可被廣泛應(yīng)用于更廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域，如對海陸空的目標(biāo)引導(dǎo)、監(jiān)視運(yùn)動目標(biāo)、管理運(yùn)動對象、大地監(jiān)測、工程監(jiān)測等。

2.2.3 可操作性強(qiáng)，操作環(huán)境要求不高

GPS 監(jiān)測技術(shù)在工程建設(shè)監(jiān)測中的使用，極大地提高了工程建設(shè)的監(jiān)測效率。人員不需煩瑣地操作就能夠輕松監(jiān)測，相對于傳統(tǒng)的地面監(jiān)測設(shè)備，這種技術(shù)更好使用，同時(shí)，也降低了人員的工作壓力，從而開拓了獲取信息的新渠道，能夠收集更多的資訊，從而極大地提高了工程建設(shè)監(jiān)測的效率。GPS監(jiān)測技術(shù)能夠通過衛(wèi)星來獲取信息，不需要過多的人力干預(yù)，監(jiān)測結(jié)果不但顯示具體的三維位置，而且還能夠反映某地方的區(qū)域信息內(nèi)容，從而更好地服務(wù)于工程。

3 GPS 技術(shù)在工程測繪中的應(yīng)用

3.1 國土測繪

國土測量定界是一項(xiàng)科技服務(wù)性工作，它主要是為適應(yīng)農(nóng)村土地規(guī)劃、征收、農(nóng)用地改變、出讓、耕地開發(fā)與整理、耕地復(fù)墾、城市土地利用建設(shè)管理等方面的國土資源利用需要，為滿足國土資源部門的用地審查和地籍管理工作需求，通過實(shí)地調(diào)繪城市土地利用狀況、劃分耕地利用區(qū)域、測算土地面積、確定界址定位等工作提供精確和科學(xué)的基本數(shù)據(jù)信息資源[4]。它是通過一種技術(shù)手段，來保障政府正確、合理、科學(xué)地批準(zhǔn)建設(shè)項(xiàng)目的用地的服務(wù)性工作。在國土測量定界中運(yùn)用GPS 等現(xiàn)代測量技術(shù)，有效提高了國土測繪工作的效率，同時(shí)提高了國土測繪結(jié)果的精確性與準(zhǔn)確度。

3.2 城市測繪

隨著我國科技的不斷發(fā)展，現(xiàn)代化城市建設(shè)正在突飛猛進(jìn)。城市基礎(chǔ)建設(shè)作為城市施工的重心，決定了城市建設(shè)的高度和規(guī)模。對于城市基礎(chǔ)建設(shè)而言，測繪技術(shù)的應(yīng)用則是其不可或缺的一部分，在建設(shè)過程中不但涉及城市規(guī)劃，還涉及地質(zhì)勘測。如今的城市建設(shè)基本都要依靠GPS 系統(tǒng)來獲得全面準(zhǔn)確的城市地形、路網(wǎng)分布、建筑物空間分布等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

傳統(tǒng)單一的測量方法，在技術(shù)定位時(shí)往往要求在點(diǎn)與點(diǎn)間維持通視，不僅耗費(fèi)時(shí)間過長，還耗費(fèi)了大量的勞動力，同時(shí)測量精確性也不高，無法妥善地進(jìn)行信息對接工作[5]。而此時(shí)使用RTK 測量技術(shù)，則突破了傳統(tǒng)技術(shù)限制，不需要以點(diǎn)與點(diǎn)間通視距離作為工作基準(zhǔn)，依舊可以獲取比較精確的測量數(shù)值。人們可以通過RTK 技術(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)動態(tài)差分析，通過科學(xué)的測量手段，快速精準(zhǔn)獲取城市控制網(wǎng)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，為城市規(guī)劃和基礎(chǔ)建設(shè)提供翔實(shí)準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支持，確保使用者的切身利益和城市土地的利用率。

3.3 礦山測量

GPS 技術(shù)在礦山測量領(lǐng)域也具有良好的運(yùn)用。因?yàn)榈V山測量本身受到地形、地質(zhì)構(gòu)造等因素影響，傳統(tǒng)測量技術(shù)已不能滿足當(dāng)前礦山測量工作的要求。因此，在實(shí)際礦山工程勘測中必須運(yùn)用GPS-RTK技術(shù)，利用其精確、高效、方便的特性，來滿足人們對測繪數(shù)據(jù)的高精度要求。精確的觀測數(shù)據(jù)可以更有效地保證在礦產(chǎn)資源開發(fā)利用和礦井建設(shè)過程中的安全和效益，這也是GPS 技術(shù)在采礦監(jiān)測中的應(yīng)用優(yōu)點(diǎn)所在。另外，在對礦場控制點(diǎn)進(jìn)行加密的過程中，GPS-RTK 技術(shù)也起到了至關(guān)重要的作用。目前，GPS-RTK 技術(shù)已廣泛應(yīng)用于地質(zhì)測量、鉆孔施工、取樣鉆進(jìn)、探井、槽探、地質(zhì)點(diǎn)、坑口定位等領(lǐng)域。

3.4 工程變形中的應(yīng)用

在工程建設(shè)中或施工建成后，均會出現(xiàn)建構(gòu)筑物的變形問題。通常的表現(xiàn)方式是：由于外在因素對建構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了一定的損傷，或因地殼自身的變形和運(yùn)動過程對建筑結(jié)構(gòu)造成了影響，如重大建筑物、堤壩、橋梁、路面等建筑出現(xiàn)沉降、變形、裂紋。在此時(shí)，通過GPS 進(jìn)行智能化的精準(zhǔn)實(shí)時(shí)動態(tài)測量，迅速連續(xù)監(jiān)測整個建構(gòu)筑物的變形程度并將其精準(zhǔn)至毫米級，便可有效精準(zhǔn)地監(jiān)測建構(gòu)筑物的變化狀況，從而及時(shí)掌握其實(shí)時(shí)變量，為后期維護(hù)補(bǔ)救工作帶來更確切真實(shí)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐，大大提高了工程建設(shè)養(yǎng)護(hù)的效率。

4 GPS 技術(shù)在工程測繪中的發(fā)展趨勢

4.1 GPS 網(wǎng)絡(luò)

GPS 網(wǎng)絡(luò)通常是指國家的C、D、E 類工程建設(shè)測控網(wǎng)絡(luò)，或?qū)ｉT為工程建設(shè)而布設(shè)的工程建設(shè)測控網(wǎng)絡(luò)。在工程建設(shè)領(lǐng)域，GPS 網(wǎng)絡(luò)又分為城市GPS 網(wǎng)絡(luò)、礦井GPS 網(wǎng)絡(luò)、道路GPS 網(wǎng)絡(luò)、橋梁GPS 網(wǎng)絡(luò)等各種GPS 工程建設(shè)網(wǎng)絡(luò)和GPS綜合服務(wù)網(wǎng)絡(luò)。如運(yùn)用靜態(tài)GPS 技術(shù)布設(shè)的精密工程建設(shè)測控網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行堤壩、災(zāi)害點(diǎn)、礦井、油田、建筑群、道路網(wǎng)的地面沉降、堤壩變形、高層建筑變形、隧洞貫通、地質(zhì)災(zāi)害防治等進(jìn)行精密監(jiān)測。這類網(wǎng)絡(luò)的主要優(yōu)點(diǎn)：一是控制范圍廣，其控制范圍可由單個工程建設(shè)網(wǎng)擴(kuò)展到全國，乃至全球；二是觀測時(shí)間短，在監(jiān)測領(lǐng)域，動態(tài)監(jiān)測的速度和反應(yīng)時(shí)間可由以往的幾十分鐘至一兩個小時(shí)提高至秒級，為快速應(yīng)對和處置節(jié)約了大量的寶貴時(shí)間；三是精準(zhǔn)度高，在工程監(jiān)測領(lǐng)域，其監(jiān)測精度可達(dá)毫米級甚至微米級，對因變形可能引發(fā)的不良后果提供精準(zhǔn)的判別依據(jù)。

4.2 GPS 高精度數(shù)據(jù)處理

精密單點(diǎn)定位系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)信息預(yù)處理成果直接關(guān)乎其位置精確度和安全性。而數(shù)據(jù)信息預(yù)處理過程的關(guān)鍵問題是利用GPS 技術(shù)，精確安全地判斷相位觀察中發(fā)生的周跳。對每個發(fā)生周跳的區(qū)域都添加了一種新的模糊度量參數(shù)，然后再通過參數(shù)估計(jì)的方式實(shí)現(xiàn)。在數(shù)據(jù)處理階段的主要工作包括傳輸與編碼、統(tǒng)計(jì)監(jiān)測與編輯、數(shù)據(jù)處理標(biāo)準(zhǔn)化、接收機(jī)鐘差估計(jì)、差分觀測值以及線性組合觀察值的形成，基線向量最佳近似估計(jì)和周跳監(jiān)測、修復(fù)或標(biāo)記等。

4.3 GPS 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用

傳統(tǒng)測量最大的弊端是花費(fèi)的物力人力過大，而且測量區(qū)域往往是地質(zhì)比較復(fù)雜的區(qū)域，這也會頻頻出現(xiàn)安全事故。而通過GPS 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)開展工程測量就極大地減少了此類事故的出現(xiàn)。而且，GPS 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)還具備了真實(shí)感和交互作用強(qiáng)等優(yōu)勢，很大地方便了地質(zhì)復(fù)雜區(qū)域的工程測量工作。

虛擬現(xiàn)實(shí)是近年來出現(xiàn)的高新技術(shù)，由計(jì)算機(jī)生成具有三維空間的虛擬環(huán)境，用戶在此環(huán)境中利用特殊裝置，以最自然的方式與環(huán)境交互，通過操作控制環(huán)境，從而產(chǎn)生身臨其境的效果。它可以將一系列的物理模型、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)動態(tài)、三維建模等以逼真的三維圖形展示出來。隨著計(jì)算機(jī)性能的不斷提高以及人們對事物直觀性、準(zhǔn)確性、清晰度的要求，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)和生活的各領(lǐng)域各行業(yè)。

國土測繪中，結(jié)合國土調(diào)查基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，通過GPS 三維建模，模擬全國國土資源現(xiàn)狀，通過人機(jī)交互和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)對國土資源的動態(tài)模擬展示，從而減少外業(yè)作業(yè)，提高國土測繪精度。城市測繪中應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù)，建立城市三維虛擬環(huán)境，對城市地理實(shí)體及現(xiàn)象進(jìn)行展示，城市建設(shè)管理部門可通過三維實(shí)景實(shí)現(xiàn)對城市變化的實(shí)時(shí)動態(tài)監(jiān)測。在礦山測量中利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，對礦山地質(zhì)體、地形地貌、礦山地物以及礦山地下工程進(jìn)行三維虛擬，生成一個逼真的礦山虛擬環(huán)境，這樣在礦山測量中，工作人員可以置身礦山虛擬環(huán)境下，更直觀地實(shí)現(xiàn)對礦山的工程測量。在工程變形中，應(yīng)用最新的工程監(jiān)測數(shù)據(jù)，通過計(jì)算機(jī)三維建模，形成與真實(shí)環(huán)境一樣或相似的虛擬環(huán)境模型，通過計(jì)算機(jī)屏幕系統(tǒng)，可直觀展示各工程的實(shí)時(shí)變化情況，實(shí)現(xiàn)對各種潛在安全隱患的及時(shí)排查和治理。

5 結(jié)語

工程測量利用GPS 技術(shù)能夠進(jìn)行精確定位，在短距離內(nèi)獲取測量成果，同時(shí)，人們還能夠通過測量數(shù)據(jù)精確分析地質(zhì)情況，精確分析地質(zhì)要求，制定針對性的工程建設(shè)對策。工程測量技術(shù)是所有工程項(xiàng)目都不能缺少的重要工作環(huán)節(jié)，通過GPS 監(jiān)測技術(shù)在工程測量中的運(yùn)用，不但能夠大大提高工程監(jiān)測成果的準(zhǔn)確度，而且還不受地形要求的約束，也不需要過多的人工管理，還具備了智能管控的特點(diǎn)，能夠大大提高工作效率，為不同工程項(xiàng)目提供合理的參考數(shù)據(jù)，從而加快了工程施工進(jìn)度。