GPS測量技術(shù)及其在工程測量中的應(yīng)用分析

吳康煒

（貴州東南航電開發(fā)投資有限公司，貴州 凱里 556000）

工程測量工作是開展工程建設(shè)工作的基礎(chǔ)，決定了施工方式、工程設(shè)計的合理性。在計算機、通信技術(shù)、定位技術(shù)逐漸完善的背景下，GPS技術(shù)開始被廣泛應(yīng)用在工程測量中，并且發(fā)揮著十分重要的作用。GPS技術(shù)會利用人造衛(wèi)星、觀測站的相互作用，進行完成的觀測網(wǎng)建設(shè)，可以精準(zhǔn)獲得測量數(shù)據(jù)，給工程項目建設(shè)提供有效的參考數(shù)據(jù)和信息支持，可以幫助工程進行項目設(shè)計方案的優(yōu)化，以及獲得工程建設(shè)區(qū)域內(nèi)的地形信息，減少項目建設(shè)的風(fēng)險，提升工程的質(zhì)量。

1 GPS技術(shù)在工程測量中的應(yīng)用優(yōu)勢

1.1 測量速度快

近年來，工程建設(shè)規(guī)模在逐漸增大，讓很多工程都具有工期緊、任務(wù)重的特點，使得快速進行工程測量工作成為工程建設(shè)中的剛需。傳統(tǒng)的測量方法可能需要花費大量時間進行數(shù)據(jù)采集和處理，需要進行繁重的數(shù)據(jù)修正工作，很難滿足目前對測量工作的效率要求。使用GPS技術(shù)可以同時接收多顆衛(wèi)星信號，可實現(xiàn)多點同時定位，從而顯著提高了測量速度。由于GPS技術(shù)能夠獲取衛(wèi)星載波為基礎(chǔ)的實時坐標(biāo)，能夠短時間內(nèi)獲得信息。

1.2 定位精度高

GPS設(shè)備通過接收衛(wèi)星信號并計算其位置，能夠?qū)崿F(xiàn)高精度的定位。由于GPS衛(wèi)星的覆蓋范圍很廣，并且目前北斗等系統(tǒng)都擁有多顆衛(wèi)星，所以在測量工作中可以實現(xiàn)多顆衛(wèi)星同時負(fù)責(zé)測量工作，通過接收多顆衛(wèi)星傳輸?shù)男盘?，能夠保證測繪的精度。不同的衛(wèi)星也可以進行誤差修正，目前GPS測繪技術(shù)平均誤差已經(jīng)達到厘米級別，能保證建設(shè)人員準(zhǔn)確知曉位置信息，方便開展建筑物的放樣和定位、道路的測量等工作，確保工程設(shè)計和施工的準(zhǔn)確性。

1.3 操作簡單

相比傳統(tǒng)的測量設(shè)備，GPS設(shè)備的操作更加簡單直觀，方便人員進行日常使用。目前，很多GPS測量技術(shù)都具備較高的自動化水平和智能化水平，進行了十分嚴(yán)格的人機交互設(shè)計，工作人員可以根據(jù)需求進行調(diào)整。進行靜態(tài)測量時，測量人員只需在合適的位置放置接收器，然后進行簡單的設(shè)備啟動和參數(shù)設(shè)置，就可以自動化完成測量工作。測量完成后，遠程關(guān)閉按鈕，系統(tǒng)會自動進行數(shù)據(jù)的整理和保存。當(dāng)前技術(shù)人員可以通過坐標(biāo)的計算和設(shè)置，實現(xiàn)對現(xiàn)場的快速定位，而且可以全天候開展測量工作。這種簡便的操作流程降低了對測量人員的專業(yè)要求，降低了測量人員的工作難度，并且有效提升的測量測繪工作的效率。

1.4 觀測點之間無須通視

傳統(tǒng)測量方法通常要求觀測點、控制點之間有良好的通視條件，才能確保測量的準(zhǔn)確性，以及保證測量工作的進行。如果出現(xiàn)地面起伏較大、存在建筑物、樹木等遮擋物，則測量工作會變得十分煩瑣。使用GPS技術(shù)不受通視限制，其參照點是衛(wèi)星，而且衛(wèi)星信號能夠穿過各種遮擋物，因此要考慮現(xiàn)場通視狀況，就可以實現(xiàn)對難以直接測量的區(qū)域的定位，提升工程測量的靈活性、適用性和適用性。

2 工程測量主要GPS測量技術(shù)

2.1 GPS靜態(tài)測量

GPS靜態(tài)測量是一種適用于對位置精度要求較高的工程測量方法，GPS接收器會在觀測點上靜止一段時間，有效接收來自衛(wèi)星的信號，提高定位精度。GPS靜態(tài)測量的優(yōu)勢在于其較高的精度和相對較長的觀測時間，能夠滿足對位置精度有嚴(yán)格要求的工程任務(wù)，但是該方法所消耗的時間比較長，不適合時間比較緊張的測繪項目。常用的靜態(tài)測量技術(shù)包括絕對定位和相對定位兩種方式。

（1）靜態(tài)測量類型。①絕對定位。該技術(shù)使用衛(wèi)星和觀測站之間的距離作為觀測基礎(chǔ)，使用已知的瞬時坐標(biāo)來確定觀測站位置，實現(xiàn)測量學(xué)中的空間后方交會。由于衛(wèi)星鐘和接收機并不能保持嚴(yán)格的同步，由于相對論效應(yīng)，所獲得的衛(wèi)星鐘和接收機鐘的測量結(jié)果被稱為偽距。通過使用航電文的參數(shù)進行修正，但是接收機鐘的差值則很難確定。所以，在實際修正工作中，會將接收機鐘的誤差視為未知數(shù)，進行觀測站坐標(biāo)的求解。目前，絕對定位測量時，需要使用至少4顆衛(wèi)星，通過求解觀測站三維坐標(biāo)分量和接收機鐘的4個未知參數(shù)，獲得相對準(zhǔn)確的結(jié)果。使用該方法能夠獲得充分的多余觀測量，從而能夠提升定位的精度。如果單點點位沒有觀測站的同步數(shù)據(jù)比較，就很難實現(xiàn)對誤差的控制，而且由于大氣遮光、衛(wèi)星鐘差等因素很難通過線性組合修正，將會限制絕對定位的精度。②靜態(tài)相對定位。靜態(tài)相對定位會使用多臺GPS接收機在不同觀測站位置進行觀測，保證各個接收機的位置固定，進行相同GPS衛(wèi)星的同步觀測，確定各觀測站在WCS-84坐標(biāo)系中的相對位置。通過多個觀測站進行同步衛(wèi)星的觀測，衛(wèi)星的軌道誤差、接收鐘差、電離折射誤差等都具有一定的相關(guān)性。利用觀測值的不同組合進行定位，能夠削弱誤差的影響，有效提升定位的精度。目前，該方法也是GPS定位中精度較高的一種。

（2）靜態(tài)GPS測量技術(shù)應(yīng)用要點。靜態(tài)GPS測量技術(shù)應(yīng)用中，需要合理建立工程控制網(wǎng)，通過其他測量方法獲得附和導(dǎo)線的測量?？刂凭W(wǎng)一般使用涵蓋三角、導(dǎo)線測量的方式進行測量，保證能夠?qū)刂凭W(wǎng)點進行提前布設(shè)，以及滿足國家對高等級控制網(wǎng)點的要求。次級控制網(wǎng)點布設(shè)時需要進行加密，并且使用全站儀和棱鏡等完成。要保證對外業(yè)作業(yè)的掌握，保證測量結(jié)果的精度。進入GPS靜態(tài)相對定位測量后，就不需要考慮各點之間的通視問題。

2.2 RTK測量

（1）RTK測量原理。RTK全稱是實時運動定位測量，利用GPS載波相位觀測值（如圖1所示），進行實時動態(tài)相對定位的技術(shù)，具有實時、高精度的特點。測繪時，需要利用兩個觀測站的載波相位信息，通過在基準(zhǔn)站和移動站之間傳遞觀測數(shù)據(jù)，RTK技術(shù)可以在幾秒鐘內(nèi)提供高精度的位置信息。測量過程中，由基準(zhǔn)站通過數(shù)據(jù)鏈將載波觀測值和基準(zhǔn)站坐標(biāo)信息傳給用戶，用戶可以接收GPS衛(wèi)星的載波相位信息，并進行相位差觀測。這種方法適用于需要實時位置數(shù)據(jù)的工程任務(wù)，例如，土建施工、航測測量等。但是，由于對基準(zhǔn)站的依賴，其適用范圍可能受到基準(zhǔn)站布設(shè)位置的限制。

圖1 RTK技術(shù)原理

（2）RTK測量要點。①測量放樣。RTK測量工作中，需要合理利用移動站進行測量放樣工作，工程測量可以在移動站的作用下，使用驅(qū)動接收設(shè)備進行放樣測量。測量初期，可以獲得接收機初始化完成的信息，然后會提供區(qū)域內(nèi)的垂直精度、水平精度等參數(shù)。在進行正式放樣之前，需要將DTM、點位、曲線、道路放樣等數(shù)據(jù)導(dǎo)入測量設(shè)備，之后啟動測量圖表，選擇RTK放樣選項。在放樣的過程中，RTK能夠顯示放樣的位置、水平距離、觀測值等信息，如果發(fā)現(xiàn)有放樣點、移動站距離太小的情況，可以采用RTK控制器進行實測。②控制測量。使用RTK測量技術(shù)能夠在20km范圍內(nèi)獲得3cm的測量精度，可以較好地滿足工程測量的需求。進行橋梁工程放樁測量時，RTK能夠檢核基準(zhǔn)站5km范圍內(nèi)的4個GPS控制點，對高程的控制誤差為5cm。

3 GPS測量技術(shù)在工程測量中的應(yīng)用措施

3.1 定位信息采集和處理

在采集定位信息時，利用不同數(shù)據(jù)綜合分析進行定位，能夠獲得比較準(zhǔn)確的測量結(jié)果，使用GPS技術(shù)時，就可以利用多模態(tài)數(shù)據(jù)融合的方法提高定位的準(zhǔn)確性。在定位時，除了GPS衛(wèi)星信號，也可以使用傳感器提供的數(shù)據(jù)，比如，利用慣性導(dǎo)航、地面測站等，融合這些數(shù)據(jù)后，可以進一步減少不同環(huán)境和天氣條件對測量精度的影響，從而獲得更加可靠和準(zhǔn)確的位置信息。

3.2 精確工程施工地點

在工程施工中，往往需要進行大范圍的數(shù)據(jù)測量工作。如果使用傳統(tǒng)測量技術(shù)，進行大范圍測量時可能會出現(xiàn)失誤，導(dǎo)致測量結(jié)果存在缺陷。使用GPS測量技術(shù)可以提供高精度的地理坐標(biāo)，幫助實現(xiàn)精確的工程施工地點，準(zhǔn)確定位工程施工地點，不僅能保證工程建設(shè)的順利進行，也能確保施工的質(zhì)量和安全。

（1）地形和地貌分析。通過GPS測量獲取的地理坐標(biāo)數(shù)據(jù)可以與地形和地貌數(shù)據(jù)進行分析，為工程施工提供合理的地點選擇。在擁有復(fù)雜地形的地區(qū)，使用GPS技術(shù)可以更好地理解地形特征，通過綜合使用衛(wèi)星同步圖，能夠?qū)Ξ?dāng)?shù)氐那闆r進行比較全面地分析，了解當(dāng)?shù)氐牡孛玻兄谶x擇最優(yōu)的工程施工地點。

（2）工程設(shè)計與GPS協(xié)同。在進行工程設(shè)計時，需要精確確定施工地點，通過將GPS測量技術(shù)與工程設(shè)計結(jié)合，能實現(xiàn)工程施工地點的更加精確地規(guī)劃。GPS測量技術(shù)獲得的信息能夠獲得當(dāng)?shù)氐牡匦螆D，通過GPS測繪系統(tǒng)和數(shù)字化設(shè)計軟件的協(xié)同，設(shè)計人員可以利用當(dāng)?shù)氐牡匦文Ｐ驼归_設(shè)計，在施工前期就考慮到地理信息，確保工程設(shè)計更貼合現(xiàn)場的實際情況。

3.3 強化項目的整體監(jiān)控

在工程施工建設(shè)中，也可以使用GPS技術(shù)進行測量，實現(xiàn)對工程整體狀況的監(jiān)控。比如，可以進行變形監(jiān)控、動態(tài)定位等工作，還可以利用GPS技術(shù)建立工程控制網(wǎng)，實現(xiàn)對工程不同環(huán)節(jié)的監(jiān)測和控制。通過在建筑物等結(jié)構(gòu)中安裝GPS信號接收器，就能夠進行工程項目變形情況的監(jiān)測，并且完成對工程橫斷面、縱斷面的監(jiān)測控制工作。

4 GPS測量技術(shù)在工程中的具體應(yīng)用

4.1 城市測繪中的應(yīng)用

目前，很多城市都開展了高層建筑的建設(shè)，城市的綠化水平也逐漸提升，建筑、樹木等都會影響開展測繪工作的通視條件，導(dǎo)致傳統(tǒng)測繪技術(shù)應(yīng)用巨大限制。為了繼續(xù)推動我國的城市化進程，推動發(fā)展，就需要使用GPS技術(shù)進行測繪工作，為城市建設(shè)提供精確有效的數(shù)據(jù)信息，方便開展城市建設(shè)項目的規(guī)劃。

我國城市建設(shè)環(huán)境比較復(fù)雜，城市中存在很多，使用傳統(tǒng)方法測繪時，需要確定控制網(wǎng)和可控制點，而且要保證各個點之間保持通視，所以采用傳統(tǒng)測量方法會消耗較多的人力和物力，也會影響測量精度。使用GPS技術(shù)能夠直接使用衛(wèi)星信號，不會受到通視情況的限制，可以保證測繪效率，也能減少投入。而且使用GPS技術(shù)也能在短時間內(nèi)就進行大量數(shù)據(jù)的采集，通過融合RTK技術(shù)，可以提升工程測繪的速度。

4.2 水下地形測繪

水下地形的測繪對于水域工程、海洋勘測等具有重要意義，使用GPS技術(shù)能夠讓水下地形的測繪變得更為精準(zhǔn)和高效。在使用GPS技術(shù)進行水下地形測繪，需要建立水下定位系統(tǒng)，確保在水下環(huán)境也能獲得位置信息，通過綜合使用聲吶、激光測距等技術(shù)的水下定位系統(tǒng)能夠測量水下物體的位置坐標(biāo)，實現(xiàn)對水下地形的高精度測繪。

5 結(jié)語

使用GPS測繪技術(shù)相比傳統(tǒng)測繪技術(shù)擁有更高的測繪效率和精度，操作也相對簡單，不會受到通視條件等因素的限制，因此具有較好的測量效果。測量人員需要充分了解靜態(tài)測量、RTK等GPS測量技術(shù)的使用方法，加強測量精度的控制和優(yōu)化，針對不同類型的測量工作合理使用對應(yīng)的測量技術(shù)，滿足當(dāng)前對工程測量精度、測量效率的需求，提升工程測量的整體效益。