□修冬紅

淺談全球定位系統(tǒng)與建筑測繪

□修冬紅

隨著時代的發(fā)展和科技的進(jìn)步，長期使用的測角、測距、測水準(zhǔn)的傳統(tǒng)測繪技術(shù)將會逐步的被代替，而以全球定位系統(tǒng)—GPS為代表的3S技術(shù)正在被廣泛的應(yīng)用。再加上實時動態(tài)差分法—RTK這一種新型GPS測量方法的發(fā)現(xiàn)，引領(lǐng)各種控制測量的新的方向，也極大地提高了外業(yè)作業(yè)效率。

1.什么是全球定位系統(tǒng)—GPS

1.1 GPS的定義

全球定位系統(tǒng)是以美國國防為背景，由美國國防部設(shè)計、投資、開發(fā)、和運行。它以衛(wèi)星定位和時間傳輸為基礎(chǔ)，利用GPS衛(wèi)星，在全球范圍內(nèi)適時進(jìn)行定位；它是隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)迅速發(fā)展而建立起來的新一代精密導(dǎo)航，具有全能性、全球性、全天候性、連續(xù)性，實時性的定位系統(tǒng)；能夠為客戶提供精密的三維坐標(biāo)速度和時間的儀器。

1.2 GPS定位原理

它由用戶接收部分、地面監(jiān)控部分與空間星座部分3個框架組成。GPS的基本原理與測量學(xué)中測距交會確定點位的方法一致，簡單地說是利用空間分布的衛(wèi)星以及衛(wèi)星與地面點間的距離進(jìn)行交會來確定點的位置。具體地說先將上述3者進(jìn)行信號的連接，然后進(jìn)行連續(xù)不斷的觀測，測量出已知位置的衛(wèi)星到用戶接收機(jī)之間的距離，則接收機(jī)一定位于以衛(wèi)星為中心，以所測距離為半徑的圓球上，同理可測得另外至少兩顆衛(wèi)星與接收器的距離。因此接收器一定位于這幾顆衛(wèi)星所測半徑的圓球的交點上。然后綜合這幾顆衛(wèi)星的數(shù)據(jù)，通過流動站進(jìn)行計算，處理就可知道接收機(jī)的具體位置。但是含有接收機(jī)，衛(wèi)星中的誤差及大氣傳播誤差，數(shù)據(jù)并不是真實的距離故稱為偽距。對OA碼測得的偽距稱為UA碼偽距，精度約為20m左右，對P碼測得的偽距稱為P碼偽距，精度約為2m左右。

1.3 GPS定位方式

一是絕對定位（單點定位）。絕對定位就是根據(jù)一臺接收機(jī)的觀測數(shù)據(jù)來確定接收機(jī)位置的方式，但是衛(wèi)星鐘是原子鐘而接受器則是石英鐘，有鐘差的影響，它只能采用偽距觀測量，可用于車船等的概略導(dǎo)航定位。

二是相對定位(差分定位)。相對定位是根據(jù)兩臺以上接收機(jī)的觀測數(shù)據(jù)來確定觀測點之間的相對位置的方法，它既可采用偽距觀測量也可采用相位觀測量。它的優(yōu)點是在多個觀測站同步觀測相同衛(wèi)星的情況下，衛(wèi)星的軌道誤差、衛(wèi)星誤差、接收器鐘差、電流層電離層的折射誤差，通過相對定位可有效的進(jìn)行消除或消弱上述誤差產(chǎn)生的影響，從而提高相對定位的精度。

三是靜態(tài)定位。在定位過程中，接收器定位是固定的。

四是動態(tài)定位。接收機(jī)天線處于運動的狀態(tài)。

在絕對定位和相對定位中，又穿插著靜態(tài)和動態(tài)定位兩種方式，但只有動態(tài)絕對定位和靜態(tài)的相對定位才有利用的價值。而其它的定位的方式還在研究階段。

1.4 GPS在建筑測繪時所具有的優(yōu)點

一是定位精度高。GPS的測量精度與紅外儀相當(dāng)，但隨著距離的增長，紅外儀的精確度就要遠(yuǎn)遠(yuǎn)不如GPS測繪的精確度，GPS測量精度基本上都能保持在10m以下。

二是觀測效率高。GPS操作自動化高，在小于20km的基線上做靜態(tài)相對定位需要15～20min。而動態(tài)觀測，每個觀測站只需要幾秒鐘，并且測點間無需通視，減少了人工浪費，縮短了測量的時間。

三是全天氣，全天候作業(yè)。GPS觀測可以在任何時間任何地點進(jìn)行，一般不受外界天氣狀況影響，這是因為它的衛(wèi)星很多，其觀測范圍有很多重疊的區(qū)域，分布廣泛，可以進(jìn)行連續(xù)性作業(yè)。

四是操作方便。由于其操作較之傳統(tǒng)測量，人工操作較少，基本實現(xiàn)了自動化和智能化，測量員只需安裝并開關(guān)儀器，測量儀器高，觀察并讀數(shù)。其他都由器械自主完成。而且重量輕，體積小極大減輕了工作者緊張程度和勞動強度，所以具有較強的可操作性。

五是布網(wǎng)靈活。由于GPS控制點間不需要通視，并且網(wǎng)的精度主要取決于觀測時的衛(wèi)星，觀測數(shù)據(jù)的質(zhì)量，數(shù)據(jù)處理的方法，而與GPS網(wǎng)型關(guān)系不大。因此GPS布網(wǎng)比常規(guī)布網(wǎng)靈活方便，可用于地形復(fù)雜的基地。常用的網(wǎng)型有：星型網(wǎng)連接式、點連式、邊連式、網(wǎng)連式。

2.GPS技術(shù)在建筑測繪中的應(yīng)用

2.1 GPS的應(yīng)用

GPS最初就是為軍方提供精確定位而建立的，至今它仍然由美國軍方控制。軍用GPS產(chǎn)品主要用來確定并跟蹤在野外行進(jìn)中的士兵和裝備的坐標(biāo)，給海中的軍艦導(dǎo)航，為軍用飛機(jī)提供位置和導(dǎo)航信息等。但是，隨著現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展，不僅在軍事方面，還在建筑測繪中GPS的應(yīng)用也越來越成熟。

一是GPS系統(tǒng)在房屋工程中提高精確度。工程測繪是對所要測繪的全部區(qū)域進(jìn)行全區(qū)域的測繪，它是測繪制圖，數(shù)據(jù)的采集錄入的重要前提而工程中提高控制點信息的精確度則又是全區(qū)域測量的關(guān)鍵。因此GPS工程網(wǎng)按照區(qū)域的范圍和時間的次序分為基本網(wǎng)和加密網(wǎng)，它要比傳統(tǒng)的網(wǎng)邊長變化幅度大而且結(jié)合得更加靈活。網(wǎng)絡(luò)功能的劃分以及布置的不同，使建筑整體區(qū)域的測量更加明確，有利于城市空間內(nèi)界址點的區(qū)別。而在工程細(xì)部的測量GPS作用更加凸顯。工程中基地界線、節(jié)點、形狀的確定。房屋位置，數(shù)量的測定，是建筑測繪的目標(biāo)也是難點。因為城內(nèi)建筑鱗次櫛比，高低錯落，這些點線很難確定，而GPS的出現(xiàn)則讓難度大大降低。它能夠?qū)⒕嚯x誤差縮小到10cm。

二是GPS在建筑用地勘測重要應(yīng)用。GPS技術(shù)可以隨時隨地對目標(biāo)進(jìn)行勘測，確定建筑使用地的范圍，確定各類土地的面積和界樁的位置。從而可以較少進(jìn)行建筑用地的觀測時間，減少多余的測繪過程。它為未審批土地，工程施工提供可靠的資料和依據(jù)。在進(jìn)行地形勘測時，傳統(tǒng)測量由于要保證質(zhì)量必須要進(jìn)行各測點通視，這嚴(yán)重影響了施工的進(jìn)度和人員的分配。而GPS則完美的解決了這一問題，它選點靈活，布網(wǎng)方便，不受通視網(wǎng)形的限制，它只需一人在每個碎點上待上一會，輸入其特征編碼，然后用專業(yè)的制圖軟件就可以輸出這個地區(qū)相應(yīng)的地形圖。

三是GPS在變形觀測的應(yīng)用。運用GPS技術(shù)進(jìn)行工程建筑物觀測時，在適當(dāng)處設(shè)立基準(zhǔn)點，在變形體中設(shè)立流動站。比如在高層建筑中，在風(fēng)作用下易產(chǎn)生側(cè)向位移，因此對抗側(cè)推力要求很高。為了保證結(jié)構(gòu)安全，必須進(jìn)行測移設(shè)計。但是，建筑物是具有彈性的，風(fēng)力作用下，它會進(jìn)行擺動，所以傳統(tǒng)的測量手段無法進(jìn)行。只有GPS能夠進(jìn)行實時觀測的測量措施才能達(dá)到預(yù)計的效果。例如：我國深圳的帝王大廈曾在臺風(fēng)期間進(jìn)行GPS測繪，收到了很好的效果。

2.2 GPS應(yīng)用注意事項

一是在進(jìn)行測繪之前，要先進(jìn)行工程的踏勘、了解、氣候、地形、地質(zhì)、交通、等諸多條件。二是了解地區(qū)的強電磁干擾，天空遮擋以及地面和建筑物對電磁波的反射情況。遠(yuǎn)離大功率無線電發(fā)射源，距離大于200m，遠(yuǎn)離高壓電線距離大于50m。三是選點，便于安置設(shè)備，觀測地點應(yīng)避免遮擋，視野內(nèi)障礙物不宜超過15°，影響衛(wèi)星觀測及信號的質(zhì)量，注意手機(jī)步話機(jī)等設(shè)備的使用。第一，當(dāng)觀測條件較差，邊長較短時，應(yīng)謹(jǐn)慎觀測。第二，為消除相位中心偏差對測量結(jié)果的影響，天線安置應(yīng)嚴(yán)格指向北方。第三，為消除電離層的干擾，要有一部分晚間觀測時間。第四，觀測結(jié)果是外業(yè)觀測的重要環(huán)節(jié)，一定要嚴(yán)格檢查，對超限和有誤處要進(jìn)行重測和補測，直到無誤后才能離開被測區(qū)域。

3.應(yīng)用實例

位于廣州的雁翎大廈，屬于框筒結(jié)構(gòu)，地下3層，地上48層，總高度為146.9m利用GPS構(gòu)建各施工層的三圍控制網(wǎng)，避免了復(fù)雜的軸線投側(cè)與標(biāo)高工作，提高了工作的效率。

工程首先選擇兩個堅固持久的基準(zhǔn)控制點，其精度要求優(yōu)于1/36000，設(shè)為A、B兩點，然后在每層平面內(nèi)都選擇兩個基準(zhǔn)點C、D，從而構(gòu)成ABC，ABD兩個同步閉合環(huán)，每次進(jìn)行約40min的靜態(tài)觀測，從而獲得三維坐標(biāo)。這些數(shù)據(jù)與交樁給定數(shù)值進(jìn)行校驗，結(jié)果再與國家高程通過計算獲得高程異常值。從而任何時候都可以將GPS大地高程換算成國家高程。

驗收時，雁翎大廈校驗結(jié)果顯示，垂直度精度優(yōu)于1/50000，標(biāo)高控制約為5mm。由此可以說明GPS在建筑測繪中的應(yīng)用可以提高測量的精度值，提供簡單方便的測控網(wǎng)絡(luò)和清晰明了的三維坐標(biāo)，是建筑工程的結(jié)果質(zhì)量得到很大的提高，有利于新時期建筑工程的智能化，高效化。

4.結(jié)語

工程測繪是一項系統(tǒng)工程，需要大量且精確的數(shù)據(jù)資料以及操作方法，GPS的發(fā)展無疑滿足了工程測繪高效率，高精細(xì)度的要求，它的出現(xiàn)使測繪制圖，圖屬一體化存儲和信息入庫的問題得到了解決；又由于它的方便快捷以及隨時隨地可操作性，減少了多余的觀測，從而避免了資源，時間和人員上的浪費；再加上它的作業(yè)不受環(huán)境和距離限制，從而提高了工作的效率和成果的質(zhì)量。因此具有廣闊的發(fā)展前景。□

2014-10-16

修冬紅，女，漢族，河北省水利水電勘測設(shè)計研究院，工程師。