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        淺談GPS測繪技術(shù)在建筑土木工程中的應(yīng)用

        2016-08-11 08:02:39岐委東
        大科技 2016年5期
        關(guān)鍵詞:邊長基線測點

        岐委東

        (山西天昇測繪工程有限公司 山西太原 030001)

        淺談GPS測繪技術(shù)在建筑土木工程中的應(yīng)用

        岐委東

        (山西天昇測繪工程有限公司 山西太原 030001)

        在科學(xué)技術(shù)不斷進步的過程中,現(xiàn)代化的測繪技術(shù)逐漸完善,在工程領(lǐng)域中獲得了廣泛的應(yīng)用。GPS測繪技術(shù)憑借著高標(biāo)準(zhǔn)和高精度的測量優(yōu)勢,在建筑土木工程中不斷推廣,為工程施工質(zhì)量的控制提供了依據(jù)。本文結(jié)合GPS測繪技術(shù)的介紹,分析了其在建筑土木工程中的應(yīng)用。

        GPS;建筑土木工程;應(yīng)用探析

        每項工程都必須與社會的經(jīng)濟效益相掛鉤,測量是工程項目中最基本的工作,在設(shè)計和施工中發(fā)揮著重要的作用,只有通過精確的工程測量,才能完成實際工程項目的設(shè)計和施工規(guī)劃,為工作布置提供合理的依據(jù)。比如為取得一條最經(jīng)濟最合理的路線,必須先進行路線勘測,繪出路線圖。工程測量在設(shè)計和施工過程中占據(jù)著重要位置,在日常生活中常用測距、測角和測水準(zhǔn)等方式進行常規(guī)測試,隨著時代的發(fā)展和科技的進步,GPS技術(shù)逐漸取代了傳統(tǒng)的常規(guī)測量技術(shù),并以全新的面貌迎接新的挑戰(zhàn)。

        1 GPS測繪技術(shù)介紹

        GPS即全球定位系統(tǒng),以高速運行的衛(wèi)星作為重要的工具找出物體的瞬間位置,將其作為已知數(shù)據(jù),在空間中應(yīng)用后交匯的方法對待測點的位置進行確定。在GPS測繪技術(shù)應(yīng)用過程中,常采用兩種坐標(biāo)系統(tǒng),即空間固定的坐標(biāo)系統(tǒng)和大地對應(yīng)的地固坐標(biāo)系統(tǒng)。對地固坐標(biāo)系統(tǒng)而言,為了求出使用使用坐標(biāo)系統(tǒng)的坐標(biāo),在工程測量的過程中必須進行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。GPS測量系統(tǒng)主要包括控制部分和用戶部分[1]。

        1.1 控制部分

        控制部分主要包括地面上的跟蹤站,從結(jié)構(gòu)上講,跟蹤站又可以分為主控站、監(jiān)控站和注入站。其中主控站負(fù)責(zé)接收監(jiān)控站獲得的數(shù)據(jù),對數(shù)據(jù)進行處理后加工成導(dǎo)航電文傳輸?shù)阶⑷胝局?。注入站將?shù)據(jù)信息傳輸?shù)叫l(wèi)星的存儲部分,進行數(shù)據(jù)信息的動態(tài)監(jiān)測。

        1.2 用戶部分

        用戶部分主要包括微處理器、接收機和終端設(shè)備,用戶部分接受衛(wèi)星發(fā)出的信號,將信號整理后實現(xiàn)定位導(dǎo)航,在GPS應(yīng)用的過程中,只有在用戶的幫助下才能發(fā)揮出測量作用。

        2 GPS測繪技術(shù)在建筑土木工程中的應(yīng)用

        2.1 靜態(tài)相對定位的應(yīng)用

        針對靜態(tài)GPS測量技術(shù)而言,現(xiàn)代測繪作業(yè)中主要應(yīng)用于勘測控制網(wǎng)的布設(shè)中,具有較高的經(jīng)濟效益,并且測量精度高,操作較為簡便。應(yīng)用靜態(tài)GPS測量技術(shù)建立勘測控制網(wǎng),成本僅為常規(guī)勘測的25%,以下介紹靜態(tài)GPS測量中控制網(wǎng)的建立方法:

        2.1.1 初步勘察

        結(jié)合實際土木工程的測繪工作,及時獲得項目資料,對現(xiàn)場的水文地質(zhì)狀況進行詳細(xì)的勘察,先組織測量人員初步勘察,為后期GPS測量點的選擇提供依據(jù),對不同測量點之間的聯(lián)測工作進行初步構(gòu)思。

        2.1.2 控制網(wǎng)設(shè)計

        GPS控制網(wǎng)設(shè)計過程中需要考慮較多的因素,必須在應(yīng)用中結(jié)合工程實際,利用接收機同步觀測不同的邊和點,構(gòu)成完整的測量網(wǎng),構(gòu)建出異步環(huán)、同步環(huán)和復(fù)測基線的點位,提高控制網(wǎng)的集合度。

        2.1.3 選點

        選點過程中嚴(yán)格遵循設(shè)計圖紙的規(guī)定,以嚴(yán)格的間距要求控制所選點之間的間距,為后期接收設(shè)備的安裝做好準(zhǔn)備,保證測量工作的順利進行[2]。

        2.1.4 架設(shè)GPS觀測儀

        GPS觀測儀架設(shè)過程中需要嚴(yán)格按照選點規(guī)則,先安裝好接收天線,再安裝接收機設(shè)備,便于正確處理觀測信息。

        2.1.5 觀測數(shù)據(jù)的處理

        GPS在土木工程中的應(yīng)用,需要對測量基線進行求解,并作出平差計算,在專業(yè)的計算機軟件中導(dǎo)入GPS的原始測量數(shù)據(jù),解算出基線結(jié)果,并對結(jié)果進行檢驗,最后對GPS網(wǎng)進行預(yù)處理,及時排除基線解算的誤差,根據(jù)最終的基線解算結(jié)果選擇控制網(wǎng)的平差值。

        2.1.6 高程測量

        實際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn),如果以大地水平面為基準(zhǔn)的正常高最為依據(jù),測量結(jié)果中的大地高將存在較大的誤差,因此必須獲取正常高的精確值,也就是要聯(lián)測出一定數(shù)量的水準(zhǔn)點,通過擬合計算后得出高程的異常值,再求出待測點的高程。在測量高程的過程中也不會出現(xiàn)累積誤差,在作業(yè)過程中也十分迅速便捷,所以被廣泛應(yīng)用于小區(qū)域的靜態(tài)定位測量中。應(yīng)用靜態(tài)定位技術(shù)對水準(zhǔn)高度進行擬合,可以為高程測量提供可靠的依據(jù)。

        2.2 動態(tài)相對定位的應(yīng)用

        靜態(tài)定位方法在實際應(yīng)用中也存在一定的弊端,例如數(shù)據(jù)處理較為滯后,對觀測數(shù)據(jù)的質(zhì)量造成了一定的影響。近年來廣泛應(yīng)用RTK技術(shù),在載波相位觀測的基礎(chǔ)上進行動態(tài)觀測定位,可以實時提供觀測站點內(nèi)定位結(jié)果,具有較高的精度。在RTK作業(yè)模式中,基準(zhǔn)站可以將數(shù)據(jù)及時傳送到流動站中,流動站獲得數(shù)據(jù)信息后及時作出差值分析,及時給出定位結(jié)果。

        3 實例應(yīng)用

        在江漢平原一袋需要建立一所獲利發(fā)電站,為中部地區(qū)提供可靠優(yōu)質(zhì)的電能,借助GPS測繪技術(shù)進行選址和測量。以下重點論述了該項技術(shù)的應(yīng)用過程。

        3.1 布設(shè)GPS網(wǎng)

        測區(qū)海拔高度800m,面積約為40km2。測量之前并沒有掌握已知的結(jié)果。在實際應(yīng)用中設(shè)置了二等GPS網(wǎng)對測區(qū)進行全面覆蓋,采用加密三等GPS網(wǎng)進行高程控制。在測區(qū)內(nèi)選擇了15個合理的觀測點。為了提升控制網(wǎng)的精度,本次測量中選擇了邊連式的四邊形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

        3.2 應(yīng)用方法

        觀測過程中采用了6臺雙拼信號接收機,其中三臺型號為萊卡1230,另外三臺為萊卡GS180。觀測工作開始前,結(jié)合實際工作內(nèi)容制定出測量計劃,繪制GPS衛(wèi)星的測量預(yù)報表,便于開展后期的同步觀測。針對不同的觀測時間段,需要選用不同的同步環(huán)進行觀測,觀測時間控制在60min以上,衛(wèi)星的高度角控制在15°以上,設(shè)置了8個有效觀測衛(wèi)星,任意觀測衛(wèi)星的觀測時間在20min左右,采樣過程中的中間隔為15s[3]。

        針對B級GPS控制網(wǎng)而言,在測量的過程中,同一邊任意時刻的邊長之差記為△d,該值需要滿足以下關(guān)系:

        其中σ表示在儀器的標(biāo)稱精度狀況下,實際計算出的基線距離中誤差。如果成果檢測不合格,必須重新檢測基線邊和基線網(wǎng)。

        本次測繪工作中沒有響應(yīng)的控制成果,在整個GPS網(wǎng)覆蓋區(qū)域內(nèi)布設(shè)了五等導(dǎo)線點。在實際工作中先布設(shè)出二等GPS網(wǎng),后布設(shè)出三等GPS網(wǎng),最后布設(shè)出五等附合導(dǎo)線,為了形成全區(qū)域內(nèi)的測繪控制網(wǎng),在實際中聯(lián)測出三等三角高程。

        在組成二等GPS網(wǎng)的過程中,需要將二等GPS控制網(wǎng)作為測區(qū)內(nèi)的平面控制網(wǎng),結(jié)合平原地帶的地勢特征,經(jīng)GPS測點成對埋設(shè),本項目共設(shè)有8對GPS測點。在每對GPS測點中抽取一個作為二等GPS測點,另一個為三等GPS測點。按照二等GPS測點的精度要求,每對測點的觀測時間控制在8h,PDOP的值在8以下,數(shù)據(jù)采樣時間控制在15~30s,本項目中選為25s,衛(wèi)星的高度截至角為15°,同一時刻觀測的衛(wèi)星數(shù)量在4個以上,有效衛(wèi)星綜述在6個以上。重復(fù)基線測量過程中保證差值在2σ以下。

        針對同步環(huán)而言,需要將不同的坐標(biāo)分量閉合差控制在以下標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi):

        針對異步環(huán)而言,需要將不同的坐標(biāo)分量閉合差控制在以下標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi):

        其中Wx、Wy、Wz、W為不同方向上的坐標(biāo)分量,σ表示相應(yīng)GPS控制網(wǎng)規(guī)定的相鄰點的弦長精度,此弦長精度按照平均邊長計算,在實際應(yīng)用對精度進行控制,保證全網(wǎng)最弱的相鄰點邊長的相對中誤差在1/150000以下[4]。

        針對三等GPS網(wǎng)的布設(shè),需要按照嚴(yán)格的精度要求,不同點的同步觀測按照1.5h,PDOP值在10以下,數(shù)據(jù)采樣間隔在15~30s之間,本項目選取25s,衛(wèi)星的高度截至角為15°,同一時刻觀測的衛(wèi)星數(shù)量在4個以上,有效衛(wèi)星綜述在6個以上。重復(fù)基線測量過程中保證差值在2σ以下。

        針對同步環(huán)而言,需要將不同的坐標(biāo)分量閉合差控制在以下標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi):

        針對異步環(huán)而言,需要將不同的坐標(biāo)分量閉合差控制在以下標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi):

        在實際應(yīng)用對精度進行控制,保證全網(wǎng)最弱的相鄰點邊長的相對中誤差在1/180000以下。

        3.3 GPS數(shù)據(jù)處理

        應(yīng)用Pinnacle GPS軟件得出基線解,得出數(shù)據(jù)的平均比率為40.4,檢驗結(jié)果合格。以GPS測量規(guī)范為基準(zhǔn),處理不同的限差,在滿足GPS精度要求的前提下,檢測復(fù)測基線、同步環(huán)和異步環(huán)的結(jié)果。

        在本項目的測繪過程中,GPS的最大邊長、最大邊長和平均邊長分別為23.1km、2.1km、9.4km,最終得出的同步環(huán)和異步環(huán)的閉合差分別為20.9mm、46.4mm,滿足GPS測量規(guī)范的精度要求。其中以異步環(huán)閉合差統(tǒng)計為例,給出了如表1所示的最大誤差值和允許誤差值。

        表1 異步環(huán)閉合差統(tǒng)計

        在計算GPS網(wǎng)平差的過程中,選用GANAS GPS數(shù)據(jù)處理軟件,對外業(yè)測量結(jié)果進行了確定,在WGS84坐標(biāo)系下計算出網(wǎng)平差,以Vx、Vy、Vz表示不同方向的基線分量,則需要滿足以下關(guān)系:

        其中Mo表示基線長度中誤差,平差后不同方向上的基線分量Vx、Vy、Vz分別為8.478mm、13.849mm、16.580mm,滿足上述要求。

        4 結(jié)束語

        GPS技術(shù)已廣泛應(yīng)用于建筑土木工程領(lǐng)域,與傳統(tǒng)的測繪方法相比,使用GPS技術(shù)不但縮短了工作周期,提高了工作效率,而且也提高了測繪質(zhì)量,利用GPS技術(shù)還可以布設(shè)測量工程的控制網(wǎng),將為未來工程測量行業(yè)的發(fā)展提供新的動力。

        [1]《公路勘測規(guī)范》(JTGC10-2010).北京:人民交通出版社,2010,36(4):69.

        [2]馮曉,周平,范洪成,等.基于RTK功能的GPS道路中線測設(shè)原理與試驗[J].重慶交通學(xué)院學(xué)報,2012,21(4):75~78.

        [3]裴亮.測繪學(xué)基礎(chǔ)[J].北京:教育科學(xué)出版社,2013,25(7):125.

        [4]孟凡超.GPS RTK與全站儀聯(lián)合作業(yè)在數(shù)字測圖中的應(yīng)用[J].北京測繪,2010,25(2):57~60.

        P228.4

        A

        1004-7344(2016)05-0181-02

        2016-2-5

        岐委東(1987-),男,助理工程師,本科,主要從事測繪工作。

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