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

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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.

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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。