孟憲偉/青島瑞源工程集團(tuán)有限公司

GPS測(cè)量技術(shù)在工程測(cè)繪中的應(yīng)用探討

孟憲偉/青島瑞源工程集團(tuán)有限公司

GPS 的出現(xiàn)給測(cè)繪領(lǐng)域帶來(lái)了根本性的變革，具體體現(xiàn)在大地測(cè)量方面，GPS 定位技術(shù)以其精度高、速度快、費(fèi)用省、操作簡(jiǎn)便等優(yōu)良特性被廣泛應(yīng)用于大地控制測(cè)量中。本文對(duì)GPS測(cè)量技術(shù)在工程測(cè)繪中的應(yīng)用進(jìn)行了探討分析。

GPS；工程測(cè)繪；應(yīng)用探討

引 言

GPS 測(cè)量技術(shù)的出現(xiàn)和不斷發(fā)展，極大地促進(jìn)了測(cè)繪工作的進(jìn)步，不僅使測(cè)繪的工作方式發(fā)生了根本性的變革，也大大提高了工程測(cè)繪的工作效率、拓寬了工程測(cè)繪的服務(wù)范圍。文章首先探析了 GPS 在工程測(cè)繪中的特點(diǎn)，論述了 GPS 測(cè)量技術(shù)在工程測(cè)繪中的應(yīng)用等，有一定的理論價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。

一、 GPS 測(cè)量技術(shù)應(yīng)用

在工程測(cè)量領(lǐng)域，GPS 定位技術(shù)正在日益發(fā)揮其巨大作用。如，利用 GPS 可進(jìn)行各級(jí)工程控制網(wǎng)的測(cè)量、GPS 用于精密工程測(cè)量和工程變形監(jiān)測(cè)、利用 GPS 進(jìn)行機(jī)載航空攝影測(cè)量、利用 RTK 技術(shù)進(jìn)行點(diǎn)位的測(cè)設(shè)等。在災(zāi)害監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，GPS 可用于地震活躍區(qū)的地震監(jiān)測(cè)、大壩監(jiān)測(cè)、油田下沉、地表移動(dòng)和沉降監(jiān)測(cè)等，此外還可用來(lái)測(cè)定極移和地球板塊的運(yùn)動(dòng)。

二、GPS 相對(duì)于其他衛(wèi)星定位系統(tǒng)的特點(diǎn)

GPS 系統(tǒng)是目前在導(dǎo)航定位領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛的系統(tǒng)，它以高精度、全天候、高效率、多功能、易操作等特點(diǎn)著稱，比其他導(dǎo)航定位系統(tǒng)具有更強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)。GPS 定位技術(shù)能達(dá)到毫米級(jí)的靜態(tài)定位精度和厘米級(jí)的動(dòng)態(tài)定位精度。

三、GPS 測(cè)量的特點(diǎn)

GPS 可為各類(lèi)用戶連續(xù)提供動(dòng)態(tài)目標(biāo)的三維位置、三維速度及時(shí)間信息。GPS 測(cè)量主要特點(diǎn)如下：

（一）功能多、用途廣

GPS 系統(tǒng)不僅可以用于測(cè)量、導(dǎo)航，還可以用于測(cè)速、測(cè)時(shí)。測(cè)速的精度可達(dá)0.1m /s，測(cè)時(shí)的速度可達(dá)幾十毫微妙。其應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大。

（二）定位精度高

大量的實(shí)驗(yàn)和工程應(yīng)用表明，用載波相位觀測(cè)量進(jìn)行靜態(tài)相對(duì)定位，在小于50km的基線上，相對(duì)定位精度可達(dá)1×10-6～2×10-6，而在100～500km 的基線上可達(dá)10-6～10-7。隨著觀測(cè)技術(shù)與數(shù)據(jù)處理方法的改善，可望在大于1000km的距離上，相對(duì)定位精度達(dá)到或優(yōu)于10-8。在實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位（RTK）和實(shí)時(shí)差分定位（RTD）方面，定位精度可達(dá)到厘米級(jí)和分米級(jí)，能滿足各種工程測(cè)量的要求。隨著GPS 定位技術(shù)及數(shù)據(jù)處理技術(shù)的發(fā)展，其精度還將進(jìn)一步提高。

（三）實(shí)時(shí)定位

利用全球定位系統(tǒng)進(jìn)行導(dǎo)航，既可實(shí)時(shí)確定運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的三維位置和速度，可實(shí)時(shí)保障運(yùn)動(dòng)載體沿預(yù)定航線運(yùn)行，亦可選擇最佳路線。特別是對(duì)軍事上動(dòng)態(tài)目標(biāo)的導(dǎo)航，具有十分重要的意義。

（四）觀測(cè)時(shí)間短

目前，利用經(jīng)典的靜態(tài)相對(duì)定位模式，觀測(cè) 20km 以內(nèi)的基線所需觀測(cè)時(shí)間，對(duì)于單頻接收機(jī)在1h左右，對(duì)于雙頻接收機(jī)僅需15～20min。采用實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位模式，流動(dòng)站初始化觀測(cè) 1～5min 后，并可隨時(shí)定位，每站觀測(cè)僅需幾秒鐘。利用GPS 技術(shù)建立控制網(wǎng)，可縮短觀測(cè)時(shí)間，提高作業(yè)效益。

（五） 觀測(cè)站之間無(wú)需通視

經(jīng)典測(cè)量技術(shù)需要保持良好的通視條件，又要保障測(cè)量控制網(wǎng)的良好圖形結(jié)構(gòu)。而 GPS 測(cè)量只要求測(cè)站15°以上的空間視野開(kāi)闊，與衛(wèi)星保持通視即可，并不需要觀測(cè)站之間相互通視，因而不再需要建造覘標(biāo)。這一優(yōu)點(diǎn)即可大大減少測(cè)量工作的經(jīng)費(fèi)和時(shí)間（一般造標(biāo)費(fèi)用約占總經(jīng)費(fèi)的30%～50%），同時(shí)，也使選點(diǎn)工作變得非常靈活，完全可以根據(jù)工作的需要來(lái)確定點(diǎn)位，可通視也使電位的選擇變得更靈活，可省去經(jīng)典測(cè)量中的傳算點(diǎn)、過(guò)渡點(diǎn)的測(cè)量工作。不過(guò)也應(yīng)指出，GPS 測(cè)量雖然不要求觀測(cè)站之間相互通視，但為了方便用常規(guī)方法聯(lián)測(cè)的需要，在布設(shè) GPS點(diǎn)時(shí)，應(yīng)保證至少一個(gè)方向通視。

（六）操作簡(jiǎn)便 GPS 測(cè)量的自動(dòng)化程度很高

對(duì)于“智能型”接收機(jī)，在觀測(cè)中測(cè)量員的主要任務(wù)只是安裝并開(kāi)關(guān)儀器、量取天線高、采集環(huán)境的氣象數(shù)據(jù)、監(jiān)視儀器的工作狀態(tài)，而其他工作，如衛(wèi)星的捕獲、跟蹤觀測(cè)和記錄等均由儀器自動(dòng)完成。結(jié)束觀測(cè)時(shí)，僅需關(guān)閉電源，收好接機(jī)，便完成野外數(shù)據(jù)采集任務(wù)。如果在一個(gè)測(cè)站上需要作較長(zhǎng)時(shí)間的連續(xù)觀測(cè)，還可實(shí)行無(wú)人值守的數(shù)據(jù)采集，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)或其他通訊方式，將所采集的觀測(cè)數(shù)據(jù)傳送到數(shù)據(jù)處理中心，實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化的數(shù)據(jù)采集與處理。GPS 用戶接收機(jī)一般重量較輕、體積較小。例如，Ashtech 單頻接收機(jī)——LOCUS 最大重量1.4kg，是天線、主機(jī)、電源組合在一起的一體機(jī)，自化程度較高，野外測(cè)量時(shí)僅“一鍵”開(kāi)關(guān)，攜帶和搬運(yùn)都很方便。

（七） 可提供全球統(tǒng)一的三維地心坐標(biāo)

經(jīng)典大地測(cè)量將平面和高程采用不同方法分別施測(cè)。GPS測(cè)量中，在精確測(cè)定觀測(cè)站平面位置的同時(shí)，可以精確測(cè)量觀測(cè)站的大地高程。GPS 測(cè)量的這一特點(diǎn)，不僅為研究大地水準(zhǔn)面的形狀和確定地面點(diǎn)的高程開(kāi)辟了新途徑，同時(shí)也為其在航空物探、航空攝影測(cè)量及精密導(dǎo)航中的應(yīng)用，提供了重要的高程數(shù)據(jù)。GPS定位是在全球統(tǒng)一的 WGS－84 坐標(biāo)系統(tǒng)中計(jì)算的，因此全球不同點(diǎn)的測(cè)量成果是相互關(guān)聯(lián)的。

（八）全球全天候作業(yè)

GPS 衛(wèi)星較多，且分布均勻，保證了全球地面被連續(xù)覆蓋，使得在地球上任何地點(diǎn)、任何時(shí)候進(jìn)行項(xiàng)觀測(cè)工作，通常情況下，除雷雨天氣不宜觀測(cè)，一般不受天氣狀況的影響。因此，GPS 定位技術(shù)的發(fā)展是對(duì)經(jīng)典測(cè)量技術(shù)的一次重大突破。一方面，它使經(jīng)典的測(cè)量理論與方法產(chǎn)生了深刻的變革；另一方面，也進(jìn)一步加強(qiáng)了測(cè)量學(xué)與其他學(xué)科之間的相互滲透，從而促進(jìn)了測(cè)繪科學(xué)技術(shù)的現(xiàn)代化發(fā)展。

四、GPS 高差與三角高差的差值分析

對(duì)比數(shù)據(jù)由 GPS 網(wǎng)中隨機(jī)抽取，共抽取 8 條基線，并對(duì)其進(jìn)行三角高差測(cè)量。表 1 中往返高差限差均按《光電測(cè)距高程導(dǎo)線測(cè)量規(guī)范》要求的四等高程導(dǎo)線往返高差限差Δh＝±45S計(jì)算。我們可以看到每一段的 GPS 高差與三角高差的差值都優(yōu)于規(guī)范要求，而且每公里高差誤差最大值為±3.29 cm，可見(jiàn)在小面積范圍內(nèi) GPS 高差精度已經(jīng)達(dá)到了四等高程導(dǎo)線的精度。

五、結(jié)束語(yǔ)

檢測(cè)結(jié)果表明，10km2范圍內(nèi) GPS 高差完全可以取代四等三角高差及等外水準(zhǔn)高差而應(yīng)用于施工當(dāng)中。由此可見(jiàn)，在小面積的測(cè)區(qū)內(nèi)如果采用單點(diǎn)作為測(cè)區(qū)起算點(diǎn)而建立的獨(dú)立坐標(biāo)系統(tǒng)下，GPS 高程也同樣能滿足像地質(zhì)礦產(chǎn)勘查與物化探工程測(cè)繪的精度要求。

[1]王金山、周園.測(cè)量學(xué)基礎(chǔ)［M］.北京：教育科學(xué)出版社，2015.

[2]孟凡超.GPS－RTK 與全站儀聯(lián)合作業(yè)在數(shù)字測(cè)圖中的應(yīng)用［J］.北京測(cè)繪，2015（2）.