GPS測量技術(shù)在工程測繪中的應(yīng)用

汪建林

(貴州省水利水電勘察設(shè)計研究院，貴州 貴陽 550002)

全球定位系統(tǒng)(GPS)是“衛(wèi)星授時測距導(dǎo)航／全球定位系統(tǒng)”的簡稱，它在測地中的應(yīng)用包括：建立和測定大地控制網(wǎng)點；地圖測繪；建立地理信息系統(tǒng)；公路、鐵路及其他大型工程建設(shè)的測量；研究地球動力學(xué)現(xiàn)象，包括測量地球外殼畸變、火山隆起、地震預(yù)測、大地板塊結(jié)構(gòu)及地球旋轉(zhuǎn)等。目前GPS接收機能進行動態(tài)、準(zhǔn)動態(tài)、快速靜態(tài)等多種測量工作方式，使定位精度達到(3mm十1×10-7.D)(D為測量距離)，觀測時間由原幾小時縮短到幾分鐘，擴拓了它在大地測量中的應(yīng)用。

GPS在測量中的應(yīng)用廣泛，本文重點分析大地控制網(wǎng)點、水下地形測繪和地球動力學(xué)對地震的預(yù)測。

1 測定大地控制網(wǎng)點

我國的國家高精度GPS大地測控網(wǎng)布測工作從1991年開始，目的是建立全國性的新的一代基礎(chǔ)大地測控網(wǎng)，由陜西測繪局、四川測繪局、黑龍江測繪局和武漢測繪大學(xué)承擔(dān)。它是利用先進的GI)S技術(shù)對我國的基礎(chǔ)控制網(wǎng)進行重測，以提高網(wǎng)點測量精度，優(yōu)化我國大地測控網(wǎng)，并為地球動力學(xué)的研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。布測工作于1996年完成，目前重測后的A級網(wǎng)點有27個，B級網(wǎng)點760個。

我國的許多省市引進了GPS測量設(shè)備，布測本地區(qū)、本市的控制網(wǎng)點，擴大控制面積，為本地區(qū)的開發(fā)和制定城市建設(shè)規(guī)劃起了積極的作用。

2 在水下地形測繪中的應(yīng)用

2.1 采用實時差分GPS定位

海洋資源開發(fā)利用、海港建設(shè)和改造、航道疏浚和整治；海岸和江岸碼頭的施工和設(shè)計等，所有水下工程都需要精密的水下地形圖。而繪制精密水下地形圖都必須進行水深和平面位置的三維測定，然后來用微機進行水下地形圖的繪制。

水深的測量利用測深儀。根據(jù)超聲波測量水深的原理，由換能器發(fā)射的聲脈沖到達海底反射回來，接收器接收反射脈沖，并測定發(fā)射至接收之間的時間 t，求得水深 h＝1／2Vt。這里，V 為聲波在水中的傳播速度，V約為1500 m／s。在水深測量的同時，還利用潮位儀進行潮位測定，用以改正水深測量值，最后求得水下地形的高程。

平面位置的測量，以前采用經(jīng)緯儀、經(jīng)外測距儀或三應(yīng)答器等無線電定位設(shè)備。這些設(shè)備都具有操作復(fù)雜、外界條件要求苛刻等問題，應(yīng)用十分不便。GPS的出現(xiàn)，開拓了解決平面位置測量的新途徑，但是采用單頻C／A碼定位精度不高，不能進行大比例尺水下地形測繪。應(yīng)用差分GPS技術(shù)可以解決這一問題。

將測深儀、潮位儀、差分GPS接收機以及終端設(shè)備結(jié)合起來，就購成一套完整的測量船上的水下測繪系統(tǒng)。圖1為該系統(tǒng)的一種測繪框圖。這里，DGPS接收機接收GPS衛(wèi)星信號和來自差分基站的校正信號，用基臺校正數(shù)據(jù)修正測量船蹬S測量誤差。在航行前，預(yù)先在計算機中輸入測線首尾點坐標(biāo)。在測量工作時，DGPS接收機將測定的坐標(biāo)參數(shù)輸入計算機，經(jīng)計算與坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，在彩色顯示屏上實時顯示航跡線及各種導(dǎo)航參數(shù)，包括測線號、定位序號、定位時間、基線方向角及航向角、偏離航線距離、離測線起點和終點的距離。操作者根據(jù)導(dǎo)航監(jiān)視器顯示的參數(shù)，可隨時修正航向，沿計劃航線航行。定位采樣間隔取l s。定位時、計算機自動打印記錄，并將數(shù)據(jù)存于硬盤和軟盤。

圖1 測量船上的水下測繪系統(tǒng)

在定位的同時，通過同步定時器給測深儀和潮位儀發(fā)出定標(biāo)信號，使定位采樣、測深采樣和潮值采樣同時進行。同步定標(biāo)器設(shè)置了多條控制線，還可連接其他測試儀器同時定標(biāo)。

按《海上測量規(guī)范》要求，海上定位點平面位置誤差為圖上1.5mm。采用實時DGPS測量精度能達到土2m，可用于大于1：2000比例尺的測圖。

2.2 采用后處理差分GPS動態(tài)定位

GPS后差分動態(tài)定位是將兩臺GPS接收機分別設(shè)于差分基站和船站，同步測量來自相同衛(wèi)星組的導(dǎo)航信號，利用基站得到的校正值，對船站定位數(shù)據(jù)進行測后修正。后處理GPS測繪系統(tǒng)的框圖基本上同圖1，僅是DGPS接收機用GPS接收機替代。

后差分技術(shù)要求船站與差分基站同日報收來自至少三顆相同衛(wèi)星的信號，并記錄在硬盤和軟盤中，在事后進行數(shù)據(jù)處理。將基站和船站記錄的數(shù)據(jù)拷入同一計算機進行須處理，形成統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式。利用后差分軟件計算基站GPS測定位置與已知位置的差值，即差分改正數(shù)。然后，按照時間對應(yīng)的方法用此改正數(shù)對船站測得的GPS數(shù)據(jù)進行校正，求得修正后的船載接收機天線所在位置的精確地理坐標(biāo)。

后處理差分的優(yōu)點是不受船站與基站之間障礙物的影響；可以多個船站同時工作，將測試結(jié)果進行家后分別處理，互不影響。后處理差分可以滿足小于1ll萬比例尺的各種測繪及海上工程測量定位。它的缺點是兩地必須采用同一組衛(wèi)星信號。

后處理差分在我國水下測繪中得到應(yīng)用，例如，國家海洋局第一測繪所利用該技術(shù)測繪1：5萬比例尺的廣西沿海海底的地形。測量數(shù)據(jù)表明，GPS后處理差分動態(tài)定位精度優(yōu)于15m的占總測點數(shù)的95%以上，最大的誤差值為25m，符合《海道測量規(guī)范》。

3 在研究地球動力學(xué)和地震預(yù)報中的應(yīng)用

觀測地殼運動，研究地球動力學(xué)問題，特別是地震前兆的地形變化是地質(zhì)學(xué)家的重要課題，也是測繪工作者的任務(wù)，用傳統(tǒng)的大地測量方法取得了不少寶貴的資料。國內(nèi)外資料表明，地殼確實存在運動，但這種運動是十分緩慢的。日本、美國的地面水平形變每年為10-7量級，我國、日本及原蘇聯(lián)等國的地面垂直形變每年為幾毫米。有人認為我國華南板塊向東南方向滑動速率為每年21mm，而有人即認為每年在5mm以內(nèi)。我國唐山大地震前的資料表明地面垂直形變幾十毫米，水平形變每年l0-6。遠遠小于地震后的地面高達幾米的永久形變。一般的地殼形變在時空分布是不均勻的，時快時慢，有的地方顯著，有的地方微小，其規(guī)律有待進一步觀測研究。

用傳統(tǒng)的大地測量技術(shù)觀測地殼運動精度低，范圍小，水平形變觀測精度在10-6以下，直接觀測范圍最多僅為幾十公里；并且復(fù)測周期長，如在我國復(fù)測一次需數(shù)年，耗資巨大。這就限制了對地殼運動及地形變前兆的研究。GPS技術(shù)彌補了傳統(tǒng)大地測量技術(shù)的不足，適應(yīng)地球動力學(xué)及地震預(yù)報研究的需要。

在國外，美國、日本等國利用GPS技術(shù)研究地球動力學(xué)與地震預(yù)報已做了大量的工作。日本的研究主要針對地震預(yù)報，早在1988年在日本關(guān)東地區(qū)建立了世界上第一個監(jiān)測地殼形變的GPS觀測網(wǎng)，觀測到板塊的運動。美國的地震預(yù)報研究主要集中在有可能發(fā)生大地震的西部加里福尼亞地區(qū)和加洲南部地區(qū)，在南加洲已布設(shè)了連續(xù)監(jiān)測地殼形變的永久GPS觀測臺陣，觀測臺的間隔為100km，沿斷層則加密至10km。1991年，中美和中意合作在我國西藏地區(qū)開始了板內(nèi)運動狀態(tài)的GPS測試試驗，隨后進行了較大規(guī)模的板塊運動狀態(tài)勢測試。

監(jiān)測洲際間的板塊運動，不僅有助于研究地球動力學(xué)問題，也是研究全球地震活動規(guī)律的需要，國際試驗和研究表明，對于500 km以內(nèi)的GPS站間距離測量，能達到土(5mm十1×10-8D)的測量精度，三維位置達到土3cm左右，它們的重復(fù)測量精度也為10-8量級。這樣的精度正好滿足板塊運動狀態(tài)的精度要求。有人認為，利用GPS精密定位技術(shù)長距離測量可達到10-9量級的精度，即1000km僅有幾毫米的誤差。

4 結(jié)束語

與傳統(tǒng)測繪方法相比，GPS測繪具有定位速度快、成本低、不受天氣影響、點間無需通視、不用建標(biāo)等優(yōu)點，而且儀器設(shè)備小巧輕便，操作簡單便捷。經(jīng)過20余年的實踐證明，GPS系統(tǒng)是一個高精度、全天候和全球性的無線電導(dǎo)航、定位和定時的多功能系統(tǒng)。GPS技術(shù)已經(jīng)發(fā)展成為多領(lǐng)域、多模式、多用途、多機型的國際性高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)。

[1]劉基余.GPS 導(dǎo)航定位原理與應(yīng)用[M].北京：科學(xué)出版社，2003.

[2]徐紹銓，張華海等.GPS測量原理及應(yīng)用(修訂版)[M].武漢：武漢大學(xué)出版社，2003.1.