GPS測量技術在工程測繪中的應用探討

李亞新

摘 要：目前，GPS技術已經廣泛應用于大地測量、工程測量、控制測量、地籍測量、精密工程測量以及車輛、船舶及飛機導航等方面。尤其是實時動態（GPS-RTK）測量技術的應用，更顯示了全球衛星定位系統的強大生命力。該文主要探討GPS測量技術在工程測繪中的應用。

關鍵詞：GPS測量技術 工程測繪 定位

中圖分類號：P228.4 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2012）12（a）-0-01

GPS測量定位分絕對定位和相對定位。采用單機絕對定位測量是不需要任何測繪控制點，但考慮到差分計算的要求以及將GPS數據與其他調查成果進行GIS數據疊加配準時，需要進行坐標轉換，測區內必須有一定數據的測繪控制點。如果測區內已有足夠數量的WGS84坐標系下的GPS控制區和國家坐標系控制點，這些點可以完全滿足利用GPS測量調查的需要。

1 GPS測量技術

1.1 差分GPS的概念

差分GPS（DGPS）定位技術是將一臺或多臺GPS接收機安置在基準站上進行觀測，根據基準站已知精密坐標，計算出基準站到衛星的距離改正數，并由基準站實時地將這一改正數發送出去。用戶接收機在進行GPS觀測的同時，也接收到基準站的改正數，并對其定位結果進行改正，從而提高定位精度。GPS定位中存在著三部分誤差：一是多臺接收機公有的誤差；二是傳播延遲誤差；三是接收機固有的誤差。采用差分技術可以完全消除第一部分誤差，可大部分消除第二部分誤差（視基準站至用戶的距離）。結構松散，抗剪強度和抗風化能力低，在水作用下容易發生變化的松散覆蓋層、黃土、黏土、頁巖、泥巖、煤系地層、凝灰巖、片巖、板巖、千枚巖等是滑坡的易發生物質基礎。巖土力學強度較弱與較堅硬巖層互層結構的碎屑巖組亦利于滑坡的形成。巖土體中的各種結構面，包括節理、裂隙、層理面、巖性界面、平行和垂直的陡傾構造面及順坡緩傾的構造面都是產生滑坡的內在條件。這些結構面的種類、軟弱性、展布范圍、密集程度，特別是軟弱結構面與斜坡臨空面的關系，對斜坡穩定起著很大作用。一般來說，結構面張開性較好或者破裂面和軟弱夾層的抗剪強度較兩側巖土低，它們在空間的組合常成為斜坡變形破壞的滑動面。結構面延伸越長，貫穿性越好，其危害越大。在各種結構面中，延伸范圍較大的是層面、不整合面、斷層面等。

1.2 實時動態定位測量技術

實時動態（Real Time Kinematics簡稱RTK）定位測量技術，也稱載波相位差分技術。是以載波相位觀測量為根據的實時差分GPS測量技術，它是GPS測量技術發展中的一個新突破。該項技術的基本原理是在基準站上安置一臺GPS接收機，對所有可見GPS衛星進行連續地觀測，并將其觀測數據通過無線傳輸設備，實時地發送給用戶觀測站。在流動站上，GPS接收機在接收衛星信號的同時，通過無線傳輸接收設備，接收基準站傳輸的觀測數據，然后根據相對定位的原理，實時地計算并顯示流動站的三維坐標及其精度。

2 GPS觀測數據處理

GPS數據預處理是對原始觀測數據進行編輯、加工與整理、分流出各種專用的信息文件，為進一步的平差計算做準備。從原始記錄中，通過解碼將各項數據分類整理，剔除無效觀測值和信息，形成各種數據文件，如星歷文件、觀測文件和測站信息文件等，然后進行觀測數據的平滑、濾波、周跳探測、載波相位觀測值的修復以及對觀測值進行各項必要的改正。觀測成果的外業檢核是確保外業觀測質量，實現預期定位精度的重要環節。所以當觀測結束后，必須在測區及時對外業的觀測數據質量進行檢核和評價，以便及時發現不合格的數據，并根據情況采取淘汰或重測、補測措施。同步觀測數據的檢核，主要指觀測數據的剔除和觀測值的殘差之差。應用GPS技術進行土地利用調查控制測量，首先應對原始觀測數據進行預處理，解算出各基線向量，然后再對同步觀測數據進行檢核、重復邊的檢核以及環閉合差的檢核，并且3種檢核應滿足現行GPS測量規范的精度指標要求。觀測數據預處理完畢之后，根據預處理所獲得的標準化數據文件，便可以觀測數據的平差計算。以所有獨立基線組成閉合圖形，以三維基線向量及其相應方差作為觀測信息，以一個點的WGS-84系三維坐標作為起算依據，進行GPS網的三維無約束平差。

3 GPS測量技術在工程測繪中的應用

GPS沉樁定位系統采用我公司研制的“GPS打樁定位系統”。該系統采用GPS-RTK模式、免棱鏡測距儀、測傾儀、錘擊計數器等先進的定位和傳感設備，能直接可靠地確定樁身位置和樁頂標高，所有的定位數據以圖像和數字形式顯示在打樁船操作室的電腦的屏幕上，能準確地反映出施打樁的設計樁中坐標、樁頂標高、平面扭角、傾斜坡度和當前施打樁的實時位置的樁中坐標偏差、樁頂標高偏差、平面扭角偏差、實時傾斜坡度、實時貫入度等。便于操作人員進行對照比較，調整船體，準確定位。根據我公司在杭州灣跨海大橋工程、東海大橋工程、洋山港港區碼頭工程中的實際應用效果，證明該系統的定位精度能夠滿足《港口工程樁基規范》（JTJ254-98）要求。實時動態定位方式進行地籍碎部測量具有非常明顯的優勢：一是采點速度快，在保持衛星連續跟蹤的情況下，一般單點測量僅需幾秒鐘，與全站儀相當。但是在以基準站為中心方圓20 km內，既不需要變換基準站，也不需要圖根控制點，更不需要定向，這就減少了全站儀頻繁換站所花費的時間，且可以使多個流動站同時工作，而互不影響。通過實踐比較，在相同的時間內，1臺流動站大約是1臺全站儀工作效率的1.5倍。

3.1 監測工程變形中 GPS 的應用

打樁船GPS沉樁定位具體過程如下：由3臺固定在打樁船上的GPS流動站以RTK模式（動態），結合相應的打樁軟件，進行實時控制船體的位置、方向和姿態。樁身的傾斜度由樁架控制。樁頂標高由安裝在龍口后方的攝像機及測距儀實時測定，同時由 “錘擊計數器”記錄沉樁時的錘擊數，自動進行沉樁貫入度的計算，并顯示在系統計算機屏幕上。在定位過程中，要注意實時檢查“海工工程遠距離GPS沉樁定位系統”中的3臺Trimble5700GPS接收天線之間的夾角誤差、距離誤差、高差誤差及三臺GPS接收機的RTK狀態的質量因子等是否符合相應的規范要求。

3.2 水下地形測繪中 GPS 的應用

當GPS定位系統由于出現信號接收問題而無法正常定位時，采用常規的方法進行定位。具體過程如下：岸上設置全站儀、經緯儀各1臺，兩臺儀器先用經緯儀模式進行前方交會定位，定位好了再用全站儀測坐標法進行樁位校核。

4 結語

為方便衛星GPS定位測量沉樁，將根據業主提供的基線基點，選擇地基牢固、方便管理的位置，采用靜態測量布設高精度的GPS參考站，以確保本工程順利沉樁和施工質量。在測量中，測量工作者能夠根據導航監視器進行修正航向，在測量、定位時，計算機系統能夠自動進行記錄，并保存在硬盤或者軟盤中。

參考文獻

[1] 潘建華.測繪新技術在工程測量中的應用[J].科海故事博覽·科技探索，2012（5）.