GPS測量技術在工程中的應用研究

摘 要：本文基于筆者多年從事變形監測的相關工作經驗，以基于GPS的沉降變形監測技術為研究對象，探討了其在某高速公路沉降變形監測中的應用思路，全文是筆者長期實踐基礎上的理論升華，相信對從事相關工作的同行能有所裨益。

關鍵詞：GPS 沉降 變形監測 公路

中圖分類號：TB22 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2013）01（b）-0047-02

1 工程概述

某高速公路全線采用雙向四車道全封閉高速公路標準建設，設計行車時速100～120 km/h。本人選取其中10 km作為GPS沉降變形監測的工程項目，所處地形為平原和丘陵連接地帶，設計路基寬度26 m。路線設計為四車道該段有11個各種系統的平面控制點，經過實地尋找，找出了5個。

在已找出的5個控制點中，國家測繪局系統一等點2個，二等點1個，城市測量系統點2個，這些平面控制點分屬不同測量系統，且等級不同。2010年9月，本人對其中10 km路段進行了測定，采用了GPS技術進行高程測量，并與用二等水準測量的高程數據進行比較和分析，在測量過程中有意識對GPS的高程進行了檢驗。

2 工程實施過程

（1）觀測使用AshtechZ-X雙頻GPS接收機5臺，二等水準采用NAZ+GPM3型水準儀。并對兩種方法測量的成果進行分析，同時用全站儀檢驗了GPS點的坐標。（2）GPS網采用靜態模式觀測，網形采用邊連式。觀測時最少衛星數5顆，存儲的限差：水平為±5 mm，垂直為±10 mm；水準測量參照二等水準的精度指標。（3）在測區內l0 km范圍內有GPS基準點7個，布設14個變形監測點，每個點監測1～2 h。

3 精度分析

3.1 測區GPS沉降變形監測網的精度分析

下面結合某高速公路的其中10 km路段的變形監測網（如圖1所示），對GPS基準網和監測網的精度進行分析，該路段沉降變形監測網，由7個基準點（JZ03、JZ06、JZ08、JZ09、JZ10、JZ18和JZ21）組成了GPS基準網；由14個監測點（BJ01、BJ02、BJ04、BJ05、BJ07、BJ11、BJ12、BJ13、BJ14、BJ15、BJ16、BJ17、BJ19、BJ20）組成了GPS監測網。通過長時間的精密水準觀測和基準分析，認定JZ03點是穩定的，把JZ03作為基準起算點，解算整個GPS網，GPS沉降變形監測網采用邊連接形式布設。

表1給出了GPS基準網基線解算的邊長中誤差。從表1中可以看出，GPS基準網的基線解算精度達到了毫米級。最大的基線邊長中誤差為5.7 mm，最小的基線邊長中誤差為0.l mm。GPS基準網是在WGS-84坐標系下進行整體平差。平差時，固定具有精密WGS-84坐標的JZ03點，以提高整個基準網的位置精度。平差后獲得其它基準點在WGS-84坐標系下的空間直角坐標、大地坐標和高斯平面直角坐標及相關精度信息。監測網的平差也在WGS-84坐標系下進行。經過平差后獲得監測點在WGS-84坐標系下的空間直角坐標、大地坐標及相關的精度信息；然后固定JZ03點和方向，在WGS-84坐標系的高斯平面上進行平差。平差后獲得變形監測點的高斯平面直角坐標、監測點間的平面邊長及其相關信息。

從GPS基準點和變形監測點的中誤差統計可以發現，高程分量的精度雖然不如南北和東西方向分量的精度，但也沒有超過6 mm的，除了個別點因為周圍觀測條件的影響（特別是多路徑效應的影響）以及城區觀測環境的因素外，大多數都在4 mm左右，是可以滿足沉降變形監測的需要。當然，如果在觀測過程中，采取更多的措施，比如，采集數據前，精確檢驗每個天線的相位中心位置，特別是垂直方向的差值；觀測時段增加到10 h以上，同時擁有更多的同步觀測站點等，精度會更高，也是值得進一步考慮的。

3.2 沉降監測及與精密水準的一致性分析

通過表3比較GPS與全站儀兩種方法的測量結果可以看出：在兩種方法下測得的同一坐標之差的最大值分別為：△Xmax= 4.0 mm，△Ymax=5.0 mm。

因此，GPS測量成果是精確可靠的，從下面定位精度一致性檢驗結果來看，GPS技術測量的點位精度可達毫米級，與全站儀測定結果符合得較好，可以較好地滿足公路變形監測的精度要求。

使用GPS測出變形監測點的高程，然后將GPS高程與水準高程進行比較，其比較結果具有很高的參考價值，表4是工程中的一部分數據。

可以看出，GPS高程與水準高程最大差值不超過5 mm。GPS高程能滿足公路變形監測的精度要求。GPS的數據處理結果表明，在水平方向上的監測精度能達到毫米級，在豎直方向上的精也能達到毫米級。完全符合公路沉降變形監測的精度要求。下面表格中的數據是從工程實例中抽取具有代表性的公路GPS沉降變形監測點，并以此數據為例，對數據進行分析。

表5中僅列出了五個觀測周期的數據進行分析，從中可以看出，不同周期的數據有所變化，相鄰觀測周期之間的高程變化不大，到了監測后期變化甚小，趨于平穩狀態。也就是說，在公路剛剛進入運營階段，是最容易發生沉降變形的，因此，剛剛投入使用的公路，前期的維護和保養是相當關鍵的。

在此基礎上，筆者選擇工程中的部分變形監測點，繪制了公路使用過程中的高程變化趨勢圖。由于選取的變形監測點是隨機的，因此，該圖形可以代表該高速公路的其中10 km路段的整體變化情況，通過趨勢圖得知：在公路使用前期，監測點隨時間呈下沉趨勢，而且下沉比較明顯，到了沉降監測后期，由于前期在沉降變形過程中，對公路進行了科學的維護和保養，路面結構穩定，強度較高，在后期的運營過程中，高程變化很小，相鄰觀測周期之間的高差趨于零。也就是說，通過工程實踐，可以認定該高速公路是穩定的。

參考文獻

[1]宋宜容，陳廣峰.GPS應用于建筑物變形觀測的探討與展望[J].測繪通報，2008（6）.

[2]王繼衛，徐學輝，劉茂華.GPS在變形觀測中的應用[J].江西測繪，2006（4）.