工程控制測(cè)量中GPS技術(shù)的應(yīng)用

杜菊平

（山西省公路局 太原分局勘測(cè)設(shè)計(jì)所，山西 太原 030012）

在公路工程及市政工程發(fā)展的初期，傳統(tǒng)意義上一直都采用水準(zhǔn)儀、經(jīng)緯儀來(lái)進(jìn)行控制測(cè)量，到后來(lái)出現(xiàn)了全站儀，才使測(cè)量的難度降低了不少，但全站儀在控制測(cè)量中還是存在一些劣勢(shì)，公路工程及市政工程往往由于測(cè)量區(qū)域大、線路彎曲且長(zhǎng)、沿線地形地貌復(fù)雜等條件的限制，使得以往傳統(tǒng)的測(cè)量技術(shù)及測(cè)量?jī)x器造成控制測(cè)量工作強(qiáng)度大、周期長(zhǎng)、成本相對(duì)較高，還往往達(dá)不到預(yù)期的效果。但GPS測(cè)量技術(shù)的出現(xiàn)，從很大程度上去除了測(cè)量工作中存在的諸多缺陷，不僅使測(cè)量工作節(jié)省了更多的時(shí)間與成本，而且測(cè)量在精度方面也能達(dá)到相應(yīng)的要求。

1 GPS技術(shù)概論

隨著我國(guó)科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，GPS技術(shù)的出現(xiàn)在很大程度上將前期測(cè)量定位的準(zhǔn)確度提高了一個(gè)臺(tái)階。

1.1 GPS技術(shù)定義

GPS定位技術(shù)其本質(zhì)主要是以GPS衛(wèi)星和測(cè)量用戶接收所在的接收信息的天線之間的距離為最基本的觀測(cè)量，它的工作原理是依據(jù)已知的衛(wèi)星瞬時(shí)坐標(biāo)為基準(zhǔn)，來(lái)確定測(cè)量用戶天線的位置，說(shuō)得更具體些，也就是空間距離后方交會(huì)[1]。但這種距離在理論上是一種偽距，因?yàn)樾l(wèi)星鐘和測(cè)量用戶接收鐘之間存在一定的差異，因此在進(jìn)行其測(cè)量的時(shí)候，至少要存在4個(gè)同步偽距觀測(cè)。

1.2 GPS測(cè)量技術(shù)優(yōu)劣勢(shì)

與以往的控制測(cè)量技術(shù)相比，GPS技術(shù)在測(cè)量方面的優(yōu)勢(shì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越了傳統(tǒng)的測(cè)量技術(shù)，可以說(shuō)，GPS測(cè)量技術(shù)已經(jīng)被絕大多數(shù)測(cè)量工作者所接受與認(rèn)可，GPS測(cè)量技術(shù)優(yōu)勢(shì)具體如下：

a）GPS技術(shù)測(cè)量周期短、速度快，測(cè)量效率得到很大的提高。由于GPS主要是依靠于衛(wèi)星進(jìn)行信號(hào)的連接，首先在儀器的操作上就比傳統(tǒng)的測(cè)量?jī)x器要便捷許多，并且GPS測(cè)量周期較短，測(cè)量速度很快，儀器自動(dòng)化程序高，同時(shí)測(cè)量結(jié)果數(shù)值較為精確。

b）利用GPS技術(shù)進(jìn)行測(cè)量，測(cè)站與測(cè)站之間不需要形成通視，相對(duì)于傳統(tǒng)的測(cè)量技術(shù)來(lái)說(shuō)，為了確保測(cè)量工作的順利進(jìn)行，相鄰測(cè)站之間必須沒(méi)有障礙物遮擋住觀測(cè)視線，才能確保測(cè)量工作的下步進(jìn)行，但在實(shí)際測(cè)量工作中，尤其是在地形變化大，丘陵地帶或障礙物較多的情況下，障礙物給通視造成了很大麻煩，但GPS則不需要測(cè)站之間一定要形成通視，使得測(cè)量工作首先拋棄了對(duì)障礙物清除的顧慮。

c）GPS技術(shù)的第三個(gè)優(yōu)勢(shì)是定位精度很高，這是因?yàn)镚PS是鑒于全球定位系統(tǒng)而發(fā)明的測(cè)量?jī)x器設(shè)備，經(jīng)測(cè)量具體實(shí)踐證明，GPS距離測(cè)量精度可達(dá)到5 mm+1 ppm，同時(shí)在大范圍、很長(zhǎng)距離的測(cè)量情況下，它的測(cè)量精度可靠性更高，更能彰顯出定位精度高的優(yōu)勢(shì)[2]。

d）GPS會(huì)受到電離層的干擾影響，由于GPS系統(tǒng)主要是依靠衛(wèi)星與接收機(jī)之間的傳輸來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)測(cè)量，因此當(dāng)電磁波在大氣層中傳播的時(shí)候，會(huì)受到電離層的重重干擾，因此計(jì)算在某些區(qū)域會(huì)形成一定的誤差。

2 GPS技術(shù)在工程控制測(cè)量中的應(yīng)用

公路工程及市政工程的測(cè)量主要運(yùn)用了GPS技術(shù)的靜態(tài)技術(shù)功能與動(dòng)態(tài)技術(shù)功能，GPS靜態(tài)技術(shù)功能主要是通過(guò)與衛(wèi)星進(jìn)行通信建立連接，從而確定出要測(cè)量的點(diǎn)三維坐標(biāo)，而GPS動(dòng)態(tài)技術(shù)功能主要是通過(guò)與衛(wèi)星系統(tǒng)建立信號(hào)，利用已知的三維坐標(biāo)點(diǎn)位，將設(shè)計(jì)點(diǎn)實(shí)地放樣到地面上[3]。GPS靜態(tài)技術(shù)功能主要用于公路工程及市政工程中的控制測(cè)量，而動(dòng)態(tài)功能主要被延伸至對(duì)工程部位的實(shí)地放樣方面。

GPS技術(shù)出現(xiàn)在公路工程及市政工程控制測(cè)量中的主要緣由，是隨著公路工程以及現(xiàn)代市政工程建設(shè)等級(jí)的提升，我國(guó)對(duì)其建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)要求越來(lái)越嚴(yán)格，相對(duì)于前期工程控制測(cè)量中，一般采用水準(zhǔn)儀、經(jīng)緯儀與全站儀進(jìn)行導(dǎo)線測(cè)量，一般來(lái)說(shuō)，控制測(cè)量中的控制點(diǎn)較少，加上地貌的變化，障礙物的多少與高低，這樣往往一小段控制測(cè)量，也會(huì)出現(xiàn)測(cè)量?jī)x器的數(shù)次搬移架設(shè)以及工作量很大的測(cè)量計(jì)算，導(dǎo)致數(shù)天才完成控制測(cè)量。這樣傳統(tǒng)的測(cè)量技術(shù)開展難度大、周期長(zhǎng)，因此將GPS技術(shù)引入到公路工程及市政工程控制測(cè)量中，顯然為前期繁瑣的工作節(jié)省了更多的時(shí)間與精力[4]。

GPS靜態(tài)測(cè)量法在工程控制測(cè)量中的應(yīng)用，一般來(lái)說(shuō)，可以根據(jù)事先已經(jīng)制定好的觀測(cè)方案，將數(shù)臺(tái) GPS接收機(jī)安置在待定點(diǎn)（a1、c1、c2、c3……），以此來(lái)同時(shí)獲取衛(wèi)星信號(hào)，直至將所有環(huán)路觀測(cè)完畢，觀測(cè)數(shù)據(jù)經(jīng)平差計(jì)算得到54北京坐標(biāo)系的坐標(biāo)，利用GPS布設(shè)控制網(wǎng)是其中的應(yīng)用之一[5]。比如在某項(xiàng)公路工程及市政工程D級(jí)GPS網(wǎng)的設(shè)計(jì)中，需要實(shí)測(cè)控制點(diǎn)45個(gè)，其中已知點(diǎn)4個(gè)，未知點(diǎn)41個(gè)，GPS靜態(tài)功能采用布設(shè)7臺(tái)GPS接收機(jī)，并在3個(gè)GPS點(diǎn)上同時(shí)進(jìn)行觀測(cè)，時(shí)段長(zhǎng)度大于60 min，這樣得到的有效衛(wèi)星控制數(shù)達(dá)到了7顆以上的精確度，利用GPS技術(shù)測(cè)量的優(yōu)點(diǎn)，本次控制測(cè)量快速形成最小同步環(huán)135個(gè)，多邊形異步環(huán)8個(gè)，獨(dú)立基線54條，平均重復(fù)設(shè)站數(shù)1.7/站。這樣在很大程度上減少了儀器的二次搬運(yùn)浪費(fèi)的時(shí)間，同時(shí)減少了傳統(tǒng)公路工程及市政工程分級(jí)布網(wǎng)的繁瑣性。

GPS靜態(tài)測(cè)量在工程控制測(cè)量中應(yīng)用的另一方面是進(jìn)行控制網(wǎng)中高程與54系三維坐標(biāo)的測(cè)量，它在控制測(cè)量中被得到應(yīng)用，其主要是GPS接收機(jī)在電量充足的情況下，接收信號(hào)穩(wěn)定，一般衛(wèi)星數(shù)可以達(dá)到7～8顆控制，有的甚至能達(dá)到10顆以上[6]。這樣對(duì)于天線高度的測(cè)量校核、中誤差等精度得到了更大提高，使得控制網(wǎng)高程的精確度也得到了保證，利用GPS靜態(tài)測(cè)量進(jìn)行控制測(cè)量，其點(diǎn)誤差可達(dá)到毫米級(jí)，這樣為后期平差的精確計(jì)算打下了良好的基礎(chǔ)。

3 GPS技術(shù)在工程控制測(cè)量中的發(fā)展前景

GPS技術(shù)在公路工程及市政工程控制測(cè)量中的應(yīng)用已經(jīng)較為普遍，這項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用前景也是比較長(zhǎng)遠(yuǎn)的，主要表現(xiàn)如下：

a）GPS技術(shù)能夠使公路工程及市政工程控制測(cè)量模式得到很大程度上的改變，主要是GPS技術(shù)可以獲取到被監(jiān)測(cè)位置的三維坐標(biāo)，那么這項(xiàng)技術(shù)剛好可以應(yīng)用到橋梁以及線路的勘察中去，同時(shí)在GPS衛(wèi)星定位當(dāng)中還可以利用GPS技術(shù)實(shí)時(shí)開展放樣，點(diǎn)位的測(cè)量以及中樁測(cè)量等。

b）將GPS技術(shù)應(yīng)用到公路工程及市政工程控制測(cè)量中去，使測(cè)量精度得到提升，相對(duì)于更加復(fù)雜困難的測(cè)量區(qū)域來(lái)說(shuō)，GPS全球定位系統(tǒng)在具體的測(cè)量作業(yè)中并不局限于距離和某些外界因素的干擾，所以，運(yùn)用GPS技術(shù)將會(huì)在很大程度上使困難區(qū)域測(cè)量結(jié)果精度提升更大[7]。

c）GPS技術(shù)在工程控制測(cè)量中得到應(yīng)用，將會(huì)使后期測(cè)量作業(yè)成果質(zhì)量得到更大的保證，GPS技術(shù)在工程控制測(cè)量工作中，大多數(shù)情況下都是通過(guò)儀器計(jì)算機(jī)程序自身來(lái)進(jìn)行計(jì)算反映數(shù)據(jù)的，隨著GPS控制衛(wèi)星的數(shù)量越來(lái)越多，那么對(duì)于丈量天線高度、點(diǎn)中誤差以及后期的平差計(jì)算等方面，都會(huì)使測(cè)量成果更加精確。

d）GPS技術(shù)工程控制測(cè)量中的應(yīng)用，其在進(jìn)行高程與平面測(cè)量方面精確度基本是一致的，這是GPS技術(shù)在控制測(cè)量中的一個(gè)重要發(fā)展前景所在，這樣一來(lái)，對(duì)于高等級(jí)的公路工程或市政工程朝著山嶺區(qū)域發(fā)展，GPS技術(shù)也恰好解決了其高程測(cè)量的難度。

4 結(jié)束語(yǔ)

GPS技術(shù)在工程控制測(cè)量中的應(yīng)用得到了一定的發(fā)展，技術(shù)也逐步成熟與完善，隨著衛(wèi)星軌道和鐘差的精度不斷提高，精密單點(diǎn)定位技術(shù)靜態(tài)定位精度可達(dá)到mm～cm級(jí)，動(dòng)態(tài)定位精度可達(dá)到cm～dm級(jí)，并且GPS技術(shù)在公路工程及市政工程控制測(cè)量中的精度與成熟度會(huì)越來(lái)越高，這對(duì)公路工程及市政工程的測(cè)設(shè)和施工起到了一定的促進(jìn)作用。