工程測量中GPS控制測量平面與高程精度分析

黃仁海（中船勘察設(shè)計研究院有限公司，上海）

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工程測量中GPS控制測量平面與高程精度分析

黃仁海（中船勘察設(shè)計研究院有限公司，上海）

隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，科學技術(shù)與信息技術(shù)也得到快速的發(fā)展與進步。GPS技術(shù)具有效率高、不受氣候的影響、功能多等優(yōu)勢，因此GPS技術(shù)在工程測量中得到廣泛的應(yīng)用。與傳統(tǒng)的測量方式相比，GPS技術(shù)具有不可超越的優(yōu)勢，但是它在直觀性以及平面與高程精度等方面仍存在一些不足。本文就工程測量中GPS控制測量平面與高程精度上進行相關(guān)的探討。

工程測量；GPS；平面；高程；精度

前言

20世紀80年代，美國研發(fā)了GPS技術(shù)，它展現(xiàn)出特有的優(yōu)勢，隨后一些國家紛紛采用這種技術(shù)。時至今日，GPS技術(shù)在全球范圍內(nèi)都得到廣泛的應(yīng)用，不僅應(yīng)用到國防經(jīng)濟、軍事建筑等方面還用于日常的定位，GPS主要是通過接收衛(wèi)星信號來實現(xiàn)定位，然而最具有代表性的是GPS定位測量技術(shù)。隨著GPS技術(shù)的不斷發(fā)展與日趨成熟，它基本上取代了常規(guī)的測角、測距的手段建立控制網(wǎng)的方法。

1　GPS技術(shù)在我國工程測量中的應(yīng)用現(xiàn)狀

GPS定位測量技術(shù)具有定位速度快、精度高、費用低等優(yōu)點，因此，它適用于野外的勘察測量，并且具有易攜帶的特點。遙感技術(shù)與衛(wèi)星定位技術(shù)是GPS定位測量技術(shù)的基礎(chǔ)技術(shù)。但在實際測量中它并不是毫無缺陷的，由于受到多種因素，比如接收設(shè)施、大氣層、衛(wèi)星軌跡等的影響，在工程中測量時會出現(xiàn)已知點少且位置分布不合理、網(wǎng)信形不完善、無法進行水準測量等問題。如果不對GPS技術(shù)進行完善，那么就無法保證GPS控制網(wǎng)的精度。

2　GPS技術(shù)在工程測量中出現(xiàn)高程精度誤差的原因

一般來說，測量員進行GPS測量定位主要是通過利用衛(wèi)星信號的。先設(shè)置一個GPS接收機，再接受四顆以上的衛(wèi)星發(fā)出的信號，然后將衛(wèi)星信號通過一定的換算方法進行處理，最后算出這些衛(wèi)星與測量點在該時間點的距離。由于在一定的時間段內(nèi)GPS具有空間坐標，經(jīng)過換算之后，就能夠?qū)⑾鄬τ诘厍虻臏y量點的三維坐標值算出來，從而進行定位。但是如果在不好的天氣狀況下或者大氣層中干擾的物質(zhì)太多時，就無法順暢的接收衛(wèi)星信號，從而導致在GPS測量時測量的精度出現(xiàn)誤差。除此之外，測量精度也會受環(huán)境條件的影響，比如說測量現(xiàn)場有強磁場，那么它也會對衛(wèi)星信號造成干擾。高程異常在工程測量中比較常見，其實就是因為地下物質(zhì)因密度不均而產(chǎn)生的異常重力對高程測量結(jié)果產(chǎn)生了影響。在工程測量中，高程異常是先通過利用GPS對大地高進行測量，再用水準對正常高進行測量，兩者差值即為高程異常，最后大地高經(jīng)過高程異常改正計算出正常高。

比如圖1與圖2是某個礦區(qū)通過利用不同的已知點進行測量的E級GPS網(wǎng)，C級GPS點為C1～C4，是屬于二等水準高程，將它們的高程作為控制網(wǎng)的高程起算點。E級GPS點為E1～E4，C2、C1的高程是150多米，E2與E1是共點，C3的高程是396m，C4的高程是463m，礦區(qū)的高程是600～800m。將圖1與圖2的測量結(jié)果進行對比發(fā)現(xiàn)，即使網(wǎng)形結(jié)構(gòu)較差，但是它對平面位置的影響較小，在測量實例中平面坐標的最大的較差是23mm，在精度誤差允許范圍內(nèi)，但高程誤差較大，E1的高程較差是0.234m，而E2的高程較差是0.457m。［1］

3　在工程測量中提高GPS測量精度的具體步驟

圖1　

圖2　

在工程測量中，GPS控制測量平面精度與高程精度問題息息相關(guān)，GPS在工程測量中具體操作時應(yīng)該注意以下幾點：

3.1選擇高精度的GPS接收儀

控制衛(wèi)星信號的接收質(zhì)量是控制測量精度的關(guān)鍵。要是GPS接收儀的精度不高，對衛(wèi)星信號不夠敏感，那么測量很容易出現(xiàn)偏差。在野外工程測量時，信號會受到多種因素的干擾，比如多變的氣候條件或者復雜的環(huán)境及地質(zhì)條件等。野外測量時常常會因為周圍的環(huán)境復雜，從而形成了強磁場，因此對信號造成干擾，影響信號接收的質(zhì)量，最終無法保證測量的高精度，針對這種狀況，應(yīng)該通過選擇精度較高的GPS接收儀。高精度的接收儀對衛(wèi)星信號的變化參數(shù)更加敏感，從而能夠清晰而準確的辨別出哪些信號是正常信號，哪些信號是干擾信號，從而科學合理的選擇信號參數(shù)進行計算，將GPS測量的誤差降到最低。

3.2盡量避開不良的天氣

在野外測量過程中，如果天氣狀況不佳，那么大氣對流層中會存在很多的物質(zhì)，比如塵埃等，它們對衛(wèi)星信號造成干擾，并且空氣對流強烈，嚴重影響GPS接收儀正常接受衛(wèi)星信號的工作，對高程計算的精確度造成不良影響。因此，日常生活中要進行工程測量時盡量避開不良的天氣狀況，挑選天氣狀況較好的時候來開展工程測量工作，這樣可以最大程度上避免GPS測量出現(xiàn)誤差。

3.3對電離層誤差進行修正

在進行測量時，不僅僅是不良天氣會對衛(wèi)星信號干擾，大氣電離層對衛(wèi)星信號也會有影響。大氣電離層對衛(wèi)星信號造成折射、反射等現(xiàn)象，這會使GPS接收衛(wèi)星信號時出現(xiàn)嚴重的偏差。面對這種情況，相關(guān)人員必須及時采取行之有效的措施來進行修正。隨著社會科技水平的不斷發(fā)展，人們也找到了幾種相對應(yīng)的有效措施，分別是：①電離層模型修正方式。所謂的電離層模型修正方式，就是通過使用電離層模型來修正衛(wèi)星信號參數(shù)的方法。將得出來的參數(shù)放到電離層模型中來進行參數(shù)對比，從而達到修正衛(wèi)星信號參數(shù)精度的目的；②同步觀測修正方式。同步觀測修正方式即通過兩個距離在20km以內(nèi)的觀測站同時觀測，接著依據(jù)兩個不同觀測站的觀測差值，對電離層測量精度進行計算，再對衛(wèi)星信號的參數(shù)精度進行修正。這種修補方式能夠最大程度上降低誤差，甚至它的誤差直接可以忽略不計；③多頻觀測修正方式。［2］先在同一個測量點上對多個偽距進行測量，再通過計算不同頻率測量得到的偽距測量值的折射率，來得到折射改正的數(shù)值，從而提高GPS測量的精度。

3.4選擇合適的測量點與測量基站

GPS測量精度也會因為測量點與測量基站的地理位置的選擇而受到影響。一般來說，地質(zhì)條件比較復雜的地區(qū)由于地下介質(zhì)密度分布不均勻，從而在它的周圍形成了強磁場。如果將測量點選擇在這些地方，那么在測量過程中，衛(wèi)星信號接收儀在接受信號時會受到周圍強磁場的嚴重干擾，導致GPS測量精度不高。

3.5確保天線高的正確量取

很多觀測者并沒有認識到天線高測量誤差是造成高程精度較差的重要因素，因此要加強對天線高測量的重視。在野外測量的時候，測量值應(yīng)該是天線的斜高，將天線圓盤分成大小均勻的三份，并且把它們放置在三個不同的方向。然后對不同方向的天線高進行測量，務(wù)必保證測量結(jié)果的誤差低于3mm，再計算出天線高的平均值。值得注意的是，在野外測量時，天線高會因為所用天線的類型不同而有一定的差異，所以一定要將相位中心的高度控制好。

3.6選擇合理的高程擬合方法

在實際的工程測量中，由于常常會在數(shù)學曲面模擬大地水準面模型中進行數(shù)據(jù)換算，因此工程測量中高程的精度也會受到數(shù)學模型計算精度的影響。數(shù)學精度的誤差，從而導致正常點高程與待測點高程中出現(xiàn)大的差值誤差。所以選擇科學的高程擬合方法是至關(guān)重要的。高程擬合方法包括平面擬合法、多面函數(shù)法、二次曲面擬合法等等。尤其是二次曲面擬合法，它的計算精度特別高，所以在工程測量中可以借鑒這種有效的方式。但是也不能夠盲目的進行套用，而是要根據(jù)觀測地的實際地形以及地貌進行選擇合理的方式。

4　總結(jié)

隨著我國科學技術(shù)不斷發(fā)展與創(chuàng)新，GPS技術(shù)應(yīng)用的范圍越來越廣泛，在工程測量中它發(fā)揮了重要的作用，不僅僅降低了工作的難度，還提高了測量的質(zhì)量以及精確度。但是，它的測量精度受到多種因素的影響，只有采取相應(yīng)的對策，才能提高其高程精度，比如選擇精度高的接收儀、盡量避免不良的天氣狀況、對電離層造成的誤差選擇有效的方式進行修正、合理選擇觀測點或者觀測站、天線高的正確量取等等。我們必須要推動GPS技術(shù)進一步運用與推廣，要不斷加大對GPS控制測量技術(shù)的研究，這樣才能實現(xiàn)它最高的利用價值。

［1］張文軒.淺析GPS控制測量平面與高程精度在工程測量中的應(yīng)用［J］.建筑工程技術(shù)與設(shè)計，2015（12）：2178.

［2］何紅兵.工程測量中GPS控制測量平面與高程精度分析［J］.地球，2015（6）：211.

2016-3-8

P228.4

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2095-2066（2016）11-0037-02