GPS測量在建工程控制網(wǎng)中的應(yīng)用體會(huì)

楊 綱

蘭州市城市建設(shè)設(shè)計(jì)院，甘肅蘭州 730050

全球定位系統(tǒng)GPS是通過衛(wèi)星對(duì)地面的某些或某個(gè)地點(diǎn)位置進(jìn)行定位的一種新型技術(shù)，該系統(tǒng)中主要包括太空、地面控制以及用戶端這三個(gè)主要的部分。由于GPS技術(shù)的定位精度比較高，而且受天氣因素和通視條件的影響比較小，其布點(diǎn)和操作比較靈活簡便，因此被應(yīng)用在了很多工程項(xiàng)目的測量工作中。特別是GPS測量所具有的不受距離限制、能夠進(jìn)行全天候的測量觀測活動(dòng)、測量中的誤差不會(huì)形成累積效果等優(yōu)點(diǎn)，所以比較適合應(yīng)用于在建工程控制網(wǎng)的布設(shè)工作，不僅有效地提高了測量的精度，而且使得工程控制網(wǎng)的測量工作更加便捷，極大地促進(jìn)了測量效率的提升。

1 GPS測量在建工程控制網(wǎng)的項(xiàng)目分析內(nèi)容

建立工程控制網(wǎng)的主要目的是為工程項(xiàng)目的順利施工創(chuàng)造良好的條件。由于不同的工程項(xiàng)目在工程性質(zhì)、建設(shè)規(guī)模以及階段具有較大的差異性，因此，GPS測量在建工程控制網(wǎng)的控制等級(jí)、布網(wǎng)形式以及投影變換和基線邊長的計(jì)算方法等也都各不相同，所以GPS測量在建工程控制網(wǎng)中應(yīng)用前要首先分析工程項(xiàng)目的特點(diǎn)。

1.1 根據(jù)工程對(duì)控制區(qū)面積的具體要求來確定首級(jí)網(wǎng)的等級(jí)

所有工程在布設(shè)首級(jí)控制網(wǎng)時(shí)都應(yīng)使用GPS控制網(wǎng)，其主要是為施工放樣、施測地形圖以及加密控制創(chuàng)造條件。在布設(shè)控制線時(shí)應(yīng)沿工程軸線進(jìn)行，布設(shè)形式通常采取鏈接大地四邊形的方式。工程控制網(wǎng)的面積應(yīng)根據(jù)工程的規(guī)模、施工的需要以及其平面控制要求、控制點(diǎn)密度要求、下級(jí)加密要求等因素，嚴(yán)格按照測量規(guī)范來加以確定。

一般來說，首級(jí)網(wǎng)的每個(gè)點(diǎn)對(duì)之間應(yīng)間隔5～10km。如果工程需要較大的控制范圍時(shí)，布網(wǎng)應(yīng)采取邊連接的方式，每個(gè)點(diǎn)應(yīng)保證重復(fù)設(shè)站不少于兩次，以保證其準(zhǔn)確性。另外，首級(jí)網(wǎng)要與其相鄰的國家網(wǎng)進(jìn)行聯(lián)測，且聯(lián)測點(diǎn)應(yīng)累積超過3個(gè)。這主要是由于GPS在高程測量時(shí)的測量精度下降，難以滿足不同工程項(xiàng)目以及施工放樣的實(shí)際需要。在進(jìn)行高程測量時(shí)應(yīng)采取常規(guī)或者與國家級(jí)水準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行聯(lián)測的方式來進(jìn)行。

1.2 在建工程控制網(wǎng)的選點(diǎn)分析

不同的工程項(xiàng)目在選擇工程控制網(wǎng)的點(diǎn)位時(shí)也各不相同。例如，在勘查階段的控制網(wǎng)，其建立目的主要是為測圖工作提供便利，因此要按照具體的地形條件來選擇點(diǎn)位。而在施工階段布設(shè)的工程控制網(wǎng)則要根據(jù)工程的規(guī)模和作業(yè)面大小來選擇點(diǎn)位，為施工放樣創(chuàng)造便利條件，例如，在布設(shè)隧道控制網(wǎng)時(shí)應(yīng)保證其兩端出口處均設(shè)有控制點(diǎn)。

雖然GPS測量在選擇工程控制網(wǎng)點(diǎn)時(shí)對(duì)通視條件的要求不高，但是仍要保持網(wǎng)點(diǎn)與衛(wèi)星之間的通視，因此應(yīng)選擇視野比較開闊，且周圍沒有高壓電線和無線電的大功率發(fā)射源的位置，防止周邊磁場干擾衛(wèi)星信號(hào)的正常傳輸。同時(shí)還要減少多路徑所造成的誤差，以免影響觀測結(jié)果，且這種誤差難以利用模型進(jìn)行修正。在網(wǎng)點(diǎn)選位是要注意周邊是否存在大面積的金屬物或其他反射體，并盡量遠(yuǎn)離水域面積較大的地區(qū)，從而減少由于多路徑而造成的觀測誤差。選擇網(wǎng)點(diǎn)時(shí)還應(yīng)便于交通，為測量人員的到達(dá)以及觀測操作提供便利條件。

1.3 在建工程控制網(wǎng)對(duì)精度的具體要求分析

由于不同的工程項(xiàng)目對(duì)GPS控制網(wǎng)有不同的精度要求，因此要根據(jù)工程的具體性質(zhì)來確定控制網(wǎng)精度。對(duì)所有基線進(jìn)行同步觀測時(shí)應(yīng)保證其觀測時(shí)間達(dá)到測量要求。當(dāng)觀測條件比較差時(shí)，應(yīng)適當(dāng)延長觀測的時(shí)間。測量儀器在觀測中應(yīng)保證其誤差值在2mm范圍內(nèi)，且兩次測量之間的誤差值應(yīng)控制在3mm范圍內(nèi)。為進(jìn)一步提高測量的精度，要盡量在觀測的最佳時(shí)間里開展測量工作。通過對(duì)GPS測量的實(shí)踐應(yīng)用發(fā)現(xiàn)，由GPS的4臺(tái)接收機(jī)所構(gòu)成觀測機(jī)組，并結(jié)合連接大地四邊形邊的測量方式具有較好的精度和測量效率，同時(shí)也便于測量數(shù)據(jù)的平差計(jì)算。

1.4 在建工程網(wǎng)的坐標(biāo)系以及投影面選擇分析

為了提高GPS測量工程控制網(wǎng)的精度，一般采用的是WGS-84坐標(biāo)系，但在建工程控制網(wǎng)大多屬于我國的大地坐標(biāo)，因此需要將GPS定位數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，使其與在建工程實(shí)際使用的坐標(biāo)系相一致。在選擇GPS控制網(wǎng)點(diǎn)位時(shí)應(yīng)保證與原地面的控制點(diǎn)有一定數(shù)量的相互重合，而這些重合點(diǎn)也就是約束工程控制網(wǎng)的基準(zhǔn)點(diǎn)，這樣就可以通過約束平差來對(duì)其進(jìn)行轉(zhuǎn)換。而基準(zhǔn)點(diǎn)將對(duì)GPS控制網(wǎng)的可靠性以及精度產(chǎn)生直接的影響。另外，可以將在建工程所在區(qū)域的平均高程面作為工程控制網(wǎng)的投影面，其中央子午線可以采用測區(qū)中心通過的子午線，并根據(jù)高斯投影的計(jì)算方法來對(duì)其坐標(biāo)進(jìn)行計(jì)算。

2 在建工程控制網(wǎng)中GPS測量的應(yīng)用設(shè)計(jì)分析

建立工程控制網(wǎng)時(shí)要按照合同要求、行業(yè)規(guī)范、實(shí)際用途以及控制網(wǎng)對(duì)基準(zhǔn)、密度和精度的要求來設(shè)計(jì)GPS測量技術(shù)的應(yīng)用方案。

2.1 以WGS-84坐標(biāo)系為基準(zhǔn)建立工程控制網(wǎng)

在利用GPS測量技術(shù)對(duì)基線向量網(wǎng)進(jìn)行無約束三維平差后，應(yīng)通過WGS-84坐標(biāo)對(duì)基線向量進(jìn)行歸算，然后在高斯投影面中歸算橢球面中的邊長。歸算時(shí)路任選一點(diǎn)，將其單點(diǎn)WGS-84坐標(biāo)定位作為起算的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，并通過投影歸算后的修正基線向量來對(duì)其相鄰坐標(biāo)。

2.2 以國家坐標(biāo)系為基準(zhǔn)建立工程控制網(wǎng)

該方法主要是利用地面電磁波對(duì)邊長進(jìn)行測距，并根據(jù)其與基線向量邊長的比值對(duì)基線向量網(wǎng)進(jìn)行整體性的伸縮以及無約束三維平差，之后在高斯投影面上歸算其橢球面邊長。歸算選擇起算數(shù)據(jù)時(shí)應(yīng)采用已知坐標(biāo)在聯(lián)測后的兩點(diǎn)地面坐標(biāo)，以對(duì)其相鄰點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行推算。這種方法主要用于建立測圖控制網(wǎng)。

2.3 以獨(dú)立坐標(biāo)系為基準(zhǔn)建立工程控制網(wǎng)

該方式利用地面電磁波對(duì)鞭策進(jìn)行測距，然后根據(jù)其與基線向量之間的比值對(duì)基線向量網(wǎng)進(jìn)行整體性的伸縮以及平差處理，并在特定橢球面對(duì)基線向量進(jìn)行歸算后，將其邊長在高斯投影面進(jìn)行歸算。歸算的起算數(shù)據(jù)應(yīng)采取已知坐標(biāo)在聯(lián)測后的兩點(diǎn)地面坐標(biāo)，從而對(duì)其相鄰點(diǎn)的坐標(biāo)進(jìn)行推算。這種方式主要用于建立精密工程以及施工安裝的控制網(wǎng)。

3 在建工程控制網(wǎng)中GPS測量的觀測作業(yè)和計(jì)算分析

在完成選點(diǎn)和埋石作業(yè)后，應(yīng)在至少一個(gè)雨季結(jié)束后才能進(jìn)行觀測作業(yè)，如果工程項(xiàng)目所在區(qū)域的凍土深度超過0.8m時(shí)還需要增加1個(gè)凍解周期；如果標(biāo)石埋設(shè)在了巖層上則需要經(jīng)過一個(gè)月后，才能根據(jù)預(yù)定的觀測綱進(jìn)行測量。接受外業(yè)觀測作業(yè)后，要傳輸數(shù)據(jù)，并開始內(nèi)業(yè)處理。計(jì)算時(shí)注意數(shù)據(jù)要在提取基線向量和無約束三維平差以后才能變換尺度。另外，對(duì)GPS定位數(shù)據(jù)進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換時(shí)可以采取兩種方法，其一，首先對(duì)兩個(gè)轉(zhuǎn)換坐標(biāo)系中的投影方式和橢球參數(shù)分別進(jìn)行計(jì)算，并獲得其旋轉(zhuǎn)和平移參數(shù)，然后再轉(zhuǎn)換兩坐標(biāo)系；另外一種方法是通過已知點(diǎn)獲得聯(lián)測數(shù)據(jù)，然后對(duì)不同坐標(biāo)的旋轉(zhuǎn)和平移闡述進(jìn)行反推，從而完成坐標(biāo)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換處理。

4 GPS測量在建工程控制網(wǎng)中的實(shí)際應(yīng)用

以某公路工程的建設(shè)為例，該工程項(xiàng)目位于我國西北地區(qū)，其中需要對(duì)V標(biāo)段上的某段隧道工程進(jìn)行施工，該隧道長度達(dá)到了10km左右。由設(shè)計(jì)單位首先提供了首級(jí)控制網(wǎng)的相關(guān)數(shù)據(jù)信息，而后需要在此基礎(chǔ)上進(jìn)行隧道地面工程的GPS控制網(wǎng)，以保證隧道工程能夠進(jìn)行雙向施工。布設(shè)工程控制網(wǎng)時(shí)采用的設(shè)備有6臺(tái)套GPS雙頻接收機(jī)，3臺(tái)套全站儀，并配置相應(yīng)的GPS數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。根據(jù)工程的特點(diǎn)，分別在隧道進(jìn)出口設(shè)置了控制點(diǎn)，并進(jìn)行相關(guān)的測量，經(jīng)過測量計(jì)算該工程控制區(qū)的實(shí)際面積大于10m2，因此按照GPS工程二級(jí)控制網(wǎng)來進(jìn)行施測作業(yè)。

在該工程控制中采用了獨(dú)立坐標(biāo)系，并通過與國家大地坐標(biāo)進(jìn)行聯(lián)測的方式來進(jìn)行GPS定位。其橢球面投影經(jīng)過測區(qū)的正常平均高程面，同時(shí)高斯投影采用隧道出入口間的子午線作為其中央子午線。然后通過GPS工程控制網(wǎng)點(diǎn)的空間向量在橢球面上的投影來測得其平面控制網(wǎng)的坐標(biāo)，并利用高斯投影計(jì)算其在獨(dú)立坐標(biāo)系中的坐標(biāo)。其帶寬為20''，中央子午線為103°，投影面的大地高為500.12m。隧道進(jìn)出口控制點(diǎn)的水平間距為499.723m，經(jīng)過二等約束平差后，其Δd值為-3mm，達(dá)到了GPS工程二等控制網(wǎng)的技術(shù)規(guī)定。

5 結(jié)語

隨著GPS測量技術(shù)的發(fā)展，其在工程測量工作中發(fā)揮了重要的作用。GPS測量在建工程控制網(wǎng)的應(yīng)用既有效的提高了測量的效率和精度，同時(shí)也減輕了工程測量人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，從而能夠更好的適應(yīng)我國現(xiàn)代化建設(shè)的需要。但是由于工程控制網(wǎng)的測量具有較強(qiáng)的不確定性，因此未來還要進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)GPS測量技術(shù)的分析和研究，根據(jù)工程項(xiàng)目特點(diǎn)制定更有針對(duì)性的應(yīng)用方案，并充分考慮其在布網(wǎng)設(shè)計(jì)、選擇控制點(diǎn)位、確定坐標(biāo)基準(zhǔn)、網(wǎng)平差以及外業(yè)觀測中的各種因素，以避免影響測量精度，從而獲得準(zhǔn)確性更高、更為可靠的測量結(jié)果，為后續(xù)的工程建設(shè)奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。