GPS 定位技術(shù)在土木工程測量中的應(yīng)用

王琿

（廣東交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院土木工程學(xué)院，廣東 廣州 510420）

1 GPS 定位技術(shù)概述

1.1 GPS 定位技術(shù)的特征

GPS 定位系統(tǒng)由三大部分組成。第一，是在太空中部署的衛(wèi)星系統(tǒng)。第二，是在地面設(shè)置的監(jiān)控系統(tǒng)。第三，是存放于設(shè)備中的信號接收系統(tǒng)。GPS 衛(wèi)星系統(tǒng)，也稱為GPS 星座，是由21 顆工作衛(wèi)星與三顆在軌備用衛(wèi)星構(gòu)成。衛(wèi)星軌道距地面2.02 萬km。在定位地面物體時，至少會有4 顆衛(wèi)星對地面接收器發(fā)射信號。地面監(jiān)控系統(tǒng)的主要職能是控制衛(wèi)星系統(tǒng)，由主控站、監(jiān)控站、注入站構(gòu)成。其會為衛(wèi)星系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)分析及天氣監(jiān)測。信號接受系統(tǒng)的主要功能是接受衛(wèi)星傳輸?shù)碾娮有盘枺⒗盟捻棓?shù)據(jù)推導(dǎo)出自身的三維坐標以及時間差，以體現(xiàn)自身的實時定位。綜合分析，GPS 定位技術(shù)的主要特征是以衛(wèi)星位置為中心，分析定位物體的空間位置。

1.2 GPS 定位技術(shù)的優(yōu)勢

GPS 定位技術(shù)的主要優(yōu)勢可被概括為3 個方面。一是精度高。GPS 定位技術(shù)的誤差，主要來自信號傳輸過程中產(chǎn)生的干擾。在民用領(lǐng)域，GPS 系統(tǒng)的靜態(tài)測繪誤差，通常可控制在厘米級別。若在干擾因素較少的環(huán)境中，其誤差范圍將得到進一步控制。二是操作便捷。GPS 系統(tǒng)的測繪工作主要由衛(wèi)星系統(tǒng)完成，而地面人員的主要職能是完成輔助工作及信號接收，因此該系統(tǒng)的操作極為簡便。三是應(yīng)用范圍廣。GPS 系統(tǒng)可覆蓋全球表面98%的區(qū)域，并可抗拒多種天氣干擾，因此GPS 系統(tǒng)的應(yīng)用極為廣泛。同時，廣泛的使用范圍，進一步降低了該系統(tǒng)的邊際成本，為GPS 系統(tǒng)設(shè)計接口，已經(jīng)成為諸多領(lǐng)域的標配。

2 GPS 定位技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用

2.1 差分GPS 技術(shù)在靜態(tài)定位中的應(yīng)用

GSP 靜態(tài)定位被廣泛應(yīng)用于建筑測量，其發(fā)展趨勢是不斷提升測量精度。GPS 定位技術(shù)依賴于衛(wèi)星信號的傳送，衛(wèi)星信號在穿越平流層的過程中會遇到干擾，從而使定位精度受到影響。通常情況下，民用領(lǐng)域的定位精度優(yōu)于25m，在架設(shè)手持基站后可獲得亞米級的定位精度。差分GPS 技術(shù)（DGPS），是利用同一點位信號差，提升定位精度的測量方法。該技術(shù)可提供更高的定位精度，因此已被廣泛應(yīng)用于土木工程測量。在使用中，測量人員應(yīng)依據(jù)GPS 靜態(tài)定位的操作方式，在指定點架設(shè)基站。之后應(yīng)將GPS 檢測接收機置于基站同坐標點。通過計算，可得到基站距GPS 衛(wèi)星的改正數(shù)。同時，利用用戶接手機接受基站發(fā)出的改正數(shù)據(jù)，可使定位結(jié)果得到修正，定位精度進一步提升。差分GPS 技術(shù)可具體分為位置差分、偽距差分以及載波相位。三者的工作原理相同，但發(fā)送的數(shù)據(jù)信息存在差異。

2.2 GPS 動態(tài)定位技術(shù)在土木工程中的應(yīng)用

GPS 動態(tài)定位是指，借助衛(wèi)星信號測量相對于地球運動的物體。相較于靜態(tài)定位，其接受到的數(shù)據(jù)更多，其中包含三維坐標、三維速度以及七項時間參數(shù)。將該技術(shù)應(yīng)用于橋梁、水壩等土木工程監(jiān)測，可準確呈現(xiàn)建筑物的振幅、變形等數(shù)據(jù)。在土木工程監(jiān)測環(huán)節(jié)，使用GPS 動態(tài)定位技術(shù)的過程中，可首先在觀測建筑外設(shè)置基站，并將該基站視為精準位置。同時，在觀測建筑內(nèi)設(shè)置觀測點，并利用接收機收集衛(wèi)星信號。將某一時間段的位置數(shù)據(jù)疊加為時程曲線，可使該觀測點的位移得到體現(xiàn)。借助GPS 動態(tài)檢測技術(shù)，橋梁等工程的安全檢測可獲得保障。在具體應(yīng)用中，測量人員也可結(jié)合使用地理信息系統(tǒng)（GIS）以及遙感系統(tǒng)（RS），從而構(gòu)建出兼容三者的“3S 系統(tǒng)”。同時部分實驗性測量中，也使用了測量機械人等新型技術(shù)，建筑物的動態(tài)檢測將得到更多支持。

3 GPS 定位技術(shù)在土木工程測量中的應(yīng)用

3.1 GPS 定位技術(shù)在橋梁測量中的應(yīng)用

橋梁施工的難度較高，施工設(shè)計人員會利用三維圖像模擬該橋梁的受力與抗風(fēng)性能，從而使設(shè)計、施工更加合理。GPS 測量技術(shù)可有效提升橋梁施工測量的精度，并還原施工現(xiàn)場的地貌，因此，GPS 定位技術(shù)在橋梁施工測量中具有廣闊的應(yīng)用前景。廣東省虎門大橋，是我國第一座應(yīng)用GPS 定位技術(shù)的橋梁建筑。在使用中，測量人員首先利用差分GPS技術(shù)，收集橋樁等受力點的坐標。之后，利用線坐標繪制出橋梁剖面，并將該剖面轉(zhuǎn)換為橋梁模型。同時，測量人員通過高斯投影，將橋梁模型轉(zhuǎn)化為與施工現(xiàn)場表面弧度相符的橋梁模型及各關(guān)鍵點的三維坐標。在放樣過程中，測量人員會利用GPS 定位系統(tǒng)再次確定橋梁模型的吻合度。在高程測量中，GPS 定位系統(tǒng)可提供測量精度。傳統(tǒng)的測繪工具，需要設(shè)立參照物，但高點的參照物難以獲得且不穩(wěn)定，因此測量精度相對較低。但GPS 定位系統(tǒng)可依據(jù)地面基站假設(shè)相對距離點，因此其測量精度更高。

3.2 GPS 定位技術(shù)在道路、隧道測量中的應(yīng)用

道路、鐵路、管線與隧道工程中，大部分施工段會在野外進行。受到交通條件的影響，全站儀等測量工具無法在測量全程中得到使用。同時，受地形地貌的影響，高程測量的準確性也難以提升。有鑒于此，我國已在道路、鐵路、管線與隧道工程中廣泛應(yīng)用了GPS 定位技術(shù)。例如，在我國的磨盤溝隧道、秦嶺隧道、烏鞘嶺隧道，均在測量環(huán)節(jié)使用了GPS 定位技術(shù)。道路勘測圖紙極為狹長，各測量段的銜接對于精準度的要求較高。GPS 定位技術(shù)可通過高空視角俯瞰地面情況，全域施工現(xiàn)場將得到清晰呈現(xiàn)。在具體的應(yīng)用中，測量人員應(yīng)首先通過衛(wèi)星地圖，初步判斷基站的安放點。之后，應(yīng)通過GPS 靜態(tài)定位，開展控制測量并建立首級控制網(wǎng)與加密網(wǎng)。其次，可借助GPS 快速定位技術(shù)，實施測圖碎部點的采集以及圖根點的測量。

3.3 GPS 定位技術(shù)在水壩測量中的應(yīng)用

水庫、水電站需要利用大型水壩攔截水流。當(dāng)水庫容量較高時，水壩將經(jīng)受巨大推力。在水位變化時，水壩將在短時間內(nèi)經(jīng)受外部推力與內(nèi)部拉力，水壩內(nèi)部極易松動。有鑒于此，水壩需要得到及時加固與維護。但水壩的形態(tài)變化，不易通過肉眼判斷，因此可借助GPS 定位技術(shù)完成日常測量。GPS 定位技術(shù)的測量精度較高，適用于大型建筑的測量。在具體的測量工作中，測量人員可首先在壩體外部設(shè)計測量點，并安放信號接收設(shè)備。之后，可在壩體中央設(shè)置兩處觀測點。以1h 為單位，測量人員可將接收到的衛(wèi)星定位數(shù)據(jù)，制作成觀測點的時程曲線，水壩振幅將得到準確觀察。同時，GPS 動態(tài)檢測可分為強迫振動、隨機振動。在水壩檢測中，測量人員可借助排洪、蓄水等作業(yè)，實施隨機振動檢測。

3.4 GPS 定位技術(shù)在城市工程中的應(yīng)用

城市工程的施工難度較高，垂直作業(yè)與水平作業(yè)需要得到長期監(jiān)測。因此，建筑工程需要同步開展前期測量與施工監(jiān)測。在城市建筑的前期測量中，應(yīng)將全站儀作為主要測量工具，而GPS 定位系統(tǒng)，應(yīng)主要承擔(dān)周邊建筑分析與地形分析等職能。在具體的應(yīng)用中，測量人員可首先使用差分GPS技術(shù)，準確定位建筑孔樁與邊角。再有，高層建筑會對地面帶來較大壓力，受到地下水流變化等因素的影響，部分建筑所處位置會逐漸下沉。在受到建筑帶來的壓力后，地面表層會加速下沉。同時由于下沉位置并不均勻，因此建筑物也會出現(xiàn)開裂、傾斜等問題。因此，在施工過程中，應(yīng)對建筑物實施動態(tài)監(jiān)測。例如，測量人員可在建筑物外圍設(shè)置GPS 接收裝置，并在各直角設(shè)立監(jiān)測點，最后應(yīng)將連續(xù)收集的定位信息轉(zhuǎn)化為時程曲線。

3.5 GPS 定位技術(shù)在機場跑道測量中的應(yīng)用

機場跑道應(yīng)保持軸線平直，其精度通常在±1″～6″。由于精度要求較高，測量人員應(yīng)參與施工過程。自20世紀90 年代，我國就將GPS 定位技術(shù)應(yīng)用于機場修建。在施工要求較高的機場中，應(yīng)收集大地方位角，并使用精密計算軟件或云計算系統(tǒng)，運算平面子午線斂角與方向帶來的實際影響。而在建設(shè)精度要求較低的機場中，可利用GPS 定位技術(shù)取各軸線坐標，通過重疊對比可檢測跑道平整度。

4 結(jié)語

GPS 定位技術(shù)的主要優(yōu)勢在于使用成本，因此其適用于大型測量及常態(tài)化監(jiān)測。在靜態(tài)定位中，測量人員應(yīng)依據(jù)工程特征，設(shè)計檢測基站。針對精度要求較高的測量項目，可結(jié)合使用差分GPS 定位技術(shù)。同時在水壩、橋梁等建筑物的監(jiān)測工作中，可借助GPS 動態(tài)定位技術(shù)，提取觀測點的時程曲線，以判斷建筑物的振幅。綜合分析，GPS 定位技術(shù)具有使用范圍廣、精度高、環(huán)境適應(yīng)性強、成本低等優(yōu)勢，合理使用可使我國土木工程的測量技術(shù)得到進一步發(fā)展。