試論高層建筑測量中GPS技術的有效運用

楊磊晶

（云南工業技師學院，云南 曲靖 655000）

1 GPS技術測量的特征

近幾年，GPS測量技術得以在高層建筑施工中大量應用。就GPS測量技術的優勢來說，在高層建筑施工期間，哪怕是密度特別低的基本控制網點，也能借助系GPS測量技術精準、快速定位。GPS測量技術的顯著特征如下：首先，此技術的測量精準度較高。當基線＜50km時，其精準測量度可實現1×10-6，若是基線長度大于1000km，那么，精準度可實現1×10-8，顯而易見，GPS測量技術的精準度優勢明顯；其次，直接取消測站間相互通視的需求，使得測量工作更加靈活。GPS測量技術在應用過程中，將測站間的互相通視的形式直接省去，可直接根據需求界定測試點；同時，GPS測量技術在觀測時間層面，也獨具優勢。在GPS測量過程中，靜態相對定位的情況下，設站的時間只需要20min；若是動態觀測，只需要5~10s；最后，GPS測量技術操作簡便且靈活，能夠實現接收機自動化完成測量作業。在測量工作中，測量工作者僅僅需要將測量儀器對中放好。那么，就可以快速量取高度。在開機之后依照測量要求設置一定的參數，接收機就能實現自動化作業[1]。

2 高層建筑測量中GPS技術的設計分析

2.1 高層建筑測量中GPS技術的設計依據

GPS技術依據涉及兩個層面，一種是測量任務書，另外一種是測量規范。其中，測量任務書是相關管理部門結合高層建筑的施工狀況，下達至下級業務部門的文件；此文件涉及測量高層建筑的范圍、精度以及目的。測量任務書是一種指令性的文件，當下級部門收到文件指示以后，一定要嚴格依照測量任務書的規定執行設計并施工。而測量規范是指國家相關部門制定的硬性技術指標，明確界定GPS測量技術的實施步驟及要求。如測量部門針對建筑施工制定的全球性定位測量規范以及建設部門制定的有關GPS技術在城市測量中的相關規范等。

2.2 測量精度設計

GPS測量設計精準度的過程中會受到多種因素的影響，其中，GPS網的用途是影響GPS測量設計精準度的重要因素。在城市或者工程網內，能夠結合相鄰兩點的距離劃分測量等級，此方式可以有效地測量精準度。在等級劃分過程中，嚴格界定城市、工程網的觀測點。以相鄰兩個觀測點的間距作為劃分依據，分別設置四個等級。一般而言，在高層建筑中兩個相鄰的觀測點的間距不會超過1km，通常在2級測量范圍內。在測量精準度設計期間可結合等效距離的誤差公式，具體如下。

式中：a——接收機的誤差，并且誤差值一定要低于15mm；b——比例誤差，誤差值不能超過20ppm·D；d——GPS網中的相鄰點的間距，誤差不能超過1km。

GPS網技術設計的核心要素則是精度標準，精度的大小關乎GPS網的設計方案、觀測數據以及觀測計劃等處理方式。通常來說，如果邊長低于200m，那么邊長中的誤差不能超過20mm。在高層建筑施工期間，需要結合實際需要的人力、財力及物力等綜合情況，合理設計精度標準，或者結合建筑企業其他部門現有的作業經驗及生產流程進行設計[2]。

2.3 高層建筑測量中GPS網的構成和圖形設計

2.3.1 GPS網同步圖形的獨立邊設計

經過GPS網設計的理論，可推算出，如果GPS接收機有N臺，共同構成同步圖形中一個特定時段的GPS基線數如下。

然而，其中獨立存在的GPS邊只有N-1條，剩下的則是非獨立的GPS邊長，如果接收機N＝2~5時，其構成的同步圖形如圖1所示。

圖1 N臺GPS接收機同步的觀測圖形

如果同步觀測的GPS接收機超過3個，那么，同步閉合的最小個數如下。

就理論層面而言，同步閉合環節中的每個GPS邊的坐標差之和應該是零。然而，各個GPS接收機無法同步，使得同步閉合環的差值也無法是零。所以，GPS規范明確界定了同步閉合限差的規定。在實際測量過程中，如果同步閉合差值較高，那么，需要嚴格遵循線差的要求；不然，就要結合高層建筑實際情況適當放寬限差。在實際測量過程中，如果同步環閉合線差較小，那么，只能表明GPS基線向量的計算剛剛達到基本要求，無法代表GPS邊的觀測精度。為了充分保障GPS測量的精準度，及時發現測量誤差，那么，一定要使GPS獨立邊構成特定的幾何圖形。這類幾何圖形，可能由多條GPS獨立邊構成非同步的多邊形，如四邊形、六邊形等。如果GPS網中起算點有若干個，那么，可用兩個起算點之間的多余GPS獨立邊，構成合格線路。而相對于異步環的構成而言，需要事先選定網圖進行設計，如果需要的話，需要審核通過，或者結合工程的實際情況優化調整。如果接收機超過3臺，依照軟件功能自動挑選獨立基線構成環路。N，J，T之間的關系如表1所示。

表1 N，J，T之間的關系

2.3.2 GPS圖形網的設計

GPS網的圖形設計主要由用戶的要求所決定，還涉及人力、物力、接收設備的類型、財力等多種和網設計有關的因素。高層建筑測量工程錯綜復雜，需采取合理、科學的方式，在滿足用戶要求的同時，將各項誤差降到最低。

（1）GPS網的圖形設計原則。

GPS網通常借助非獨立同步觀測邊構成符合線路和若干個閉合環，以此來強化測量的條件，提升GPS網的可靠性和穩定性。GPS網點需和原有地面的控制網點有效結合；同時確保重合的點不能低于3個，如果重合點低于3個，需要進行聯測，同時，網絡設計需均勻分布，進而能精準確定GPS網和地面網之間的轉換參數。為了保障GPS測量工作的精準性，可適時采用城市坐標系統，標識所有符合GPS網點要求的舊網點[3]。

（2）GPS網的圖形形式。

一般而言，GPS網的獨立觀測邊一定要構成幾何圖形。圖形形式通常有星形網、環形網以及三角形網等。三角形網是由非同步的三角形邊及獨立觀測邊組成，其優勢特征顯著，如自己的能力好、穩定性高、幾何結構強等，經平差后網中相鄰點間基線向量的精度分布均勻。三角形網的不足之處是觀測量過大，特別是接收機數量欠缺時，將會降低觀測的效率和質量。所以，如果對GPS網要求較高，可運用此種圖形；與此同時，還有環形網，由多個獨立觀測條閉合而成。圖形的結構強度不如三角形。環形的優勢在于觀測量小，可靠性及自檢性較好，不足之處是對于不是直接觀測的基線條，其精準度會明顯降低，使得相鄰點間的基線精度分布不均；還有星形條，幾何圖形簡單，每個直接觀測邊不會構成任何閉合圖形，因此，檢驗和誤差值較大。不過，這種圖形的網僅需兩臺接收機便能作業；如果用三臺儀器，可將一臺作為中心站，另外兩臺用于作業流動，不會受同步條件的約束。采用WGS-84的坐標系測定點位坐標，每點坐標則要用坐標轉換參數實行轉換。

在高層建筑中測量GPS網的圖形一般采用環形網或者三角形網。如果條件允許，也可融合環形網和三角形網同時運用，進而形成混合網，混合網在保障網幾何強度的同時，還能充分保障網的穩定性，進而有效降低高層建筑的施工成本及施工量。因此，混合網應該是高層建筑測量中GPS測量的首選，如圖2所示。

圖2 環形網和三角形網混合連接的圖形

由圖2可以看出，三臺接收器的觀測方案可以構成10個同步三角形，6條復測基線邊，2個異步環。獨立基線數是20條，總基線數是29條。圖3的圖線呈封閉狀，可靠指標有效提升，相比較環形網，其外部作業量明顯減少[4]。

2.3.3 GPS網基準設計

GPS測量所獲得的數據是GPS的基線量，位于WGS-84坐標系，是一種三維坐標差。但是高層建筑施工的標準坐標系是地方獨立坐標系或者國家坐標系。因此，GPS網在技術設計過程中，需清晰界定GPS成果的起算數據和坐標體系，也就是GPS的基準設計。GPS網的基準包含尺度、方位、位置。尺度基準的確定方式由地面的電磁波觀測的數據邊所決定，也可借助GPS基線的向量距離決定。GPS的方位基準通常用既定的起算方位界定，或者GPS基線向量的方位決定方位基準。而GPS網的位置基準則是通過既定的起算坐標所決定。所以，GPS網的基準設計，主要是為了確定網的位置基準。

高層建筑測量GPS網基準設計時，可注意以下3點：①為了確定GPS點在地面坐標系的坐標，需合理選定計算數據，并聯測若干個控制點，以此來轉換坐標。在選定聯測點的過程中，可借助舊材料，提升新材料的精準度。②除了未知點連接圖形觀測以外，也要適當構成長邊圖形，以此來降低GPS網約束平差后的誤差以及坐標的均勻性。③經平差計算GPS網之后，可以計算出GPS點在地面參照坐標系的高度，為了充分保障GPS點的正常值，可結合高層建筑的觀測情況，計算分析符合精度的觀測要求，以便更好地應用于高層建筑施工。

3 高層建筑測量中GPS技術的應用策略

以我國某省高層建筑為例，在高層建筑中應用GPS定位技術，首先，需建立并確定大地坐標系（WGS-84）和工程施工坐標系的內在的轉換關系，以便為后期施測GPS基準傳遞使用。

3.1 GPS測量基準建立

此高層建筑施工坐標系，屬于獨立高層建筑工程施工的獨立坐標系。為了便于放樣，4個測量基點數設置在主體建筑物內，也就是內控法。根據建筑施工場地小、周期短、精度高等特征，在高層建筑的施工圍墻外增設兩個較為穩定的臨時基準點XM01和XM02，將兩個臨時基準點作為GPS基準傳遞的基準，如圖3所示。

圖3 GPS施工測量基準點

上述兩個基準點的作用是在測量過程中將其中一點固定，作為GPS測量的起算點；將兩點固定，可將此作為起算方位，進而精準確定GPS的網平差和測量基準，保障每次都能夠形成統一的起算方位和基準。將初次測量GPS的定位基準作為GPS的起算方位和坐標。同時，每次轉換GPS測量成果時一定要采用統一的轉換參數，充分保障坐標轉換成果基準的一致性，轉換參數同樣是由首次GPS測量所決定[5]。

3.2 GPS測量基準點的位置

XM01點設置在高層建筑的屋面上，此建筑的屋面便于保護、使用和設點。點位和建筑主體間距是90m，天空通視情況較好。XM02點設置在高層建筑施工圍墻外的混凝土路面上，點位基礎穩定牢固，不會過多的有交通影響，有利于設點，點位和高層建筑主體的間距是140m。

3.3 GPS測量基準傳遞

此高層建筑的GPS測量處于傳統建筑的首次試驗，測量方案和實施計劃嚴格依照國家及測量行業的規范所制定。為了充分保障高層建筑的正常施工，選定局部樓層實行GPS測量基準傳遞，對比分析測量結果可知，GPS測量能夠充分滿足高層建筑的應用需求。

4 結語

綜上所述，GPS測量技術在高層建筑中的有效應用，能夠充分保障高層建筑測量的精準度、效率及質量，在我國建筑行業中的實施效果顯著。相比較傳統的建筑施工定位技術，GPS測量技術優勢較多，能夠最大限度降低測量的工作量和人工誤差，實現精準傳遞和高效定位，對樓層施工控制網基點的選擇約束較小。