試論GPS技術在工程測繪中的應用與改進

任舒寧 劉柘銳 楊保增 趙文龍

1. 珠海華成電力設計院有限公司 廣東 珠海 519000 2. 國家石油天然氣管網集團有限公司 廣東 深圳 518040 3. 北京興油項目管理有限公司 北京 100029 4. 中國寰球工程有限公司北京分公司 北京 100012

傳統的測繪技術在實際應用中存在較大的缺陷與問題，隨著現代技術的不斷發展，GPS技術也逐漸應用于測繪工作中，擁有廣闊的發展前景。通過對GPS測繪技術的開發和利用，已經逐漸解決了傳統測繪技術存在的精準度查和效率低等問題，同時因為其可操作性高，現已經被廣泛應用于測繪工程中，取得了較好的測繪效果。利用GPS技術所開展的測繪工作，不僅保障了工程質量，同時也實現了測繪功能的不斷發展。

1 GPS技術概述

GPS系統主要由空間部分、地面部分和用戶設備部分這三部分組成，空間部分也就是衛星星座，地面部分則主要是由地面監測系統構成，而用戶設備部分就是GPS接收機械[1]。根據測繪工程的實際需要，在某一確定位置設定信號的接收裝置，這樣地面部分就能夠接收來自GPS空間部分的數據信息，同時也會對所得到的信息進行分析與處理，反饋給用戶設備部分，最終獲得比較詳細的地理坐標系信息。

GPS技術因為其自身特點，所以被廣泛應用在測繪工作中。一方面，GPS技術功能性較強，能夠測繪的范圍非常廣泛；利用GPS技術，可以在較大范圍內進行高準確度的測量，同時，在進行實時定位時，精準度可以達到分米或者厘米單位，并且誤差相對較小[2]。另一方面，GPS技術準確性較高，將GPS技術應用于測繪工程，其動態化和靜態化的測繪操作都妥善解決了傳統測繪模式下的問題，并且也能夠將測繪結果的精準度控制在標準之內；利用GPS技術，從而建立起三維坐標，實現對所有信息數據的高精準度測繪。最后，GPS測繪技術還擁有經濟性的特點，根據有關實踐經驗表明，與傳統測繪工程相比，GPS技術的應用能夠節省費用資金，一是因為GPS測繪技術擁有較高的效率，所以縮短了測繪工作進行的時間；二是因為GPS測繪工作和測量站之間互通性較低，這樣也實現了時間和人力資源的節省。

2 GPS技術在工程測繪中的應用

首先是選擇測繪點和建立測繪標志，無論是測繪點還是測繪標志的選擇，都應該便于接收機的運輸和安裝工作，并且還需要選在視野開闊的位置，能夠遠離電磁波的干擾。接下來是外業觀測，這一環節主要工作包含設備天線的布置、觀測實踐以及數據記錄，其中天線的布置又可分為定中心和選取方向；在進行觀察記錄過程中，需要將有關結果存儲在接收端的內存中，這樣也方便后續工作的進行，對有關數據進行及時查找與利用[3]。然后是GPS布網，在利用有關測量技術時，這一環節是非常重要的，必須要將三焦同步圖形精準畫出，確保GPS網的穩定進行；同時對于各個工程測繪區域，所開展的GPS布網需要基于區域的實際地形地貌特點，利用信息公網對GPS布網進行優化與改進，進一步增強GPS技術應用的穩固性，方便在日后工程測繪工作中可以利用GPS布網及時得到有效數據內容[4]。除此以外，還需要進行實時動態監測，又被稱為RTK技術，需要在地面觀測點安裝GPS接收器，并將其作為準確觀測點，然后與GPS衛星相連接，方便接收測量信息，實現內容的實時采集。最后是成果的校對和數據處理，這是為了確保測繪工作的準確性，同時也能夠達到預期的定位精度；當完成有關觀察工作以后，需要按照規定對結果進行現場預處理并檢查分析，若是結果不合格，則就需要進行重新測試[5]。

3 GPS技術在工程測繪中的應用案例分析

3.1 項目任務

受珠海華成電力設計院股份有限公司委托，深圳地質建設工程公司承擔了國家管網深圳液化天然氣應急調峰站項目接收站工程外電線路工程施工控制測量工作，本次施工控制測量主要內容是以下幾點。

（1）D級GPS衛星定位控制網布測。

（2）E級GPS衛星定位控制網布測。

（3）四等水準網布測。

（4）原施工控制點復測。

3.2 任務范圍及完成的工作量

本次測量范圍為國家管網深圳液化天然氣應急調峰站項目接收站工程外電線路工程線路正線全長約9.1公里。

3.3 測區概況

國家管網深圳液化天然氣應急調峰站項目接收站工程外電線路工程位于深圳大鵬新區，測區線路東西兩邊臨海，南北兩面環山植物茂盛且大部分為山地，地形較為復雜，通行通視條件差。受海洋影響，多雨霧，常受臺風吹襲，地質災害風險程度較高。由于正處在深圳新冠疫情管控期間（全市地鐵公交停運，單位企業停工停產7天）。所有企事業單位、建筑工地及街道社區等進行最嚴格的圍合封閉管理，拒絕人員出入。疫情給本次測量工作帶來極大困難。

3.4 既有資料情況

測區范圍內有歷年深圳市規劃和自然資源局測繪的基本圖（1:1000地形圖）用于項目踏勘選點，已有控制點、水準點點位查找，基于充分利用既有資源的原則，沿線共收集到既有控制資料情況如下：

（1）平面控制點

由于深圳市規劃和自然資源局布設在測區附近的高等級控制點破壞嚴重，且個別未破壞的點位無法滿足本次控制網布設需求，本次擬布設4個D級GPS控制點，D級GPS控制點將采用廣東省CORS中心解算，為國家2000大地坐標系成果。E級衛星定位控制網則以D級GPS控制點作為起算點。

（2）高程控制點

本次收集到深圳市規劃和自然資源局1998年7月布設在測區附近的二等水準點：II葵大2、II葵大7，為1956年黃海高程系，作為本次控制網高程起算點。

3.5 測繪技術方案執行情況

3.5.1 平面控制網觀測方案的執行情況

（1）平面控制網布設

1.在D級衛星定位控制網的基礎上，沿線路走向分別構建了E級衛星定位控制網；其中D級GPS控制點4個，E級GPS控制點數19個。

2.E級衛星定位控制網附合在D級GPS控制點上，E級衛星定位控制網最短邊長不低于350m，每個控制點至少有1個通視點。

3.構成的異步閉合環或附合路線中的邊數均不大于6。

4.由于外電線路工程設計在大鵬灣北側臨山位置，布設控制點通行、通視條件困難。加之受新冠疫情影響，各街道社區、企業、小區等實行最嚴格的封閉管理，設卡圍合、部分道路封閉，外來人員和車輛通行困難，嚴格的防疫措施給布設控制點帶來了很大的困難。

（2）選點、埋石

1.點位的選擇必須要遵循能夠長久保存和測繪方便的原則，并且不能夠受到來自施工變性的影響，有利于下級網擴展和聯測。

2.所選點位附近還應該確保沒有較大面積的水域，同時也不能夠存在有對電磁波反射較為強烈的物體；同時，選點位置應該距離無線電發射裝置200m以外，距離高壓輸電線距離50m以外。

3.點位大多選在線路兩側堅固的永久性建筑物頂承重結構上，并確保與相鄰通視控制點間的垂直角小于30°。

4.衛星定位控制點點位的選擇考慮到了避開施工的影響，遠離線位一定距離。

5.D級衛星定位控制點編號以“L-01”為冠號，分別編號為L-01、L-02、L-03、L-04；E級衛星定位控制點編號以“E-01”為冠號，分別編號為E-01、E-02、E-03……E-19；

6.位于構筑物頂上的衛星定位控制點均為水泥墩，墩頂部為20×20cm，底部為30×30cm，高為15cm，頂部中央為Φ20mm不銹鋼標志，埋設時對樓板進行了打鑿并砸入水泥釘，便于與樓面連接牢固，保證穩定，采用速凝水泥填入水泥墩各邊角縫隙，為樓頂做防漏水處理。

7.地面點標石埋設混凝土預制樁，預制樁尺寸頂部為20×20cm，底部為40×40cm，深為40cm，頂部中央為Φ20mm不銹鋼筋；位于水泥路面的點，則用沖擊鉆在路面打孔，并將測量標志用植筋膠固定，埋設于水泥路面以下，且樁面有“測量控制點”字樣。

8.本次D級衛星定位控制網共布設4個點，E級衛星定位控制網共布設19個點，E級衛星定位控制點應滿足至少有一個以上通視方向的要求。

（3）平面控制網測量

本次作業采用4臺南方S86及1臺南方銀河1雙頻GNSS接收機作業。采用靜態相對定位原理進行，根據預報星歷選擇最佳觀測時間，按照設計網形進行觀測。

本次衛星定位控制網分兩級布設，首先在全線范圍內建立D級衛星定位控制網。D級衛星定位控制網基線的觀測時間不短于60分鐘，平均重復觀測時段數不少于1.6，本工程D級衛星定位控制網平均重復觀測時段數為2.0；然后進行E級衛星定位控制網的觀測，觀測時間不短于40分鐘，平均重復觀測時段數不少于1.6，本工程E級衛星定位控制網平均重復觀測時段數為1.8。

（4）數據處理

1.D級衛星定位控制網數據處理

D級衛星定位控制網的觀測采用雙頻GNSS接收機，其固定誤差a不大于5mm，比例誤差系數b不大于1mm/km。本次工程的D級衛星定位控制網的數據提交由廣東省CORS中心解算成果。

2.E級衛星定位控制網數據處理

首先將E級衛星定位控制網衛星定位控制網原始觀測文件導入南方SGO2.2GNSS靜態處理軟件進行處理，還需要符合點號、天線量高方式、天線高等有關數據。其次，基線解算采用廣播星歷和南方SGO2.2GNSS靜態處理軟件進行解算。最后對基線解算質量不符合要求或環閉合差超限的均進行了補測。

3.無約束平差計算

全部重復基線及異步環滿足要求后，采用中國鐵設與同濟大學測量系聯合開發的TGPPSWin32軟件進行整網平差計算。

4.約束平差計算

本段E級衛星定位控制網以D級衛星定位控制網計算得到的控制點作為約束平差的起算點。

（5）E級衛星定位控制點設站檢查

按照規范要求，采用常規測量方法對所有E級衛星定位控制點進行邊長、角度檢核。使用徠卡TCRP1201全站儀在三等衛星定位控制點設站,實測各點夾角及邊長、角度檢測值與反算值較差，精度滿足規范要求。

3.5.2 高程控制網測量

國家管網深圳液化天然氣應急調峰站項目接收站工程外電線路工程施工控制測量，采用四等水準路線觀測。

（1）高程控制網布設及選點埋石

依據《國家三、四等水準測量規范》（GB／T12898-2009）、本次項目的要求，延設計線路已布設在道路周邊的E級GPS控制點進行水準測量。本階段共計施測水準點17個。起始點為E-04，終點為L-01。水準路線起始于深圳市二等水準點II葵大7，附合到深圳市二等水準點II葵大2。

（2）外業觀測

四等等水準網測量采用徠卡DNA03電子水準儀及與電子水準儀配套的3m銦鋼水準尺，自動觀測記錄。

（3）數據處理

平差前進行附合水準路線閉合差檢核和每千米水準測量的高差偶然中誤差計算。本次外業測量按照四等水準規范要求行附和水準線路測量。計算得到每千米水準測量的高差偶然中誤差為1.1mm，小于限差的±5mm。

在數據處理時，首先開展全線附合水準路線閉合差統計。經統計計算本線附合水準路線閉合差均滿足規范要求。

為了印證本次測量數據的可靠性，質檢按照《國家三、四等水準測量規范》中的四等水準測量的有關規定執行，本線共檢查了3個測段，檢測高差與測段高差之差均小于限差，可見本次外業測量數據真實可靠。

4 GPS技術在工程測繪中應用的改進措施

首先，在具體的GPS測繪技術應用過程中，必須要重視對有關技術人員的培訓工作。雖然將GPS技術應用于測繪工作中使得操作相對簡便，但是仍然要建立一支具有良好知識儲備，并且實踐能力較強的專業人才隊伍，從最基本的測繪操作開始，對技術人員進行規范培訓，使其熟悉并掌握GPS技術，盡可能規避因為人為操作所導致的誤差或測量不準問題的出現[6]。同時，需要提升技術人員的職業道德素養，確保其能夠以端正的態度和較強的責任感來完成測繪工作，明確測繪工作進行目標，按照有關規定要求規范運行，實現測繪質量的進一步提升。

同時，還要對GPS測量誤差進行有效控制。在具體測量工作開展過程中，誤差的存在是難免的，同時受到來自誤差的干擾，也有可能會導致GPS測量結果不準確，所以必須要重視誤差的控制工作。在具體操作中，有關技術人員必須要按照操作規范來進行GPS測繪技術的應用，嚴格落實每一個環節的質量管理標準，減少問題出現的可能。在測量中，根據測量區域的實際情況，確定好測量點，確保測量點選擇的合理性和科學性，有效規避地形地貌對測量結果的影響。在數據計算和數學模型的選擇上，需要根據測繪工程實際有針對性地選擇合適的地形地貌模型，保障數據結果的有效性，這樣也能夠降低模型所帶來的誤差影響[7]。

5 結語

將GPS技術應用于測繪工作中有著較多的明顯優勢，通過上述案例實踐和內容分析，對GPS測繪技術在工程測繪中的實際應用進行了探討，并希望在GPS測繪技術今后的應用中，發揮出其功能和實用性，以高質量完成測繪工作，推動我國測繪技術的現代化發展。