GPS技術(shù)在工程測量中的應(yīng)用

1、GPS技術(shù)在工程測量中的應(yīng)用1概述 20世紀(jì)80年代以來，隨著GPS定位技術(shù)的出現(xiàn)和不斷發(fā)展完善，使測繪定位技術(shù)發(fā)生了革命性的變革，為工程測量提供了嶄新的技術(shù)手段和方法。長期以來用測角、測距、測水準(zhǔn)為主體的常規(guī)地面定位技術(shù)，正在逐步被以一次性確定三維坐標(biāo)的、高速度、高效率、高精度的CPS技術(shù)所代替，同時(shí)定位范圍己從陸地和近海擴(kuò)展到海洋和宇宙空間；定位方法己從靜態(tài)擴(kuò)展到動態(tài)；定位服務(wù)領(lǐng)域己從導(dǎo)航和測繪領(lǐng)域擴(kuò)展到國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)的廣闊領(lǐng)域。對經(jīng)典大地測量學(xué)的各個(gè)方面產(chǎn)生了極其深刻的影響，它在大地測量學(xué)及其相關(guān)學(xué)科領(lǐng)域，如地球動力學(xué)、海洋大地測量學(xué)、地球物理探測、資源勘探、航空與衛(wèi)星遙感、地下工程變形監(jiān)

2、測、運(yùn)動目標(biāo)的測速以及精密時(shí)間傳遞等方面的廣泛應(yīng)用，充分顯示了衛(wèi)星定位技術(shù)的高精度和高效益。2 GPS測量的基本原理與方法21 GPS測量的基本原理 測量學(xué)中的交會法測量里有一種測距交會確定點(diǎn)位的方法。與其相似，GPS的定位原理就是利用空間分布的衛(wèi)星以及衛(wèi)星與地面點(diǎn)的距離交會得出地面點(diǎn)位置。簡言之，GPS定位原理是一種空間的距離交會原理。設(shè)想在地面待定位置上安置GPS接收機(jī)，同一時(shí)刻接收4顆以上GPS衛(wèi)星發(fā)射的信號。通過一定的方法測定這4顆以上衛(wèi)星在此瞬間的位置以及它們分別至該接收機(jī)的距離，據(jù)此利用距離交會法解算出測站P的位置及接收機(jī)鐘差t。圖3-1 GPS定位原理 如圖3-1，設(shè)時(shí)刻ti在測

3、站點(diǎn)P用GPS接收機(jī)同時(shí)測得P點(diǎn)至四顆GPS衛(wèi)星S1、S2、S3、S4的距離1、2、3、4，通過GPS電文解譯出四顆GPS衛(wèi)星的三維坐標(biāo) ，用距離交會的方法求解P點(diǎn)的三維坐標(biāo)(X,Y,Z)的觀測方程為：式中的c為光速，t為接收機(jī)鐘差。22 GPS定位方法分類利用GPS進(jìn)行定位的方法有很多種。若按照參考點(diǎn)的位置不同，則定位方法可分為（1）絕對定位。即在協(xié)議地球坐標(biāo)系中，利用一臺接收機(jī)來測定該點(diǎn)相對于協(xié)議地球質(zhì)心的位置，也叫單點(diǎn)定位。這里可認(rèn)為參考點(diǎn)與協(xié)議地球質(zhì)心相重合。GPS定位所采用的協(xié)議地球坐標(biāo)系為WGS-84坐標(biāo)系。因此絕對定位的坐標(biāo)最初成果為WGS-84坐標(biāo)。（2）相對定位。即在協(xié)議地球

4、坐標(biāo)系中，利用兩臺以上的接收機(jī)測定觀測點(diǎn)至某一地面參考點(diǎn)（已知點(diǎn)）之間的相對位置。也就是測定地面參考點(diǎn)到未知點(diǎn)的坐標(biāo)增量。由于星歷誤差和大氣折射誤差有相關(guān)性，所以通過觀測值求差可消除這些誤差，因此相對定位的精度遠(yuǎn)高于絕對定位的精度。按用戶接收機(jī)在作業(yè)中的運(yùn)動狀態(tài)不同，則定位方法可分為（1）靜態(tài)定位。即在定位過程中，將接收機(jī)安置在測站點(diǎn)上并固定不動。嚴(yán)格說來，這種靜止?fàn)顟B(tài)只是相對的，通常指接收機(jī)相對與其周圍點(diǎn)位沒有發(fā)生變化。（2）動態(tài)定位。即在定位過程中，接收機(jī)處于運(yùn)動狀態(tài)。GPS絕對定位和相對定位中，又都包含靜態(tài)和動態(tài)兩種方式。即動態(tài)絕對定位、靜態(tài)絕對定位、動態(tài)相對定位和靜態(tài)相對定位。若依照測

5、距的原理不同，又可分為測碼偽距法定位、測相偽距法定位、差分定位等。3 GPS技術(shù)應(yīng)用的優(yōu)點(diǎn)31 用途廣泛 GPS技術(shù)可以應(yīng)用于國民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域，對于測繪工作者而言，GPS定位系統(tǒng)己應(yīng)用：大地測量，地殼板塊運(yùn)動監(jiān)測，建立各種工程監(jiān)測網(wǎng)和進(jìn)行各種工程測量等。GPS技術(shù)在工程測量中的應(yīng)用有著廣泛的前景，特別是自動變形監(jiān)測系統(tǒng)、工程施工的自動控制系統(tǒng)是未來應(yīng)用研究的重要方。32 自動化程度高 用GPS接收機(jī)進(jìn)行測量時(shí)，僅需一人將天線準(zhǔn)確地安置在測站上，量測天線高，接通電源，啟動接收單元，儀器即自動開始工作，在結(jié)束測量時(shí)只需關(guān)閉電源，接收機(jī)便完成野外數(shù)據(jù)采集，若在一個(gè)測站上需要作長時(shí)間的連續(xù)測量，還可

6、實(shí)行無人值守的數(shù)據(jù)采集，通過數(shù)據(jù)傳輸，將所采集的定位數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理中心，實(shí)現(xiàn)自動化的GPS測量和計(jì)算。33 定位精度高 短距離(15公里以內(nèi))精度可達(dá)毫米級，中、長距離(幾十公里甚至幾百公里)相對精度可達(dá)到10-7至10-8。差分導(dǎo)航的精度可達(dá)米級至厘米級。大型建筑物、構(gòu)筑物變形監(jiān)測，在采用特殊的觀測措施、精密星歷和適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)處理模型和軟件后，平面精度可達(dá)亞毫米級，高程精度可穩(wěn)定在1mm左右。34 全天候?qū)崟r(shí)動態(tài)觀測 應(yīng)用GPS定位、導(dǎo)航，不受天氣的影響，可以全天候地工作。這一特點(diǎn)保證了變形監(jiān)測的連續(xù)性和自動化。35 可消除或削弱系統(tǒng)誤差的影響 在變形監(jiān)測中我們關(guān)注的是兩期的變形量，而不是

7、變形監(jiān)測點(diǎn)本身的坐標(biāo)，兩期變形監(jiān)測中所含的共同的系統(tǒng)誤差雖然只會分別影響兩期的坐標(biāo)值，但卻不會影響所求得的變形量。即在變形監(jiān)測中，接收機(jī)天線的對中誤差、整平誤差、定向誤差、量取天線高的誤差等并不會影響變形監(jiān)測的結(jié)果，只要天線在監(jiān)測過程中能保持固定不動即可。4 GPS在工程測量中的應(yīng)用特點(diǎn)41 建立工程控制網(wǎng) 工程控制網(wǎng)是工程建設(shè)、管理和維護(hù)的基礎(chǔ)，其網(wǎng)型和精度要求與工程項(xiàng)目的性質(zhì)、規(guī)模密切相關(guān)。一般地，工程控制網(wǎng)覆蓋面積小，點(diǎn)位密度大、精度要求高。用常規(guī)的方法多采用邊角網(wǎng)。 采用GPS定位的方法建立工程控制網(wǎng)，具有點(diǎn)位選擇限制少，作業(yè)時(shí)間短，成果精度高，工程費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)?？蓱?yīng)用于建立工程首級控

8、制網(wǎng)，變形監(jiān)測控制網(wǎng)，工礦施工控制網(wǎng)，工程勘探、施工控制網(wǎng)，隧道等地下工程控制網(wǎng)，等等。 應(yīng)用GPS技術(shù)建立控制網(wǎng)，通常采用載波相位靜態(tài)差分技術(shù)，以保證達(dá)到毫米級精度。應(yīng)用GPS技術(shù)建立道路勘探、施工控制網(wǎng)和隧道工程控制網(wǎng)等具有顯著的優(yōu)勢，道路勘測、施工控制網(wǎng)，具有橫向很窄、縱向很長的特點(diǎn)。采用傳統(tǒng)的三角鎖、導(dǎo)線方案，多數(shù)需要分段實(shí)施，以避免誤差積累過大，采用GPS技術(shù)，由于點(diǎn)與點(diǎn)之間不需要通視，可以敷設(shè)很長的GPS點(diǎn)構(gòu)成的三角鎖，以保持長距離線路坐標(biāo)控制的一致性。 隧道、地鐵等地下工程，一般采用對向施工，有時(shí)還需采用立井施工，以提高貫通速度。為了保證貫通精度，必須建立地面精密控制網(wǎng)。隧道縱向

9、跨度大，其上方周圍多為崇山峻嶺，地鐵上方，高樓大廈林立。用GPS技術(shù)建立隧道、地鐵工程控制網(wǎng)解決了這類工程的一大難題。4.2 RTK的碎部測量與放樣 RTK (Real Time Kinematic)技術(shù)，即載波相位差分技術(shù)，是實(shí)時(shí)處理兩個(gè)測站載波相位觀測量的差分方法。RTK系統(tǒng)由兩部分組成：基準(zhǔn)站（坐標(biāo)已知)和移動站（用戶接收）。其本原理是：將基準(zhǔn)站采集的載波相位發(fā)送給用戶，用戶根據(jù)基準(zhǔn)站的差分信息進(jìn)行求差解算用戶位置坐標(biāo)。RTK技術(shù)可以應(yīng)用于測繪地形圖、地籍圖，測繪房地產(chǎn)的界址點(diǎn)，平面位置的施工放樣等。采用RTK技術(shù)測圖時(shí)僅需一人進(jìn)行。將GPS接收機(jī)放在待定的特征點(diǎn)上1-2 s,同時(shí)輸入該

10、特征點(diǎn)的編碼即可。把一個(gè)小區(qū)域內(nèi)的地形、地物特征點(diǎn)測定后傳入計(jì)算機(jī)，由專業(yè)成圖軟件、在人工適當(dāng)?shù)母深A(yù)下，形成所要的成果圖。采用RIK技術(shù)進(jìn)行放樣，標(biāo)定界標(biāo)點(diǎn)，是坐標(biāo)的直接標(biāo)定，不像常規(guī)放樣那樣，需要后視方向、用解析法標(biāo)定，因而簡捷易行。4.3 區(qū)域差分網(wǎng)下的碎部測量與放樣 區(qū)域性GPS差分系統(tǒng)下的碎部測量，放樣，是基于區(qū)域GPS差分網(wǎng)進(jìn)行的。區(qū)域差與RTK單基點(diǎn)載波相位差分的原理相似，不同的是區(qū)域差分的基準(zhǔn)站往往多于1個(gè)，多基準(zhǔn)站組成基準(zhǔn)網(wǎng)，基準(zhǔn)網(wǎng)提供各個(gè)基準(zhǔn)站的差分信息，用戶接收機(jī)根據(jù)自己的位置確定各基準(zhǔn)站差分信息的權(quán)，按非等權(quán)平差后形成自己的差分改正數(shù)，實(shí)現(xiàn)差分定位。44 GPS變形監(jiān)測

11、變形監(jiān)測主要是監(jiān)測像大橋、水庫大壩、高層大樓等建筑物、構(gòu)筑物的地基沉降、位移以及整體的傾斜等狀況。常規(guī)的監(jiān)測技術(shù)是應(yīng)用水準(zhǔn)測量的方法，監(jiān)測地基的沉降；應(yīng)用三角測量（或角度交會)的方法監(jiān)測地基的位移和整體的傾斜，由于被監(jiān)測物體通常都是幾何尺寸巨人，監(jiān)測環(huán)境復(fù)雜，監(jiān)測技術(shù)要求較高，因此應(yīng)用常規(guī)技術(shù)不僅觀測時(shí)間長、勞動強(qiáng)度大，而且難以實(shí)現(xiàn)自動化監(jiān)測。而GPS定位技術(shù)由于定位精度高，不需要通視、可全天候工作等特點(diǎn)。研究表明，利用GPS進(jìn)行水平位移觀測可獲得小于士2mm精度的位移矢量，高程的測量也可獲得不大于士10mm的精度。因此，GPS在變形監(jiān)測中越來越受到廣泛的應(yīng)用，尤其是大型工程。此外，一種低費(fèi)用

12、，多天線的GPS變形監(jiān)測系統(tǒng)正在研制，其宗旨是采用一個(gè)特制天線轉(zhuǎn)制開關(guān)（GPS多天線轉(zhuǎn)制開關(guān)）來實(shí)現(xiàn)多個(gè)GPS天線與一臺接收機(jī)相連接，接收機(jī)按照預(yù)先設(shè)置的程序分時(shí)掃描每一臺天線并實(shí)現(xiàn)GPS衛(wèi)星的跟蹤，通過數(shù)據(jù)處理軟件（包括多天線識別與分離模塊）來完成數(shù)據(jù)處理。無疑，這種監(jiān)測系統(tǒng)將大大降低檢測的成本。5 結(jié)論 GPS技術(shù)具有精度高、速度快、不受氣候條件及通視條件的限制等優(yōu)點(diǎn)，另外，GPS接收機(jī)具有自動觀測的特點(diǎn)，這為實(shí)現(xiàn)大型工程建筑物變形監(jiān)測的自動化奠定了基礎(chǔ)。實(shí)踐證明，GPS是一種值得選用的有效方法，三維坐標(biāo)的測定變得簡單，因此，該技術(shù)除應(yīng)用于航天、航海等領(lǐng)域外，已廣泛應(yīng)用于工程測量的建立工程測量控制網(wǎng)、RTK下的碎部測量與放樣、區(qū)域差分系統(tǒng)下碎部測量與放樣以及變形監(jiān)測建的各個(gè)領(lǐng)域，同時(shí)GP