浅谈工程测量中GPS技术的应用
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摘要: 随着科学的发展,测绘新技术不断涌现,改变了传统的野外作业习惯,适应了测会市场的发展。21世纪是信息化的时代,而作为信息化产业技术方向一部分的测绘专业在数字地球概念中扮演着重要的角色。
关键词:工程测量；GPS 技术 ； 应用
引言
近年来,GPS 接收机的小型化、小功耗给GPS 用于工程测量提供了有利的硬件条件。在软件方面,GPS 快速定位方法也有较大的进展, 这些都促使GPS 在工程测量中得到较广泛的应用。经本人通过多年实践证明,在缩短工期、降低成本和设计的灵活性方面,GPS 技术较常规技术有不少优越之处。
1 GPS 定位系统的组成、定位原理
GPS(全球定位系统) 为美国第二代卫星导航系统。GPS 定位系统由卫星星座(空间部分) 、地面监控系统(地面部分) 、GPS 接收机(用户设备部分) 组成。星座由24 颗卫星组成, 其中21 颗GPS工作卫星, 3 颗备用卫星, 大致均匀分布在6 个近似圆的轨道面上; 地面监控系统是整个系统的中枢, 由5 个监测站、1 个主控站、3 个注入站组成。分布在美国本土和科罗拉多以及三大洋的美国军事基地, 它主要的功能是: 完成对GFS 卫星信的实时监测, 向每颗卫星提供其编写并播发的导航电文, 包括卫星星历(即一系列描述卫星运动其轨道参数的数据) 、卫星钟差和大气修正参数等;GPS 接收机是能够接收、跟踪、变换和测量GPS 信号的接收设备, 由主机、天线和电源组成。GPS 卫星发送的导航定位信号即GPS 信号, 是一种全球共享的信息资源。各类用户, 在任何地点、任何气候、任何时刻均可用GPS 接收机接收信号, 进行导航定位测量。
GPS 定位原理, 类似于传统的后方交会。如果已知空间GPS 卫星的瞬时位置, 若仅确定测站点的三维则GPS 接收机只要接收到3 颗GPS 卫星发射的信号, 即得卫星到测站点的几何距离, 就可根据后方交会原理, 确定出测站点的三维坐标。由于造价的原因, GPS 接受机中的时钟精度有限,与GPS 时间相比有较大的偏差, 因而需要将这一时间作为待定参数, 与待定空间参数并求解, 故最少需要观测4 颗GPS 卫星。由于各种偏差的存在, GPS 接收机根据接收信号所确定的量不是上述的几何距离, 而是带有一定偏差的伪几何距离, 伪距。由于伪距是通过测码或测相而确定的, 因此, 作为GPS 的基本观测值, 一般是指测码伪距和测相伪距(载波相位) 。
2 GPS 在工程测量中的应用
2.1 建立工程控制网
工程控制网是工程建设、管理和维护的基础,其网型和精度要求与工程项目的性质、规模密切相关。一般地, 工程控制网覆盖面积小、点位密度大、精度要求高。用常规的方法, 多采用边角网等。采用GPS 定位的方法建立工程控制网, 具有点位选择限制少, 作业时间短, 成果精度高, 工程费用低等优点。可应用于建立工程首级控制网, 变形监测控制网, 工矿施工控制网, 工程勘探、施工控制网, 隧道等地下工程控制网等等。应用GPS 技术建立控制网, 通常采用载波相位静态差分技术,以保证达到毫米级精度。应用GPS 技术建立道路勘探、施工控制网和隧道工程控制网等具有显著的优势。河道、道路勘探、施工控制网, 具有横向很窄、纵向很长的特点。采用传统的三角锁、导线方案, 多数需要分段实施, 以避免误差积累过大。采用GPS 技术, 由于点与点之间不需要通视, 可以敷设很长的GPS 点构成的三角锁, 以保持长距离线路坐标控制的一致性。通过在实际应用的情况比较，我们总结出在平均边长在5公里以下的工程GPS 控制网，用双频接收机观测20-30min 即可满足工程精度要求的良好结果。因此在实际工作中，当观测条件良好时，工程GPS控制网的观测时段可以比规范规定的时间缩短10-20min ，这对进一步提高GPS 测量的效率无疑具有积极的作用。
2.2 变形监测
变形监测主要是监测像大桥、水库大坝、高层大楼等建筑物、构筑物的地基沉降、位移以及整体的倾斜等状况。监测工作的特点是被监测体的几何尺寸巨大, 监测环境复杂, 监测技术要求高。常规的监测技术是应用水准测量的方法, 监测地基的沉降; 应用三角测量(或角度交会) 的法, 监测地的位移和整体的倾斜。GPS 技术在该领域有广泛的应用。我们在建德新安江大坝变形监测中建立高精度GPS 监测网,最后得出毫米级精度的绝对平面位移与相对垂直监测数据；最后用TCA1800全站仪（1mm 测距精度的自动照准精密型全站仪）进行检测比对，实践证明GPS 测量完全可以取代高精度边角（网）测量。这样给我们启示：在不低于二等精度的GPS控制网，应用在短边监测网如水库大坝监测中，完全可以替代常规边、角监测网，而且可以取得毫米级甚至亚毫米级精度的绝对平面位移与相对垂直监测数据；在有条件（解决多径效应，如采用扼流圈天线）的情况下，小范围内以大地高取代高精度的水准测量的正常高也是有可能的。
2.3 带RTK的碎部测量与放样
RTK (Real Time Kinematic) 技术, 即载波相位差分技术, 是实时处理两个测站载波相位观测量的差分方法。RTK系统由两部分组成: 基准站(坐标已知) 和移动站(用户接收机) 。其基本原理是:将基准站采集的载波相位发送给用户, 用户根据基准站的差分信息进行求差解算用户位置坐标。RTK技术可应用于测绘地形图、地籍图, 测绘房地产的界址点, 平面位置的施工放样等。采用RTK技术测图时仅需一人进行。将GPS 接收机放在待定的特征点上1、2 秒钟, 同时输入该特征点的编码即可。把一个小区域内的地形、地物特征点测定后传入计算机, 由专业成图软件、在人工适当的干预下, 形成所要的成果图。采用RTK技术进行放样,标定界标点, 是坐标的直接标定, 不象常规放样那样, 需要后视方向、用解析法标定, 因而简捷易行。
2.4 区域差分网下的碎部测量与放样
区域性GPS 差分系统下的碎部测量与放样,是基于区域GPS 差分网进行的。区域差分与RTK单基点载波相位差分的原理相似, 不同的是区域差分的基准站往往多于1 个, 多基准站组成基准,基准网提供各个基准站的差分信息, 用户接收机根据自己的位置确定各基准站差分信息的权, 按非等权平差后形成自己的差分改正数, 实现差分定位。
3 优缺点
3.1 优点
(1) 用途广泛GPS 技术可应用于国民经济的各个领域。对于测绘行业而言, GPS 定位系统已应用于: 大地测量, 地壳板块运动监测, 建立各种工程监测网和进行各种工程测量等。GPS 技术在工程测量中的应用有着广泛的前景, 特别是自动变形监测系统、工程施工的自动控制系统是未来应用研究的重要方向之一。
(2) 定位精度高矩距离(15 公里以内) 精度可达毫米级, 中、长距离(几十公里甚至几百公里) 相对粗度可达到10 - 7～10 - 8 。差分导航的精度可达米级至厘米级。大型建筑物、构筑物变形监测, 在采用特殊的观测措施、精密星历和适当数据处理模型和软件后, 平面精度可达亚毫米级, 高程精度可稳定在1 毫米左右。
(3) 自动化程度高用GPS 接收机进行测量时, 测量员只要将天线准确地安置在测站上, 量测天线高, 接通电源, 启动接收单元, 仪器即自动开始工作。在结束测量时, 只需关闭电源, 收装接收机, 便完成了野外数据采集任务。如果在一个测站上需要做长时间的连续测量, 还可实行无人值守的数据采集, 通过数据传输将所采集的定位数据传输到数据处理中心, 实现自动化的GPS 测量和计算。
(4) 全天候观测应用GPS 定位、导航, 不受天气的影响, 可以全天候地工作, 这一特点, 保证了变形监测的连续性和自动化。
3.2 缺点
(1) 建立工程控制网时一些带有隐蔽性和遮挡性地区无法使用或不便使用GPS 技术。如在进行地下工程、隧道控制测量中地面首级网可以采用GPS 技术, 在地下施工控制方案中却无法采用, 因为地下没有GPS 信号。在大森林中面对设控制网,如果道路较窄而道两旁的树木茂盛, GPS 信就会被树木遮挡而呈现断断续续, 很难解算出符合精度要求基线向量。
(2) 碎部测量与放样时, 高大的建筑物会遮挡GPS 信号, 使得观测值产生周跳, 破坏了整周计数的连续性, 需要重新确定初始周末知数。这样, 不但影响观测工作的效率, 也影响了工作人员的情绪。如果这种现象频繁出现, 将造成记录的支离破碎, 影响成图精度甚至会发生错误。
(3) 高程测量时应用GPS 定位技术不能直接得到地面点的正常高, 而只能得到大地高, 确定地面点的正常高, 必须要知道地面点的高程异常, 这就限制了GPS 技术在高程测量方面的作为。
(4) 变形监测的一次性投入成本和长期监测运行成本较高, 高程精度不象水准测量那样容易达到监测测度要求, 而且组织复杂。
4 结语
GPS 技术具有精度高、观测时间短、测站间不需要通视和全天候作业等优点, 使得三维坐标的测定变得简单, 因此, 该技术除应用于航天、航海等领域外, 已广泛应用于工程测量的建立工程测量控制网、RTK下的碎部测量与放样、区域差分系统下碎部测量与放样以及变形监测建的各个领域, 同时GPS 技术也有一些缺点。但随着科学的发展, GPS技术将具有更广阔的应用前景。
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