GPS技術在工程測量中的應用

1、GPS技術在工程測量中的應用1概述    20世紀80年代以來，隨著GPS定位技術的出現(xiàn)和不斷發(fā)展完善，使測繪定位技術發(fā)生了革命性的變革，為工程測量提供了嶄新的技術手段和方法。長期以來用測角、測距、測水準為主體的常規(guī)地面定位技術，正在逐步被以一次性確定三維坐標的、高速度、高效率、高精度的CPS技術所代替，同時定位范圍己從陸地和近海擴展到海洋和宇宙空間；定位方法己從靜態(tài)擴展到動態(tài)；定位服務領域己從導航和測繪領域擴展到國民經(jīng)濟建設的廣闊領域。對經(jīng)典大地測量學的各個方面產(chǎn)生了極其深刻的影響，它在大地測量學及其相關學科領域，如地球動力學、海洋大地測量學、地球物理探測、資源

2、勘探、航空與衛(wèi)星遙感、地下工程變形監(jiān)測、運動目標的測速以及精密時間傳遞等方面的廣泛應用，充分顯示了衛(wèi)星定位技術的高精度和高效益。2 GPS測量的基本原理與方法21 GPS測量的基本原理    測量學中的交會法測量里有一種測距交會確定點位的方法。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)星與地面點的距離交會得出地面點位置。簡言之，GPS定位原理是一種空間的距離交會原理。設想在地面待定位置上安置GPS接收機，同一時刻接收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的距離，據(jù)此利用距離交會法解算出測站P的

3、位置及接收機鐘差t。 圖3-1 GPS定位原理    如圖3-1，設時刻ti在測站點P用GPS接收機同時測得P點至四顆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 ，用距離交會的方法求解P點的三維坐標(X,Y,Z)的觀測方程為： 式中的c為光速，t為接收機鐘差。22 GPS定位方法分類利用GPS進行定位的方法有很多種。若按照參考點的位置不同，則定位方法可分為（1）絕對定位。即在協(xié)議地球坐標系中，利用一臺接收機來測定該點相對于協(xié)議地球質(zhì)心的位置，也叫單點定位。這里可認為參考點與協(xié)議地球質(zhì)心相重

4、合。GPS定位所采用的協(xié)議地球坐標系為WGS-84坐標系。因此絕對定位的坐標最初成果為WGS-84坐標。（2）相對定位。即在協(xié)議地球坐標系中，利用兩臺以上的接收機測定觀測點至某一地面參考點（已知點）之間的相對位置。也就是測定地面參考點到未知點的坐標增量。由于星歷誤差和大氣折射誤差有相關性，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高于絕對定位的精度。按用戶接收機在作業(yè)中的運動狀態(tài)不同，則定位方法可分為（1）靜態(tài)定位。即在定位過程中，將接收機安置在測站點上并固定不動。嚴格說來，這種靜止狀態(tài)只是相對的，通常指接收機相對與其周圍點位沒有發(fā)生變化。（2）動態(tài)定位。即在定位過程中，接收機處于

5、運動狀態(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技術應用的優(yōu)點 31 用途廣泛     GPS技術可以應用于國民經(jīng)濟的各個領域，對于測繪工作者而言，GPS定位系統(tǒng)己應用：大地測量，地殼板塊運動監(jiān)測，建立各種工程監(jiān)測網(wǎng)和進行各種工程測量等。GPS技術在工程測量中的應用有著廣泛的前景，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)是未來應用研究的重要方。 32 自動化程

6、度高     用GPS接收機進行測量時，僅需一人將天線準確地安置在測站上，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)束測量時只需關閉電源，接收機便完成野外數(shù)據(jù)采集，若在一個測站上需要作長時間的連續(xù)測量，還可實行無人值守的數(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，實現(xiàn)自動化的GPS測量和計算。 33 定位精度高     短距離(15公里以內(nèi))精度可達毫米級，中、長距離(幾十公里甚至幾百公里)相對精度可達到10-7至10-8。差分導航的精度可達米級至厘米級。大型建筑物、構

7、筑物變形監(jiān)測，在采用特殊的觀測措施、精密星歷和適當?shù)臄?shù)據(jù)處理模型和軟件后，平面精度可達亞毫米級，高程精度可穩(wěn)定在1mm左右。 34 全天候?qū)崟r動態(tài)觀測     應用GPS定位、導航，不受天氣的影響，可以全天候地工作。這一特點保證了變形監(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)測中我們關注的是兩期的變形量，而不是變形監(jiān)測點本身的坐標，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，接收機天線的

8、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在工程測量中的應用特點 41 建立工程控制網(wǎng)       工程控制網(wǎng)是工程建設、管理和維護的基礎，其網(wǎng)型和精度要求與工程項目的性質(zhì)、規(guī)模密切相關。一般地，工程控制網(wǎng)覆蓋面積小，點位密度大、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)，具有點位選擇限制少，作業(yè)時間短，成果精度高，工程費用低等優(yōu)點?？蓱糜诮⒐こ?/p>

9、首級控制網(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。     應用GPS技術建立控制網(wǎng)，通常采用載波相位靜態(tài)差分技術，以保證達到毫米級精度。應用GPS技術建立道路勘探、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。采用傳統(tǒng)的三角鎖、導線方案，多數(shù)需要分段實施，以避免誤差積累過大，采用GPS技術，由于點與點之間不需要通視，可以敷設很長的GPS點構成的三角鎖，以保持長距離線路坐標控制的一致性。     隧道、地鐵等地下工程，一般

10、采用對向施工，有時還需采用立井施工，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，即載波相位差分技術，是實時處理兩個測站載波相位觀測量的差分方法。RTK系統(tǒng)由兩部分組成：基準站（坐標已知)和移動站（用戶接收）。其本原理是：將基準站采集的載波相位發(fā)送給用戶，用戶根據(jù)基準站的差分信息進行求差解算用戶位置坐標。RTK技

11、術可以應用于測繪地形圖、地籍圖，測繪房地產(chǎn)的界址點，平面位置的施工放樣等。采用RTK技術測圖時僅需一人進行。將GPS接收機放在待定的特征點上1-2 s,同時輸入該特征點的編碼即可。把一個小區(qū)域內(nèi)的地形、地物特征點測定后傳入計算機，由專業(yè)成圖軟件、在人工適當?shù)母深A下，形成所要的成果圖。采用RIK技術進行放樣，標定界標點，是坐標的直接標定，不像常規(guī)放樣那樣，需要后視方向、用解析法標定，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)進行的。區(qū)域差與RTK單基點載波相位差分的

12、原理相似，不同的是區(qū)域差分的基準站往往多于1個，多基準站組成基準網(wǎng)，基準網(wǎng)提供各個基準站的差分信息，用戶接收機根據(jù)自己的位置確定各基準站差分信息的權，按非等權平差后形成自己的差分改正數(shù)，實現(xiàn)差分定位。 44 GPS變形監(jiān)測     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)測技術是應用水準測量的方法，監(jiān)測地基的沉降；應用三角測量（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)境復雜，監(jiān)測技術要求較高，因此應用常規(guī)技術不僅觀測時間長、勞動強度

13、大，而且難以實現(xiàn)自動化監(jiān)測。而GPS定位技術由于定位精度高，不需要通視、可全天候工作等特點。研究表明，利用GPS進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用，尤其是大型工程。此外，一種低費用，多天線的GPS變形監(jiān)測系統(tǒng)正在研制，其宗旨是采用一個特制天線轉(zhuǎn)制開關（GPS多天線轉(zhuǎn)制開關）來實現(xiàn)多個GPS天線與一臺接收機相連接，接收機按照預先設置的程序分時掃描每一臺天線并實現(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，另外，GPS接收機具有自動觀測的特點，這為實現(xiàn)大型工程建筑物變形監(jiān)測的自動化奠定了基礎。實踐證明，GPS是一種值得選用的有效方法，三維坐標的測定變得簡單，因此，該技術除應用于航天、航海等領域外，已廣泛應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