GPS测量技术在工程测绘中的应用及特点

周三龙 刘健

摘要：随着我国国民经济的快速增长, 我国的基础工程建设迎来前所未有的发展机遇, 这就对测量技术提出了更高的要求, 目前工程测量中虽已采用电子全站仪等先进仪器设备, 但常规测量方法受横向通视和作业条件的限制, 作业强度大且效率低, 大大延长了设计周期。测量技术的进步在于设备引进和技术改造, 在目前的技术条件下引入GPS RTK 技术应当是首选。本文分析了GPS 在工程测量中的应用特点，结合应用实例探讨了GPS测量技术在工程测绘中的应用。

关键词：GPS测量工程测绘应用特点

中图分类号：K826.16 文献标识码：A 文章编号：

长期以来用测角、测距、测水准为主体的常规地面定位技术, 正在逐步被以一次性确定三维坐标的、高速度、高效率、高精度的GPS 技术所代替, 同时定位范围已从陆地和近海扩展到海洋和宇宙空间; 定位方法已从静态扩展到动态; 定位服务领域已从导航和测绘领域扩展到国民经济建设的广阔领域。对经典大地测量学的各个方面产生了极其深刻的影响, 它在大地测量学及其相关学科领域, 如地球动力学、海洋大地测量学、地球物理探测、资源勘探、航空与卫星遥感、地下工程变形监测、运动目标的测速以及精密时间传递等方面的广泛应用, 充分显示了卫星定位技术的高精度和高效率。

一、GPS 在工程测量中的应用特点

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。常规的方法多采用边角网。

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, 道路勘测、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。

隧道、地铁等地下工程, 一般采用对向施工, 有时还需采用立井施工, 以提高贯通速度。为了保证贯通精度, 必须建立地面精密控制网。隧道纵向跨度大, 其上方周围多为崇山峻岭, 地铁上方, 高楼大厦林立。用GPS 技术建立隧道、地铁工程控制网解决了这类工程的一大难题。

2、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) 。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 技术可以应用于测绘地形图、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至2 s,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RIK 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。

3、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, 放样, 是基于区域GPS 差分网进行的。区域差与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, 多基准站组成基准网, 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。

4、GPS 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。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)的方法监测地基的位移和整体的倾斜, 由于被监测物体通常都是几何尺寸巨人, 监测环境复杂, 监测技术要求较高, 因此应用常规技术不仅观测时间长、劳动强度大, 而且难以实现自动化监测。而GPS 定位技术由于定位精度高, 不需要通视、可全天候工作等特点。研究表明, 利用GPS 进行水平位移观测可获得小于士2mm 精度的位移矢量, 高程的测量也可获得不大于士10mm 的精度。因此, GPS 在变形监测中越来越受到广泛的应用, 尤其是大型工程:一个有代表意义的范例是: 湖北省长阳土家族自治县境内的隔河岩大坝, 坝顶弧线全长653m, 最大坝151m, 于1997 年底至1998 年初安装、调试并运行成功了GPS 自动监测系统。经实验及运行实践结果表明系统自动化程度高、数据可靠、监测精度高。该系统设有两个基准点, 采取了适当的提高精度的措施(系统设置、数据处理等)。取得了监测点在在水平方向的精度为0.5 至1.0mm, 高程方向的精度为1.0至1.5mm 的较为理想的成果。这一监测工程的成功范例,标志着我国大型建筑物、构筑物高精度变形监测, 采用GPS 自动监测系统时代的开始。此外, 一种低费用, 多天线的GPS 变形监测系统正在研制, 其宗旨是采用一个特制天线转制开关( GPS 多天线转制开关) 来实现多个GPS天线与一台接收机相连接, 接收机按照预先设置的程序分时扫描每一台天线并实现GPS 卫星的跟踪, 通过数据处理软件( 包括多天线识别与分离模块) 来完成数据处理。无疑, 这种监测系统将大大降低检测的成本。

二、应用实例

1、GPS-RTK 代替南方测绘静态加密一级导线的实例

实例区某市北部，测绘1：1 000 数字化地形图，测量面积约14.73km2，主要为平地和丘陵，最大高差约20m，平均海拨为3.6m，实例区附近已利用南方GPS 静态测绘的四等GPS 点，高程已经四等水准联测，坐标系统采用广东平面坐标系，高程采用1985 国家高程基准。

使用南方公司升级后的“灵锐86”型双频GPS 动态接收机（标示精度10mm +5ppm），选择3 个以上具有水准高程且均匀分布在RTK 测量范围的四等GPS 点作为公共点，求取七参数进行WGS-4 坐标系到地方坐标系的转换，利用其他几个已知点作为检核。在四等GPS 点下布设一级导线网，用南方测绘静态GPS 测定，高程网以测区附近的四等水准点为基准、附合水准测量方法测量，共布设56 个E 级GPS 点。本区用RTK 共检测一级导线点31 点，用控制点（IV04，E001，E008，E028）建模，在计算完转换参数后再用点E003、E015 来进行检查，平面坐标差值不超过±1.0 cm，高程值不超过±2.0 cm，其精度完全达到RTK 采点的要求，RTK 可以代替地形控制测量的一、二级导线测量及图根控制测量。

2、数字图测绘的应用实例

2010 年7～11 月，我单位承担了某市某工业区1：500 大比例尺数字图测绘及系列产品C 标段12.8km2 的测绘任务，设计要求为“采用RTK 技术进行图根控制测量时，基准站尽量设置在控制范围的中间，控制半径不超过5km，范围内的每一个E 级以上（含E 级）控制点都须作为校正点，待求点必须按不同日期、不同基站施测2 次，每次都必须进行卫星信号的初始化。分别计算后，两次测量的成果的互差满足规范要求则取中数作为此点的最终成果。并采用常规导线方法进行检测，检测数量不少于总RTK 施测点点数的10%。同时，RTK 施测的图根点高程也应采用等外水准以上方式进行10%的检测”。我单位采用RTK 方式施测图根控制，只是额外采用导线网形式检查了153 个图根控制点。

实践表明, GPS 技术不论是在控制测量还是施工放样中, 都能大大提高测量的可靠性和作业效率, 降低作业强度, 适应现代“快节奏”的要求, 也使技术人员能从繁重的测量放样工作中解放出来。但是, 毕竟GPS测量有别于常规测量, 有些错误或者说是粗差不容易被发现, 还有待广大技术人员在工程实践中去摸索和总结。

参考文献：

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