GPS在工程测量中的应用

0 引言

伴随GPS测量技术的出现，最早GPS测量技术仅用于建设军事项目，随着软件工程的不断发展，近年来，GPS测量技术因其测量精度高，易操作，受作业环境影响小等优点在工程施工中得到了有效运用，在确保工程进度的同时保证了工程施工质量。但是GPS测量技术因其自己的局限性，在工程测量中存在一些缺陷，本文主要对GPS测量技术在工程测量中的应用进行深入探讨。

1 工程测量的定义及发展趋势

工程测量是指贯穿整个建设工程全过程，对工程进行测量所依据的理论、采用方法和使用的技术。其结果为整个工程设计、施工提供依据，是最基础也是最重要的工作，其结果准确性直接对整个建设工程质量产生影响。近年来，随着工程技术不断发展，工程不断向超高、超大类型发展，对测量精度的要求不断提高，利用传统仪器进行交互式测量已不能满足现代工程建设的需要，在工程测量中引入GPS等测量仪器进行远程控制测量并对数据进行数据分析、可视化处理，实现由静态测量向动态测量、人工计算向智能化计算的转变已成为新的发展趋势。

2 GPS系统的工作原理

GPS面积测量仪是根据GPS全球卫星定位系统提供的实时数据（包括所有地域的经度、纬度、海拔高度等数据）对所测工程进行自动测算。GPS全球卫星定位系统（Global Positioning System，通常简称GPS）在全球范围内广泛使用，系统由太空中的24颗专用卫星，地面上的1个主控站、3个数据注入站和5个监测站以及GPS面积测量仪组成。太空中的24颗卫星平均分配在太空中的6条既定轨道中运行，6条轨道相交成60度。主控站、数据注入站及监测站主要负责对卫星传输回来的信息进行接收并处理。如图1所示。

图1 GPS系统的工作图示

其定位基本原理是根据卫星位置做为已知数据，采用空间距离后方交会的方法，确定待测点的位置。如图2所示：所设待测点相当于A点，A与卫星1的距离为R1，与卫星2距离为R2，与卫星3距离为R3，三个圆自然会汇聚到一个点上，也就是A点。

图2 GPS系统定位的数学原理图示

3 GPS系统的特点及应用优势

3.1 GPS系统的特点

3.1.1 功能强大，应用范围广

GPS系统在设计之初，仅用于军事领域，实现导航等目的。随着对GPS功能的不断深入研究，发现GPS系统可以广泛地应用于工程测绘、隧道测绘、铁路测绘以及海洋测绘等各个领域。

3.1.2 工作效率高

伴随计算机处理数据速度的不断提高以及软件的更新换代，目前在进行测量距离不超过二十公里的工程进行相对静态定位时，测量时间一般仅需15-20分钟；当流动站与基准站相对距离在15公里以内时，进行实时动态定位仅需几秒钟即可完成，从而大大缩短了工作人员的户外作业时间，提高了工作人员的工作效率。

3.1.3 测量精度高

根据相关研究结果证明，GPS相对定位精度在50公里以内可达10m，100-500公里可达10m，500-1000km以内可达10m。在使用GPS对距离在300-1500m范围以内的工程进行精密定位时，当观测时间大于1小时，其平面位置结果误差不大于1mm，在实时相位差分时精度可达毫米级，50公里以内的静态相对定位时结果误差可达毫米级（mm+（1~2ppm*D）），大于50公里误差可达0.1~0.01ppm。与使用ME-5000电磁波测距仪测定的边长进行比较，其边长较差不大于0.5mm，校差中误差仅为0.3mm。

3.1.4 自动化程度提高

现在，GPS接收器的体积越来越小，且GPS系统数据处理速度也不断提高，操作人员不需经过长时间的培训及实践即可熟练测量。在测量时，工作人员保证GPS接收器在正常工作状态，GPS接收器即可自动对测量数据进行测量并处理并将处理结果实时传输回处理中心，从而大大减少了测量人员的工作量。当一个测点需要连续观测时，可以使用GPS系统的数据通讯功能将所采集数据实时传输回数据处理中心，工作人员无需在测量现场等待即可实现数据采集工作。

3.1.5 测站之间无需通视

因GPS系统通过卫星从高空传递信号，且GPS系统在高空设置24颗卫星，确保在地面上的每一个点都能同时接收4个卫星的信号，实现了无需通视即可进行测量的目标。与传统测量必须通视相比，特别适用于在工程测量中存在大型建筑物或树木不能进行通视时使用。

3.1.6 可实现全天候作业

因GPS面积测量仪接收卫星从高空传递的信号，且高空中布置有24颗卫星，确保在每个地点进行观测都可以同时接收到4个卫星的信号，因此使用GPS系统进行测量不受天气的影响，可以在一天的任何时候进行观测（极寒恶劣天气除外）。

3.2 GPS在工程测量中的应用优势

3.2.1 工作效率较高，测量准确性高

在传统工程测量工作中，通常采用全站仪、棱镜、锚杆、直尺等进行测量，传统工具测量范围较小，工作人员通常需要在测量区域内设置多个测量点以提高测量精度，带来的直接问题是增加了大量的人力，物力，进而大大提高了测量成本。且使用直尺等传统工具，由人工进行计数，受人工因素影响较大，误差较大，准确率较低，而使用GPS系统进行测量，当设置测量点后，以测量点为圆心，周围半径5公里范围内的区域均可测量，极大程度上降低了人力、物力投入，节约了测量成本，同时缩短了测量时间，且GPS系统测量受人为因素影响较小，误差较小，提高了测量的准确性。

3.2.2 操作步骤简单

在传统测量工作中，使用设备较多，每对一个测量点进行测量前，都要转移测量设备，并且需要重新对设备进行调试，并需要进行人工记录，且因工程情况不同，测量要求不同，因此在测量前，都需要对工人进行培训，确保测量结果的准确性，大大延长了工程测量的时间。使用GPS系统进行测量，因GPS系统具有通讯功能，且与电脑相连，能够实现数据的即时传输，工作人员只需将设备放置在测量点，即可自行进行测量，得出观测点的三维地理坐标，且对于需要连续测量的工程测量点，可实现24小不间断连续测量，对现场测量人员要求较低。

3.2.3 可以实现全天侯检测

在传统测量工作中，因必须由人工进行直接操作，测量易受天气以及时间等因素制约，不能实现全天侯监测，而GPS系统的工作原理决定了GPS可能进行全天侯检测，不受地理环境以及气候环境的制约，从而大大节约了工程测量时间。

4 GPS定位技术在工程测量中的应用

4.1 工程测量中GPS定位技术的测量形式

在工程施工前，施工单位应根据工程实际情况委托专业的测量队伍进行测量。测量队伍应根据工程情况制定观测计划，确定地块整体基准、设计精度以及控制网布形式。其中控制网的布设非常重要，对测量是否能够达到设计精度会产生直接影响。控制网通常需要包含12个精准测量点，水平方向控制点数为2个，垂直方面控制点数为5个，并且边长需要控制在一定范围，不能过长，边长过长会影响实际控制范围，要求在观测过程中所有接收机同时工作。使用GPS定位技术进行测量，控制网布设主要有四种形式：三角网、环形网、附和线路和星型网。下面做简要介绍：

4.1.1 三角网

由不同独立网构成各三角网的边进行观测，在实际测量中，经常选用三角网，特别是正三角网，能够确保测量结果的精度。但遇到复杂地形时，我们也可以选择一些接近正三角形的短边三角形，以实现精度最大化。优点是网中各相邻点基线向量精度能够均匀分布，且各独立网独立运行，独立自检，能够及时发现测量结果误差。缺点是因独立网数量较多，工作量大，所需测量时间显著增加。

4.1.2 环形网

由多条能够独立观测的闭合环组成，优点是能够独立自检，可靠性高。缺点是部分基边线不能直接观测，精度较低，且网中相邻点间基线向量精度分布不均。

由5条基线组成的闭合环如图3所示。

图3 闭合环工作示意图

4.2 GPS在工程测量中的多种应用方式

GPS定位技术可实现平面控制测量、公路测量、航空摄影测量、水下地形测绘、工程变形监测、土地动态监测以及地震预测等多种监测，在平面控制测量中得到广泛应用，同时在地震预测中起到至关重要的作用。下面对GPS技术在地震预测、平面控制网测量进行简要介绍。

4.2.1 地震预测

地质学家主要通过观测地壳运动的规律实现对地震的预测。传统的观测方法主要是借助大地测量技术对地壳运动进行观测，发现地壳确实存在运动，但运动不具有规律性，但是传统的观测方法操作复杂，且复测周期较长，不利于及时、准确地观测地壳运动，实现地震预测。GPS技术的应用，凭借其高精准度、高效率弥补了传统观测方法的缺陷。

4.2.2 在平面控制测量方面的应用

平面控制测量是GPS定位技术应用最广泛的一个领域，由于GPS定位技术具有测量精度高、工作效率高以及操作方式简便等特点，可以广泛应用于各种形式的平面控制测量中。GPS定位技术在平面控制测量方面实现的主要功能是：①建立三维地心坐标系统；②建立平面控制网；③对不同平面控制网进行联测；④对现有的地面控制网进行检测并对存在问题进行修正。以下是工程实例：

4.2.2.1 工程概况

该工程是位于甘肃天水城郊的一处占地68.4平方公里的建于两座山峰上的综合性旅游开发项目，最高海拔150m，属高山区域地形复杂且山上树木较多，通视困难。

4.2.2.2 技术设计

根据该工程的特点，因其工期要求较紧，工程施工复杂且地形复杂，根据《城市测量规范》（中华人民共和国行业标准（CJJ/T 8-2011））、《全球定位系统城市测量技术规程》等相关要求，本工程平面坐标系统选用2000国家大地坐标系，选择城市二级GPS网作为首级控制网。该控制网网形为由两个已知平面控制点为起算点，设置5个高程控制点，共选择12个点组成边连式控制网络。该网最长边长1.7公里，最短边长0.6公里，平均边长0.9公里，选用标称精度不大于15mm的GPS接收机。根据GPS卫星的布置图以及布点构成的网形几何强度，选用3台GPS接收机同时进行观测，当GPS接收机能同时接收到信号的卫星数量达到4颗且分布均匀时即进行观测，并根据观测时间进行调度。

4.2.2.3 外业实施

①选点。要求各测量点之间不要求通视，但每两个相邻点之间要求能够通视；要求各测量点周围15度高度角范围内不能有遮挡物；测量点不能布置在移动信号发射源等对信号造成干扰的地方；测量点能够同时接收到4个GPS卫星信号；选择好测量点后要及时进行标记。

②观测。采用静态相对定位法进行观测。在3个测量点同时安置3台GPS接收机进行观测采样，系统采样时间间隔15S，卫星与GPS接收机高度角不大于15度，根据规程要求，本工程观测时段45分钟。

③数据处理。打开GPS接收机，当测量点各指标符合要求后，GPS接收机对相关数据进行自动记录。GPS系统对数据进行处理，数据处理包括采用随机软件进行基线处理，处理完成后，对符合固定解的基线进行核验，对超限的基线进行返工重测，最终确定GPS控制点的三维坐标，本工程要求各控制点精度不大于5mm。

5 GPS在工程测量中存在的问题及解决措施

5.1 易受管理人员技术水平影响

因GPS测量技术通常用于对于大型地块的测量，因此在测量前制定完善的测量规划十分重要。在工程测量中，管理人员负责对各种测量数据的完整性、准确性进行核验。同时在遇到特殊情况时，还需要做出及时判断，是否需要进行补测或重测。以上工作都需要管理人员有较高的业务水平以及责任心，根据前期制定的测量规划以及相关技术规范同时结合现场实际情况对测量结果进行准确判断。

解决措施：加强对管理的技术培训同时建立科学完善的管理制度。

5.2 测量精度易受影响

GPS测量中信号传播易受对流层折射、电离层延迟、多路径效应以及高层建筑物等因素的影响，其中多路径效应对测量影响最大，误差可达厘米级。此外接收设备还易受天线整平误差、天线对中误差以及天线测量高等因素的影响。并且在后期处理过程中，已知点选择、模型选择都会对后期处理产生影响。

解决措施：①选择抗干扰能力强的接收设备。②在选择测量点时避开能对信号进行反射的反射面，例如镜面、水面以及建筑物幕墙等平整面。③尽量避开有高层建筑物或树木的地区。

5.3 不同型号的GPS面积测量仪测量结果有时差异比较大

解决措施：根据测量地块的面积选取适合的GPS，一般测量地块面积越大，误差越小。

6 结论

综上所述，在工程建设过程中GPS技术已得到广泛应用，在提高测量效率、保证测量精度的同时降低工程建设成本，实现一举多得，同时解决了复杂工程的施工难题，但因GPS测量技术本身的局限性，在实际操作过程中还存在一些问题。