現(xiàn)代化測(cè)量中GPS技術(shù)在的應(yīng)用方案

GPS性能好，精度高，是迄今最好的導(dǎo)航定位系統(tǒng)。GPS技術(shù)應(yīng)用于測(cè)量有測(cè)點(diǎn)間無通視要求、選點(diǎn)方便、可大量減少建造高標(biāo)節(jié)省造標(biāo)費(fèi)用、可全天觀測(cè)、觀測(cè)時(shí)間短、數(shù)據(jù)處理速度快、成果精度高等優(yōu)點(diǎn)，其全面建成和發(fā)展，將導(dǎo)致測(cè)繪行業(yè)一場(chǎng)深刻的技術(shù)革命。GPS可用來建立高精度大地控制點(diǎn)和工程控制點(diǎn)。GPS使用L波段，配有兩個(gè)載頻：L1的中心頻率為1 575.42 MHz，L2的中心頻率為1 227.6 MHz。接收機(jī)有許多種類，按所要求的精度可分為單頻粗碼接收機(jī)和雙頻精碼接收機(jī)，使用粗碼接收機(jī)的實(shí)時(shí)定位精度在25 m左右，精碼接收機(jī)的實(shí)時(shí)定位精度優(yōu)于10 m，使用相位接收機(jī)，經(jīng)數(shù)據(jù)處理的相對(duì)定位(基線的三維測(cè)定)精度可達(dá)百萬分之一左右，基線長(zhǎng)度可以從幾公里到1 000 km，典型的15 km基線的3個(gè)坐標(biāo)差可達(dá)厘米級(jí)，所用測(cè)量時(shí)間最多為幾個(gè)小時(shí)。

在城市測(cè)量中的應(yīng)用

隨城市化進(jìn)程的加快，城市測(cè)量有了很大發(fā)展，城市測(cè)量成果、成圖是城市規(guī)劃、建設(shè)管理必需的重要基礎(chǔ)資料，而大地測(cè)量是其他測(cè)繪工作的基礎(chǔ)，大地測(cè)量為測(cè)制各種地形圖和為工程建設(shè)提供高等級(jí)控制點(diǎn)，同時(shí)還為地球物理學(xué)等提供精確的基礎(chǔ)資料。結(jié)合各城市控制測(cè)量(或大地測(cè)量)的實(shí)際，采用GPS技術(shù)進(jìn)行城市控制網(wǎng)的建立、擴(kuò)建有著重要意義。目前已有不少城市如廣州、深圳、北京、上海等地進(jìn)行了這方面的探索，均取得較好成果。2005年4～8月，筆者帶隊(duì)在江門地區(qū)進(jìn)行了江門市控制網(wǎng)GPS-C/D級(jí)網(wǎng)的建立工作。

(1)儀器設(shè)備 美國(guó)Trimble公司5700雙頻接收機(jī)4臺(tái)，配有小圓盤天線，儀器標(biāo)稱精度斜距為(10+2×10-6 mm)·D，經(jīng)對(duì)接收機(jī)進(jìn)行長(zhǎng)、短基線測(cè)試，及與標(biāo)準(zhǔn)基線檢驗(yàn)比較和其他需檢項(xiàng)目，均達(dá)到標(biāo)稱精度指標(biāo)。

(2)應(yīng)用情況 從4月份開始作業(yè)，先后在江門市城區(qū)、新會(huì)、鶴山、臺(tái)山、開平、恩平等6個(gè)縣級(jí)市進(jìn)行GPS城市網(wǎng)測(cè)量共計(jì)280余點(diǎn)。各城市布網(wǎng)原則是舊網(wǎng)基礎(chǔ)上擴(kuò)大控制面積和提高精度。外業(yè)測(cè)量計(jì)劃和數(shù)據(jù)處理，根據(jù)各城市具體情況和要求，由GPS作業(yè)組進(jìn)行安排。諸如設(shè)站次數(shù)、網(wǎng)的連接擴(kuò)展、必要的重合點(diǎn)的選擇等。作業(yè)技術(shù)依據(jù)《全球定位系統(tǒng)測(cè)量規(guī)范》(GB/T18314-2001)和技術(shù)設(shè)計(jì)書要求。根據(jù)衛(wèi)星通過該地區(qū)時(shí)間，制定作業(yè)計(jì)劃，選擇最佳衛(wèi)星組，為了安全盡量白天作業(yè)，每天觀測(cè)兩個(gè)時(shí)段，觀測(cè)時(shí)至少有6顆衛(wèi)星可跟蹤，PDOP≤6(Position Dilution of Precision位置精度強(qiáng)弱度)，每點(diǎn)至少設(shè)站兩次，時(shí)長(zhǎng)控制在30～60 分鐘，采用邊連式擴(kuò)展增加多余觀測(cè)量。

(3)外業(yè)基線預(yù)處理及成果取舍　野外作業(yè)攜帶便攜式微機(jī)1臺(tái)，對(duì)每天觀測(cè)數(shù)據(jù)及時(shí)進(jìn)行基線預(yù)處理，凡復(fù)測(cè)基線、閉合環(huán)超限或整周模糊度無解的都進(jìn)行重測(cè)。

原因有以下幾個(gè)方面：

1)儀器不穩(wěn)定，可能與氣象條件有關(guān)，有一臺(tái)接收機(jī)經(jīng)修理后使用第1天凡與該儀器有關(guān)基線全面不能用，繼續(xù)作業(yè)有改善;

2)溫度過高影響成果精度，如某地溫度達(dá)36～38℃時(shí)成果不能取用，調(diào)整觀測(cè)時(shí)間后可解決;

3)雷雨閃電過后，發(fā)生停機(jī)現(xiàn)象多次;

4)天線高丈量不準(zhǔn)確影響基線長(zhǎng)度。

通過幾個(gè)城市對(duì)成果的應(yīng)用和與舊坐標(biāo)比較，GPS定位技術(shù)用于城市控制網(wǎng)和工程網(wǎng)，具有精度高、速度快、效率高、成本低、成果精度均勻可靠的優(yōu)點(diǎn)。

在地形、地籍及房地產(chǎn)測(cè)量中的應(yīng)用

地形測(cè)圖為城市、礦區(qū)以及為各種工程提供不同比例尺的地形圖，以滿足城鎮(zhèn)規(guī)劃和各種經(jīng)濟(jì)建設(shè)的需要。地籍及房地產(chǎn)測(cè)量是精確測(cè)定土地權(quán)屬界址點(diǎn)的位置，同時(shí)測(cè)繪供土地和房產(chǎn)管理部門使用的大比例尺的地籍平面圖和房產(chǎn)圖，并量算土地和房屋面積。GPS出現(xiàn)，可以高精度并快速測(cè)定各級(jí)控制點(diǎn)的坐標(biāo)。特別是應(yīng)用RTK(Real Time Kinematic實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量)新技術(shù)，甚至可以不布設(shè)各級(jí)控制點(diǎn)，僅依據(jù)一定數(shù)量的基準(zhǔn)控制點(diǎn)，便可以高精度并快速地測(cè)定界址點(diǎn)、地形點(diǎn)、地物點(diǎn)的坐標(biāo)，利用測(cè)圖軟件可在野外一次測(cè)繪成電子地圖，然后通過計(jì)算機(jī)和繪圖儀、打印機(jī)輸出各種比例尺的圖件。

應(yīng)用RTK技術(shù)進(jìn)行定位時(shí)要求基準(zhǔn)站接收機(jī)實(shí)時(shí)地把觀測(cè)數(shù)據(jù)(如偽距或相位觀測(cè)值)及已知數(shù)據(jù)(如基準(zhǔn)站點(diǎn)坐標(biāo))實(shí)時(shí)傳輸給流動(dòng)站GPS接收機(jī)，流動(dòng)站快速求解整周模糊度，在觀測(cè)到6顆衛(wèi)星(至少4顆)后，可實(shí)時(shí)求解出厘米級(jí)的流動(dòng)站動(dòng)態(tài)位置。這比GPS靜態(tài)、快速靜態(tài)定位需要事后進(jìn)行處理來說，定位效率會(huì)大大提高。故RTK技術(shù)一出現(xiàn)，其在測(cè)量中的應(yīng)用立刻受到重視。

(1)RTK技術(shù)用于各種控制測(cè)量

常規(guī)控制測(cè)量如三角測(cè)量、導(dǎo)線測(cè)量，要求點(diǎn)間通視，費(fèi)工費(fèi)時(shí)，而且精度不均勻，外業(yè)中不知道測(cè)量成果的精度。GPS靜態(tài)、快速靜態(tài)相對(duì)定位測(cè)量無需點(diǎn)間通視，能高精度地進(jìn)行各種控制測(cè)量，但數(shù)據(jù)處理費(fèi)時(shí)，不能實(shí)時(shí)定位并知道定位精度，內(nèi)業(yè)處理后發(fā)現(xiàn)精度不合要求必須返工測(cè)量。而用RTK技術(shù)進(jìn)行控制測(cè)量既能實(shí)時(shí)知道定位結(jié)果，又能實(shí)時(shí)知道定位精度，這樣可大大提高作業(yè)效率。應(yīng)用RTK技術(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)定位可以達(dá)到厘米級(jí)精度，因此，除了高精度的控制測(cè)量仍采用GPS靜態(tài)相對(duì)定位技術(shù)之外，地形測(cè)圖中的控制測(cè)量、地籍和房地產(chǎn)測(cè)量中的控制測(cè)量和界址點(diǎn)點(diǎn)位的測(cè)量都可采用RTK技術(shù)。采用RTK技術(shù)測(cè)圖，僅需一人背著儀器在要測(cè)的碎部點(diǎn)上觀測(cè)上1、2秒鐘并同時(shí)輸入特征編碼，用電子手簿或便攜微機(jī)記錄，在點(diǎn)位精度合乎要求的情況下，把一個(gè)區(qū)域內(nèi)的地形地物點(diǎn)位測(cè)定后回到室內(nèi)或在野外，由專業(yè)測(cè)圖軟件可輸出所要求的地形圖。用RTK技術(shù)測(cè)定點(diǎn)位不要求點(diǎn)間通視，僅需一人操作，便可完成測(cè)圖工作，大大提高了測(cè)圖的工作效率。

(2)RTK技術(shù)在地籍和房地產(chǎn)測(cè)量中的應(yīng)用

地籍和房地產(chǎn)測(cè)量中應(yīng)用RTK技術(shù)測(cè)定每一宗土地的權(quán)屬界址點(diǎn)以及測(cè)繪地籍與房地產(chǎn)圖， 同上述測(cè)繪地形圖一樣，能實(shí)時(shí)測(cè)定有關(guān)界址點(diǎn)及一些地物點(diǎn)的位置并能達(dá)到要求的厘米級(jí)精度。將GPS獲得的數(shù)據(jù)處理后直接錄入GPS，可及時(shí)地精確地獲得地籍和房地產(chǎn)圖。但在影響 GPS衛(wèi)星信號(hào)接收的遮蔽地帶，應(yīng)使用全站儀、測(cè)距儀、經(jīng)緯儀等測(cè)量工具，采用解析法或圖解法進(jìn)行細(xì)部測(cè)量。在建設(shè)用地勘測(cè)定界測(cè)量中，RTK技術(shù)可實(shí)時(shí)地測(cè)定界樁位置，確定土地使用界限范圍、計(jì)算用地面積。利用RTK技術(shù)進(jìn)行勘測(cè)定界放樣是坐標(biāo)的直接放樣，建設(shè)用地勘測(cè)定界中的面積量算，實(shí)際上由GPS軟件中的面積計(jì)算功能直接計(jì)算并進(jìn)行檢核。避免了常規(guī)的解析法放樣的復(fù)雜性，簡(jiǎn)化了建設(shè)用地勘測(cè)定界的工作程序。

在工程變形監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

GPS自20世紀(jì)80年代中葉投入民用后，已廣泛地在導(dǎo)航、定位等各領(lǐng)域應(yīng)用，尤其在測(cè)量界的控制測(cè)量中起了劃時(shí)代的作用。正因?yàn)樗陟o態(tài)相對(duì)定位中的高精度、高效益、全天候、不需通視，使人們普遍用來逐漸代替常規(guī)的三角、三邊、邊角等方法，并在理論、實(shí)踐中取得了可喜的成果。但在精密工程變形監(jiān)測(cè)中還少有應(yīng)用，尚處于理論研究和實(shí)踐摸索之中。下面筆者將對(duì)GPS在(工程)變形監(jiān)測(cè)中的基準(zhǔn)設(shè)計(jì)、圖形結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)、觀測(cè)時(shí)段的設(shè)計(jì)、監(jiān)測(cè)周期的設(shè)計(jì)等方面作一分析，探討利用GPS技術(shù)進(jìn)行工程變形觀測(cè)的新思路。

1 基準(zhǔn)設(shè)計(jì)

在工程變形監(jiān)測(cè)中，基準(zhǔn)設(shè)計(jì)(包括位置基準(zhǔn)和內(nèi)外部尺度基準(zhǔn)設(shè)計(jì))是一項(xiàng)關(guān)系到監(jiān)測(cè)成果是否可靠、準(zhǔn)確地反映變形體的變形情況的工作，以常規(guī)的手段，對(duì)某一建(構(gòu))筑物進(jìn)行變形監(jiān)測(cè)，由于儀器和其他諸多因素的制約，使得監(jiān)測(cè)網(wǎng)的基準(zhǔn)點(diǎn)不能離開變形監(jiān)測(cè)區(qū)域太遠(yuǎn)，而太近將又要受自身變形的影響，不能準(zhǔn)確地反映變形數(shù)值，所以較困難。由于GPS技術(shù)的不斷完善，高精度的儀器的面世(1 +0.5×10-6 mm)，解決這一問題就較容易了，完全可以將基準(zhǔn)點(diǎn)選在變形區(qū)外，從而保證了數(shù)據(jù)的可信度。

2 圖形結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)

圖形強(qiáng)度設(shè)計(jì)指變形點(diǎn)之間，變形點(diǎn)與基準(zhǔn)點(diǎn)之間的幾何圖形配置，網(wǎng)中獨(dú)立基線數(shù)目和相互連接方式設(shè)計(jì)。首先，在圖形選擇過程中，必須顧及基準(zhǔn)點(diǎn)對(duì)變形點(diǎn)的有效控制，同時(shí)基準(zhǔn)點(diǎn)之間又要能相互檢校。其次，在模型識(shí)別和參數(shù)識(shí)別方面的設(shè)計(jì)將可保證真正的變形模型，和引起變形的真正因素，以便分析引起變形的真正因素和采取相應(yīng)的對(duì)策。

(1)模型識(shí)別的設(shè)計(jì)模型　在設(shè)計(jì)參考網(wǎng)時(shí)，它應(yīng)能有效地檢測(cè)出網(wǎng)中任何一個(gè)不穩(wěn)定點(diǎn);在設(shè)計(jì)相對(duì)網(wǎng)時(shí)，應(yīng)能正確地從幾種可能的變形模型中檢測(cè)和分離出真正的變形模型。為了保證變形分析結(jié)果正確，還需要GPS監(jiān)測(cè)網(wǎng)具有良好的粗差檢測(cè)和定位能力。研究表明，當(dāng)GPS基線向量監(jiān)測(cè)網(wǎng)中每個(gè)點(diǎn)發(fā)出的基線數(shù)目至少為3條時(shí)，網(wǎng)具有較好的可靠性。

(2)參數(shù)識(shí)別的設(shè)計(jì)模型　由上述可知，只要可區(qū)分度指標(biāo)滿足要求，則靈敏度一定滿足要求，但最佳變形模型的參數(shù)常常還需要更為精確的估計(jì)。

3 觀測(cè)時(shí)段和周期的設(shè)計(jì)

針對(duì)觀測(cè)時(shí)段和周期，可以將工程及工程變形的性質(zhì)(如劇烈變化，連續(xù)較快變化，長(zhǎng)時(shí)期的緩慢變化等)結(jié)合起來分析，做出有利用于實(shí)現(xiàn)分析成果和監(jiān)測(cè)意圖的最佳觀測(cè)周期，且可以結(jié)合目前天空的衛(wèi)星分布情況，衛(wèi)星的健康狀況，對(duì)于時(shí)段的長(zhǎng)短、白天、黑夜、氣象等及外界因素的各種分析，得出最佳的觀測(cè)時(shí)段。

4 連續(xù)長(zhǎng)時(shí)間觀測(cè)，分歷元數(shù)據(jù)處理——描述變形體位移(水平)的數(shù)據(jù)處理新方法

通常所進(jìn)行的相對(duì)靜態(tài)定位方法是利用在某一時(shí)間段觀測(cè)(同步)的數(shù)據(jù)，利用差分等手段，求得點(diǎn)與點(diǎn)之間的坐標(biāo)向量;而對(duì)于連續(xù)不斷的工程變形，獲得的是這一時(shí)間段內(nèi)，點(diǎn)位之間最成熟的關(guān)系值。但常常需要知道一較小時(shí)間里，甚至某一時(shí)刻的最成熟的點(diǎn)與點(diǎn)之間的關(guān)系，目前，比較常用的是：利用較長(zhǎng)一段時(shí)間的同步觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分歷元數(shù)據(jù)處理，求得該時(shí)刻最成熟的點(diǎn)與點(diǎn)之間關(guān)系的方法。

GPS技術(shù)在工程變形監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用，分以下步驟：

(1)根據(jù)監(jiān)測(cè)的目的，在圖上選點(diǎn)，然后到野外踏勘，以保證所選點(diǎn)位滿足布網(wǎng)的要求和野外觀測(cè)所具備的條件，最后得到要施測(cè)的概略點(diǎn)位;

(2)按每個(gè)點(diǎn)發(fā)出3條獨(dú)立基線且邊長(zhǎng)分布較為均勻的原則并根據(jù)接收機(jī)臺(tái)數(shù)的多少和布網(wǎng)原則，設(shè)計(jì)網(wǎng)的觀測(cè)圖形，并選定可能要追加施測(cè)的路線;

(3)給定所需的可區(qū)分度指標(biāo)(或精度指標(biāo))進(jìn)行計(jì)算，直到達(dá)到給定的要求為止，最后得到增加獨(dú)立觀測(cè)基線后的最終施測(cè)方案;

(4)觀測(cè)時(shí)段和周期的設(shè)計(jì);

(5)采用連續(xù)觀測(cè)分歷元數(shù)據(jù)處理，或間斷觀測(cè)，整段數(shù)據(jù)處理方法進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算;

(6)利用觀測(cè)值的統(tǒng)計(jì)，成因分析，一元或多元線性回歸，逐步回歸，圖表等形式進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

由以上方法可知，利用這一監(jiān)測(cè)方式，可以解決同一變形體，由于受陽光、風(fēng)力、外界因素干擾(如大橋上行駛的車輛對(duì)大橋的影響)等，在某一時(shí)刻，它們之間最直接的相對(duì)關(guān)系(相對(duì)位移及擾度等)及它們相對(duì)于參考基準(zhǔn)點(diǎn)的絕對(duì)位移。分析它們各項(xiàng)因子對(duì)變形體影響的顯著性，為工程及設(shè)計(jì)，運(yùn)營(yíng)管理單位提供最可靠的最直觀數(shù)據(jù)及分析資料。

結(jié)語

GPS定位技術(shù)還受著美國(guó)的控制，我國(guó)的大專院校、科研部門正積極參與這一場(chǎng)高技術(shù)領(lǐng)域的研究，建立我國(guó)高精度GPS控制網(wǎng)，從事GPS定軌和精密定位的研究，這將使GPS技術(shù)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)、國(guó)防建設(shè)和科學(xué)研究的各個(gè)領(lǐng)域中展示出應(yīng)用的美好前景。