現代化測量中GPS技術(shù)在的應用方案

GPS性能好，精度高，是迄今最好的導航定位系統。GPS技術(shù)應用于測量有測點(diǎn)間無(wú)通視要求、選點(diǎn)方便、可大量減少建造高標節省造標費用、可全天觀(guān)測、觀(guān)測時(shí)間短、數據處理速度快、成果精度高等優(yōu)點(diǎn)，其全面建成和發(fā)展，將導致測繪行業(yè)一場(chǎng)深刻的技術(shù)革命。GPS可用來(lái)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。接收機有許多種類(lèi)，按所要求的精度可分為單頻粗碼接收機和雙頻精碼接收機，使用粗碼接收機的實(shí)時(shí)定位精度在25 m左右，精碼接收機的實(shí)時(shí)定位精度優(yōu)于10 m，使用相位接收機，經(jīng)數據處理的相對定位(基線(xiàn)的三維測定)精度可達百萬(wàn)分之一左右，基線(xiàn)長(cháng)度可以從幾公里到1 000 km，典型的15 km基線(xiàn)的3個(gè)坐標差可達厘米級，所用測量時(shí)間最多為幾個(gè)小時(shí)。

在城市測量中的應用

隨城市化進(jìn)程的加快，城市測量有了很大發(fā)展，城市測量成果、成圖是城市規劃、建設管理必需的重要基礎資料，而大地測量是其他測繪工作的基礎，大地測量為測制各種地形圖和為工程建設提供高等級控制點(diǎn)，同時(shí)還為地球物理學(xué)等提供精確的基礎資料。結合各城市控制測量(或大地測量)的實(shí)際，采用GPS技術(shù)進(jìn)行城市控制網(wǎng)的建立、擴建有著(zhù)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，筆者帶隊在江門(mén)地區進(jìn)行了江門(mén)市控制網(wǎng)GPS-C/D級網(wǎng)的建立工作。

(1)儀器設備 美國Trimble公司5700雙頻接收機4臺，配有小圓盤(pán)天線(xiàn)，儀器標稱(chēng)精度斜距為(10+2×10-6 mm)·D，經(jīng)對接收機進(jìn)行長(cháng)、短基線(xiàn)測試，及與標準基線(xiàn)檢驗比較和其他需檢項目，均達到標稱(chēng)精度指標。

(2)應用情況 從4月份開(kāi)始作業(yè)，先后在江門(mén)市城區、新會(huì )、鶴山、臺山、開(kāi)平、恩平等6個(gè)縣級市進(jìn)行GPS城市網(wǎng)測量共計280余點(diǎn)。各城市布網(wǎng)原則是舊網(wǎng)基礎上擴大控制面積和提高精度。外業(yè)測量計劃和數據處理，根據各城市具體情況和要求，由GPS作業(yè)組進(jìn)行安排。諸如設站次數、網(wǎng)的連接擴展、必要的重合點(diǎn)的選擇等。作業(yè)技術(shù)依據《全球定位系統測量規范》(GB/T18314-2001)和技術(shù)設計書(shū)要求。根據衛星通過(guò)該地區時(shí)間，制定作業(yè)計劃，選擇最佳衛星組，為了安全盡量白天作業(yè)，每天觀(guān)測兩個(gè)時(shí)段，觀(guān)測時(shí)至少有6顆衛星可跟蹤，PDOP≤6(Position Dilution of Precision位置精度強弱度)，每點(diǎn)至少設站兩次，時(shí)長(cháng)控制在30～60 分鐘，采用邊連式擴展增加多余觀(guān)測量。

(3)外業(yè)基線(xiàn)預處理及成果取舍　野外作業(yè)攜帶便攜式微機1臺，對每天觀(guān)測數據及時(shí)進(jìn)行基線(xiàn)預處理，凡復測基線(xiàn)、閉合環(huán)超限或整周模糊度無(wú)解的都進(jìn)行重測。

原因有以下幾個(gè)方面：

1)儀器不穩定，可能與氣象條件有關(guān)，有一臺接收機經(jīng)修理后使用第1天凡與該儀器有關(guān)基線(xiàn)全面不能用，繼續作業(yè)有改善;

2)溫度過(guò)高影響成果精度，如某地溫度達36～38℃時(shí)成果不能取用，調整觀(guān)測時(shí)間后可解決;

3)雷雨閃電過(guò)后，發(fā)生停機現象多次;

4)天線(xiàn)高丈量不準確影響基線(xiàn)長(cháng)度。

通過(guò)幾個(gè)城市對成果的應用和與舊坐標比較，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)測量中的應用

地形測圖為城市、礦區以及為各種工程提供不同比例尺的地形圖，以滿(mǎn)足城鎮規劃和各種經(jīng)濟建設的需要。地籍及房地產(chǎn)測量是精確測定土地權屬界址點(diǎn)的位置，同時(shí)測繪供土地和房產(chǎn)管理部門(mén)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，可以高精度并快速測定各級控制點(diǎn)的坐標。特別是應用RTK(Real Time Kinematic實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測量)新技術(shù)，甚至可以不布設各級控制點(diǎn)，僅依據一定數量的基準控制點(diǎn)，便可以高精度并快速地測定界址點(diǎn)、地形點(diǎn)、地物點(diǎn)的坐標，利用測圖軟件可在野外一次測繪成電子地圖，然后通過(guò)計算機和繪圖儀、打印機輸出各種比例尺的圖件。

應用RTK技術(shù)進(jìn)行定位時(shí)要求基準站接收機實(shí)時(shí)地把觀(guān)測數據(如偽距或相位觀(guān)測值)及已知數據(如基準站點(diǎn)坐標)實(shí)時(shí)傳輸給流動(dòng)站GPS接收機，流動(dòng)站快速求解整周模糊度，在觀(guān)測到6顆衛星(至少4顆)后，可實(shí)時(shí)求解出厘米級的流動(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(lái)說(shuō)，定位效率會(huì )大大提高。故RTK技術(shù)一出現，其在測量中的應用立刻受到重視。

(1)RTK技術(shù)用于各種控制測量

常規控制測量如三角測量、導線(xiàn)測量，要求點(diǎn)間通視，費工費時(shí)，而且精度不均勻，外業(yè)中不知道測量成果的精度。GPS靜態(tài)、快速靜態(tài)相對定位測量無(wú)需點(diǎn)間通視，能高精度地進(jìn)行各種控制測量，但數據處理費時(shí)，不能實(shí)時(shí)定位并知道定位精度，內業(yè)處理后發(fā)現精度不合要求必須返工測量。而用RTK技術(shù)進(jìn)行控制測量既能實(shí)時(shí)知道定位結果，又能實(shí)時(shí)知道定位精度，這樣可大大提高作業(yè)效率。應用RTK技術(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)定位可以達到厘米級精度，因此，除了高精度的控制測量仍采用GPS靜態(tài)相對定位技術(shù)之外，地形測圖中的控制測量、地籍和房地產(chǎn)測量中的控制測量和界址點(diǎn)點(diǎn)位的測量都可采用RTK技術(shù)。采用RTK技術(shù)測圖，僅需一人背著(zhù)儀器在要測的碎部點(diǎn)上觀(guān)測上1、2秒鐘并同時(shí)輸入特征編碼，用電子手簿或便攜微機記錄，在點(diǎn)位精度合乎要求的情況下，把一個(gè)區域內的地形地物點(diǎn)位測定后回到室內或在野外，由專(zhuān)業(yè)測圖軟件可輸出所要求的地形圖。用RTK技術(shù)測定點(diǎn)位不要求點(diǎn)間通視，僅需一人操作，便可完成測圖工作，大大提高了測圖的工作效率。

(2)RTK技術(shù)在地籍和房地產(chǎn)測量中的應用

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

在工程變形監測中的應用

GPS自20世紀80年代中葉投入民用后，已廣泛地在導航、定位等各領(lǐng)域應用，尤其在測量界的控制測量中起了劃時(shí)代的作用。正因為它在靜態(tài)相對定位中的高精度、高效益、全天候、不需通視，使人們普遍用來(lái)逐漸代替常規的三角、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測中還少有應用，尚處于理論研究和實(shí)踐摸索之中。下面筆者將對GPS在(工程)變形監測中的基準設計、圖形結構強度設計、觀(guān)測時(shí)段的設計、監測周期的設計等方面作一分析，探討利用GPS技術(shù)進(jìn)行工程變形觀(guān)測的新思路。

1 基準設計

在工程變形監測中，基準設計(包括位置基準和內外部尺度基準設計)是一項關(guān)系到監測成果是否可靠、準確地反映變形體的變形情況的工作，以常規的手段，對某一建(構)筑物進(jìn)行變形監測，由于儀器和其他諸多因素的制約，使得監測網(wǎng)的基準點(diǎn)不能離開(kāi)變形監測區域太遠，而太近將又要受自身變形的影響，不能準確地反映變形數值，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(wèn)題就較容易了，完全可以將基準點(diǎn)選在變形區外，從而保證了數據的可信度。

2 圖形結構強度設計

圖形強度設計指變形點(diǎn)之間，變形點(diǎn)與基準點(diǎn)之間的幾何圖形配置，網(wǎng)中獨立基線(xiàn)數目和相互連接方式設計。首先，在圖形選擇過(guò)程中，必須顧及基準點(diǎn)對變形點(diǎn)的有效控制，同時(shí)基準點(diǎn)之間又要能相互檢校。其次，在模型識別和參數識別方面的設計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的對策。

(1)模型識別的設計模型　在設計參考網(wǎng)時(shí)，它應能有效地檢測出網(wǎng)中任何一個(gè)不穩定點(diǎn);在設計相對網(wǎng)時(shí)，應能正確地從幾種可能的變形模型中檢測和分離出真正的變形模型。為了保證變形分析結果正確，還需要GPS監測網(wǎng)具有良好的粗差檢測和定位能力。研究表明，當GPS基線(xiàn)向量監測網(wǎng)中每個(gè)點(diǎn)發(fā)出的基線(xiàn)數目至少為3條時(shí)，網(wǎng)具有較好的可靠性。

(2)參數識別的設計模型　由上述可知，只要可區分度指標滿(mǎn)足要求，則靈敏度一定滿(mǎn)足要求，但最佳變形模型的參數常常還需要更為精確的估計。

3 觀(guān)測時(shí)段和周期的設計

針對觀(guān)測時(shí)段和周期，可以將工程及工程變形的性質(zhì)(如劇烈變化，連續較快變化，長(cháng)時(shí)期的緩慢變化等)結合起來(lái)分析，做出有利用于實(shí)現分析成果和監測意圖的最佳觀(guān)測周期，且可以結合目前天空的衛星分布情況，衛星的健康狀況，對于時(shí)段的長(cháng)短、白天、黑夜、氣象等及外界因素的各種分析，得出最佳的觀(guān)測時(shí)段。

4 連續長(cháng)時(shí)間觀(guān)測，分歷元數據處理——描述變形體位移(水平)的數據處理新方法

通常所進(jìn)行的相對靜態(tài)定位方法是利用在某一時(shí)間段觀(guān)測(同步)的數據，利用差分等手段，求得點(diǎn)與點(diǎn)之間的坐標向量;而對于連續不斷的工程變形，獲得的是這一時(shí)間段內，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(cháng)一段時(shí)間的同步觀(guān)測數據進(jìn)行分歷元數據處理，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)在工程變形監測中的應用，分以下步驟：

(1)根據監測的目的，在圖上選點(diǎn)，然后到野外踏勘，以保證所選點(diǎn)位滿(mǎn)足布網(wǎng)的要求和野外觀(guān)測所具備的條件，最后得到要施測的概略點(diǎn)位;

(2)按每個(gè)點(diǎn)發(fā)出3條獨立基線(xiàn)且邊長(cháng)分布較為均勻的原則并根據接收機臺數的多少和布網(wǎng)原則，設計網(wǎng)的觀(guān)測圖形，并選定可能要追加施測的路線(xiàn);

(3)給定所需的可區分度指標(或精度指標)進(jìn)行計算，直到達到給定的要求為止，最后得到增加獨立觀(guān)測基線(xiàn)后的最終施測方案;

(4)觀(guān)測時(shí)段和周期的設計;

(5)采用連續觀(guān)測分歷元數據處理，或間斷觀(guān)測，整段數據處理方法進(jìn)行數據計算;

(6)利用觀(guān)測值的統計，成因分析，一元或多元線(xiàn)性回歸，逐步回歸，圖表等形式進(jìn)行數據分析。

由以上方法可知，利用這一監測方式，可以解決同一變形體，由于受陽(yáng)光、風(fēng)力、外界因素干擾(如大橋上行駛的車(chē)輛對大橋的影響)等，在某一時(shí)刻，它們之間最直接的相對關(guān)系(相對位移及擾度等)及它們相對于參考基準點(diǎn)的絕對位移。分析它們各項因子對變形體影響的顯著(zhù)性，為工程及設計，運營(yíng)管理單位提供最可靠的最直觀(guān)數據及分析資料。

結語(yǔ)

GPS定位技術(shù)還受著(zhù)美國的控制，我國的大專(zhuān)院校、科研部門(mén)正積極參與這一場(chǎng)高技術(shù)領(lǐng)域的研究，建立我國高精度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)在國民經(jīng)濟建設、國防建設和科學(xué)研究的各個(gè)領(lǐng)域中展示出應用的美好前景。