現(xiàn)代化測量中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)用于測量有測點間無通視要求、選點方便、可大量減少建造高標(biāo)節(jié)省造標(biāo)費用、可全天觀測、觀測時間短、數(shù)據(jù)處理速度快、成果精度高等優(yōu)點，其全面建成和發(fā)展，將導(dǎo)致測繪行業(yè)一場深刻的技術(shù)革命。GPS可用來建立高精度大地控制點和工程控制點。GPS使用L波段，配有兩個載頻：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)的實時定位精度在25 m左右，精碼接收機(jī)的實時定位精度優(yōu)于10 m，使用相位接收機(jī)，經(jīng)數(shù)據(jù)處理的相對定位(基線的三維測定)精度可達(dá)百萬分之一左右，基線長度可以從幾公里到1 000 km，典型的15 km基線的3個坐標(biāo)差可達(dá)厘米級，所用測量時間最多為幾個小時。

在城市測量中的應(yīng)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(guī)劃、建設(shè)管理必需的重要基礎(chǔ)資料，而大地測量是其他測繪工作的基礎(chǔ)，大地測量為測制各種地形圖和為工程建設(shè)提供高等級控制點，同時還為地球物理學(xué)等提供精確的基礎(chǔ)資料。結(jié)合各城市控制測量(或大地測量)的實際，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，筆者帶隊在江門地區(qū)進(jìn)行了江門市控制網(wǎng)GPS-C/D級網(wǎng)的建立工作。

(1)儀器設(shè)備 美國Trimble公司5700雙頻接收機(jī)4臺，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)對接收機(jī)進(jìn)行長、短基線測試，及與標(biāo)準(zhǔn)基線檢驗比較和其他需檢項目，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、鶴山、臺山、開平、恩平等6個縣級市進(jìn)行GPS城市網(wǎng)測量共計280余點。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)測量計劃和數(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、必要的重合點的選擇等。作業(yè)技術(shù)依據(jù)《全球定位系統(tǒng)測量規(guī)范》(GB/T18314-2001)和技術(shù)設(shè)計書要求。根據(jù)衛(wèi)星通過該地區(qū)時間，制定作業(yè)計劃，選擇最佳衛(wèi)星組，為了安全盡量白天作業(yè)，每天觀測兩個時段，觀測時至少有6顆衛(wèi)星可跟蹤，PDOP≤6(Position Dilution of Precision位置精度強(qiáng)弱度)，每點至少設(shè)站兩次，時長控制在30～60 分鐘，采用邊連式擴(kuò)展增加多余觀測量。

(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，對每天觀測數(shù)據(jù)及時進(jìn)行基線預(yù)處理，凡復(fù)測基線、閉合環(huán)超限或整周模糊度無解的都進(jìn)行重測。

原因有以下幾個方面：

1)儀器不穩(wěn)定，可能與氣象條件有關(guān)，有一臺接收機(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℃時成果不能取用，調(diào)整觀測時間后可解決;

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)確影響基線長度。

通過幾個城市對成果的應(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。

在地形、地籍及房地產(chǎn)測量中的應(yīng)用

地形測圖為城市、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)測量是精確測定土地權(quán)屬界址點的位置，同時測繪供土地和房產(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定各級控制點的坐標(biāo)。特別是應(yīng)用RTK(Real Time Kinematic實時動態(tài)測量)新技術(shù)，甚至可以不布設(shè)各級控制點，僅依據(jù)一定數(shù)量的基準(zhǔn)控制點，便可以高精度并快速地測定界址點、地形點、地物點的坐標(biāo)，利用測圖軟件可在野外一次測繪成電子地圖，然后通過計算機(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)行定位時要求基準(zhǔn)站接收機(jī)實時地把觀測數(shù)據(jù)(如偽距或相位觀測值)及已知數(shù)據(jù)(如基準(zhǔn)站點坐標(biāo))實時傳輸給流動站GPS接收機(jī)，流動站快速求解整周模糊度，在觀測到6顆衛(wèi)星(至少4顆)后，可實時求解出厘米級的流動站動態(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，定位效率會大大提高。故RTK技術(shù)一出現(xiàn)，其在測量中的應(yīng)用立刻受到重視。

(1)RTK技術(shù)用于各種控制測量

常規(guī)控制測量如三角測量、導(dǎo)線測量，要求點間通視，費工費時，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)相對定位測量無需點間通視，能高精度地進(jìn)行各種控制測量，但數(shù)據(jù)處理費時，不能實時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量。而用RTK技術(shù)進(jìn)行控制測量既能實時知道定位結(jié)果，又能實時知道定位精度，這樣可大大提高作業(yè)效率。應(yīng)用RTK技術(shù)進(jìn)行實時定位可以達(dá)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點位的測量都可采用RTK技術(shù)。采用RTK技術(shù)測圖，僅需一人背著儀器在要測的碎部點上觀測上1、2秒鐘并同時輸入特征編碼，用電子手簿或便攜微機(jī)記錄，在點位精度合乎要求的情況下，把一個區(qū)域內(nèi)的地形地物點位測定后回到室內(nèi)或在野外，由專業(yè)測圖軟件可輸出所要求的地形圖。用RTK技術(shù)測定點位不要求點間通視，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(yīng)用

地籍和房地產(chǎn)測量中應(yīng)用RTK技術(shù)測定每一宗土地的權(quán)屬界址點以及測繪地籍與房地產(chǎn)圖， 同上述測繪地形圖一樣，能實時測定有關(guān)界址點及一些地物點的位置并能達(dá)到要求的厘米級精度。將GPS獲得的數(shù)據(jù)處理后直接錄入GPS，可及時地精確地獲得地籍和房地產(chǎn)圖。但在影響 GPS衛(wèi)星信號接收的遮蔽地帶，應(yīng)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(xì)部測量。在建設(shè)用地勘測定界測量中，RTK技術(shù)可實時地測定界樁位置，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(biāo)的直接放樣，建設(shè)用地勘測定界中的面積量算，實際上由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(guī)的解析法放樣的復(fù)雜性，簡化了建設(shè)用地勘測定界的工作程序。

在工程變形監(jiān)測中的應(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，尤其在測量界的控制測量中起了劃時代的作用。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，使人們普遍用來逐漸代替常規(guī)的三角、三邊、邊角等方法，并在理論、實踐中取得了可喜的成果。但在精密工程變形監(jiān)測中還少有應(yīng)用，尚處于理論研究和實踐摸索之中。下面筆者將對GPS在(工程)變形監(jiān)測中的基準(zhǔn)設(shè)計、圖形結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計、觀測時段的設(shè)計、監(jiān)測周期的設(shè)計等方面作一分析，探討利用GPS技術(shù)進(jìn)行工程變形觀測的新思路。

1 基準(zhǔn)設(shè)計

在工程變形監(jiān)測中，基準(zhǔn)設(shè)計(包括位置基準(zhǔn)和內(nèi)外部尺度基準(zhǔn)設(shè)計)是一項關(guān)系到監(jiān)測成果是否可靠、準(zhǔn)確地反映變形體的變形情況的工作，以常規(guī)的手段，對某一建(構(gòu))筑物進(jìn)行變形監(jiān)測，由于儀器和其他諸多因素的制約，使得監(jiān)測網(wǎng)的基準(zhǔn)點不能離開變形監(jiān)測區(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

圖形強(qiáng)度設(shè)計指變形點之間，變形點與基準(zhǔn)點之間的幾何圖形配置，網(wǎng)中獨立基線數(shù)目和相互連接方式設(shè)計。首先，在圖形選擇過程中，必須顧及基準(zhǔn)點對變形點的有效控制，同時基準(zhǔn)點之間又要能相互檢校。其次，在模型識別和參數(shù)識別方面的設(shè)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(yīng)的對策。

(1)模型識別的設(shè)計模型　在設(shè)計參考網(wǎng)時，它應(yīng)能有效地檢測出網(wǎng)中任何一個不穩(wěn)定點;在設(shè)計相對網(wǎng)時，應(yīng)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(jié)果正確，還需要GPS監(jiān)測網(wǎng)具有良好的粗差檢測和定位能力。研究表明，當(dāng)GPS基線向量監(jiān)測網(wǎng)中每個點發(fā)出的基線數(shù)目至少為3條時，網(wǎng)具有較好的可靠性。

(2)參數(shù)識別的設(shè)計模型　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。

3 觀測時段和周期的設(shè)計

針對觀測時段和周期，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，長時期的緩慢變化等)結(jié)合起來分析，做出有利用于實現(xiàn)分析成果和監(jiān)測意圖的最佳觀測周期，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，對于時段的長短、白天、黑夜、氣象等及外界因素的各種分析，得出最佳的觀測時段。

4 連續(xù)長時間觀測，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)行的相對靜態(tài)定位方法是利用在某一時間段觀測(同步)的數(shù)據(jù)，利用差分等手段，求得點與點之間的坐標(biāo)向量;而對于連續(xù)不斷的工程變形，獲得的是這一時間段內(nèi)，點位之間最成熟的關(guān)系值。但常常需要知道一較小時間里，甚至某一時刻的最成熟的點與點之間的關(guān)系，目前，比較常用的是：利用較長一段時間的同步觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行分歷元數(shù)據(jù)處理，求得該時刻最成熟的點與點之間關(guān)系的方法。

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

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

(2)按每個點發(fā)出3條獨立基線且邊長分布較為均勻的原則并根據(jù)接收機(jī)臺數(shù)的多少和布網(wǎng)原則，設(shè)計網(wǎng)的觀測圖形，并選定可能要追加施測的路線;

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

(4)觀測時段和周期的設(shè)計;

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

(6)利用觀測值的統(tǒng)計，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大橋的影響)等，在某一時刻，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(zhǔn)點的絕對位移。分析它們各項因子對變形體影響的顯著性，為工程及設(shè)計，運營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)還受著美國的控制，我國的大專院校、科研部門正積極參與這一場高技術(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(jì)建設(shè)、國防建設(shè)和科學(xué)研究的各個領(lǐng)域中展示出應(yīng)用的美好前景。