現(xiàn)代化測量中GPS技術在的應用方案

GPS性能好，精度高，是迄今最好的導航定位系統(tǒng)。GPS技術應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節(jié)省造標費用、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，將導致測繪行業(yè)一場深刻的技術革命。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。接收機有許多種類，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時定位精度在25 m左右，精碼接收機的實時定位精度優(yōu)于10 m，使用相位接收機，經(jīng)數(shù)據(jù)處理的相對定位(基線的三維測定)精度可達百萬分之一左右，基線長度可以從幾公里到1 000 km，典型的15 km基線的3個坐標差可達厘米級，所用測量時間最多為幾個小時。

在城市測量中的應用

隨城市化進程的加快，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，同時還為地球物理學等提供精確的基礎資料。結合各城市控制測量(或大地測量)的實際，采用GPS技術進行城市控制網(wǎng)的建立、擴建有著重要意義。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)進行了江門市控制網(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，配有小圓盤天線，儀器標稱精度斜距為(10+2×10-6 mm)·D，經(jīng)對接收機進行長、短基線測試，及與標準基線檢驗比較和其他需檢項目，均達到標稱精度指標。

(2)應用情況 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)基礎上擴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)組進行安排。諸如設站次數(shù)、網(wǎng)的連接擴展、必要的重合點的選擇等。作業(yè)技術依據(jù)《全球定位系統(tǒng)測量規(guī)范》(GB/T18314-2001)和技術設計書要求。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位置精度強弱度)，每點至少設站兩次，時長控制在30～60 分鐘，采用邊連式擴展增加多余觀測量。

(3)外業(yè)基線預處理及成果取舍　野外作業(yè)攜帶便攜式微機1臺，對每天觀測數(shù)據(jù)及時進行基線預處理，凡復測基線、閉合環(huán)超限或整周模糊度無解的都進行重測。

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，有一臺接收機經(jīng)修理后使用第1天凡與該儀器有關基線全面不能用，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36～38℃時成果不能取用，調整觀測時間后可解決;

3)雷雨閃電過后，發(fā)生停機現(xiàn)象多次;

4)天線高丈量不準確影響基線長度。

通過幾個城市對成果的應用和與舊坐標比較，GPS定位技術用于城市控制網(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。特別是應用RTK(Real Time Kinematic實時動態(tài)測量)新技術，甚至可以不布設各級控制點，僅依據(jù)一定數(shù)量的基準控制點，便可以高精度并快速地測定界址點、地形點、地物點的坐標，利用測圖軟件可在野外一次測繪成電子地圖，然后通過計算機和繪圖儀、打印機輸出各種比例尺的圖件。

應用RTK技術進行定位時要求基準站接收機實時地把觀測數(shù)據(jù)(如偽距或相位觀測值)及已知數(shù)據(jù)(如基準站點坐標)實時傳輸給流動站GPS接收機，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)定位需要事后進行處理來說，定位效率會大大提高。故RTK技術一出現(xiàn)，其在測量中的應用立刻受到重視。

(1)RTK技術用于各種控制測量

常規(guī)控制測量如三角測量、導線測量，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技術進行控制測量既能實時知道定位結果，又能實時知道定位精度，這樣可大大提高作業(yè)效率。應用RTK技術進行實時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。采用RTK技術測圖，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記錄，在點位精度合乎要求的情況下，把一個區(qū)域內的地形地物點位測定后回到室內或在野外，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技術測定每一宗土地的權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，能實時測定有關界址點及一些地物點的位置并能達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行細部測量。在建設用地勘測定界測量中，RTK技術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技術進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，實際上由GPS軟件中的面積計算功能直接計算并進行檢核。避免了常規(guī)的解析法放樣的復雜性，簡化了建設用地勘測定界的工作程序。

在工程變形監(jiān)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、定位等各領域應用，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)測中的基準設計、圖形結構強度設計、觀測時段的設計、監(jiān)測周期的設計等方面作一分析，探討利用GPS技術進行工程變形觀測的新思路。

1 基準設計

在工程變形監(jiān)測中，基準設計(包括位置基準和內外部尺度基準設計)是一項關系到監(jiān)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(guī)的手段，對某一建(構)筑物進行變形監(jiān)測，由于儀器和其他諸多因素的制約，使得監(jiān)測網(wǎng)的基準點不能離開變形監(jiān)測區(qū)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(shù)值，所以較困難。由于GPS技術的不斷完善，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 圖形結構強度設計

圖形強度設計指變形點之間，變形點與基準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計。首先，在圖形選擇過程中，必須顧及基準點對變形點的有效控制，同時基準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，它應能有效地檢測出網(wǎng)中任何一個不穩(wěn)定點;在設計相對網(wǎng)時，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(jiān)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)識別的設計模型　由上述可知，只要可區(qū)分度指標滿足要求，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計

針對觀測時段和周期，可以將工程及工程變形的性質(如劇烈變化，連續(xù)較快變化，長時期的緩慢變化等)結合起來分析，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，點位之間最成熟的關系值。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系的方法。

GPS技術在工程變形監(jiān)測中的應用，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)接收機臺數(shù)的多少和布網(wǎng)原則，設計網(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(或精度指標)進行計算，直到達到給定的要求為止，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系(相對位移及擾度等)及它們相對于參考基準點的絕對位移。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。

結語

GPS定位技術還受著美國的控制，我國的大專院校、科研部門正積極參與這一場高技術領域的研究，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技術在國民經(jīng)濟建設、國防建設和科學研究的各個領域中展示出應用的美好前景。