0 引言

伴隨GPS測量技術(shù)的出現(xiàn)，最早GPS測量技術(shù)僅用于建設(shè)軍事項目，隨著軟件工程的不斷發(fā)展，近年來，GPS測量技術(shù)因其測量精度高，易操作，受作業(yè)環(huán)境影響小等優(yōu)點在工程施工中得到了有效運用，在確保工程進(jìn)度的同時保證了工程施工質(zhì)量。但是GPS測量技術(shù)因其自己的局限性，在工程測量中存在一些缺陷，本文主要對GPS測量技術(shù)在工程測量中的應(yīng)用進(jìn)行深入探討。

1 工程測量的定義及發(fā)展趨勢

工程測量是指貫穿整個建設(shè)工程全過程，對工程進(jìn)行測量所依據(jù)的理論、采用方法和使用的技術(shù)。其結(jié)果為整個工程設(shè)計、施工提供依據(jù)，是最基礎(chǔ)也是最重要的工作，其結(jié)果準(zhǔn)確性直接對整個建設(shè)工程質(zhì)量產(chǎn)生影響。近年來，隨著工程技術(shù)不斷發(fā)展，工程不斷向超高、超大類型發(fā)展，對測量精度的要求不斷提高，利用傳統(tǒng)儀器進(jìn)行交互式測量已不能滿足現(xiàn)代工程建設(shè)的需要，在工程測量中引入GPS等測量儀器進(jìn)行遠(yuǎn)程控制測量并對數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析、可視化處理，實現(xiàn)由靜態(tài)測量向動態(tài)測量、人工計算向智能化計算的轉(zhuǎn)變已成為新的發(fā)展趨勢。

2 GPS系統(tǒng)的工作原理

GPS面積測量儀是根據(jù)GPS全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)提供的實時數(shù)據(jù)（包括所有地域的經(jīng)度、緯度、海拔高度等數(shù)據(jù)）對所測工程進(jìn)行自動測算。GPS全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)（Global Positioning System，通常簡稱GPS）在全球范圍內(nèi)廣泛使用，系統(tǒng)由太空中的24顆專用衛(wèi)星，地面上的1個主控站、3個數(shù)據(jù)注入站和5個監(jiān)測站以及GPS面積測量儀組成。太空中的24顆衛(wèi)星平均分配在太空中的6條既定軌道中運行，6條軌道相交成60度。主控站、數(shù)據(jù)注入站及監(jiān)測站主要負(fù)責(zé)對衛(wèi)星傳輸回來的信息進(jìn)行接收并處理。如圖1所示。

圖1 GPS系統(tǒng)的工作圖示

其定位基本原理是根據(jù)衛(wèi)星位置做為已知數(shù)據(jù)，采用空間距離后方交會的方法，確定待測點的位置。如圖2所示：所設(shè)待測點相當(dāng)于A點，A與衛(wèi)星1的距離為R1，與衛(wèi)星2距離為R2，與衛(wèi)星3距離為R3，三個圓自然會匯聚到一個點上，也就是A點。

圖2 GPS系統(tǒng)定位的數(shù)學(xué)原理圖示

3 GPS系統(tǒng)的特點及應(yīng)用優(yōu)勢

3.1 GPS系統(tǒng)的特點

3.1.1 功能強大，應(yīng)用范圍廣

GPS系統(tǒng)在設(shè)計之初，僅用于軍事領(lǐng)域，實現(xiàn)導(dǎo)航等目的。隨著對GPS功能的不斷深入研究，發(fā)現(xiàn)GPS系統(tǒng)可以廣泛地應(yīng)用于工程測繪、隧道測繪、鐵路測繪以及海洋測繪等各個領(lǐng)域。

3.1.2 工作效率高

伴隨計算機處理數(shù)據(jù)速度的不斷提高以及軟件的更新?lián)Q代，目前在進(jìn)行測量距離不超過二十公里的工程進(jìn)行相對靜態(tài)定位時，測量時間一般僅需15-20分鐘；當(dāng)流動站與基準(zhǔn)站相對距離在15公里以內(nèi)時，進(jìn)行實時動態(tài)定位僅需幾秒鐘即可完成，從而大大縮短了工作人員的戶外作業(yè)時間，提高了工作人員的工作效率。

3.1.3 測量精度高

根據(jù)相關(guān)研究結(jié)果證明，GPS相對定位精度在50公里以內(nèi)可達(dá)10m，100-500公里可達(dá)10m，500-1000km以內(nèi)可達(dá)10m。在使用GPS對距離在300-1500m范圍以內(nèi)的工程進(jìn)行精密定位時，當(dāng)觀測時間大于1小時，其平面位置結(jié)果誤差不大于1mm，在實時相位差分時精度可達(dá)毫米級，50公里以內(nèi)的靜態(tài)相對定位時結(jié)果誤差可達(dá)毫米級（mm+（1~2ppm*D）），大于50公里誤差可達(dá)0.1~0.01ppm。與使用ME-5000電磁波測距儀測定的邊長進(jìn)行比較，其邊長較差不大于0.5mm，校差中誤差僅為0.3mm。

3.1.4 自動化程度提高

現(xiàn)在，GPS接收器的體積越來越小，且GPS系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理速度也不斷提高，操作人員不需經(jīng)過長時間的培訓(xùn)及實踐即可熟練測量。在測量時，工作人員保證GPS接收器在正常工作狀態(tài)，GPS接收器即可自動對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行測量并處理并將處理結(jié)果實時傳輸回處理中心，從而大大減少了測量人員的工作量。當(dāng)一個測點需要連續(xù)觀測時，可以使用GPS系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通訊功能將所采集數(shù)據(jù)實時傳輸回數(shù)據(jù)處理中心，工作人員無需在測量現(xiàn)場等待即可實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集工作。

3.1.5 測站之間無需通視

因GPS系統(tǒng)通過衛(wèi)星從高空傳遞信號，且GPS系統(tǒng)在高空設(shè)置24顆衛(wèi)星，確保在地面上的每一個點都能同時接收4個衛(wèi)星的信號，實現(xiàn)了無需通視即可進(jìn)行測量的目標(biāo)。與傳統(tǒng)測量必須通視相比，特別適用于在工程測量中存在大型建筑物或樹木不能進(jìn)行通視時使用。

3.1.6 可實現(xiàn)全天候作業(yè)

因GPS面積測量儀接收衛(wèi)星從高空傳遞的信號，且高空中布置有24顆衛(wèi)星，確保在每個地點進(jìn)行觀測都可以同時接收到4個衛(wèi)星的信號，因此使用GPS系統(tǒng)進(jìn)行測量不受天氣的影響，可以在一天的任何時候進(jìn)行觀測（極寒惡劣天氣除外）。

3.2 GPS在工程測量中的應(yīng)用優(yōu)勢

3.2.1 工作效率較高，測量準(zhǔn)確性高

在傳統(tǒng)工程測量工作中，通常采用全站儀、棱鏡、錨桿、直尺等進(jìn)行測量，傳統(tǒng)工具測量范圍較小，工作人員通常需要在測量區(qū)域內(nèi)設(shè)置多個測量點以提高測量精度，帶來的直接問題是增加了大量的人力，物力，進(jìn)而大大提高了測量成本。且使用直尺等傳統(tǒng)工具，由人工進(jìn)行計數(shù)，受人工因素影響較大，誤差較大，準(zhǔn)確率較低，而使用GPS系統(tǒng)進(jìn)行測量，當(dāng)設(shè)置測量點后，以測量點為圓心，周圍半徑5公里范圍內(nèi)的區(qū)域均可測量，極大程度上降低了人力、物力投入，節(jié)約了測量成本，同時縮短了測量時間，且GPS系統(tǒng)測量受人為因素影響較小，誤差較小，提高了測量的準(zhǔn)確性。

3.2.2 操作步驟簡單

在傳統(tǒng)測量工作中，使用設(shè)備較多，每對一個測量點進(jìn)行測量前，都要轉(zhuǎn)移測量設(shè)備，并且需要重新對設(shè)備進(jìn)行調(diào)試，并需要進(jìn)行人工記錄，且因工程情況不同，測量要求不同，因此在測量前，都需要對工人進(jìn)行培訓(xùn)，確保測量結(jié)果的準(zhǔn)確性，大大延長了工程測量的時間。使用GPS系統(tǒng)進(jìn)行測量，因GPS系統(tǒng)具有通訊功能，且與電腦相連，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的即時傳輸，工作人員只需將設(shè)備放置在測量點，即可自行進(jìn)行測量，得出觀測點的三維地理坐標(biāo)，且對于需要連續(xù)測量的工程測量點，可實現(xiàn)24小不間斷連續(xù)測量，對現(xiàn)場測量人員要求較低。

3.2.3 可以實現(xiàn)全天侯檢測

在傳統(tǒng)測量工作中，因必須由人工進(jìn)行直接操作，測量易受天氣以及時間等因素制約，不能實現(xiàn)全天侯監(jiān)測，而GPS系統(tǒng)的工作原理決定了GPS可能進(jìn)行全天侯檢測，不受地理環(huán)境以及氣候環(huán)境的制約，從而大大節(jié)約了工程測量時間。

4 GPS定位技術(shù)在工程測量中的應(yīng)用

4.1 工程測量中GPS定位技術(shù)的測量形式

在工程施工前，施工單位應(yīng)根據(jù)工程實際情況委托專業(yè)的測量隊伍進(jìn)行測量。測量隊伍應(yīng)根據(jù)工程情況制定觀測計劃，確定地塊整體基準(zhǔn)、設(shè)計精度以及控制網(wǎng)布形式。其中控制網(wǎng)的布設(shè)非常重要，對測量是否能夠達(dá)到設(shè)計精度會產(chǎn)生直接影響?？刂凭W(wǎng)通常需要包含12個精準(zhǔn)測量點，水平方向控制點數(shù)為2個，垂直方面控制點數(shù)為5個，并且邊長需要控制在一定范圍，不能過長，邊長過長會影響實際控制范圍，要求在觀測過程中所有接收機同時工作。使用GPS定位技術(shù)進(jìn)行測量，控制網(wǎng)布設(shè)主要有四種形式：三角網(wǎng)、環(huán)形網(wǎng)、附和線路和星型網(wǎng)。下面做簡要介紹：

4.1.1 三角網(wǎng)

由不同獨立網(wǎng)構(gòu)成各三角網(wǎng)的邊進(jìn)行觀測，在實際測量中，經(jīng)常選用三角網(wǎng)，特別是正三角網(wǎng)，能夠確保測量結(jié)果的精度。但遇到復(fù)雜地形時，我們也可以選擇一些接近正三角形的短邊三角形，以實現(xiàn)精度最大化。優(yōu)點是網(wǎng)中各相鄰點基線向量精度能夠均勻分布，且各獨立網(wǎng)獨立運行，獨立自檢，能夠及時發(fā)現(xiàn)測量結(jié)果誤差。缺點是因獨立網(wǎng)數(shù)量較多，工作量大，所需測量時間顯著增加。

4.1.2 環(huán)形網(wǎng)

由多條能夠獨立觀測的閉合環(huán)組成，優(yōu)點是能夠獨立自檢，可靠性高。缺點是部分基邊線不能直接觀測，精度較低，且網(wǎng)中相鄰點間基線向量精度分布不均。

由5條基線組成的閉合環(huán)如圖3所示。

圖3 閉合環(huán)工作示意圖

4.2 GPS在工程測量中的多種應(yīng)用方式

GPS定位技術(shù)可實現(xiàn)平面控制測量、公路測量、航空攝影測量、水下地形測繪、工程變形監(jiān)測、土地動態(tài)監(jiān)測以及地震預(yù)測等多種監(jiān)測，在平面控制測量中得到廣泛應(yīng)用，同時在地震預(yù)測中起到至關(guān)重要的作用。下面對GPS技術(shù)在地震預(yù)測、平面控制網(wǎng)測量進(jìn)行簡要介紹。

4.2.1 地震預(yù)測

地質(zhì)學(xué)家主要通過觀測地殼運動的規(guī)律實現(xiàn)對地震的預(yù)測。傳統(tǒng)的觀測方法主要是借助大地測量技術(shù)對地殼運動進(jìn)行觀測，發(fā)現(xiàn)地殼確實存在運動，但運動不具有規(guī)律性，但是傳統(tǒng)的觀測方法操作復(fù)雜，且復(fù)測周期較長，不利于及時、準(zhǔn)確地觀測地殼運動，實現(xiàn)地震預(yù)測。GPS技術(shù)的應(yīng)用，憑借其高精準(zhǔn)度、高效率彌補了傳統(tǒng)觀測方法的缺陷。

4.2.2 在平面控制測量方面的應(yīng)用

平面控制測量是GPS定位技術(shù)應(yīng)用最廣泛的一個領(lǐng)域，由于GPS定位技術(shù)具有測量精度高、工作效率高以及操作方式簡便等特點，可以廣泛應(yīng)用于各種形式的平面控制測量中。GPS定位技術(shù)在平面控制測量方面實現(xiàn)的主要功能是：①建立三維地心坐標(biāo)系統(tǒng)；②建立平面控制網(wǎng)；③對不同平面控制網(wǎng)進(jìn)行聯(lián)測；④對現(xiàn)有的地面控制網(wǎng)進(jìn)行檢測并對存在問題進(jìn)行修正。以下是工程實例：

4.2.2.1 工程概況

該工程是位于甘肅天水城郊的一處占地68.4平方公里的建于兩座山峰上的綜合性旅游開發(fā)項目，最高海拔150m，屬高山區(qū)域地形復(fù)雜且山上樹木較多，通視困難。

4.2.2.2 技術(shù)設(shè)計

根據(jù)該工程的特點，因其工期要求較緊，工程施工復(fù)雜且地形復(fù)雜，根據(jù)《城市測量規(guī)范》（中華人民共和國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（CJJ/T 8-2011））、《全球定位系統(tǒng)城市測量技術(shù)規(guī)程》等相關(guān)要求，本工程平面坐標(biāo)系統(tǒng)選用2000國家大地坐標(biāo)系，選擇城市二級GPS網(wǎng)作為首級控制網(wǎng)。該控制網(wǎng)網(wǎng)形為由兩個已知平面控制點為起算點，設(shè)置5個高程控制點，共選擇12個點組成邊連式控制網(wǎng)絡(luò)。該網(wǎng)最長邊長1.7公里，最短邊長0.6公里，平均邊長0.9公里，選用標(biāo)稱精度不大于15mm的GPS接收機。根據(jù)GPS衛(wèi)星的布置圖以及布點構(gòu)成的網(wǎng)形幾何強度，選用3臺GPS接收機同時進(jìn)行觀測，當(dāng)GPS接收機能同時接收到信號的衛(wèi)星數(shù)量達(dá)到4顆且分布均勻時即進(jìn)行觀測，并根據(jù)觀測時間進(jìn)行調(diào)度。

4.2.2.3 外業(yè)實施

①選點。要求各測量點之間不要求通視，但每兩個相鄰點之間要求能夠通視；要求各測量點周圍15度高度角范圍內(nèi)不能有遮擋物；測量點不能布置在移動信號發(fā)射源等對信號造成干擾的地方；測量點能夠同時接收到4個GPS衛(wèi)星信號；選擇好測量點后要及時進(jìn)行標(biāo)記。

②觀測。采用靜態(tài)相對定位法進(jìn)行觀測。在3個測量點同時安置3臺GPS接收機進(jìn)行觀測采樣，系統(tǒng)采樣時間間隔15S，衛(wèi)星與GPS接收機高度角不大于15度，根據(jù)規(guī)程要求，本工程觀測時段45分鐘。

③數(shù)據(jù)處理。打開GPS接收機，當(dāng)測量點各指標(biāo)符合要求后，GPS接收機對相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行自動記錄。GPS系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，數(shù)據(jù)處理包括采用隨機軟件進(jìn)行基線處理，處理完成后，對符合固定解的基線進(jìn)行核驗，對超限的基線進(jìn)行返工重測，最終確定GPS控制點的三維坐標(biāo)，本工程要求各控制點精度不大于5mm。

5 GPS在工程測量中存在的問題及解決措施

5.1 易受管理人員技術(shù)水平影響

因GPS測量技術(shù)通常用于對于大型地塊的測量，因此在測量前制定完善的測量規(guī)劃十分重要。在工程測量中，管理人員負(fù)責(zé)對各種測量數(shù)據(jù)的完整性、準(zhǔn)確性進(jìn)行核驗。同時在遇到特殊情況時，還需要做出及時判斷，是否需要進(jìn)行補測或重測。以上工作都需要管理人員有較高的業(yè)務(wù)水平以及責(zé)任心，根據(jù)前期制定的測量規(guī)劃以及相關(guān)技術(shù)規(guī)范同時結(jié)合現(xiàn)場實際情況對測量結(jié)果進(jìn)行準(zhǔn)確判斷。

解決措施：加強對管理的技術(shù)培訓(xùn)同時建立科學(xué)完善的管理制度。

5.2 測量精度易受影響

GPS測量中信號傳播易受對流層折射、電離層延遲、多路徑效應(yīng)以及高層建筑物等因素的影響，其中多路徑效應(yīng)對測量影響最大，誤差可達(dá)厘米級。此外接收設(shè)備還易受天線整平誤差、天線對中誤差以及天線測量高等因素的影響。并且在后期處理過程中，已知點選擇、模型選擇都會對后期處理產(chǎn)生影響。

解決措施：①選擇抗干擾能力強的接收設(shè)備。②在選擇測量點時避開能對信號進(jìn)行反射的反射面，例如鏡面、水面以及建筑物幕墻等平整面。③盡量避開有高層建筑物或樹木的地區(qū)。

5.3 不同型號的GPS面積測量儀測量結(jié)果有時差異比較大

解決措施：根據(jù)測量地塊的面積選取適合的GPS，一般測量地塊面積越大，誤差越小。

6 結(jié)論

綜上所述，在工程建設(shè)過程中GPS技術(shù)已得到廣泛應(yīng)用，在提高測量效率、保證測量精度的同時降低工程建設(shè)成本，實現(xiàn)一舉多得，同時解決了復(fù)雜工程的施工難題，但因GPS測量技術(shù)本身的局限性，在實際操作過程中還存在一些問題。