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摘要：在建设项目设计、施工、运营时，均需要进行工程测量工作。近年来，随着测绘技术的快速发展，全球导航卫星系统（GPS，Global Positioning System）在工程测量领域的带了广泛的应用。
论文介绍了GPS技术，探讨了GPS常用的测量模式，包括静态测量、GPS RTK测量模式。分析了GPS技术在工程测量中的应用，并以公路工程为例，分析了以上测量模式在工程测量领域的应用。其中静态测量主要用于首级平面控制测量，建立首级平面控制网，为工程设计、施工提供平面依据；GPS RTK可以进行图根点测量、大比例尺地形图测绘、道路中线测设、施工放样、横纵断面测量等工作。
GPS技术的应用，在保证测量精度的同时，提高了工程测量的工作效率，降低了劳动强度。
关键词：1、GPS；2、工程测量；3、应用；4、精度
一、GPS技术介绍
（一）GPS简介
GPS可以全天候提供高精度导航定位服务，同时也广泛应用于大地测量、气象观测及预报、授时服务、姿态测量、交通运输等领域。GPS在军事、经济、政治等方面均具有重要意义，是目前发展最快的产业之一。
（二）GPS相对静态测量模式
静态测量定位是认为在GPS定位过程中，整个测量过程中接收机天线的位置相对于地球保持不变；在进行数据处理的时候，将接收机的位置作为一个不随时间变化的量。相对定位则是指进行GPS定位时，使用多台接收机进行同步观测进行采集数据，利用同步观测数据计算各测之间的相对位置，如坐标差、基线向量等。数据处理的过程一般包括基线向量结算、网平差、坐标转换等，最终求出高精度的网点坐标。目前，GPS相对静态测量主要用于首级控制测量，为工程建设提供起算点。
（三）GPS RTK测量模式
RTK是以载波相位观测量为基础的实时差分测量技术，可以分为基准站。移动站、数据链三部分。RTK测量时，在基准站上安置一台双频GPS接收机，连续对可见GPS卫星进行观测，将连续观测数据和基准站自身信息通过数据链传送给移动站。移动站接收机接收卫星信号外及来自基准站的数据，通过手簿内置软件实时解算移动站的三维坐标，同时显示其测量的精度。用户可以实时得到移动站的三维坐标和精度信息，极大的减少了冗余观测量，提高测量的效率。在工程测量项目中，GPS RTK可以进行图根控制测量、地形图测绘和施工放样等工作。
GPS RTK测量的工作原理见图2-1。
（四）CORS测量模式
CORS由连续运行基准站网、数据处理中心和控制中心、数据通讯系统和用户系统四部分组成，是卫星定位技术、计算机网络技术、移动通信技术等深度融合的产物。连续运行基准站网连续对卫星观测，并将观测数据通过专用网络传输到数据处理中心和控制中心，经处理后的数据通过移动网络传输到用户系统，用户系统根据基准站数据和移动站接收的卫星数据，即可实时得到移动站的三维坐标。
CORS组成及工作原理见图2-2。
三、GPS在工程测量中的应用
（一）GPS在工程测量中的应用简介
工程建设项目繁多，主要包括建筑工程、线路工程、桥隧工程、水利工程、地下工程、海洋工程等。在以上工程测量中，GPS的作用和应用方法是类似的，都是由设计阶段测量、施工阶段测量、运营结算测量组成。
1、GPS技术在建筑工程测量中的应用
建筑工程测量是为工业与民用建筑设计、施工、设备安装等而开展的测量活动。其工作的主要内容包括建设区地形图测绘、施工控制网的建立、建筑施工放样和建筑变形监测等工作。
GPS在建筑工程测量中应用广泛，可以采用GPS RTK进行地形图测量和建筑施工放样，使用GPS静态测量建立施工控制网。受到测量环境的影响，目前GPS在建设中的建筑物变形监测中的应用较少。
2、GPS技术在线路工程测量中的应用
线路工程是指铁路、公路、架空索道、自流和压力管线、输电线路等建设工程。线路工程测量是指线路工程勘测设计、施工建设和运营管理各阶段所进行的测量工作，工作的内容主要包括控制测量、带状地形图测绘、纵横断面测量、中线测量、施工放样、竣工测量等。
GPS在线路工程测量的各项内容中均有应用，其中控制测量主要采用GPS静态测量的方法，可以无需通视远距离测量的GPS RTK技术，在线路工程带状地形图测绘、纵横断面测量、中线测量、施工放样、竣工测量应用具有明显的优势。
3、GPS技术在隧道工程、地下工程测量中的应用
在隧道工程、地下工程测量中，GPS技术有一定的局限性。不过GPS技术在隧道洞外控制测量、地下工程地面控制测量中应用广泛，一般采用GPS静态测量的方法布设控制网，然后通过联系测量将洞外（地面）控制点导入洞内（地下）。
4、GPS技术在海洋工程测量中的应用
海洋工程测量主要包括平面位置测量和水深测量两部分内容，水深测量主要采用单波束回声测深、多波束回声测深、机载激光测深等方法。平面位置测量一般采用GPS测量的方法。海上平面测量多采用GPS差分定位，主要有位置差分、伪距差分、相位平滑伪距差分、相位差分等方法。
5、GPS技术在工程测量中的应用综述
工程测量一般分为设计阶段测量、施工阶段测量、运营结算测量，在各项工程测量中，GPS的作用和应用方法是类似的，其中设计阶段，GPS的主要用途是进行首级控制测量和地形图测绘工作，施工阶段GPS的主要用途是进行施工控制网布设、点位放样、施工测量工作。因此，论文不再详细叙述GPS在各类工程测量中的应用，而以公路工程为例，分析GPS在工程测量中的应用。
（二）GPS在公路工程测量中的应用
1、工程概况
某高速公路建设项目是区域性重要高速公路，全长约73.278km，设计速度为100-120km/h，按照双向六车道的标准进行设计。根据工程建设要求，项目设计阶段需要进行首级控制测量及大比例尺带状地形图测绘，为工程设计提供依据；同时在公路中线测设、横纵断面测量、施工放样等工作。
2、GPS静态测量在公路工程测量中的应用
（1）公路工程控制网的网型设计
在进行公路首级控制网布设时，控制点一般沿公路的走向成对布设，每隔5km布设一对控制点，控制点布设时充分考虑GPS静态测量对周边环境的要求，控制点上空开阔，远离高压线及电磁干扰，远离大面积的水面，同时进行GPS控制网网型设计需要综合考虑线路的交叉与衔接、控制点的通视、控制点之间的距离等因素[6]。由于高速公路建设周期较长，地形图测绘、公路设计、中线测量、施工放样、竣工测量等工作均需要使用控制点，为了避免受到破坏，控制点需要布设在远离施工范围点位稳定的区域内，同时为了保证点位稳定、减少对中误差，控制点可以采用强制对中装置。
选择位于线路起止附近及中间的三个C级GPS控制点作为起算点，经过实地踏勘，三个起算点点位稳定，没有移动破坏的迹象，可以作为起算点。采用结构稳定、精度可靠的边连式布网方法布设控制网，在C级起算点的基础上布设30个E级控制点。
（2）公路工程控制网的施测
GPS控制网施测使用5台经过检测的天宝R8双频GPS接收机，测量前做好控制测量计划并进行星历预报，选择合适的时间进行观测既可以保证测量的精度，有能提高工作效率。每个作业时段，观测员均需量取两次天线高，两次互查不超过3mm时取平均值作为最终的天线高，同时需要认真做好观测记录，需要记录的内容包括控制点的点号、测量员、仪器的编号、观测日期、每个时段的起止时间、仪器天线高、卫星状况等。测量时严格执行GB/T18314-2009《全球定位系统（GPS）测量规范》的各项要求，E级GPS控制网的观测要求见表3-1。
（3）数据处理与精度分析
①基线向量解算
采用天宝TBC软件进行基线向量结算和平差。野外观测完成后，及时进行数据传输与处理，并做好数据备份。在进行基线解算前，首先对原始观测数据进行干预，剔除观测质量不佳的部分数据，并采用删除观测值残差比较大的时段、改变卫星高度角、选取不同的参考卫星等方法进行优化，并再次解算。
对基线向量解算结果进行统计分析，统计重复基线精度和闭合环闭合差，见下图。经统计，闭合环比例残差最大的为C092-E043-E044-C092（异步环），其比例残差为1.716ppm；闭合环检测、重复基线检测精度均较高。可以看出，该项目基线精度可靠，可以满足GB/T18314-2009《全球定位系统（GPS）测量规范》的要求。
图3 基线比例参差分布图.png)
②三维无约束平差
三维无约束平差的主要目的是评定GPS控制网的内符合精度。选择位于测区中央的E032控制点的WGS84坐标作为起算数据，采用TBC软件进行三维无约束平差，精度情况见下表。经统计，三维无约束平差后，该控制网中最弱点X、Y、Z方向的精度均优于1cm。统计结果表明，该控制网基线向量协方差因子合理，内符合精度较高，无明显的粗差。
③约束平差
选择三个已知C级GPS控制点作为起算点进行约束平差，得到控制网的1980西安坐标系坐标。平差后最弱点点位中误差为 ±1.39cm，对应控制点为E019；最弱边E019-E020基线，边长相对中误差为1/26360。可以看出，该控制测量成果可以满足技术设计及GB/T18314-2009《全球定位系统（GPS）测量规范》的要求。
3、GPS RTK在公路工程测量中的应用
采用GPS RTK进行测量时，基准站有架设在已知点和架设在未知点上两种作业模式。由于基准站需要选择在四周开阔、点位较高的区域，为了满足基准站的架设要求，多将基准站架设在未知点上。基准站架设完成后，移动站到已知控制点采集数据，完成坐标转换工作，到已知控制点检查无误后即可开始测量和放样工作。对于范围较小的测区，可以采集两个平面高程控制点的数据，求取四参数；对于范围较大的测区，需要测量至少三个已知点的坐标，求取布尔莎（Bursa）七参数，采用布尔莎七参数时，控制点需要分布均匀并能控制整个测区。采用GPS RTK作业方式进行测量时候，需要满足CH/T2009-2010《全球定位系统实时动态（RTK）测量规范》的各项要求。目前，在公路建设项目中，GPS RTK主要进行大比例尺地形图测绘、公路中线测设、施工放样、横纵断面测量等工作。
（1）GPS RTK在大比例尺地形图测量中的应用
传统的地形测量多采用全站仪极坐标法，需要在首级控制测量的基础上，布设导线控制网，然后进行碎部测量。受到控制网布设、通视条件、测量范围等因素的影响，该方法测量效率较低。GPS RTK优化了大比例尺地形图测绘的工作流程，提高了工作效率。首先根据测区环境进行划分，对于满足GPS RTK测量要求的区域，可以直接使用GPS RTK进行碎部数据采集，采集地形、地物信息；不能满足GPS RTK测量要求的区域，首先使用GPS RTK布设图根控制点，然后采用全站仪极坐标法进行碎部数据采集。采用GPS RTK布设图根控制点时，为了满足全站仪测量的需要，以两两通视的点对的方式布设，每个图根控制点均独立的观测两次，平面位置较差小于3cm、高程较差小于5cm时，其平均值作为图根点的最终成果。以GPS RTK图根点为起算点，使用全站仪进行数据采集时，需要对GPS RTK图根点的精度进行检查，要求距离比例误差不能大于1/3000。
野外数据采集完成后，检查数据的完整性与正确性，无误后将GPS RTK数据与全站仪数据进行整合，采用成图软件按照GB/T20257.1-2007《国家基本比例尺地形图图式第一部分：1：：500 1：1000 1：2000地形图图式》的要求进行地形图绘制。成图后，测量人员及质量检查人员对地形图成果进行全面检查，并编写检查报告。
采用全站仪结合GPS RTK进行地形图测绘，可以充分发挥GPS RTK测量效率高、自动化智能化、测量过程灵活的优点，又使用全站仪弥补了GPS RTK的局限性，优势明显。
（2）GPS RTK在公路中线测设与施工放样中的应用
公路设计人员根据大比例尺地形图完成公路设计后，需要进行公路中线测设工作，即根据设计中线坐标在实地确定道路中线的位置。GPS RTK在此工作中优势明显，首先将中线坐标文件输入到仪器手簿中，选取放样中线点，GPS RTK手簿会显示并提醒放样中线点的位置，根据提示移动即可完成中线测设工作。为了保证放样的精度，在放样前、放样中和放样后均需到已知控制点进行精度检核，检查GPS RTK的精度。由于GPS RTK测量没有累计误差，每个中线点均独立测设完成，故精度较高。同时，GPS RTK手簿中有功能多样的道理测设程序，可以利用专用程序完成放样点坐标的计算并直接放样，实现了计算-测设-施工一体化作业，且放样的精度可以达到厘米级，提高了施工的工作效率。
不过，由于GPS RTK测量时可能存在粗差，采用GPS RTK进行施工放样和道路中线测设时，需要做好检查工作。
（3）GPS RTK在横纵断面测量中的应用
横纵断面测量是公路工程测量的重要工作之一，可以在已有的大比例尺地形图上根据地形地物绘制，也可以采用传统方法或GPS RTK实测。采用传统的方法进行测量时，需要首先确定公路中线的位置，然后才能进行测量工作。采用GPS RTK的方法进行公路横纵断面测量时，可以实时在RTK手簿上显示公路中线的位置及横断面的测量范围，测量范围明确，数据采集速度快，提高了横纵断面测量的工作效率。
将GPS RTK采集到的数据整理后，采用断面成图软件，按照一定的比例尺，计算断面特征点的高程和距离即可完成横纵断面图的绘制工作。
（4）GPS RTK测量精度检核
在测量的过程中，多次到已知控制点进行精度检核，检查GPS RTK的测量精度，检查结果见表3-3。
可以看出，GPS RTK测量精度较高，平面较差均小于3cm，高程较差均小于4cm，可以满足地形图测量、施工放样及横纵断面测量的精度要求。
4、CORS在公路工程测量中的应用
在公路工程测量中，CORS测量内容与应用方向与GPS RTK相同，测量精度与GPS RTK一致。与GPS RTK相比，CORS无需架设基准站，单人单机即可进行测量，效率高速度快，仪器使用效率更高，且测量范围更大，测量成果更加稳定。近年来各地CORS建设完成和似大地水准面精化工作的开展，为公路工程测量提供了更加便捷的方式。
四、GPS的优点及局限性
（一）GPS的优点
1、GPS可以无需通视远距离测量。
传统的测量方法受到距离及通视条件的影响较大，通视条件差时测量难度非常大。而GPS测量方法通过卫星确定实地位置，不需要通视即可大范围远距离进行测量，与传统的测量方法相比，GPS技术在建立工程控制网、大范围测量等应用中的优势非常明显。
2、GPS的测量精度高、远距离测量时无累计误差。
目前GPS相对静态定位可以达到毫米级精度，GPS RTK也达到了厘米级精度，与传统的三角网、导线网等控制测量方式相比，GPS测量方法每个控制点均独立观测，无累计误差，保证了测量的精度。长距离带状的公路工程测量更能发挥GPS无累计误差的优势。
3、GPS测量劳动强度低，作业效率高。
与传统的测量方式不同，GPS测量更加自动化、智能化。采用GPS进行控制测量时，只需做好仪器架设工作并按时开机，GPS接收机即可自动完成数据采集及存储工作，无需人为进行干预；采用GPS RTK进行测量时，移动站单人即可完成测量工作，与全站仪等传统的测量方法相比，更加灵活高效，降低了劳动强度的同时，提高了测量的工作效率。同时，GPS测量成果数据均使用软件自动化处理，避免了人为误差，保证了成果的精度和可靠性。
4、GPS受外界环境影响小，可以全天候作业。
传统的测量方式受到光照、通视、天气（如大雾等）等影响较大，而GPS测量受到外界环境的影响较小，可以全天候进行测量（如夜间、大雾天气等）。
（二）GPS的局限性
1、在建筑物密集、高大树林区域测量受到了一定的限制。
由于GPS主要接收卫星信号，因此在建筑物密集的城市街道范围、高大密集树木的遮挡区域，GPS测量受到了一定的限制。采用GPS测量方式布设控制点时，控制点应尽可能避开建筑密集区，要求控制点上空开阔，上空15°范围内无高大建筑物和树木遮挡。在建筑密集区进行碎部测量时，可以采用GPS RTK与全站仪相结合的方式，可以充分发挥两者的优势，提高工作效率。
2、GPS RTK测量模式可能存在粗差。
采用GPS RTK方式进行测量时，由于测量点缺乏必要的检核条件，可能存在粗差且难以发现，因此需要做好检查工作。常用的检查方法有重复测量检查、传统测量方法检查等。重复测量检查即每个点均采用GPS RTK独立观测两次，比较两次测量成果较差，较差在允许范围内，可视为无粗差；采用全站仪对相邻的GPS RTK控制点进行距离和高差检核，当超限时，需要分析超限的原因并重新测量。
结 论
GPS技术在公路工程测量中的应用极为广泛，从工程设计阶段的首级控制测量、大比例尺地形图测绘到工程施工阶段的中线测设、施工放样及后期的竣工测量，均离不开GPS技术。同时，GPS技术具有无需通视远距离测量、精度高、无累计误差、测量劳动强度低，作业效率高、受外界环境影响小、可以全天候作业等一系列的优点，将会在工程测量中得到更加广泛的应用。
近年来，随着现代测绘技术的发展和进步，很多区域已经完成了CORS建设和似大地水准面的精化工作，综合运用CORS和似大地水准面精化成果，可以实时获取高精度
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论文作者:张琳
论文发表刊物:《基层建设》2015年29期
论文发表时间:2016/9/18
标签：测量论文; 精度论文; 地形图论文; 中线论文; 工程论文; 基线论文; 纵断面论文; 《基层建设》2015年29期论文;