馬春
亳州市巖土勘測(cè)設(shè)計(jì)院限公司 安徽 亳州 236000
衛(wèi)星和接收器之間的距離,正如GPS系統(tǒng)所測(cè)量的那樣,是通過從衛(wèi)星向地面發(fā)送電磁信號(hào)并將其反射回衛(wèi)星來計(jì)算的。電磁波信號(hào)被加載了由鋇組成的“距離代碼”。沒有量程代碼意味著量程的測(cè)量精度不高,不能直接用于某些測(cè)量精度高的領(lǐng)域。因此,被測(cè)信號(hào)成為直接載波,載波有幾個(gè)優(yōu)點(diǎn),最重要的是波長(zhǎng)和距離的高精確度。
GPS定位的基本原理是利用空間逆向距離法測(cè)量一個(gè)固定點(diǎn)的坐標(biāo)。載波信號(hào)從至少四顆衛(wèi)星上同時(shí)傳輸,從載波信號(hào)返回衛(wèi)星的反射時(shí)間計(jì)算出當(dāng)前衛(wèi)星與被測(cè)點(diǎn)之間的距離s=c×t/2,并從衛(wèi)星的導(dǎo)航數(shù)據(jù)中獲得衛(wèi)星在某一特定時(shí)間的三維坐標(biāo),然后可以根據(jù)四顆衛(wèi)星與被測(cè)點(diǎn)的距離計(jì)算出被測(cè)點(diǎn)的位置。
根據(jù)測(cè)量的類型,GPS定位可分為絕對(duì)定位、靜態(tài)相對(duì)定位和動(dòng)態(tài)相對(duì)定位:①絕對(duì)定位也被稱為單點(diǎn)定位。如果直接測(cè)量被測(cè)點(diǎn),可以根據(jù)衛(wèi)星信號(hào)的接收情況計(jì)算距離,可以直接測(cè)量被測(cè)點(diǎn)的絕對(duì)地心坐標(biāo)。這些信息主要以經(jīng)度和緯度表示,在技術(shù)測(cè)量中很少使用。②靜態(tài)相對(duì)定位是指使用兩個(gè)或兩個(gè)以上的接收機(jī)進(jìn)行測(cè)量,通過差分法獲得被測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)。這種方法在技術(shù)大地測(cè)量中被廣泛使用,其特點(diǎn)是精度高,一個(gè)點(diǎn)的精度是以毫米計(jì)算的。③動(dòng)態(tài)相對(duì)定位就是所謂的GPS-RTK調(diào)查。首先,需要有一個(gè)參考站和一個(gè)移動(dòng)站,這兩個(gè)站同時(shí)接受來自衛(wèi)星的信號(hào),通過信號(hào)傳遞數(shù)據(jù),而移動(dòng)站的數(shù)據(jù)是作為移動(dòng)站的差值和衛(wèi)星間的差值兩個(gè)的第二差值來接收。但是運(yùn)用這種方法比較簡(jiǎn)單,測(cè)量效率比較高,精度低,只能厘米級(jí)。
GPS系統(tǒng)是一個(gè)用于無線電導(dǎo)航系統(tǒng)的衛(wèi)星信息處理系統(tǒng),能夠測(cè)量距離和時(shí)間,由三個(gè)主要部分組成。用戶設(shè)備、衛(wèi)星星座和地基跟蹤系統(tǒng),與傳統(tǒng)的測(cè)量技術(shù)相比,GPS測(cè)量技術(shù)的特點(diǎn)是定位精度高,觀測(cè)時(shí)間短,應(yīng)用范圍廣,操作簡(jiǎn)單,可在各種天氣條件下連續(xù)工作。在數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)方面,GPS衛(wèi)星的數(shù)量分布良好,其范圍也很大。該系統(tǒng)可以在三個(gè)維度上定位,監(jiān)測(cè)地面上的任何位置、環(huán)境和時(shí)間段,更加靈活。無論何時(shí)、何地、如何使用GPS測(cè)量技術(shù),它都比傳統(tǒng)的測(cè)量和制圖技術(shù)有更多的優(yōu)勢(shì),它在工程測(cè)量和制圖中的實(shí)際應(yīng)用應(yīng)進(jìn)一步探索。
首先,利用GPS可以實(shí)現(xiàn)快速定位,技術(shù)測(cè)量的定位發(fā)生了變化,尤其是實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位,由于移動(dòng)站在定位前進(jìn)行了初始化和穩(wěn)定,監(jiān)測(cè)時(shí)間只有幾秒鐘,這不僅縮短了監(jiān)測(cè)時(shí)間,而且提高了效率。其次,GPS定位的精確度相對(duì)較高。根據(jù)不同的風(fēng)險(xiǎn),GPS定位技術(shù)可以提供毫米級(jí)的靜態(tài)定位和厘米級(jí)的動(dòng)態(tài)定位。根據(jù)技術(shù)經(jīng)驗(yàn)和實(shí)踐,使用載波相位監(jiān)測(cè)進(jìn)行靜態(tài)定位可以提高定位精度。第三,GPS實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)定位;GPS技術(shù)用于快速、動(dòng)態(tài)、實(shí)時(shí)定位,簡(jiǎn)而言之,用于確定移動(dòng)目標(biāo)的三維位置和速度,確保載體沿著預(yù)定的軌跡移動(dòng),并選擇最佳軌跡。最佳彈道。第四,GPS允許在任何時(shí)候進(jìn)行跟蹤。眾所周知,GPS衛(wèi)星的數(shù)量相當(dāng)多,而且均勻地分布在世界各地,因此,在任何天氣條件下都可以進(jìn)行跟蹤,而且不受雷電的影響。第五,GPS測(cè)量技術(shù)易于使用。在這個(gè)階段,GPS測(cè)量技術(shù)的易用性和高度自動(dòng)化已成為主要優(yōu)勢(shì)。之所以有這些特點(diǎn),是因?yàn)镚PS測(cè)量技術(shù)有許多先進(jìn)的技術(shù),并結(jié)合不同的技術(shù)來提高整體測(cè)量性能。操作員往往只需要在調(diào)查期間收集數(shù)據(jù),這減少了工作量,提高了效率。
以往的工程測(cè)量工作中,技術(shù)人員需要拿著各種測(cè)量工具進(jìn)行實(shí)地測(cè)量,一是需要花費(fèi)較多的時(shí)間,二是像橋梁工程、隧道工程等,周邊地勢(shì)較為險(xiǎn)峻,容易給技術(shù)人員帶來安全威脅。
對(duì)于一些規(guī)模較大的工程,前期需要測(cè)量和準(zhǔn)備的工程數(shù)據(jù)較多。技術(shù)人員在實(shí)際開展測(cè)量工作時(shí),還必須要考慮到氣候條件、地形地貌等因素的影響。例如,在利用測(cè)量工具進(jìn)行實(shí)地測(cè)量時(shí),如果遇到惡劣天氣,不僅會(huì)對(duì)設(shè)備造成損害,而且也難以保證獲取數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。GPS測(cè)量技術(shù)則可以有效避免外界環(huán)境因素對(duì)測(cè)量工作的影響,全天24小時(shí)可以不間斷地進(jìn)行測(cè)量作業(yè)。技術(shù)人員可以隨時(shí)調(diào)去測(cè)量數(shù)據(jù),以便于為工程設(shè)計(jì)和施工提供必要的支持,對(duì)于加快工程進(jìn)度、降低作業(yè)成本起到了積極作用。
如何實(shí)現(xiàn)測(cè)量數(shù)據(jù)的快捷處理,是GPS在工程測(cè)量應(yīng)用中的需要考慮的最后一個(gè)環(huán)節(jié)。同時(shí),利用通信衛(wèi)星獲取的目標(biāo)區(qū)域信息,除了包含工程建設(shè)所需要的數(shù)據(jù)外,還涉及許多"無用"的其他數(shù)據(jù)信息。通過計(jì)算機(jī)專業(yè)軟件的篩選和整理,可以將這些對(duì)于工程建設(shè)無用的數(shù)據(jù)信息過濾掉,減輕了計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理壓力,從而能夠更加快速的得出測(cè)量結(jié)果。通過對(duì)比測(cè)量結(jié)果也可以發(fā)現(xiàn),利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)整理,還能夠有效避免人工數(shù)據(jù)整理中可能存在的誤差,從而提升了測(cè)量結(jié)果的應(yīng)用價(jià)值。
GPS測(cè)量技術(shù)的主要應(yīng)用可以分為兩部分今天人們生活中最知名的GPS技術(shù)是汽車導(dǎo)航系統(tǒng);GPS導(dǎo)航系統(tǒng)已經(jīng)成為汽車的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備。此外,GPS技術(shù)還被用于地球物理學(xué)、采礦和建筑領(lǐng)域。環(huán)境條件:GPS技術(shù)可以被衛(wèi)星系統(tǒng)準(zhǔn)確檢測(cè)到,因此很少受到天氣條件、地形和溫度的阻礙[1]。使用GPS技術(shù)可以幫助減少惡劣的自然環(huán)境造成的障礙,因?yàn)楣こ虦y(cè)繪經(jīng)常在戶外或自然條件極端惡劣的地區(qū)進(jìn)行。
GPS技術(shù)是物理學(xué)和高等幾何學(xué)精密結(jié)合的結(jié)果,它既是測(cè)量技術(shù)的創(chuàng)新,也是一種有用的應(yīng)用。目前GPS技術(shù)的使用對(duì)地基接收器的計(jì)算和數(shù)據(jù)信息系統(tǒng)提出了很高的要求。其中,靜態(tài)相對(duì)定位法主要用于安裝在多條基線上的地面接收機(jī),因?yàn)樗鄬?duì)容易使用,而且可以連續(xù)觀測(cè)長(zhǎng)達(dá)40min[2]。在用動(dòng)態(tài)相對(duì)定位方法對(duì)載體進(jìn)行相對(duì)觀測(cè)的基礎(chǔ)上,有必要選擇一個(gè)地面站,對(duì)不同時(shí)間產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)信息進(jìn)行連續(xù)的實(shí)時(shí)觀測(cè),并保證控制點(diǎn)的準(zhǔn)確性,形成一個(gè)確定的散射區(qū)。通過這種方式,可以在不同的時(shí)間點(diǎn)對(duì)動(dòng)態(tài)信息進(jìn)行連續(xù)和實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)。對(duì)于三維定位,一個(gè)GPS接收器必須與至少4顆衛(wèi)星通信;對(duì)于厘米級(jí)的實(shí)時(shí)定位,它必須與至少五顆衛(wèi)星同時(shí)通信。通常情況下,有24至27顆衛(wèi)星在圍繞地球的軌道上運(yùn)行,其中至少有6顆衛(wèi)星可以在10°的水平角度上觀察到。使用GPS的效率并不高,因?yàn)樾l(wèi)星信號(hào)很容易被高大的建筑物和山脈阻擋,而接收器的位置也會(huì)受到不同程度的阻擋。在這種情況下,測(cè)量人員可以將其與常規(guī)測(cè)量方法結(jié)合起來使用。(如圖1)
圖1 測(cè)量人員使用GPS定位
一般來說,在調(diào)查開始之前,應(yīng)該明確是要進(jìn)行靜態(tài)還是動(dòng)態(tài)調(diào)查。這兩種方法都有其優(yōu)勢(shì),在不同的情況下需要不同的調(diào)查方法[3]。特別是對(duì)于大型建筑,如隧道和橋梁,使用靜態(tài)測(cè)量,而對(duì)于要求不高的公共道路,可能使用動(dòng)態(tài)測(cè)量,有必要確??刂凭W(wǎng)絡(luò)和其精度滿足基本要求。在GPS勘測(cè)過程中,會(huì)獲取不同的數(shù)據(jù),定位精度可能會(huì)有變化,但如果精度符合基本要求,就應(yīng)該停止勘測(cè)。
在許多情況下,必須在施工前繪制地形圖。當(dāng)?shù)匦螆D的比例尺不確定時(shí),根據(jù)實(shí)際情況采用不同的方法進(jìn)行地形測(cè)繪。造成這種現(xiàn)象的原因與傳統(tǒng)測(cè)量相同,測(cè)量方法緩慢而費(fèi)時(shí),工作量大,因?yàn)樗赡苁艿皆S多因素的影響。在傳統(tǒng)測(cè)量中,方法慢、時(shí)間長(zhǎng)、工作量大、結(jié)果不準(zhǔn)確,嚴(yán)重阻礙了技術(shù)測(cè)量的正常發(fā)展。然而,通過使用GPS測(cè)量方法,可以在不同階段獲取數(shù)據(jù),沿線移動(dòng)1~5mm而不浪費(fèi)時(shí)間,獲得正確的參數(shù),最后結(jié)合所有數(shù)據(jù),使用制圖軟件來制作正確的地形圖。
施工水準(zhǔn)點(diǎn)在建筑工程中起著重要的作用,傳統(tǒng)的測(cè)量方式有很大的誤差,我們通常把水準(zhǔn)儀定在100~500m。利用GPS測(cè)量技術(shù),可以更準(zhǔn)確地設(shè)置水準(zhǔn)點(diǎn),因?yàn)镚PS接收站分析了衛(wèi)星發(fā)送的數(shù)據(jù),準(zhǔn)確地計(jì)算了水準(zhǔn)點(diǎn)之間的距離。每隔200m,就可以準(zhǔn)確地設(shè)置水平標(biāo)記,以幫助施工項(xiàng)目智能地進(jìn)行,避免未來的錯(cuò)誤。
GPS測(cè)量技術(shù)主要是運(yùn)用衛(wèi)星進(jìn)行定位,使其在空間內(nèi)形成一定的圖形,然后根據(jù)尺寸比例進(jìn)行公式計(jì)算[4]。觀測(cè)人員在進(jìn)行實(shí)際數(shù)據(jù)讀取時(shí)還應(yīng)注意大氣折射的影響,在綜合考慮個(gè)方面因素后計(jì)算得出較為準(zhǔn)確的工程測(cè)量值。
GPS雖然能夠獲取較為直觀和準(zhǔn)確的目標(biāo)地理信息,但是這些信息僅僅局限于地表,對(duì)于水下、地下以及茂密植被覆蓋下的地理信息,則不能準(zhǔn)確獲取。因此,部分細(xì)節(jié)性的地理信息,仍然需要通過實(shí)地測(cè)量獲取。但是像水利工程、隧道工程,其施工現(xiàn)場(chǎng)往往在山區(qū)等地勢(shì)險(xiǎn)要的位置,既不便于測(cè)量設(shè)備展開作業(yè),又會(huì)給測(cè)量人員安全帶來較大的威脅。針對(duì)此類問題,則可以利用GPS的虛擬現(xiàn)實(shí)測(cè)繪功能,通過對(duì)比目標(biāo)區(qū)域周邊的地質(zhì)、環(huán)境信息,對(duì)待測(cè)目標(biāo)進(jìn)行虛擬繪制,得出相對(duì)準(zhǔn)確的地理信息。
在城市發(fā)展和空間規(guī)劃的過程中,跟蹤土地動(dòng)態(tài)是至關(guān)重要的。它通過從自然和社會(huì)角度審查一個(gè)地區(qū)的土地利用狀況,為后續(xù)的土地利用規(guī)劃提供了一個(gè)參考點(diǎn)。土地動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)可以利用GPS測(cè)量技術(shù)提供更詳細(xì)的數(shù)據(jù)。例如,就公共交通而言,在制定最明智、最合理的交通規(guī)劃之前,必須深入了解沿線居民的生活需求和農(nóng)業(yè)用地的實(shí)際分布。在這種情況下,可以利用GPS測(cè)量技術(shù),在短時(shí)間內(nèi)收集規(guī)劃區(qū)的所有土地資源信息,并建立一個(gè)三維地圖模型。然后,測(cè)量人員可以通過三維模擬地圖和收集的測(cè)量數(shù)據(jù),直觀地了解規(guī)劃區(qū)的實(shí)際情況。
在城市建設(shè)過程中,利用GPS技術(shù)可以保證城市控制網(wǎng)的整體精度在合理范圍內(nèi),同時(shí)相關(guān)區(qū)域和特定頻率標(biāo)準(zhǔn)相對(duì)較高。然而,在施工過程中,城市控制網(wǎng)絡(luò)經(jīng)常暴露在各種因素之下,這些因素會(huì)造成嚴(yán)重的損壞,甚至導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)故障。因此,城市控制網(wǎng)應(yīng)重點(diǎn)加強(qiáng)監(jiān)測(cè)和建設(shè),不斷提高控制點(diǎn)的實(shí)際精度。使用GPS技術(shù)可以確保城市規(guī)劃的準(zhǔn)確性,并且可以清楚地報(bào)告實(shí)際覆蓋情況。
總之,土木工程項(xiàng)目的數(shù)量在增加,土木工程的范圍也在擴(kuò)大。特別是一些技術(shù)問題和復(fù)雜的項(xiàng)目,如大型橋梁和隧道,都得到了解決。在土木工程項(xiàng)目的實(shí)施中,應(yīng)進(jìn)行工程測(cè)量,其作為一種先進(jìn)的測(cè)量技術(shù),GPS測(cè)量技術(shù)具有操作簡(jiǎn)單、精度高、不受時(shí)間和空間限制、適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),因此在工程測(cè)量中得到了廣泛的應(yīng)用。GPS自動(dòng)測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用,降低了人力、物力成本,提高了測(cè)量效率,改善了測(cè)量質(zhì)量,值得在工程測(cè)量中推廣和使用。同時(shí),隨著技術(shù)的不斷完善,GPS技術(shù)將與信息和計(jì)算機(jī)技術(shù)深度融合,更好地發(fā)揮GPS技術(shù)的作用,更好地管理項(xiàng)目建設(shè)。