楊磊晶

（云南工業(yè)技師學(xué)院，云南 曲靖 655000）

1 GPS技術(shù)測量的特征

近幾年，GPS測量技術(shù)得以在高層建筑施工中大量應(yīng)用。就GPS測量技術(shù)的優(yōu)勢來說，在高層建筑施工期間，哪怕是密度特別低的基本控制網(wǎng)點，也能借助系GPS測量技術(shù)精準、快速定位。GPS測量技術(shù)的顯著特征如下：首先，此技術(shù)的測量精準度較高。當基線＜50km時，其精準測量度可實現(xiàn)1×10-6，若是基線長度大于1000km，那么，精準度可實現(xiàn)1×10-8，顯而易見，GPS測量技術(shù)的精準度優(yōu)勢明顯；其次，直接取消測站間相互通視的需求，使得測量工作更加靈活。GPS測量技術(shù)在應(yīng)用過程中，將測站間的互相通視的形式直接省去，可直接根據(jù)需求界定測試點；同時，GPS測量技術(shù)在觀測時間層面，也獨具優(yōu)勢。在GPS測量過程中，靜態(tài)相對定位的情況下，設(shè)站的時間只需要20min；若是動態(tài)觀測，只需要5~10s；最后，GPS測量技術(shù)操作簡便且靈活，能夠?qū)崿F(xiàn)接收機自動化完成測量作業(yè)。在測量工作中，測量工作者僅僅需要將測量儀器對中放好。那么，就可以快速量取高度。在開機之后依照測量要求設(shè)置一定的參數(shù)，接收機就能實現(xiàn)自動化作業(yè)[1]。

2 高層建筑測量中GPS技術(shù)的設(shè)計分析

2.1 高層建筑測量中GPS技術(shù)的設(shè)計依據(jù)

GPS技術(shù)依據(jù)涉及兩個層面，一種是測量任務(wù)書，另外一種是測量規(guī)范。其中，測量任務(wù)書是相關(guān)管理部門結(jié)合高層建筑的施工狀況，下達至下級業(yè)務(wù)部門的文件；此文件涉及測量高層建筑的范圍、精度以及目的。測量任務(wù)書是一種指令性的文件，當下級部門收到文件指示以后，一定要嚴格依照測量任務(wù)書的規(guī)定執(zhí)行設(shè)計并施工。而測量規(guī)范是指國家相關(guān)部門制定的硬性技術(shù)指標，明確界定GPS測量技術(shù)的實施步驟及要求。如測量部門針對建筑施工制定的全球性定位測量規(guī)范以及建設(shè)部門制定的有關(guān)GPS技術(shù)在城市測量中的相關(guān)規(guī)范等。

2.2 測量精度設(shè)計

GPS測量設(shè)計精準度的過程中會受到多種因素的影響，其中，GPS網(wǎng)的用途是影響GPS測量設(shè)計精準度的重要因素。在城市或者工程網(wǎng)內(nèi)，能夠結(jié)合相鄰兩點的距離劃分測量等級，此方式可以有效地測量精準度。在等級劃分過程中，嚴格界定城市、工程網(wǎng)的觀測點。以相鄰兩個觀測點的間距作為劃分依據(jù)，分別設(shè)置四個等級。一般而言，在高層建筑中兩個相鄰的觀測點的間距不會超過1km，通常在2級測量范圍內(nèi)。在測量精準度設(shè)計期間可結(jié)合等效距離的誤差公式，具體如下。

式中：a——接收機的誤差，并且誤差值一定要低于15mm；b——比例誤差，誤差值不能超過20ppm·D；d——GPS網(wǎng)中的相鄰點的間距，誤差不能超過1km。

GPS網(wǎng)技術(shù)設(shè)計的核心要素則是精度標準，精度的大小關(guān)乎GPS網(wǎng)的設(shè)計方案、觀測數(shù)據(jù)以及觀測計劃等處理方式。通常來說，如果邊長低于200m，那么邊長中的誤差不能超過20mm。在高層建筑施工期間，需要結(jié)合實際需要的人力、財力及物力等綜合情況，合理設(shè)計精度標準，或者結(jié)合建筑企業(yè)其他部門現(xiàn)有的作業(yè)經(jīng)驗及生產(chǎn)流程進行設(shè)計[2]。

2.3 高層建筑測量中GPS網(wǎng)的構(gòu)成和圖形設(shè)計

2.3.1 GPS網(wǎng)同步圖形的獨立邊設(shè)計

經(jīng)過GPS網(wǎng)設(shè)計的理論，可推算出，如果GPS接收機有N臺，共同構(gòu)成同步圖形中一個特定時段的GPS基線數(shù)如下。

然而，其中獨立存在的GPS邊只有N-1條，剩下的則是非獨立的GPS邊長，如果接收機N＝2~5時，其構(gòu)成的同步圖形如圖1所示。

圖1 N臺GPS接收機同步的觀測圖形

如果同步觀測的GPS接收機超過3個，那么，同步閉合的最小個數(shù)如下。

就理論層面而言，同步閉合環(huán)節(jié)中的每個GPS邊的坐標差之和應(yīng)該是零。然而，各個GPS接收機無法同步，使得同步閉合環(huán)的差值也無法是零。所以，GPS規(guī)范明確界定了同步閉合限差的規(guī)定。在實際測量過程中，如果同步閉合差值較高，那么，需要嚴格遵循線差的要求；不然，就要結(jié)合高層建筑實際情況適當放寬限差。在實際測量過程中，如果同步環(huán)閉合線差較小，那么，只能表明GPS基線向量的計算剛剛達到基本要求，無法代表GPS邊的觀測精度。為了充分保障GPS測量的精準度，及時發(fā)現(xiàn)測量誤差，那么，一定要使GPS獨立邊構(gòu)成特定的幾何圖形。這類幾何圖形，可能由多條GPS獨立邊構(gòu)成非同步的多邊形，如四邊形、六邊形等。如果GPS網(wǎng)中起算點有若干個，那么，可用兩個起算點之間的多余GPS獨立邊，構(gòu)成合格線路。而相對于異步環(huán)的構(gòu)成而言，需要事先選定網(wǎng)圖進行設(shè)計，如果需要的話，需要審核通過，或者結(jié)合工程的實際情況優(yōu)化調(diào)整。如果接收機超過3臺，依照軟件功能自動挑選獨立基線構(gòu)成環(huán)路。N，J，T之間的關(guān)系如表1所示。

表1 N，J，T之間的關(guān)系

2.3.2 GPS圖形網(wǎng)的設(shè)計

GPS網(wǎng)的圖形設(shè)計主要由用戶的要求所決定，還涉及人力、物力、接收設(shè)備的類型、財力等多種和網(wǎng)設(shè)計有關(guān)的因素。高層建筑測量工程錯綜復(fù)雜，需采取合理、科學(xué)的方式，在滿足用戶要求的同時，將各項誤差降到最低。

（1）GPS網(wǎng)的圖形設(shè)計原則。

GPS網(wǎng)通常借助非獨立同步觀測邊構(gòu)成符合線路和若干個閉合環(huán)，以此來強化測量的條件，提升GPS網(wǎng)的可靠性和穩(wěn)定性。GPS網(wǎng)點需和原有地面的控制網(wǎng)點有效結(jié)合；同時確保重合的點不能低于3個，如果重合點低于3個，需要進行聯(lián)測，同時，網(wǎng)絡(luò)設(shè)計需均勻分布，進而能精準確定GPS網(wǎng)和地面網(wǎng)之間的轉(zhuǎn)換參數(shù)。為了保障GPS測量工作的精準性，可適時采用城市坐標系統(tǒng)，標識所有符合GPS網(wǎng)點要求的舊網(wǎng)點[3]。

（2）GPS網(wǎng)的圖形形式。

一般而言，GPS網(wǎng)的獨立觀測邊一定要構(gòu)成幾何圖形。圖形形式通常有星形網(wǎng)、環(huán)形網(wǎng)以及三角形網(wǎng)等。三角形網(wǎng)是由非同步的三角形邊及獨立觀測邊組成，其優(yōu)勢特征顯著，如自己的能力好、穩(wěn)定性高、幾何結(jié)構(gòu)強等，經(jīng)平差后網(wǎng)中相鄰點間基線向量的精度分布均勻。三角形網(wǎng)的不足之處是觀測量過大，特別是接收機數(shù)量欠缺時，將會降低觀測的效率和質(zhì)量。所以，如果對GPS網(wǎng)要求較高，可運用此種圖形；與此同時，還有環(huán)形網(wǎng)，由多個獨立觀測條閉合而成。圖形的結(jié)構(gòu)強度不如三角形。環(huán)形的優(yōu)勢在于觀測量小，可靠性及自檢性較好，不足之處是對于不是直接觀測的基線條，其精準度會明顯降低，使得相鄰點間的基線精度分布不均；還有星形條，幾何圖形簡單，每個直接觀測邊不會構(gòu)成任何閉合圖形，因此，檢驗和誤差值較大。不過，這種圖形的網(wǎng)僅需兩臺接收機便能作業(yè)；如果用三臺儀器，可將一臺作為中心站，另外兩臺用于作業(yè)流動，不會受同步條件的約束。采用WGS-84的坐標系測定點位坐標，每點坐標則要用坐標轉(zhuǎn)換參數(shù)實行轉(zhuǎn)換。

在高層建筑中測量GPS網(wǎng)的圖形一般采用環(huán)形網(wǎng)或者三角形網(wǎng)。如果條件允許，也可融合環(huán)形網(wǎng)和三角形網(wǎng)同時運用，進而形成混合網(wǎng)，混合網(wǎng)在保障網(wǎng)幾何強度的同時，還能充分保障網(wǎng)的穩(wěn)定性，進而有效降低高層建筑的施工成本及施工量。因此，混合網(wǎng)應(yīng)該是高層建筑測量中GPS測量的首選，如圖2所示。

圖2 環(huán)形網(wǎng)和三角形網(wǎng)混合連接的圖形

由圖2可以看出，三臺接收器的觀測方案可以構(gòu)成10個同步三角形，6條復(fù)測基線邊，2個異步環(huán)。獨立基線數(shù)是20條，總基線數(shù)是29條。圖3的圖線呈封閉狀，可靠指標有效提升，相比較環(huán)形網(wǎng)，其外部作業(yè)量明顯減少[4]。

2.3.3 GPS網(wǎng)基準設(shè)計

GPS測量所獲得的數(shù)據(jù)是GPS的基線量，位于WGS-84坐標系，是一種三維坐標差。但是高層建筑施工的標準坐標系是地方獨立坐標系或者國家坐標系。因此，GPS網(wǎng)在技術(shù)設(shè)計過程中，需清晰界定GPS成果的起算數(shù)據(jù)和坐標體系，也就是GPS的基準設(shè)計。GPS網(wǎng)的基準包含尺度、方位、位置。尺度基準的確定方式由地面的電磁波觀測的數(shù)據(jù)邊所決定，也可借助GPS基線的向量距離決定。GPS的方位基準通常用既定的起算方位界定，或者GPS基線向量的方位決定方位基準。而GPS網(wǎng)的位置基準則是通過既定的起算坐標所決定。所以，GPS網(wǎng)的基準設(shè)計，主要是為了確定網(wǎng)的位置基準。

高層建筑測量GPS網(wǎng)基準設(shè)計時，可注意以下3點：①為了確定GPS點在地面坐標系的坐標，需合理選定計算數(shù)據(jù)，并聯(lián)測若干個控制點，以此來轉(zhuǎn)換坐標。在選定聯(lián)測點的過程中，可借助舊材料，提升新材料的精準度。②除了未知點連接圖形觀測以外，也要適當構(gòu)成長邊圖形，以此來降低GPS網(wǎng)約束平差后的誤差以及坐標的均勻性。③經(jīng)平差計算GPS網(wǎng)之后，可以計算出GPS點在地面參照坐標系的高度，為了充分保障GPS點的正常值，可結(jié)合高層建筑的觀測情況，計算分析符合精度的觀測要求，以便更好地應(yīng)用于高層建筑施工。

3 高層建筑測量中GPS技術(shù)的應(yīng)用策略

以我國某省高層建筑為例，在高層建筑中應(yīng)用GPS定位技術(shù)，首先，需建立并確定大地坐標系（WGS-84）和工程施工坐標系的內(nèi)在的轉(zhuǎn)換關(guān)系，以便為后期施測GPS基準傳遞使用。

3.1 GPS測量基準建立

此高層建筑施工坐標系，屬于獨立高層建筑工程施工的獨立坐標系。為了便于放樣，4個測量基點數(shù)設(shè)置在主體建筑物內(nèi)，也就是內(nèi)控法。根據(jù)建筑施工場地小、周期短、精度高等特征，在高層建筑的施工圍墻外增設(shè)兩個較為穩(wěn)定的臨時基準點XM01和XM02，將兩個臨時基準點作為GPS基準傳遞的基準，如圖3所示。

圖3 GPS施工測量基準點

上述兩個基準點的作用是在測量過程中將其中一點固定，作為GPS測量的起算點；將兩點固定，可將此作為起算方位，進而精準確定GPS的網(wǎng)平差和測量基準，保障每次都能夠形成統(tǒng)一的起算方位和基準。將初次測量GPS的定位基準作為GPS的起算方位和坐標。同時，每次轉(zhuǎn)換GPS測量成果時一定要采用統(tǒng)一的轉(zhuǎn)換參數(shù)，充分保障坐標轉(zhuǎn)換成果基準的一致性，轉(zhuǎn)換參數(shù)同樣是由首次GPS測量所決定[5]。

3.2 GPS測量基準點的位置

XM01點設(shè)置在高層建筑的屋面上，此建筑的屋面便于保護、使用和設(shè)點。點位和建筑主體間距是90m，天空通視情況較好。XM02點設(shè)置在高層建筑施工圍墻外的混凝土路面上，點位基礎(chǔ)穩(wěn)定牢固，不會過多的有交通影響，有利于設(shè)點，點位和高層建筑主體的間距是140m。

3.3 GPS測量基準傳遞

此高層建筑的GPS測量處于傳統(tǒng)建筑的首次試驗，測量方案和實施計劃嚴格依照國家及測量行業(yè)的規(guī)范所制定。為了充分保障高層建筑的正常施工，選定局部樓層實行GPS測量基準傳遞，對比分析測量結(jié)果可知，GPS測量能夠充分滿足高層建筑的應(yīng)用需求。

4 結(jié)語

綜上所述，GPS測量技術(shù)在高層建筑中的有效應(yīng)用，能夠充分保障高層建筑測量的精準度、效率及質(zhì)量，在我國建筑行業(yè)中的實施效果顯著。相比較傳統(tǒng)的建筑施工定位技術(shù)，GPS測量技術(shù)優(yōu)勢較多，能夠最大限度降低測量的工作量和人工誤差，實現(xiàn)精準傳遞和高效定位，對樓層施工控制網(wǎng)基點的選擇約束較小。