GPS测量技术在工程测绘中的应用

汪建林

(贵州省水利水电勘察设计研究院，贵州 贵阳 550002)

全球定位系统(GPS)是“卫星授时测距导航／全球定位系统”的简称，它在测地中的应用包括：建立和测定大地控制网点；地图测绘；建立地理信息系统；公路、铁路及其他大型工程建设的测量；研究地球动力学现象，包括测量地球外壳畸变、火山隆起、地震预测、大地板块结构及地球旋转等。目前GPS接收机能进行动态、准动态、快速静态等多种测量工作方式，使定位精度达到(3mm十1×10-7.D)(D为测量距离)，观测时间由原几小时缩短到几分钟，扩拓了它在大地测量中的应用。

GPS在测量中的应用广泛，本文重点分析大地控制网点、水下地形测绘和地球动力学对地震的预测。

1 测定大地控制网点

我国的国家高精度GPS大地测控网布测工作从1991年开始，目的是建立全国性的新的一代基础大地测控网，由陕西测绘局、四川测绘局、黑龙江测绘局和武汉测绘大学承担。它是利用先进的GI)S技术对我国的基础控制网进行重测，以提高网点测量精度，优化我国大地测控网，并为地球动力学的研究提供基础数据。布测工作于1996年完成，目前重测后的A级网点有27个，B级网点760个。

我国的许多省市引进了GPS测量设备，布测本地区、本市的控制网点，扩大控制面积，为本地区的开发和制定城市建设规划起了积极的作用。

2 在水下地形测绘中的应用

2.1 采用实时差分GPS定位

海洋资源开发利用、海港建设和改造、航道疏浚和整治；海岸和江岸码头的施工和设计等，所有水下工程都需要精密的水下地形图。而绘制精密水下地形图都必须进行水深和平面位置的三维测定，然后来用微机进行水下地形图的绘制。

水深的测量利用测深仪。根据超声波测量水深的原理，由换能器发射的声脉冲到达海底反射回来，接收器接收反射脉冲，并测定发射至接收之间的时间 t，求得水深 h＝1／2Vt。这里，V 为声波在水中的传播速度，V约为1500 m／s。在水深测量的同时，还利用潮位仪进行潮位测定，用以改正水深测量值，最后求得水下地形的高程。

平面位置的测量，以前采用经纬仪、经外测距仪或三应答器等无线电定位设备。这些设备都具有操作复杂、外界条件要求苛刻等问题，应用十分不便。GPS的出现，开拓了解决平面位置测量的新途径，但是采用单频C／A码定位精度不高，不能进行大比例尺水下地形测绘。应用差分GPS技术可以解决这一问题。

将测深仪、潮位仪、差分GPS接收机以及终端设备结合起来，就购成一套完整的测量船上的水下测绘系统。图1为该系统的一种测绘框图。这里，DGPS接收机接收GPS卫星信号和来自差分基站的校正信号，用基台校正数据修正测量船蹬S测量误差。在航行前，预先在计算机中输入测线首尾点坐标。在测量工作时，DGPS接收机将测定的坐标参数输入计算机，经计算与坐标转换，在彩色显示屏上实时显示航迹线及各种导航参数，包括测线号、定位序号、定位时间、基线方向角及航向角、偏离航线距离、离测线起点和终点的距离。操作者根据导航监视器显示的参数，可随时修正航向，沿计划航线航行。定位采样间隔取l s。定位时、计算机自动打印记录，并将数据存于硬盘和软盘。

图1 测量船上的水下测绘系统

在定位的同时，通过同步定时器给测深仪和潮位仪发出定标信号，使定位采样、测深采样和潮值采样同时进行。同步定标器设置了多条控制线，还可连接其他测试仪器同时定标。

按《海上测量规范》要求，海上定位点平面位置误差为图上1.5mm。采用实时DGPS测量精度能达到土2m，可用于大于1：2000比例尺的测图。

2.2 采用后处理差分GPS动态定位

GPS后差分动态定位是将两台GPS接收机分别设于差分基站和船站，同步测量来自相同卫星组的导航信号，利用基站得到的校正值，对船站定位数据进行测后修正。后处理GPS测绘系统的框图基本上同图1，仅是DGPS接收机用GPS接收机替代。

后差分技术要求船站与差分基站同日报收来自至少三颗相同卫星的信号，并记录在硬盘和软盘中，在事后进行数据处理。将基站和船站记录的数据拷入同一计算机进行须处理，形成统一的数据格式。利用后差分软件计算基站GPS测定位置与已知位置的差值，即差分改正数。然后，按照时间对应的方法用此改正数对船站测得的GPS数据进行校正，求得修正后的船载接收机天线所在位置的精确地理坐标。

后处理差分的优点是不受船站与基站之间障碍物的影响；可以多个船站同时工作，将测试结果进行家后分别处理，互不影响。后处理差分可以满足小于1ll万比例尺的各种测绘及海上工程测量定位。它的缺点是两地必须采用同一组卫星信号。

后处理差分在我国水下测绘中得到应用，例如，国家海洋局第一测绘所利用该技术测绘1：5万比例尺的广西沿海海底的地形。测量数据表明，GPS后处理差分动态定位精度优于15m的占总测点数的95%以上，最大的误差值为25m，符合《海道测量规范》。

3 在研究地球动力学和地震预报中的应用

观测地壳运动，研究地球动力学问题，特别是地震前兆的地形变化是地质学家的重要课题，也是测绘工作者的任务，用传统的大地测量方法取得了不少宝贵的资料。国内外资料表明，地壳确实存在运动，但这种运动是十分缓慢的。日本、美国的地面水平形变每年为10-7量级，我国、日本及原苏联等国的地面垂直形变每年为几毫米。有人认为我国华南板块向东南方向滑动速率为每年21mm，而有人即认为每年在5mm以内。我国唐山大地震前的资料表明地面垂直形变几十毫米，水平形变每年l0-6。远远小于地震后的地面高达几米的永久形变。一般的地壳形变在时空分布是不均匀的，时快时慢，有的地方显著，有的地方微小，其规律有待进一步观测研究。

用传统的大地测量技术观测地壳运动精度低，范围小，水平形变观测精度在10-6以下，直接观测范围最多仅为几十公里；并且复测周期长，如在我国复测一次需数年，耗资巨大。这就限制了对地壳运动及地形变前兆的研究。GPS技术弥补了传统大地测量技术的不足，适应地球动力学及地震预报研究的需要。

在国外，美国、日本等国利用GPS技术研究地球动力学与地震预报已做了大量的工作。日本的研究主要针对地震预报，早在1988年在日本关东地区建立了世界上第一个监测地壳形变的GPS观测网，观测到板块的运动。美国的地震预报研究主要集中在有可能发生大地震的西部加里福尼亚地区和加洲南部地区，在南加洲已布设了连续监测地壳形变的永久GPS观测台阵，观测台的间隔为100km，沿断层则加密至10km。1991年，中美和中意合作在我国西藏地区开始了板内运动状态的GPS测试试验，随后进行了较大规模的板块运动状态势测试。

监测洲际间的板块运动，不仅有助于研究地球动力学问题，也是研究全球地震活动规律的需要，国际试验和研究表明，对于500 km以内的GPS站间距离测量，能达到土(5mm十1×10-8D)的测量精度，三维位置达到土3cm左右，它们的重复测量精度也为10-8量级。这样的精度正好满足板块运动状态的精度要求。有人认为，利用GPS精密定位技术长距离测量可达到10-9量级的精度，即1000km仅有几毫米的误差。

4 结束语

与传统测绘方法相比，GPS测绘具有定位速度快、成本低、不受天气影响、点间无需通视、不用建标等优点，而且仪器设备小巧轻便，操作简单便捷。经过20余年的实践证明，GPS系统是一个高精度、全天候和全球性的无线电导航、定位和定时的多功能系统。GPS技术已经发展成为多领域、多模式、多用途、多机型的国际性高新技术产业。

[1]刘基余.GPS 导航定位原理与应用[M].北京：科学出版社，2003.

[2]徐绍铨，张华海等.GPS测量原理及应用(修订版)[M].武汉：武汉大学出版社，2003.1.