GPS 定位技术在土木工程测量中的应用

王珲

（广东交通职业技术学院土木工程学院，广东 广州 510420）

1 GPS 定位技术概述

1.1 GPS 定位技术的特征

GPS 定位系统由三大部分组成。第一，是在太空中部署的卫星系统。第二，是在地面设置的监控系统。第三，是存放于设备中的信号接收系统。GPS 卫星系统，也称为GPS 星座，是由21 颗工作卫星与三颗在轨备用卫星构成。卫星轨道距地面2.02 万km。在定位地面物体时，至少会有4 颗卫星对地面接收器发射信号。地面监控系统的主要职能是控制卫星系统，由主控站、监控站、注入站构成。其会为卫星系统提供数据分析及天气监测。信号接受系统的主要功能是接受卫星传输的电子信号，并利用四项数据推导出自身的三维坐标以及时间差，以体现自身的实时定位。综合分析，GPS 定位技术的主要特征是以卫星位置为中心，分析定位物体的空间位置。

1.2 GPS 定位技术的优势

GPS 定位技术的主要优势可被概括为3 个方面。一是精度高。GPS 定位技术的误差，主要来自信号传输过程中产生的干扰。在民用领域，GPS 系统的静态测绘误差，通常可控制在厘米级别。若在干扰因素较少的环境中，其误差范围将得到进一步控制。二是操作便捷。GPS 系统的测绘工作主要由卫星系统完成，而地面人员的主要职能是完成辅助工作及信号接收，因此该系统的操作极为简便。三是应用范围广。GPS 系统可覆盖全球表面98%的区域，并可抗拒多种天气干扰，因此GPS 系统的应用极为广泛。同时，广泛的使用范围，进一步降低了该系统的边际成本，为GPS 系统设计接口，已经成为诸多领域的标配。

2 GPS 定位技术的发展与应用

2.1 差分GPS 技术在静态定位中的应用

GSP 静态定位被广泛应用于建筑测量，其发展趋势是不断提升测量精度。GPS 定位技术依赖于卫星信号的传送，卫星信号在穿越平流层的过程中会遇到干扰，从而使定位精度受到影响。通常情况下，民用领域的定位精度优于25m，在架设手持基站后可获得亚米级的定位精度。差分GPS 技术（DGPS），是利用同一点位信号差，提升定位精度的测量方法。该技术可提供更高的定位精度，因此已被广泛应用于土木工程测量。在使用中，测量人员应依据GPS 静态定位的操作方式，在指定点架设基站。之后应将GPS 检测接收机置于基站同坐标点。通过计算，可得到基站距GPS 卫星的改正数。同时，利用用户接手机接受基站发出的改正数据，可使定位结果得到修正，定位精度进一步提升。差分GPS 技术可具体分为位置差分、伪距差分以及载波相位。三者的工作原理相同，但发送的数据信息存在差异。

2.2 GPS 动态定位技术在土木工程中的应用

GPS 动态定位是指，借助卫星信号测量相对于地球运动的物体。相较于静态定位，其接受到的数据更多，其中包含三维坐标、三维速度以及七项时间参数。将该技术应用于桥梁、水坝等土木工程监测，可准确呈现建筑物的振幅、变形等数据。在土木工程监测环节，使用GPS 动态定位技术的过程中，可首先在观测建筑外设置基站，并将该基站视为精准位置。同时，在观测建筑内设置观测点，并利用接收机收集卫星信号。将某一时间段的位置数据叠加为时程曲线，可使该观测点的位移得到体现。借助GPS 动态检测技术，桥梁等工程的安全检测可获得保障。在具体应用中，测量人员也可结合使用地理信息系统（GIS）以及遥感系统（RS），从而构建出兼容三者的“3S 系统”。同时部分实验性测量中，也使用了测量机械人等新型技术，建筑物的动态检测将得到更多支持。

3 GPS 定位技术在土木工程测量中的应用

3.1 GPS 定位技术在桥梁测量中的应用

桥梁施工的难度较高，施工设计人员会利用三维图像模拟该桥梁的受力与抗风性能，从而使设计、施工更加合理。GPS 测量技术可有效提升桥梁施工测量的精度，并还原施工现场的地貌，因此，GPS 定位技术在桥梁施工测量中具有广阔的应用前景。广东省虎门大桥，是我国第一座应用GPS 定位技术的桥梁建筑。在使用中，测量人员首先利用差分GPS技术，收集桥桩等受力点的坐标。之后，利用线坐标绘制出桥梁剖面，并将该剖面转换为桥梁模型。同时，测量人员通过高斯投影，将桥梁模型转化为与施工现场表面弧度相符的桥梁模型及各关键点的三维坐标。在放样过程中，测量人员会利用GPS 定位系统再次确定桥梁模型的吻合度。在高程测量中，GPS 定位系统可提供测量精度。传统的测绘工具，需要设立参照物，但高点的参照物难以获得且不稳定，因此测量精度相对较低。但GPS 定位系统可依据地面基站假设相对距离点，因此其测量精度更高。

3.2 GPS 定位技术在道路、隧道测量中的应用

道路、铁路、管线与隧道工程中，大部分施工段会在野外进行。受到交通条件的影响，全站仪等测量工具无法在测量全程中得到使用。同时，受地形地貌的影响，高程测量的准确性也难以提升。有鉴于此，我国已在道路、铁路、管线与隧道工程中广泛应用了GPS 定位技术。例如，在我国的磨盘沟隧道、秦岭隧道、乌鞘岭隧道，均在测量环节使用了GPS 定位技术。道路勘测图纸极为狭长，各测量段的衔接对于精准度的要求较高。GPS 定位技术可通过高空视角俯瞰地面情况，全域施工现场将得到清晰呈现。在具体的应用中，测量人员应首先通过卫星地图，初步判断基站的安放点。之后，应通过GPS 静态定位，开展控制测量并建立首级控制网与加密网。其次，可借助GPS 快速定位技术，实施测图碎部点的采集以及图根点的测量。

3.3 GPS 定位技术在水坝测量中的应用

水库、水电站需要利用大型水坝拦截水流。当水库容量较高时，水坝将经受巨大推力。在水位变化时，水坝将在短时间内经受外部推力与内部拉力，水坝内部极易松动。有鉴于此，水坝需要得到及时加固与维护。但水坝的形态变化，不易通过肉眼判断，因此可借助GPS 定位技术完成日常测量。GPS 定位技术的测量精度较高，适用于大型建筑的测量。在具体的测量工作中，测量人员可首先在坝体外部设计测量点，并安放信号接收设备。之后，可在坝体中央设置两处观测点。以1h 为单位，测量人员可将接收到的卫星定位数据，制作成观测点的时程曲线，水坝振幅将得到准确观察。同时，GPS 动态检测可分为强迫振动、随机振动。在水坝检测中，测量人员可借助排洪、蓄水等作业，实施随机振动检测。

3.4 GPS 定位技术在城市工程中的应用

城市工程的施工难度较高，垂直作业与水平作业需要得到长期监测。因此，建筑工程需要同步开展前期测量与施工监测。在城市建筑的前期测量中，应将全站仪作为主要测量工具，而GPS 定位系统，应主要承担周边建筑分析与地形分析等职能。在具体的应用中，测量人员可首先使用差分GPS技术，准确定位建筑孔桩与边角。再有，高层建筑会对地面带来较大压力，受到地下水流变化等因素的影响，部分建筑所处位置会逐渐下沉。在受到建筑带来的压力后，地面表层会加速下沉。同时由于下沉位置并不均匀，因此建筑物也会出现开裂、倾斜等问题。因此，在施工过程中，应对建筑物实施动态监测。例如，测量人员可在建筑物外围设置GPS 接收装置，并在各直角设立监测点，最后应将连续收集的定位信息转化为时程曲线。

3.5 GPS 定位技术在机场跑道测量中的应用

机场跑道应保持轴线平直，其精度通常在±1″～6″。由于精度要求较高，测量人员应参与施工过程。自20世纪90 年代，我国就将GPS 定位技术应用于机场修建。在施工要求较高的机场中，应收集大地方位角，并使用精密计算软件或云计算系统，运算平面子午线敛角与方向带来的实际影响。而在建设精度要求较低的机场中，可利用GPS 定位技术取各轴线坐标，通过重叠对比可检测跑道平整度。

4 结语

GPS 定位技术的主要优势在于使用成本，因此其适用于大型测量及常态化监测。在静态定位中，测量人员应依据工程特征，设计检测基站。针对精度要求较高的测量项目，可结合使用差分GPS 定位技术。同时在水坝、桥梁等建筑物的监测工作中，可借助GPS 动态定位技术，提取观测点的时程曲线，以判断建筑物的振幅。综合分析，GPS 定位技术具有使用范围广、精度高、环境适应性强、成本低等优势，合理使用可使我国土木工程的测量技术得到进一步发展。