GPS测绘技术在工程测量中的应用解读

张金生

摘 要：随着科学技术的不断发展，工程测量作为测绘行业的一个专业方向，先进的测量技术也被广泛的应用。GPS测绘技术有着很明显的发展优势，高应用价值提高了测绘效率。本文从GPS测绘技术的工作原理、坐标转换、应用特点、具体应用及发展现状等方面进行了简明扼要的阐述。

关键词：GPS;工作原理;坐标转换;测绘技术;具体应用

中图分类号：P228 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2019）18-0110-03

0 引言

GPS测绘技术作为一种先进的生产技术，在我国各个领域得到了广泛的应用，为测绘工作的效率提供了有力保障。与传统的测绘技术相比较，它具有测量精确度高、时间短、测站间无需通视、操做简单等优点，所以被工程测量领域所采纳和应用，结果的准确性得到更好的保证，希望工程测量领域的相关人员不断对新型GPS测绘技术的探索和研究。

1 GPS测绘技术概述

1.1 工作原理

首先将GPS接收机设置在一个固定的测量控制点上，然后通过卫星信号感应技术确定其具体位置，最后将其信息数据传送给计算机进行数据分析和处理，并建立一个三维坐标系来显示接收机的具体位置。坐标系是测量工作的基准，GPS定位技术是一种通过接收来自位于地球表面的GPS接收器的GPS卫星信号来确定连接位置的技术。在GPS定位测量中，通常采用天球坐标系和地球坐标系。地球坐标系随地球旋转，可视为固定在地球上的坐标系，使地面观测站的空间位置描述更加清晰;天球坐标系是一个惯性坐标系，与地球自转无关，易于描述人造地球卫星的空间位置;这两个坐标系可以相互转换，从而准确地确定控制点的具体位置。

1.2 坐标转换

从事测绘行业的相关人员都知道，GPS定位结果属于协议地心坐标系，即WGS-84，通常以空间矩形坐标（x，y，z）或椭球大地测量坐标（b，l，h）的形式给出。然而，我们所需要的结果一般是北京54坐标系（BJZ 54）、西安80坐标系（GDZ 80）或局部独立坐标系，因此GPS坐标系和实际坐标系应该进行转换。

（1）同一坐标系内空间直角坐标与大地坐标的换算，即[（B，L，H）→（X，Y，Z）]

（2）不同的空间直角坐标系之间的坐标换算，常用七参数法，常用布尔莎-沃尔夫模型和莫洛金斯基模型进行转换。在布尔莎-沃尔夫（Bursa-Wolf）模型中，采用了七个参数，即三个平移参数、三个旋转参数（3个欧拉角）和一个尺度差参数。模型的基本变换可分解为三个过程：平移变换、尺度变换和旋转变换，如图1。

①从XA沿原點OA方向，以OA点为固定旋转点，将OA-XAYAZA绕XA轴逆时针旋转角度，使经过旋转后的YA轴与OB-XBYB平面平行;

②从YA沿原点OA方向，以OA点为固定旋转点，将OA-XAYAZA绕YA轴逆时针旋转角度，使经过旋转后的XA轴与OB-XBYB平面平行，此时ZA轴也与ZB平行;

③从ZA沿原点OA方向，以OA点为固定旋转点，将OA-XAYAZA绕ZA轴逆时针旋转角度，使经过旋转后的XA轴也与XB平行，此时OA-XAYAZA的三个坐标轴已与OB-XBYBZB中相应的坐标轴平行;

④将OA-XAYAZA中的长度单位缩放（1+m）倍，使其长度单位与OB-XBYBZB的一致;

⑤将OA-XAYAZA的原点分别沿XA、YA和ZA轴移动、和，使其与OB-XBYBZB的原点重合。

由图1可知示，两个坐标系中任意点PI的坐标之间存在以下关系，

考虑到两坐标轴定向的差别一般很小，因此欧拉角εX、εY、εZ通常都是微小量，所以

莫洛金斯基模型：这个模型认为只有任何一点与参考点之间的坐标差受到标度和旋转的影响。在该模型中，还使用了七个参数。它们是三个平移参数、三个旋转参数（也称为三个欧拉角）和一个标度参数，然而，与Buersha模型不同，转换过程可以描述为：将OA-XAYAZA原点P转换为一个过渡坐标系P≤X≤Y≤Z，将OP-X‘YZ依次围绕X旋转Y，Z，使坐标轴与OB-XBYBZB中相应的坐标系平行，旋转模式和顺序与布尔沙-沃尔夫模型相似。将P≤X≤Y≤Z中的长度单位放大1倍，使其长度单位与OB-XBBZB的长度单位一致。最后，OA-XAYAZA的起源分别沿X、Y和Z轴-TX、-Ty和-TZ移动，与OB-XBYBZB的起源一致。其转换模型如图2所示。

两种型号的转换结果相同，但在实际应用过程中仍有差异。Brinell模型在全局或大规模基准转换中应用较多，但旋转参数与平移参数有很高的相关性。在较小范围内，可使用3个参数（3个平移参数）、3个平移参数（3个平移参数）和1个刻度参数（4个参数），最好在上述四个参数外，再确定一个旋转参数（5个参数）。这个问题可以通过使用莫洛金斯基型解决，因为它的旋转中心可以手动选择。当网络很小时，可以选择网络中的任意一点，当网络大的时候，可以选择网络。

2 应用特点

2.1 测量精度高

与传统测量技术相比，传统测量技术的精度难以达到现代工程测量精度的要求。因为传统测量技术受气温、气压、测距及各种测量误差影响较大;而GPS测绘技术的静态测量功能可以将测量结果精确到毫米，远超过了传统的测量技术。所以它具有其他传统测量技术在准确性方面的优势。

2.2 测量时间短、效率高

GPS测绘技术在静态模式下，外业工作需要三台固定基站就可以完成外业测量的数据采集，在动态模式下，外业工作需要一台固定基站和一台流动站就可以完成外业测量的坐标定位及数据采集，提高了外业的工作效率;而内业处理只需要一台电脑和一套处理软件系统就能完成数据处理和分析，提高了内业的工作速度。传统的测量技术需要很长的时间和消耗大量的人力、物力才能完成工作。GPS映射技术可以通过相关软件自动操作，有效地完成测量工作，例如，20km以内实现极限测量，在静态测量模式下，只需20分钟左右;在动态定位模式下，移动台可以在大约2分钟内快速完成数据采集，还可以根据测量要求随时对坐标数据进行定位和采集，而传统的测量技术不可能实现。

2.3 操做简单

GPS接收机自动化程度更高，方便实际操作，工作人员只需要安装好测量仪器，连接好通电缆并通电，做好相关的数据记录即可，其它观测工作由GPS设备自动完成，当现场测量工作结束后，工作人员只要关闭电源收回设备;传统的测绘仪器要经过整平、对中、定向等一系列程序才能完成數据采集和坐标定位工作，而且外界条件对其工作影响较大。

2.4 测站间无需通视

在GPS测量条件下，只须基站的上部开阔且能够与卫星保持信号畅通就可以完成外业测量工作，而传统的测量方法对观测点的通视要求很高，给测量工作带来了极大的困难和障碍，也增加了工作人员的强度，所以GPS测量具有更好的优越性。

2.5 全天候作业

GPS测量在不影响仪器使用功能的情况下可以全天候作业，而传统的测量仪器受外界条件影响很大，不能连续工作，特别是晚上。

3 具体应用

3.1 外业测绘

测量控制点的选择关系到整个测量结果的准确性，在选择测量点时，不仅要确定测量范围，还要考虑测量控制点位置的信号是否良好和其它电磁波对它的干扰。在确定好测量控制点之后，只要GPS设备准确地定位在测量控制点上，就可以获得精确的测量结果，为了确保天线基座与标记中心的相对位置准确，需要在三个不同的方向上固定，以保证现场测量的顺利进行。

3.2 布网

在测量控制网布设过程中，使用GPS测绘技术进行规划和施测区域布网是精度最好、效率最高的。GPS测绘技术布网时，是通过点连接或线连接绘制三角锁同步图，最终完成网络分配工作，针对不同施测区域进行布网时，需要根据实际情况而定。根据施工网或者信息网的方式不同来选择布网的方式，这样既可以有效增强网络自身的强度，又可以实现数据的自动化采集和储存，进而保证测量结果的准确性。

3.3 实时动态测量

又称RTK技术，是基于载波相位观测值的实时动态定位技术，它能够实时提供测站点在指定坐标系中的三维定位结果。在RTK作业模式下，基准站通过数据链将观测值和测站坐标信息一起传送给移动站，移动站不仅通过数据链接收来自基准站的数据，还要采集GPS观测数据，并在系统内组成差分观测值进行实时处理。具体测量方法是，在地面上确定的测量控制点上安装一台GPS接收基准站，作为测量工作的准确依据，然后安装一台移动站，通过与GPS卫星的连接实现测量信息的接收，并将测量信息传输到移动站和基准站，并对这些信息进行综合处理，最后获得移动站的具体位置坐标，最终实现动态测量。

4 发展现状

随着科学技术的快速发展，GPS测绘技术具有全面的陆、海、空定位能力。无论在工程测量的哪个领域，它都能提供准确的数据采集、分析和处理。GPS接收机小型化、低功耗的发展趋势，为工程测量提供了有力的条件，GPS快速定位系统的不断完善已成为工程测量普遍应用的重要原因。因此，GPS测绘技术越来越受到工程测量领域内相关人员的重视，也越来越多的研究者对新的GPS测量技术和新方法进行探索和研究。GPS测绘技术在工程测量领域中非常流行，究其原因有测量精确度高、定位准确、测量时间短、测站间无需通视、操做简单、成本低、全天候作业等特点，解决了传统的测量技术必须通视的缺点。新时代社会的快速发展也为现代工程测量带来了挑战和机遇，使GPS测绘技术在工程测量领域中有着很大的发展潜力和优势，也促进了工程测量领域的持续发展。

5 结语

综上所述，本文主要针对GPS测绘技术的工作原理、坐标系统、坐标转换、定位特征、具体应用以及发展现状等方面进行了简明扼要的阐述。与传统的测量技术相比，GPS测绘技术在精度和应用效率上都有很大的优势，所以GPS测绘技术在工程测量中得到广泛应用是必然趋势。

参考文献

[1] 张延忠.GPS测量技术在工程测绘中的应用及特点[J].科技传播，2011（7）：198.

[2] 林新超.GPS测量技术在工程测绘中的应用分析[J].科技风，2012（2）：87.

[3] 薛会元.浅析GPS测绘技术在工程测绘中的应用[J].科技与企业，2014（9）：243.