GNSS测绘技术的特点及其在工程测绘中的运用

作者简介：张盟（1986—），男，本科，工程师，研究方向为工程测绘。

摘 要：GNSS测绘技术在工程测绘中的应用，有着高精度、操作简便快捷、自动化程度高的特点，使得该项技术在工程变形监测、放线定位、测绘模拟、工程复测等环节中得到了广泛的应用，极大提高了工程测绘的精度、质量与效率。该文针对GNSS技术的特点，以及其在工程测绘中多个测量环节中的应用进行了分析，以充分发挥出GNSS测绘技术的优势，实现工程测绘的提质增效。

關键词：GNSS测绘技术  GNSS系统结构  工程测绘  全球导航卫星系统

中图分类号：P25           文献标识码：A           文章编号：1672-3791（2021）12（c）-0000-00

Abstract： The application of GNSS surveying and mapping technology in engineering surveying and mapping has the characteristics of high precision， simple and fast operation， and high degree of automation. This technology has been used in engineering deformation monitoring， line positioning， surveying and mapping simulation， engineering re-surveying and other links. The wide application greatly improves the accuracy， quality and efficiency of engineering surveying and mapping. This article analyzes the characteristics of GNSS technology and its application in multiple measurement links in engineering surveying and mapping， so as to give full play to the advantages of GNSS surveying and mapping technology and realize the improvement of quality and efficiency of engineering surveying and mapping.

Key Words： GNSS surveying and mapping technology; GNSS system structure; Engineering surveying and mapping; Global navigation satellite system

GNSS为全球导航卫星系统，借助超过4颗卫星伪距、星历等的观测量，结合地面用户的钟差，进行地表事物的精确定位。将GNSS与测绘技术相结合，运用GNSS实时定位、精确测量三维坐标的优势，促使工程测绘由静态转化为动态，提高工程测绘的实效性。因此，针对GNSS系统结构与其测绘技术特点的分析，明确GNSS测绘技术运用的原理，探寻其在工程测绘中应用的关键点和方向，促进该技术在工程测绘领域应用深度的不断增加，实现该项技术应用最大化的经济价值。

1  GNSS系统结构分析

1.1 地面控制部分

地面控制部分支撑着整个GNSS系统的运行，其组成结构主要有4个部分：一是主控站，通常只有一个，为地面控制的核心，管理与协调地面控制系统，获取监测站的数据，监控卫星状态，编写导航电文，然后传递给注入站，由注入站将卫星星历传输给卫星，以及进行卫星的日常维护工作等;二是监控站，地面控制部分需设置多个监控站，是GNSS系统的数据采集部分，接收卫星反馈的数据，主要的功能是测量卫星伪距，然后进行修正、处理、压缩，反馈给主控站，并可记录和监测气象元素;三是注入站，主要的作用是接收主控站的导航电文，当卫星经过其上空时，注入站借助发射天线将电文发送给卫星，也可发送其他命令;四是通信与辅助系统，主要负责通信和辅助服务，由地面通信线、海底电缆、卫星通信等组成。

1.2 用户部分

用户部分有GPS接收机、气象仪器、计算机等组成，其中接收机有两个部分：一是天线单元，主要是接收天线与前置放大器;二是接收单元，有着接收数据的作用，组成结构为信号通道、存储器、微处理器、输入输出设备、电源等，主要的功能有跟踪、处理、测量、存储卫星信号，计算出用户的三维坐标、运动速度等。接收机体积较小、携带方便，为其在工程测绘中的应用提供了有利的条件。

1.3空间部分

空间部分主要是指卫星，也是GNSS中最为重要的一部分，由数量众多的卫星组成，比如中国的北斗卫星导航系统，在轨组网卫星有53颗，可在全球范围内提供稳定的服务。GNSS系统空间主要由以下两个部分组成：一是卫星星座，是卫星运行的轨道面;二是设计星座，设有多个工作卫星，以及几个备用卫星，以保证卫星全体候的观测活动。卫星的具体功能有接收与存储导航电文，进行导航定位，接收主控站的命令后开展活动，以及具有通信的作用等。

1.4 GNSS系统工作机制

GNSS有多种定位原理，在工程测绘中使用的是载波相位时差分原理，也就是指RTK技术，由一个基准站和多个移动站组成，每个站点上设有接收器，基准站为核心，移动站根据工程测绘的需要进行监测设置。所有的站点都可向卫星传输数据，或者是接收卫星反馈数据，同时基准站借助通信系统采集移动站获取的数据信息，通过对采集数据的处理和计算后，得到监测点的三维坐标。在实际工程测绘中，先确定监测点，接着进行移动站的布置，对监测点进行动态测量，观察跟踪测量的卫星需超过4颗，才可获取到监测点实时精确的三维坐标。

2  GNSS测绘技术的特点

GNSS测绘技术借助卫星进行测量、观测活动，不受天气变化的影响，可以对监测点进行不间断、持续动态监测，在保证测量精度的同时，观测站之间无需建立通视，测量简单便捷，具备在工程测绘中应用的先天优势。GNSS测量精度非常高，通常在毫米以内[1]。GNSS针对不规则的测量区域沿着其区域边缘进行航迹测量，可获取到该区域精确的面积。GNSS在完成测绘区域的数据采集后，使用计算机软件进行数据处理和分析，直接自动计算与成图，测绘计算分析的自动化水平较高，极大提高了工程测绘工作的质效。

2.1高精度定位

GNSS在工程测绘中，使用卫星进行地面事物的精确定位，在静态测量中其测量精确度达到了毫米级别。与传统的测绘技术相比，GNSS测量显现出了较大的优势。GNSS动态测量精度为厘米级别，测量精度同样好于传统测量方法，使得GNSS测绘技术在工程测绘中应用越来越多，尤其是在工程变形监测中的运用，实现全天候、实时监测，对工程变形进行全过程的精确监测，提高了工程建设的成效。

2.2操作简便快捷

GNSS接收机的体积小、携带方便、操作简单，在实际的测量中，技术人员只需在现场打开接收机，就可接收和存储卫星传递的数据，完成测量后直接关闭设备，就可完成一项测量任务。整个数据采集过程只需要几分钟，测量的时间效益明显。目前，GNSS测绘技术的成熟度较高，与计算机技术、网络通信技术相结合，数据采集、处理、分析的速度更快，在工程测绘中表现出了非常好的实效性。

2.3应用范围广

GNSS测绘技术在测绘领域应用的范围广，像地理数据采集，为社会生产活动提供空间信息，包括了航海航线的制定，国土资源调查，公路、铁路线路的确定，为这些行业提供精确的空间信息。在测量领域，工程测量、资源勘察、大地测量、海洋工程测量等中都可应用，其测量精确度高且无需通视，测量过程不受气候和地表事物等的影响，使得该项技术未来应用前景非常广阔。

2.4自动化程度高

GNSS测绘技术应用了卫星技术、计算机技术、移动通信技术等，自动化水平高。地面部分自动进行卫星数据的传递和接收，主控站、监测站、注入站等之间借助通信系统进行信息交互，人工操作较少[2]。测绘人员使用接收器在工程测绘现场进行数据采集，与GNSS系统中的多颗卫星建立通信，采集到工程测绘所需的各项信息，数据采集过程不受气候与外部客观环境的影响，保证了测量的精确度。GNSS测绘技术实现了计算机技术、卫星技术、信息技术等的融合，数据自动采集、自动处理，然后自动计算，自动生成图像，完全满足了工程测绘的各项需求。

3  GNSS测绘技术在工程测绘中的运用分析

3.1变形监测中的运用

工程施工过程中的地基开挖，会对周围土体造成扰动，有引发位移、坍塌、滑坡等风险，采用人工监测手段，监测存在一定的误差。如果通过肉眼观察到地基发生了变形，那么说明地基的变形程度已经非常大，后续补救的难度较高。通常工程建设的规模大，资金投入多，如果出现地基变形问题，不但增加工程造价，还会延误工程进度，对于工程建设效益产生不利的影响，因此，需要保证变形监测的精确度与实时性，形成对工程建设的有效把控。采用GNSS测绘技术后，对地基进行实时的监测，精确地基的三维坐标，当地基坐标出现较大的变化时，说明地基发生变形。地基变形监测人员通过持续的三维坐标监测，及时获取地基发生的变化，以便于及时采取预防与处理手段，最大限度地降低地基变形导致的工程损失。

3.2放线定位中的运用

在工程建设前期，需要测量人员根据工程设计的要求，进行大量的实地放线测量定位等工作，人工放线定位存在一定的人为误差，并且工作效率较低。在此环节使用GNSS测绘技术，提高放线定位精度的同时，可提升放线定位的工作效率。GNSS测绘技术操作简单快捷，放线定位人员将放线定位参数输入至GNSS测绘设备中[3]，经过计算确定放线定位的坐标，放线人员根据三维坐标完成相应的测量放线工作。

3.3精密测量中的应用

工程测绘的精确性保证着工程建设的质量，同时工程测绘数据信息也是工程设计与工程施工的基础，其对工程建设质量有着最为直接的影响。GNSS具有全天候、实时精确测量的技术特点，运用GNSS测绘技术开展工程的精密测量，将测量数据精确到毫米级，甚至是亚毫米级，以为工程设计、工程施工方案的深化提供有效的数据支撑，打造出高品质的工程项目，实现工程建设效益的最大化。

3.4工程复测中的应用

工程复测的内容有平面控制点、高程、放样桩位、施工边界、横断面等。完成复测后，还需填写相应的记录表，确定复测无误后将整理的复测资料上交给工程监理部。为了保证复测的精确度和效率，在此环节可使用GNSS测绘设备，对每个复测项目进行测量精度的控制，避免复测环节出现偏差。

3.5测绘模拟中的运用

GNSS测绘技术中的模拟技术，是借助信号仿真器进行工程测绘的模拟，属于一种测试与开发工具。仿真模拟工程测绘环境，进行GNSS接收机的研发，在实验室环境下，使用模拟技术发射不同的卫星信号，对接收机接收信号的过程进行调整和改善，进一步地增强接收机的功能性。在工程测绘中应用该项技术，可实现测绘过程的优化，一是使用仿真器接收模拟卫星信号，通过数据的分析后，存储至GNSS接收机中，作为工程测绘的信号资料[4];二是通过模拟工程测绘的卫星信号，虚拟一个工程测绘环境，为工程测绘GNSS接收机的研发提供依据;三是使用仿真器构建工程环境模型，模型中主要包括了工程所在的位置，地理、氣候环境等，以公路工程为例，公路处于陡峭的山路上，测绘时出现了降雨，可以使用仿真器进行该环境的模拟，构建工程环境模型开展工程测绘，测绘人员无需进入现场就可完成测绘工作，避免了野外测绘的安全风险。在工程测绘中应用GNSS仿真器时，在计算机软件中构建一个仿真的工程测绘环境，虚拟每个测绘环节，通过模型进行工程测绘细节的控制，像工程建设中的安全风险点，提前标识在三维模型中，作为后续实际施工中的参考，降低施工中安全事故发生的概率[5-6]。

4  结语

GNSS测绘技术融合了当下最为先进的技术，包括了卫星技术、通信技术、计算机技术等，在全球范围内提供服务。GNSS系统在地面设置主控站、监测站、注入站，在空间布置卫星系统，用户端使用接收机与接收天线，完成与地面控制部分、空间部分的连接，实现GNSS为用户提供服务的目的。GNSS测绘技术在工程测绘中的运用，充分利用了GNSS测绘技术的特点，为工程提供精确的三维坐标测绘服务，保证了工程放线测量定位的精确性，实时监测工程变形，避免工程位移与坍塌问题，以及在精密测量与复测中的应用，进一步地提升了工程测绘的精确性与质效，对工程建设效益的提升有着积极的促进性作用。

参考文献

[1] 潘正龙.GNSS测量技术在工程测绘中的应用[J].科学与财富，2019（33）：373.

[2] 郭永禧.GNSS测量投影变形处理技术在公路工程中的应用[J].云南水力发电，2020，36（8）：180-181.

[3] 夏南.GNSS技术在高速公路路面工程测量中的应用[J].建筑工程技术与设计，2020（6）：615.

[4] 线洪萱，宋红卫.工程测绘中GNSS测绘技术的应用分析[J].北京测绘，2017（3）：59-62.

[5] 吴振华.基于3S集成技术的半干旱草原区大型露天煤炭基地景观格局优化研究[D].徐州：中国矿业大学，2020.

[6] 刘洋洋.激光扫描技术支持下的山区公路边坡安全风险评价体系研究[D].郑州：河南理工大学，2019.

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