试论高层建筑测量中GPS技术的有效运用

2022-09-14杨磊晶

建材与装饰 2022年27期

杨磊晶

（云南工业技师学院，云南曲靖 655000）

1 GPS技术测量的特征

近几年，GPS测量技术得以在高层建筑施工中大量应用。就GPS测量技术的优势来说，在高层建筑施工期间，哪怕是密度特别低的基本控制网点，也能借助系GPS测量技术精准、快速定位。GPS测量技术的显著特征如下：首先，此技术的测量精准度较高。当基线＜50km时，其精准测量度可实现1×10-6，若是基线长度大于1000km，那么，精准度可实现1×10-8，显而易见，GPS测量技术的精准度优势明显；其次，直接取消测站间相互通视的需求，使得测量工作更加灵活。GPS测量技术在应用过程中，将测站间的互相通视的形式直接省去，可直接根据需求界定测试点；同时，GPS测量技术在观测时间层面，也独具优势。在GPS测量过程中，静态相对定位的情况下，设站的时间只需要20min；若是动态观测，只需要5~10s；最后，GPS测量技术操作简便且灵活，能够实现接收机自动化完成测量作业。在测量工作中，测量工作者仅仅需要将测量仪器对中放好。那么，就可以快速量取高度。在开机之后依照测量要求设置一定的参数，接收机就能实现自动化作业[1]。

2 高层建筑测量中GPS技术的设计分析

2.1 高层建筑测量中GPS技术的设计依据

GPS技术依据涉及两个层面，一种是测量任务书，另外一种是测量规范。其中，测量任务书是相关管理部门结合高层建筑的施工状况，下达至下级业务部门的文件；此文件涉及测量高层建筑的范围、精度以及目的。测量任务书是一种指令性的文件，当下级部门收到文件指示以后，一定要严格依照测量任务书的规定执行设计并施工。而测量规范是指国家相关部门制定的硬性技术指标，明确界定GPS测量技术的实施步骤及要求。如测量部门针对建筑施工制定的全球性定位测量规范以及建设部门制定的有关GPS技术在城市测量中的相关规范等。

2.2 测量精度设计

GPS测量设计精准度的过程中会受到多种因素的影响，其中，GPS网的用途是影响GPS测量设计精准度的重要因素。在城市或者工程网内，能够结合相邻两点的距离划分测量等级，此方式可以有效地测量精准度。在等级划分过程中，严格界定城市、工程网的观测点。以相邻两个观测点的间距作为划分依据，分别设置四个等级。一般而言，在高层建筑中两个相邻的观测点的间距不会超过1km，通常在2级测量范围内。在测量精准度设计期间可结合等效距离的误差公式，具体如下。

式中：a——接收机的误差，并且误差值一定要低于15mm；b——比例误差，误差值不能超过20ppm·D；d——GPS网中的相邻点的间距，误差不能超过1km。

GPS网技术设计的核心要素则是精度标准，精度的大小关乎GPS网的设计方案、观测数据以及观测计划等处理方式。通常来说，如果边长低于200m，那么边长中的误差不能超过20mm。在高层建筑施工期间，需要结合实际需要的人力、财力及物力等综合情况，合理设计精度标准，或者结合建筑企业其他部门现有的作业经验及生产流程进行设计[2]。

2.3 高层建筑测量中GPS网的构成和图形设计

2.3.1 GPS网同步图形的独立边设计

经过GPS网设计的理论，可推算出，如果GPS接收机有N台，共同构成同步图形中一个特定时段的GPS基线数如下。

然而，其中独立存在的GPS边只有N-1条，剩下的则是非独立的GPS边长，如果接收机N＝2~5时，其构成的同步图形如图1所示。

图1 N台GPS接收机同步的观测图形

如果同步观测的GPS接收机超过3个，那么，同步闭合的最小个数如下。

就理论层面而言，同步闭合环节中的每个GPS边的坐标差之和应该是零。然而，各个GPS接收机无法同步，使得同步闭合环的差值也无法是零。所以，GPS规范明确界定了同步闭合限差的规定。在实际测量过程中，如果同步闭合差值较高，那么，需要严格遵循线差的要求；不然，就要结合高层建筑实际情况适当放宽限差。在实际测量过程中，如果同步环闭合线差较小，那么，只能表明GPS基线向量的计算刚刚达到基本要求，无法代表GPS边的观测精度。为了充分保障GPS测量的精准度，及时发现测量误差，那么，一定要使GPS独立边构成特定的几何图形。这类几何图形，可能由多条GPS独立边构成非同步的多边形，如四边形、六边形等。如果GPS网中起算点有若干个，那么，可用两个起算点之间的多余GPS独立边，构成合格线路。而相对于异步环的构成而言，需要事先选定网图进行设计，如果需要的话，需要审核通过，或者结合工程的实际情况优化调整。如果接收机超过3台，依照软件功能自动挑选独立基线构成环路。N，J，T之间的关系如表1所示。

表1 N，J，T之间的关系

2.3.2 GPS图形网的设计

GPS网的图形设计主要由用户的要求所决定，还涉及人力、物力、接收设备的类型、财力等多种和网设计有关的因素。高层建筑测量工程错综复杂，需采取合理、科学的方式，在满足用户要求的同时，将各项误差降到最低。

（1）GPS网的图形设计原则。

GPS网通常借助非独立同步观测边构成符合线路和若干个闭合环，以此来强化测量的条件，提升GPS网的可靠性和稳定性。GPS网点需和原有地面的控制网点有效结合；同时确保重合的点不能低于3个，如果重合点低于3个，需要进行联测，同时，网络设计需均匀分布，进而能精准确定GPS网和地面网之间的转换参数。为了保障GPS测量工作的精准性，可适时采用城市坐标系统，标识所有符合GPS网点要求的旧网点[3]。

（2）GPS网的图形形式。

一般而言，GPS网的独立观测边一定要构成几何图形。图形形式通常有星形网、环形网以及三角形网等。三角形网是由非同步的三角形边及独立观测边组成，其优势特征显著，如自己的能力好、稳定性高、几何结构强等，经平差后网中相邻点间基线向量的精度分布均匀。三角形网的不足之处是观测量过大，特别是接收机数量欠缺时，将会降低观测的效率和质量。所以，如果对GPS网要求较高，可运用此种图形；与此同时，还有环形网，由多个独立观测条闭合而成。图形的结构强度不如三角形。环形的优势在于观测量小，可靠性及自检性较好，不足之处是对于不是直接观测的基线条，其精准度会明显降低，使得相邻点间的基线精度分布不均；还有星形条，几何图形简单，每个直接观测边不会构成任何闭合图形，因此，检验和误差值较大。不过，这种图形的网仅需两台接收机便能作业；如果用三台仪器，可将一台作为中心站，另外两台用于作业流动，不会受同步条件的约束。采用WGS-84的坐标系测定点位坐标，每点坐标则要用坐标转换参数实行转换。

在高层建筑中测量GPS网的图形一般采用环形网或者三角形网。如果条件允许，也可融合环形网和三角形网同时运用，进而形成混合网，混合网在保障网几何强度的同时，还能充分保障网的稳定性，进而有效降低高层建筑的施工成本及施工量。因此，混合网应该是高层建筑测量中GPS测量的首选，如图2所示。

图2 环形网和三角形网混合连接的图形

由图2可以看出，三台接收器的观测方案可以构成10个同步三角形，6条复测基线边，2个异步环。独立基线数是20条，总基线数是29条。图3的图线呈封闭状，可靠指标有效提升，相比较环形网，其外部作业量明显减少[4]。

2.3.3 GPS网基准设计

GPS测量所获得的数据是GPS的基线量，位于WGS-84坐标系，是一种三维坐标差。但是高层建筑施工的标准坐标系是地方独立坐标系或者国家坐标系。因此，GPS网在技术设计过程中，需清晰界定GPS成果的起算数据和坐标体系，也就是GPS的基准设计。GPS网的基准包含尺度、方位、位置。尺度基准的确定方式由地面的电磁波观测的数据边所决定，也可借助GPS基线的向量距离决定。GPS的方位基准通常用既定的起算方位界定，或者GPS基线向量的方位决定方位基准。而GPS网的位置基准则是通过既定的起算坐标所决定。所以，GPS网的基准设计，主要是为了确定网的位置基准。

高层建筑测量GPS网基准设计时，可注意以下3点：①为了确定GPS点在地面坐标系的坐标，需合理选定计算数据，并联测若干个控制点，以此来转换坐标。在选定联测点的过程中，可借助旧材料，提升新材料的精准度。②除了未知点连接图形观测以外，也要适当构成长边图形，以此来降低GPS网约束平差后的误差以及坐标的均匀性。③经平差计算GPS网之后，可以计算出GPS点在地面参照坐标系的高度，为了充分保障GPS点的正常值，可结合高层建筑的观测情况，计算分析符合精度的观测要求，以便更好地应用于高层建筑施工。

3 高层建筑测量中GPS技术的应用策略

以我国某省高层建筑为例，在高层建筑中应用GPS定位技术，首先，需建立并确定大地坐标系（WGS-84）和工程施工坐标系的内在的转换关系，以便为后期施测GPS基准传递使用。

3.1 GPS测量基准建立

此高层建筑施工坐标系，属于独立高层建筑工程施工的独立坐标系。为了便于放样，4个测量基点数设置在主体建筑物内，也就是内控法。根据建筑施工场地小、周期短、精度高等特征，在高层建筑的施工围墙外增设两个较为稳定的临时基准点XM01和XM02，将两个临时基准点作为GPS基准传递的基准，如图3所示。

图3 GPS施工测量基准点

上述两个基准点的作用是在测量过程中将其中一点固定，作为GPS测量的起算点；将两点固定，可将此作为起算方位，进而精准确定GPS的网平差和测量基准，保障每次都能够形成统一的起算方位和基准。将初次测量GPS的定位基准作为GPS的起算方位和坐标。同时，每次转换GPS测量成果时一定要采用统一的转换参数，充分保障坐标转换成果基准的一致性，转换参数同样是由首次GPS测量所决定[5]。