GPS测绘技术在工程测绘中的应用分析

2022-12-11李林

工程与建设 2022年5期

李林

(普宁市自然资源信息中心，广东揭阳 515300)

0 引言

GPS技术在测量与工程测绘领域中应用，不仅需要地面监控系统为其提供支持，还需要信号接收中继、联合定位卫星系统等作为辅助[1]。测绘过程中，每个环节都是相辅相成的，为了提高测绘结果的精度，保证测绘系统运行的稳定性，应规范测绘作业流程，并结合相关工作的具体需求，设计优化、完整的测绘方案与执行步骤[2]。目前，已有理论证明GPS技术是一项可靠度较高的技术。相比其他技术，此项技术具有作业效率高、操作简单、测绘结果精度高、节约现场作业人力资源等优势，但如何将其在实践中合理、规范地应用，仍需要深入研究。

1 GPS测绘技术在工程测绘中的应用

1.1 GPS控制网布设

在进行工程测绘前，需要完成对GPS控制网的布设，既需要满足近期工程建设规划要求，同时又需要考虑到工程在未来长期建设当中的各项发展条件以及1∶500数字化测图和测绘结构立体成像的需要[3]。在遵循测绘精度和测绘速度的原则基础上，布设如图1所示的GPS控制网。

图1 GPS控制网局部布设示意图

在布设GPS控制网时，需要按照各个节点所在位置的重要程度和复杂程度，将其划分为一等点、二等点和三等点，等级从小到大依次对应重要程度和复杂程度从大到小[4]。在进行控制网中各个节点的布设时，要求点位中误差不得超过50 mm，控制网边界的长度精度不得低于1/100 000。同时，要求在GPS控制网中测绘基线数与独立基线数之间的比值不得超过1∶3～1∶2的范围，设站2次以上的点数，应当占总点数的六成及以上[5]。在对GPS控制网上的节点进行选择时，还需要满足下述要求：第一，要选择在交通便利、埋设容易、容易防护的地点；第二，点位要有足够的视野，在高度角度超过15°时，不能有任何障碍物；第三，距点位200 m以内无高能无线电信号源或高压线。根据上述要求，完成对GPS控制网中节点的选择，为后续测绘提供条件。

1.2 基于GPS测绘技术的测绘目标定位

在完成对GPS控制网的布设后，引入GPS测绘技术，对测绘目标进行定位。通过GPS卫星发射出的无线电信号，首先通过GPS接收装置进行接收，若接收装置的时钟与卫星时钟同步，则从GPS卫星到达GS接收装置之间的时间可以测定得出，其时间差可用下述公式表示：

△t′=t2-t1

(1)

式中：△t′代表时间差，即GPS卫星信号在空间当中传播的时间；t2代表接收到信号时的时间；t1代表发射信号时的时间。在公式(1)基础上，结合欧式空间两点之间距离的计算公式，得出GPS接收机装置与GPS卫星之间的距离，其公式为：

(2)

式中：d代表GPS接收机装置与GPS卫星之间的距离；(x，y，z)代表GPS接收装置的空间位置坐标；(xi，yi，zi)代表某一点i在GPS卫星轨道上的坐标。在计算得出d的具体数之后，再加上时间差与GPS信号在空间中传播速度的乘积，并建立四个类似方程，求解出GPS接收装置的位置信息，每一个方程都代表在GPS卫星运行到不同位置上时的定位方程，结合GPS定位原理，得出具体的测绘数据[6]。图2为GPS测绘技术定位原理示意图。

图2 GPS测绘技术定位原理示意图

1.3 GPS数据格式转换

利用GPS测绘技术获取到的测绘目标定位信号当中包含了载波、测距码和数据码，所有信号分量都是在同一个基准频率上产生的[7]。为确保后续对工程测绘结果进行立体成像时能够实现对GPS数据的准确识别，需要对其格式进行转换。在转换前，还需要按照NMEA0183协议，完成对GPS数据的传输。表1为NMEA0183协议语句命令与对应语句信息表。

表1 NMEA0183协议语句命令与对应语句信息表

在利用上述协议实现对GPS信号的传输后，使用GPRMC语句对其数据格式进行转换，假设转换后得到的GPS数据格式为“$GPRMC，<1>，<2>，<3>，<4>，<5>，<6>，<7>，<8>，<9>，<10>，<11>，<12>，<13>”，则其格式当中每个字段对应的含义依次对应表2中的内容。

表2 GPS数据经GPRMC语句转换后各字段含义

按照上述格式完成对GPS数据格式的转换，实现与GPS接收机、数据处理软件以及测绘软件等之间的兼容，对于提高测绘效率具有较大帮助。

1.4 工程结构参数测定与测绘结果立体成像

在完成对GPS数据格式转换后，将得到的GPS数据导入到高程模型当中，利用该模型实现对工程项目中各个结构参数的测定[8]。利用数字高程模型提取工程结构参数信息计算具体数值，并针对大范围建筑结构参数进行统计。以工程结构当中倾斜角度参数为例，在对其进行计算时，只需要对有限角度进行倾斜检测，即可实现对倾角单个轴向数据的获取。当工程结构具备特定方向并且数据轴能够始终处于重心面时，测定得出的倾斜角度数据更加准确。在测定过程中，还可应用传感器实现对测定的辅助[9]。在对传感器进行放置时，其水平线通常与重力矢量相互垂直，在数据轴上的重力矢量投影会产生与传感器横轴与水平线交角正弦值相同的输出结果。在软件当中对传感器的量程进行设定，输出的加速度结果与角度之间存在下述关系：

ax,out=2g*sinθ

(3)

式中：ax,out代表结果输出中的加速度；θ代表工程结构倾斜角度；g代表传感器量程。基于上述公式中的关系，得出工程结构倾角的具体数值。按照上述逻辑完成对工程项目中所有结构各个参数的测定。针对所有测定得到的结果进行立体化采集，并对其进行编辑和调绘[10]。在MapMattrix软件中进行对高程模型的导入，并构建一个立体的三维结构。将所有测定数据导入到该模型当中，实现对测绘结果的立体成像。由于引入了GPS测绘技术，利用其本身具备的广泛性特点，在不对结构进行二次剪裁的情况下，可实现各结构之间的贴合，从而减少甚至避免模型上出现缝隙，保证测绘模型的完整性。

2 实证研究

2.1 测绘区域大致范围

本次选择某山区建筑工程项目作为测绘研究对象，该地区的地形、地势结构较为复杂，沿着工程项目所在地的多条道路均表现为带状地形。尽管该地区交通条件较为便利，但由于场地条件有限，因此，针对该区域的测绘工作一直是有关单位的关注重点。

2.2 可用参照资料

(1) 由地区省测绘局测量的C类GPS控制点，可用作该工程平面控制点的初始资料。此外，还可以利用测区周边其他能够满足地图控制需要的等高水平作为控制点设计参照资料。

(2) C级GPS控制点的三等水平联测及福建各省大地水准面的精确插值，可用作该工程的基准高程控制参照资料。

(3) 省测绘总局现有的图幅分幅、作业计划图、图幅分幅等共计1万多幅，均可作为此次实验的参照。

2.3 测绘作业现场设计

可根据现场测绘需求，使用GPS技术进行现场测绘，测绘过程中，在一个特定的区域内安装一个信号接收器，通过卫星信号接收系统与地面接收设备，进行发送信号的接收，再通过数据传送，将地区地质信息和位置坐标传送到处理终端，并通过对系统地质资料进行整理、编辑等方式获得信号接收器的坐标和数据，将接收与获得的坐标数据在坐标系不同位置进行特征标记，即可实现在现场的测绘。设计方案如图3所示。