工程测量GPS动态监测应用与数据处理研究

马忠卫

（江苏省地质调查研究院，南京 210018）

1 引言

在工程建设和使用中，在一些自然灾害或者人为因素影响下，会发生地震、滑坡和溃坝等灾害，使工程发生严重损坏。因此，在国内外都对工程变形监测给予了很大重视，特别是当前大型建筑的增加，一些地质灾害的发生愈加频繁，都对工程测量动态监测有了更高的要求，其重要性也更加突出，需要不断发展其变形监测理论、测量技术等，以提升数据处理水平，特别是GPS技术的应用和发展对工程监测来说有着积极意义。

2 GPS测量技术的应用特点

与常规测量方法相比，GPS测量技术具有较多的优势：一是其测站之间不需要通视，因此其选点也更加灵活，但需保持测站上空足够开阔，可以更好地接收GPS卫星信号，避免受到其他因素的干扰；二是具有较高的定位精度，其测量精度近似于红外仪，但在距离增长的过程中，GPS较之红外仪更具应用优越性[1]；三是其观测时间较短，在布设控制网的过程中，各个测站上观测时间在30～40min，可利用快速静态定位法，缩短了观测的时间；四是可提供三维坐标，在对观测站平面位置进行精确测定的过程中，可以对其大地高程实行高精度的测定；此外，GPS测量技术的自动化程度高，操作比较简便，使用的接收机也更小，可以实现自动观测，并利用专业软件处理数据，从而获得测点三维坐标。并且利用GPS技术不受时空限制，可以全天候作业，也几乎不会受到天气影响。

3 工程测量概述

在工程测量作业中，主要是测绘小区域大比例尺地形图，以及进行施工测量和变形监测等[2]。因此，其工作环境比较复杂多变，且实际测量中容易受到较多因素的干扰。在当前科技进步下，其测量对象向着宏观、微观方向发展，对精度也有了更高的要求，可采用电子化、数字化和自动化的仪器进行测量作业。

一般在工程测量中，主要使用的测量仪器有数字水准仪、全站仪和经纬仪等，当前经纬仪逐渐淘汰，减少了单一功能测距仪的应用。常规水准仪成本低、精度可靠，因此仍有继续使用的价值。在未来数字化发展下，全站仪难以适应技术环境，而GPS技术具备定位和导航功能且其自动化程度、定位精度高，又可进行全年候作业，在多个领域有着广泛应用。同时，GPS技术广泛应用于测绘行业，数字城市构建和差分基站的支持下，城市具有区域查分网，因此，使用GPS接收机可以高效完成碎部测量、放样，利于该技术的拓展应用。

但也要认识到，在GPS技术应用中，其局限性也会影响到实际成效，需要正确对待该技术，才能更好地利用其优势。比如，在隧道和矿山等地下工程测量中，GPS技术就存在不足，工程测量外业作业主要是碎部测量、施工放样。因此，要提高外业测量工程效率，就要实现连续作业，减少使用仪器设备和依赖的基础控制。

4 工程测量中GPS技术的具体应用

4.1 RTK技术应用

RTK定位技术是GPS测量技术发展的一项新技术，是实时动态定位技术，在公路工程中有着良好应用优势[3]。在数据处理方面，静态定位和准动态定位模式都存在一定滞后性，难以将定位结构实时解算处理，在检核观测数据方面的效率也很低，因此，其观测数据质量往往得不到保证，需要返工重新观测，加大了作业成本、降低了工作效率。

而延长观测时间，可以更好地解决这一问题，使测量数据的可靠性得以保证，但也降低了实际测量工作效率。RTK系统组成主要是基准站、流动站，要保证实时动态测量，就要建立无线数据通信，将具备高精度取点位的首级控制点作为基准点，并设置接收机为参考站，可实现连续观测。接收机在接收到卫星信号时，通过无线电传输设备接收观测数据，根据相对定位原理，由计算机对流动站三维坐标、测量精度实时计算，用户可以实时掌握待测点数据观测质量、基线解算结果，结合精度指标来确定具体实践，以使冗余的观测减少，从而提高其工作效率。

在实际应用中，RTK主要有2种测量模式，即快速静态定位、动态定位，具体可以将这2种模式结合起来，在公路工程测量中，可以将公路勘测、施工放样和监理等覆盖。

4.2 静态GPS技术测量应用

静态相对定位是要设置2台及以上接收机来接收卫星信号，并对数据实行有效处理，精确计算出控制点的三维坐标。根据其中某个点坐标，对另一点坐标进行精确计算。这种技术精度较高，频繁应用在我国野外测量中，比如，大型工程的野外涵洞隧道定位等。GPS静态定位在使用中，受天气状况的影响较小，使用起来比较方便。并且其监测精度较高，有效缩短了测量实际、提高了效率。

除了公路工程测量外，大型桥梁、隧道工程中，应用GPS技术可以十分方便地进行无检核支点量测，形成的画面图像也具备较高清晰度。其中，还可使用GPS来检测边角网，利用其毫米级精度优势实现精确测量。

5 动态GPS测量应用

这种技术利用了GPS信号，对运动目标相对于参考系的位置、速度和时间等参数实现实时观测。具体将GPS接收机设置在运动载体，可以实时测得其位置，因此，动态GPS相对相位是固定一台接收机作为基准站，而其他接收机是处于运动状态的，将其作为流动站[4]。通过比较两站信号，以及进行相关计算，可以获得流动站在各个时刻位移情况、位置坐标等。其差分数据处理有即时处理和滞后处理2种方式，前者是将基准站数据传到流动站对比加工，重要的部分就是数据链的形成，以使数据得以实时传输；后者则将数据传输到流动站后，在后期对其进行处理。

6 工程测量GPS动态监测数据处理

6.1 数据处理模式一

这种模式在数据处理方面，就是将GPS基线向量转化到指定平面，使其成为二维基线向量，在此平面上联合平差。在此平面上需进行合理变换，以实现具体数据处理。在具体处理过程中，要先根据基线向量的具体观测值，对各点实际三维空间直角坐标计算，获得其近似值。然后根据GPS具体基线向量位置信息，将其中一个端点固定，并根据该基线向量观测值，对另一个端点进行计算。之后，通过空间直角坐标、大地坐标间转换公式，转换这两个端点，然后利用高斯投影正算公式计算各相应点平面坐标，以计算其平面上基线向量，可求得相应方差-协方差阵变换过程。经过转换，将之前观测值、方差-协方差阵转换到工程坐标体系中，进而获得误差方程，要考虑到已知点数据误差，将其作为虚拟测值来得到误差方程，然后求取按照最小二乘法得到的方程，以获得各点坐标、控制网质量指标。

6.2 数据处理模式二

该模式是将纯粹的GPS数据实行三维无约束化平差，将其三维坐标、方差-协方差阵整体转换到指定平面，以得到一个平面上二维坐标及其方差-协方差阵，将求取的实际坐标作为联合平差，根据最小二乘法原理对GPS虚拟观测值和地面其他观测值进行平差处理[5]。

7 结语

在工程测量中，应用GPS技术实行动态监测，有利于及时掌握工程情况，可以获得较高的工程监测精度，更好地应对工程变形问题。在未来发展中，对该技术应用及数据处理方面，还要进一步改进完善，使其作用得以充分发挥。