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摘要：随着科学的发展,测绘新技术不断涌现,改变了传统的野外作业习惯,适应了测会市场的发展。而GPS 接收机的小型化、小功耗给GPS 用于工程测量提供了有利的硬件条件。在软件方面,GPS 快速定位方法也有较大的进展, 这些都促使GPS 在工程测量中得到较广泛的应用。本文在此从GPS的原理出发，提出了GPS 在工程测量中的应用。
关键词：工程测量；GPS；RTK
Abstract: With the development of science, the new technology of Surveying and mapping are constantly emerging, changed the traditional field work habits, to adapt to the development of surveying market. The GPS receivers of small size, small power consumption to GPS provides favorable conditions for engineering measurement hardware. In terms of software, and there are a lot of GPS rapid positioning method, all of these make GPS widely used in engineering measurement. In this paper, based on the principle of GPS, presents the application of GPS in survey engineering.
Key words: engineering survey; GPS; RTK
中圖分类号：P25 文献标识码：文章编号:
一、GPS 定位系统的组成、定位原理
GPS(全球定位系统) 为美国第二代卫星导航系统。GPS 定位系统由卫星星座(空间部分) 、地面监控系统(地面部分) 、GPS 接收机(用户设备部分) 组成。星座由24 颗卫星组成, 其中21 颗GPS工作卫星, 3 颗备用卫星, 大致均匀分布在6 个近似圆的轨道面上; 地面监控系统是整个系统的中枢, 由5 个监测站、1 个主控站、3 个注入站组成。分布在美国本土和科罗拉多以及三大洋的美国军事基地, 它主要的功能是: 完成对GFS 卫星信的实时监测, 向每颗卫星提供其编写并播发的导航电文, 包括卫星星历(即一系列描述卫星运动其轨道参数的数据) 、卫星钟差和大气修正参数等;GPS 接收机是能够接收、跟踪、变换和测量GPS 信号的接收设备, 由主机、天线和电源组成。GPS 卫星发送的导航定位信号即GPS 信号, 是一种全球共享的信息资源。各类用户, 在任何地点、任何气候、任何时刻均可用GPS 接收机接收信号, 进行导航定位测量。
GPS 定位原理, 类似于传统的后方交会。如果已知空间GPS 卫星的瞬时位置, 若仅确定测站点的三维则GPS 接收机只要接收到3 颗GPS 卫星发射的信号, 即得卫星到测站点的几何距离, 就可根据后方交会原理, 确定出测站点的三维坐标。由于造价的原因, GPS 接受机中的时钟精度有限,与GPS 时间相比有较大的偏差, 因而需要将这一时间作为待定参数, 与待定空间参数并求解, 故最少需要观测4 颗GPS 卫星。由于各种偏差的存在, GPS 接收机根据接收信号所确定的量不是上述的几何距离, 而是带有一定偏差的伪几何距离, 伪距。由于伪距是通过测码或测相而确定的, 因此, 作为GPS 的基本观测值, 一般是指测码伪距和测相伪距(载波相位) 。
二、GPS 在工程测量中的应用
1、建立工程控制网
工程控制网是工程建设、管理和维护的基础,其网型和精度要求与工程项目的性质、规模密切相关。一般地, 工程控制网覆盖面积小、点位密度大、精度要求高。用常规的方法, 多采用边角网等。采用GPS 定位的方法建立工程控制网, 具有点位选择限制少, 作业时间短, 成果精度高, 工程费用低等优点。可应用于建立工程首级控制网, 变形监测控制网, 工矿施工控制网, 工程勘探、施工控制网, 隧道等地下工程控制网等等。应用GPS 技术建立控制网, 通常采用载波相位静态差分技术,以保证达到毫米级精度。应用GPS 技术建立道路勘探、施工控制网和隧道工程控制网等具有显著的优势。河道、道路勘探、施工控制网, 具有横向很窄、纵向很长的特点。采用传统的三角锁、导线方案, 多数需要分段实施, 以避免误差积累过大。采用GPS 技术, 由于点与点之间不需要通视, 可以敷设很长的GPS 点构成的三角锁, 以保持长距离线路坐标控制的一致性。通过在实际应用的情况比较，我们总结出在平均边长在5公里以下的工程GPS 控制网，用双频接收机观测20-30min 即可满足工程精度要求的良好结果。因此在实际工作中，当观测条件良好时，工程GPS控制网的观测时段可以比规范规定的时间缩短10-20min ，这对进一步提高GPS 测量的效率无疑具有积极的作用。
2、变形监测
变形监测主要是监测像大桥、水库大坝、高层大楼等建筑物、构筑物的地基沉降、位移以及整体的倾斜等状况。监测工作的特点是被监测体的几何尺寸巨大, 监测环境复杂, 监测技术要求高。常规的监测技术是应用水准测量的方法, 监测地基的沉降; 应用三角测量(或角度交会) 的法, 监测地的位移和整体的倾斜。GPS 技术在该领域有广泛的应用。我们在建德新安江大坝变形监测中建立高精度GPS 监测网,最后得出毫米级精度的绝对平面位移与相对垂直监测数据;最后用TCA1800全站仪(1mm 测距精度的自动照准精密型全站仪)进行检测比对，实践证明GPS 测量完全可以取代高精度边角(网)测量。这样给我们启示：在不低于二等精度的GPS控制网，应用在短边监测网如水库大坝监测中，完全可以替代常规边、角监测网，而且可以取得毫米级甚至亚毫米级精度的绝对平面位移与相对垂直监测数据;在有条件(解决多径效应，如采用扼流圈天线)的情况下，小范围内以大地高取代高精度的水准测量的正常高也是有可能的。
3、带RTK的碎部测量与放样
RTK (Real Time Kinematic) 技术, 即载波相位差分技术, 是实时处理两个测站载波相位观测量的差分方法。RTK系统由两部分组成: 基准站(坐标已知) 和移动站(用户接收机) 。其基本原理是:将基准站采集的载波相位发送给用户, 用户根据基准站的差分信息进行求差解算用户位置坐标。RTK技术可应用于测绘地形图、地籍图, 测绘房地产的界址点, 平面位置的施工放样等。采用RTK技术测图时仅需一人进行。将GPS 接收机放在待定的特征点上1、2 秒钟, 同时输入该特征点的编码即可。把一个小区域内的地形、地物特征点测定后传入计算机, 由专业成图软件、在人工适当的干预下, 形成所要的成果图。采用RTK技术进行放样,标定界标点, 是坐标的直接标定, 不象常规放样那样, 需要后视方向、用解析法标定, 因而简捷易行。
4、区域差分网下的碎部测量与放样
区域性GPS 差分系统下的碎部测量与放样,是基于区域GPS 差分网进行的。区域差分与RTK单基点载波相位差分的原理相似, 不同的是区域差分的基准站往往多于1 个, 多基准站组成基准,基准网提供各个基準站的差分信息, 用户接收机根据自己的位置确定各基准站差分信息的权, 按非等权平差后形成自己的差分改正数, 实现差分定位。
三、GPS RTK技术在工程测量中处理数据方法实时动态测量RTK是基于载波相位观测值的实时动态定位技术。在RTK作业模式下，基准站通过数据锭—调制解调器，将其观测值及站点的坐标信息用电磁信号一起发送给流动站。流动站不仅接收来自基准站的数据．同时本身也要采集GPS卫星信号，并取得观测数据，在系统内组成差分观测值进行实时处理，瞬时地给出精度为厘米级(相对于参考站)的流动站点位坐标。
在RTK作业模式下，基准站通过数据链将其观测位(仍距和载波相位观测值)和测站坐标信息(如基准站坐标和天线高度)—但传送给流动站，流动站在完成初始化后，二方面通过数据链接接收来自基被站的数据，另外，自身也采集rTP3观测数据，并在系统内组成差分观测值进行实时处理，再经过坐标转换、高程拟合和投影改正，即可给出实用的厘米级定位结果。
四、工程测量技术的应用
1、GPS定位技术在工程测量中的应用
GPS技术具有精度高、速度快、不受气候条件及通视条件的限制等优点，另外，GPS接收机具有自动观测的特点，这为实现大型工程建筑物变形监测的自动化奠定了基础。实践证明，GPS是一种值得选用的有效方法，三维坐标的测定变得简单，目前，GPS技术特别是RTK技术已广泛应用于工程测量中。
2、GIS工程测量系统的应用
地理信息系统(GIS)是由计算机系统、地理数据和用户组成的，通过利用数据的空间属性，实现了图形与数据的结合。它通过可视化平台多维地显示数据，揭示数据之间的关联和隐藏在数据背后的信息。作为传统地图学与现代信息技术相融合的一门空间技术，GIS是工程信息采集、存储、管理、分析、表达的有力工具。另外，GIS可以把工程用地及其周围地区的地形、地貌、地物、变形测量点等信息放置到电子地形图上。通过图形与属性数据库的连接和多期变形测量结果趋势性计算与变形趋势图的制作，建立可视化的变形测量查询、分析、管理信息系统，将更加有利于变形测量分析与管理。
3、基于全站仪的变形监测技术的应用
全站仪变形监测以其自动化、高精度、三维监测的技术优势，在变形监测中得到了普遍应用。全站仪正在向全能型和智能化方向发展。带马达驱动和程序控制的全站仪结合激光、通讯及CCD技术，可实现测量过程的全自动化，被称作测量机器人。测量机器人可自动搜寻观测目标，在很短的时间内完成一目标点的观测，并可以对多个目标作持续和重复观测。测量机器人与测量数据处理分析软件系统相结合完全可以实现变形监测的自动化。测量机器人作为多传感器集成系统在人工智能方面的进一步发展，使其在建筑物变形监测中必将得到进一步应用。
4、数字成像测量技术在建筑工程的应用
数字成像测量技术是通过计算机系统在被测二维影响中提取三维信息，通过对被测区域进行多点影响拍摄与提取得到测量工作所需信息。其常用于地形复杂、测量放线工作困难的测量工作中。随着近年来数字成像测量技术的不断完善以及其在工程建设各个领域的不断应用，目前其在建筑工程竣工后以及使用过程变形监测中也得到广泛的应用。通过对建筑工程多点影响的拍摄与计算机提取得到建筑物的变形参数，以此对建筑工程垂直位移(沉降)、水平位移、倾斜、挠曲等进行客观评价，保障建筑物的使用安全。
5、工程测量中的3S集成技术
3S(GPS、GIS、RS)技术的结合，取长补短，是一个自然的发展趋势，三者之间的相互作用行成了“一个大脑，两只眼睛”的框架，即GPS与RS为GIS提供区域信息及空间定位信息，而GIS进行相应的空间分析以便从GPS和RS提供的海量数据中提取有用的信息并进行综合集成，使之成为科学的决策依据。诸如三峡工程、南水北调工程等工程，其施工范围大、物流量大、施工周期长等，而3S技术为该类大型工程提供了最有效的数据及信息采集、分析处理、表达决策的工具。
关键词：工程测量；GPS；RTK
Abstract: With the development of science, the new technology of Surveying and mapping are constantly emerging, changed the traditional field work habits, to adapt to the development of surveying market. The GPS receivers of small size, small power consumption to GPS provides favorable conditions for engineering measurement hardware. In terms of software, and there are a lot of GPS rapid positioning method, all of these make GPS widely used in engineering measurement. In this paper, based on the principle of GPS, presents the application of GPS in survey engineering.
Key words: engineering survey; GPS; RTK
中圖分类号：P25 文献标识码：文章编号:
一、GPS 定位系统的组成、定位原理
GPS(全球定位系统) 为美国第二代卫星导航系统。GPS 定位系统由卫星星座(空间部分) 、地面监控系统(地面部分) 、GPS 接收机(用户设备部分) 组成。星座由24 颗卫星组成, 其中21 颗GPS工作卫星, 3 颗备用卫星, 大致均匀分布在6 个近似圆的轨道面上; 地面监控系统是整个系统的中枢, 由5 个监测站、1 个主控站、3 个注入站组成。分布在美国本土和科罗拉多以及三大洋的美国军事基地, 它主要的功能是: 完成对GFS 卫星信的实时监测, 向每颗卫星提供其编写并播发的导航电文, 包括卫星星历(即一系列描述卫星运动其轨道参数的数据) 、卫星钟差和大气修正参数等;GPS 接收机是能够接收、跟踪、变换和测量GPS 信号的接收设备, 由主机、天线和电源组成。GPS 卫星发送的导航定位信号即GPS 信号, 是一种全球共享的信息资源。各类用户, 在任何地点、任何气候、任何时刻均可用GPS 接收机接收信号, 进行导航定位测量。
GPS 定位原理, 类似于传统的后方交会。如果已知空间GPS 卫星的瞬时位置, 若仅确定测站点的三维则GPS 接收机只要接收到3 颗GPS 卫星发射的信号, 即得卫星到测站点的几何距离, 就可根据后方交会原理, 确定出测站点的三维坐标。由于造价的原因, GPS 接受机中的时钟精度有限,与GPS 时间相比有较大的偏差, 因而需要将这一时间作为待定参数, 与待定空间参数并求解, 故最少需要观测4 颗GPS 卫星。由于各种偏差的存在, GPS 接收机根据接收信号所确定的量不是上述的几何距离, 而是带有一定偏差的伪几何距离, 伪距。由于伪距是通过测码或测相而确定的, 因此, 作为GPS 的基本观测值, 一般是指测码伪距和测相伪距(载波相位) 。
二、GPS 在工程测量中的应用
1、建立工程控制网
工程控制网是工程建设、管理和维护的基础,其网型和精度要求与工程项目的性质、规模密切相关。一般地, 工程控制网覆盖面积小、点位密度大、精度要求高。用常规的方法, 多采用边角网等。采用GPS 定位的方法建立工程控制网, 具有点位选择限制少, 作业时间短, 成果精度高, 工程费用低等优点。可应用于建立工程首级控制网, 变形监测控制网, 工矿施工控制网, 工程勘探、施工控制网, 隧道等地下工程控制网等等。应用GPS 技术建立控制网, 通常采用载波相位静态差分技术,以保证达到毫米级精度。应用GPS 技术建立道路勘探、施工控制网和隧道工程控制网等具有显著的优势。河道、道路勘探、施工控制网, 具有横向很窄、纵向很长的特点。采用传统的三角锁、导线方案, 多数需要分段实施, 以避免误差积累过大。采用GPS 技术, 由于点与点之间不需要通视, 可以敷设很长的GPS 点构成的三角锁, 以保持长距离线路坐标控制的一致性。通过在实际应用的情况比较，我们总结出在平均边长在5公里以下的工程GPS 控制网，用双频接收机观测20-30min 即可满足工程精度要求的良好结果。因此在实际工作中，当观测条件良好时，工程GPS控制网的观测时段可以比规范规定的时间缩短10-20min ，这对进一步提高GPS 测量的效率无疑具有积极的作用。
2、变形监测
变形监测主要是监测像大桥、水库大坝、高层大楼等建筑物、构筑物的地基沉降、位移以及整体的倾斜等状况。监测工作的特点是被监测体的几何尺寸巨大, 监测环境复杂, 监测技术要求高。常规的监测技术是应用水准测量的方法, 监测地基的沉降; 应用三角测量(或角度交会) 的法, 监测地的位移和整体的倾斜。GPS 技术在该领域有广泛的应用。我们在建德新安江大坝变形监测中建立高精度GPS 监测网,最后得出毫米级精度的绝对平面位移与相对垂直监测数据;最后用TCA1800全站仪(1mm 测距精度的自动照准精密型全站仪)进行检测比对，实践证明GPS 测量完全可以取代高精度边角(网)测量。这样给我们启示：在不低于二等精度的GPS控制网，应用在短边监测网如水库大坝监测中，完全可以替代常规边、角监测网，而且可以取得毫米级甚至亚毫米级精度的绝对平面位移与相对垂直监测数据;在有条件(解决多径效应，如采用扼流圈天线)的情况下，小范围内以大地高取代高精度的水准测量的正常高也是有可能的。
3、带RTK的碎部测量与放样
RTK (Real Time Kinematic) 技术, 即载波相位差分技术, 是实时处理两个测站载波相位观测量的差分方法。RTK系统由两部分组成: 基准站(坐标已知) 和移动站(用户接收机) 。其基本原理是:将基准站采集的载波相位发送给用户, 用户根据基准站的差分信息进行求差解算用户位置坐标。RTK技术可应用于测绘地形图、地籍图, 测绘房地产的界址点, 平面位置的施工放样等。采用RTK技术测图时仅需一人进行。将GPS 接收机放在待定的特征点上1、2 秒钟, 同时输入该特征点的编码即可。把一个小区域内的地形、地物特征点测定后传入计算机, 由专业成图软件、在人工适当的干预下, 形成所要的成果图。采用RTK技术进行放样,标定界标点, 是坐标的直接标定, 不象常规放样那样, 需要后视方向、用解析法标定, 因而简捷易行。
4、区域差分网下的碎部测量与放样
区域性GPS 差分系统下的碎部测量与放样,是基于区域GPS 差分网进行的。区域差分与RTK单基点载波相位差分的原理相似, 不同的是区域差分的基准站往往多于1 个, 多基准站组成基准,基准网提供各个基準站的差分信息, 用户接收机根据自己的位置确定各基准站差分信息的权, 按非等权平差后形成自己的差分改正数, 实现差分定位。
三、GPS RTK技术在工程测量中处理数据方法实时动态测量RTK是基于载波相位观测值的实时动态定位技术。在RTK作业模式下，基准站通过数据锭—调制解调器，将其观测值及站点的坐标信息用电磁信号一起发送给流动站。流动站不仅接收来自基准站的数据．同时本身也要采集GPS卫星信号，并取得观测数据，在系统内组成差分观测值进行实时处理，瞬时地给出精度为厘米级(相对于参考站)的流动站点位坐标。
在RTK作业模式下，基准站通过数据链将其观测位(仍距和载波相位观测值)和测站坐标信息(如基准站坐标和天线高度)—但传送给流动站，流动站在完成初始化后，二方面通过数据链接接收来自基被站的数据，另外，自身也采集rTP3观测数据，并在系统内组成差分观测值进行实时处理，再经过坐标转换、高程拟合和投影改正，即可给出实用的厘米级定位结果。
四、工程测量技术的应用
1、GPS定位技术在工程测量中的应用
GPS技术具有精度高、速度快、不受气候条件及通视条件的限制等优点，另外，GPS接收机具有自动观测的特点，这为实现大型工程建筑物变形监测的自动化奠定了基础。实践证明，GPS是一种值得选用的有效方法，三维坐标的测定变得简单，目前，GPS技术特别是RTK技术已广泛应用于工程测量中。
2、GIS工程测量系统的应用
地理信息系统(GIS)是由计算机系统、地理数据和用户组成的，通过利用数据的空间属性，实现了图形与数据的结合。它通过可视化平台多维地显示数据，揭示数据之间的关联和隐藏在数据背后的信息。作为传统地图学与现代信息技术相融合的一门空间技术，GIS是工程信息采集、存储、管理、分析、表达的有力工具。另外，GIS可以把工程用地及其周围地区的地形、地貌、地物、变形测量点等信息放置到电子地形图上。通过图形与属性数据库的连接和多期变形测量结果趋势性计算与变形趋势图的制作，建立可视化的变形测量查询、分析、管理信息系统，将更加有利于变形测量分析与管理。
3、基于全站仪的变形监测技术的应用
全站仪变形监测以其自动化、高精度、三维监测的技术优势，在变形监测中得到了普遍应用。全站仪正在向全能型和智能化方向发展。带马达驱动和程序控制的全站仪结合激光、通讯及CCD技术，可实现测量过程的全自动化，被称作测量机器人。测量机器人可自动搜寻观测目标，在很短的时间内完成一目标点的观测，并可以对多个目标作持续和重复观测。测量机器人与测量数据处理分析软件系统相结合完全可以实现变形监测的自动化。测量机器人作为多传感器集成系统在人工智能方面的进一步发展，使其在建筑物变形监测中必将得到进一步应用。
4、数字成像测量技术在建筑工程的应用
数字成像测量技术是通过计算机系统在被测二维影响中提取三维信息，通过对被测区域进行多点影响拍摄与提取得到测量工作所需信息。其常用于地形复杂、测量放线工作困难的测量工作中。随着近年来数字成像测量技术的不断完善以及其在工程建设各个领域的不断应用，目前其在建筑工程竣工后以及使用过程变形监测中也得到广泛的应用。通过对建筑工程多点影响的拍摄与计算机提取得到建筑物的变形参数，以此对建筑工程垂直位移(沉降)、水平位移、倾斜、挠曲等进行客观评价，保障建筑物的使用安全。
5、工程测量中的3S集成技术
3S(GPS、GIS、RS)技术的结合，取长补短，是一个自然的发展趋势，三者之间的相互作用行成了“一个大脑，两只眼睛”的框架，即GPS与RS为GIS提供区域信息及空间定位信息，而GIS进行相应的空间分析以便从GPS和RS提供的海量数据中提取有用的信息并进行综合集成，使之成为科学的决策依据。诸如三峡工程、南水北调工程等工程，其施工范围大、物流量大、施工周期长等，而3S技术为该类大型工程提供了最有效的数据及信息采集、分析处理、表达决策的工具。