浅谈GPS技术在山区工程测量中的应用

1、施工技术浅谈GPS技术在山区工程测量中的应用浅谈GPS技术在山区工程测量中的应用项目一部 张学孟【摘要】在山区工程测量中，由于存在高差大、地形多变、通视条件差等不利条件，仅靠常规测量方法工作效率低且难以保证精度。GPS定位技术具有精确度好、实施快速、不受时空限制等特点，可充分保证测量的精度，同时加快了施测进度。本文结合我单位在川东北参与施工的西南油气分公司元坝气田天多个生产实例，介绍了GPS定位技术原理及其在施工放样，原地面复测等工程测量中的应用。【关键词】山区工程测量 GPS-RTK 效率 数据处理 1 前言 我单位在四川市场随着西南石油管理局元坝气田的大开发，在川东北地区工程承揽量和工程完

2、成量逐年增加成为我工程处外重要埠市场。由于四川山区地形地貌存在高差大、地形复杂多变、通视条件不好、雨雾天气多等条件，在山区工程项目施工测量中，传统的的导线测量、三角高程测量方法操作不便且无法保证精度。而GPS技术能够实时提供任意测点的三维坐标；作业区域站点之间无需通事；且不受天气条件的影响，可全天候作业；点位的精度可实时显示；每次放样过程一致，测量的点位精度大致相同，不存在累计误差，可保证测量精度的均匀性,可充分满足山区工程测量的技术要求。本文通过对GPS技术在山区工程测量中的应用探讨，希望能对从事山区工程测量的技术人员有一定的借鉴意义。2 工程地形及概况 元坝气田天然气净化厂场平工程，区域南

3、北长约984米，东西长约549米。拟建场地地形中间高两侧低，最高处为马家梁，高程为511米，最低高程为446米，相对高差65米，中部短促的山梁呈宽缓的浑圆状，大体为北西南东向延伸，由较坚硬长石石英砂岩组成，其周边形成陡壁，高58米。元坝场平工程现场不仅高差大，并且地面植被茂盛，遍地都是松林、灌木丛和梯田（水稻田）。牛包山隧道工程，隧址区内地势西高东低，低山地形。牛包山隧道穿越地段最高点位于隧道洞身段，其高程为602.6m；最低点位于隧道出洞口段，其高程为503.69m，相对高差为100m。地形较陡，基岩大面积出露，自然斜坡一般4560，呈折线，局部有610m的砂岩陡坎；山腰多为荒山，植被茂密，

4、多为柏树和杉树。工程现场地形存在高差大、地形复杂多变、通视条件不好、雨雾天气多等不利传统施工测量的条件。3 GPS定位技术原理3.1 GPS工作原理 GPS系统是一种采用距离交会法的卫星导航定位系统，即在需要的位置P点架设GPS接收机。 在某一时刻t同时接收了3颗(A、B、C)以上的GPS卫星所发出的导航电文，通过一系列数据处理和计算可求得该时刻GPS接收机至GPS卫星的距离SAP、SBP、SCP，同样通过接收卫星星历可获得该时刻这些卫星在空间的位置(三维坐标)，从而用后方交会的方法求得P点的三维坐标(Xp，Yp，Zp)。 在GPS测量中通常采用两类坐标系统：一类是在空间固定的坐标系统；另一类

5、是与地球体相固联的坐标系统，称地固坐标系统。我们在工程控制测量中常用地固坐标系统。在实际使用中需要根据坐标系统间的转换参数进行坐标系统的变换，来求出所使用的坐标系统的坐标。这样更有利于表达地面控制点的位置和处理GPS观测成果，因此在测量中得到了广泛的应用。 3.2 RTK测量的基本原理 实时动态(Real Time Kinematic-RTK)测量系统，是GPS测量技术与数据传输技术相结合，而构成的组合系统。是GPS测量技术发展中的一个新的突破。 实时动态测量的基本原理。在基准站上安置一台GPS接收机，对所有可见GPS卫星进行连续地观测，并将其观测数据通过无线电传输设备，实 时地发送给用户观测

6、站。在用户站上，GPS接收机在接收GPS卫星信号的同时，通过无线电传输设备，接收基准站传输的观测数据，然后根据相对定位的原理， 实时地计算并显示用户站的三维坐标，其精度可达到厘米级。由于载波相位测量，差分处理技术、整周未知数、快速求解技术以及移动数据通信技术的融合，使RTK在精度速度、实时性上达到了完满的结合，便可监测基准站与用户站观测结果的质量和解算结果的收敛情况，从而可实时地判定解算结果是否成功，以减少冗余观测，缩短观测时间。4 GPS定位技术在具体工程中的应用 通过本单位在川东北山区参与施工的的多个生产实例，结合GPS定位技术原理及操作方法通过控制测量、原地面测量、施工测量及数据处理四个

7、方面与常规测量的对比，展开对GPS定位技术在山区工程测量中的应用探讨。4.1 控制测量 元坝气田天然气净化厂场平工程，已知控制点4个，控制点复测采用拓普康GTP-102R全站仪和苏一光Z2水准仪，专业测量技术人员四名。 导线测量：采用拓普康全站仪进行观测，角度采用测回法观测两个测回，每测站往/返测四次水平距离，取其平均值。高程测量：使用水准仪采用三角高程法进行观测，作业中做到固定人员与仪器，司尺与标尺固定。本次控制点复测工作采用常规测量方法，由于工程所在区域地形高差大、植被茂盛、雨雾天气多等自然因素，在测量过程中面临严重的通视困难和频繁的转放支点及搬站，费工费时，增加人为误差累积测量精度降低。

8、项目部测量人员历时一周才完成控制点复测工作。经过元坝气田天然气净化厂场平工程控制点复测工作，认识到全站仪、水准仪在山区测量工作中的困难度和局限性。牛包山隧道工程，已知控制点6个（隧道进出口各三个），控制点分布区域相对高差大、植被茂盛通视条件比场平项目更差，再使用常规测量方法进行控制点复测无疑难度比场平项目更大。结合工程所在区域地形地貌，牛包山隧道工程控制点复测工作采用GPS静态测量对控制点进行复测，采用仪器为苏一光A20型GPS接收机三台（仪器静态精度静态基线： 5mm +1ppm*距离；高 程：10mm+1ppm*距离），专业测量技术人员三名。在静态测量中采用单基准站式的布网：以一台接收机作

9、为基准站，在某个测站上连续观测，其余的接收机载基准站观测期间，在其周围流动，每到一点就进行观测，流动站的接受机间一般不要求同步，流动的接受机每观测一个时段（观测时间50分钟左右），就与基准站间测得一条同步观测基线，所有这样测得的同步基线就形成了一个以基准站为中心的星形GPS网。经过平差处理，网中最弱边相对精度为1/60106，最高相对精度达1/137万；最弱点位中误差为0.83cm。在贯通面上贯通误差左、右线分别为0.707cm和0.693cm。通过以上方法测得控制网为E级GPS网，精度满足设计施工要求。本次控制点复测工作在地形地貌更复杂的基础上一天完成复测工作。通过两个项目在控制点复测工作中

10、采用不同测量技术的比较，我们能得出GPS定位技术的运用解决了山区工程测量中存在高差大、通视条件差等对传统测量技术的影响的外界因素，极大的提高了工作的效率和成果质量。4.2 原地面测量 对于场平、道路路基等土方施工量大的工程项目，工程前期的原地面复测成果成为影响主要工程量和利润的关键因素。我单位施工的元坝气田天然气净化厂场平工程位于川东北山区，在进行原地面复测时需要测量区域超过60万平方米，途经村庄、丘陵、山地、密布的灌木丛或树林甚至悬崖峭壁等复杂的地形地物。此时，若采用常规全站仪按极坐标法在实地作三维放测，将面临严重的通视困难或频繁的转放支点及搬站。费工费时，并且难以满足精度要求。由于RTK

11、是载波相位实时差分为依据的动态定位技术，与传统测量相比，该套系统除具有操作快捷、精度高、实时性强、自动化程度高等优点外，还不受天气、通视情况的限制，可全天候作业，大大提高工作效益。它能在施测过程中实时得到三维坐标（平面坐标及高程）且测量精度可达到厘米级。这就使在山区测量中应用成为可能弥补了传统测量的不足，并且极大地提高了测量效率。经项目部技术人员研究决定放弃采用常规全站仪测量技术才用GPS-RTK技术进行原地面复测。 具体操作流程：架设好基站启动基站流动站打开手薄蓝牙连接流动站选文件图标打开项目文件（四川场平）选测量图标点测量观测点校正检测点测量。在测量过程中可以根据具体工程要求随时修改测量精

12、度和测量时间，测量时仪器达到精度要求后才会开始测量，点测量完成后会有语音提示，测量点成果自动排序保存至手薄中。 对于有些卫星信号差，电磁波干扰大的地区可采用GPS-RTK与全站仪配合的方法进行。用RTK在要观测区域两侧各引两个控制点。全站仪用后方交会的方法确定仪器的坐标后进行测量。4.3 施工测量 在施工过程中的测量工作主要是测量放样，在我单位参与的场平及相关道路工程中具体通过强夯和道路路基施工介绍GPS-RTK在工程施工测量中的应用。 场平项目工程量大，工期紧，建设单位要求在一百天完成30万方淤泥、200万方土石方和30万平强夯的施工任务，为按期完成施工任务项目部投入翻斗车一百余辆，强夯机二

13、十余台同时施工。填土高程、区域和强夯区域需要及时进行测量放样，在施工过程中每天需要测量放线的工作区域二十余处，这使得测量工作十分繁重。采用全站仪和GPS-RTK工作效率对比表如下：仪器名称最少人员建站时间踩控制点时间移站时间建站次数单点测量时间全站仪2人10分钟30分钟20分钟每观测区域移站一次30秒GPS-RTK1人15分钟30分钟无一次3-5秒通过上述对全站仪和GPS-RTK测量工作的效率对比，我们能得出若是测量单一区域较少测量点，采用全站仪和GPS-RTK工作效率相差不大，但是场平项目的实际情况同时施工区域多且测量点密集。若项目部测量人员采用常规全站仪工作，就面临频繁建站、测量人员多的问

14、题，这使得每个工作日单台全站仪观测区域最多6-7个，根本完成不了每天的测量任务。若是采用GPS-RTK技术，在施工测量中不需要多次建站且单点观测时间更短，这两方面的优势极大的提高了工程施工测量工作的效率。项目部测量人员采用GPS-RTK技术工作后使工作效率极大的提高确保了工程的按期完成。川东北山区道路多为盘山路高程变化大、通视条件差且伴随大量的中桩边桩计算。采用GPS-RTK技术可以将整条道路的曲线要素输入仪器通过自带数据处理软件建立相应的道路模型，在具体放样过程中只需要打开相应道路模型输入要放样的桩号，RTK手簿马上就显示出放样点信息, 并自动解算出导航数据, 将放样点的位置显示在导航图的中

15、央。通过GPS- RTK方式测量出RTK天线在地方坐标系下的位置, 并显示出当前RTK天线位置与放样点实际位置的偏移量, 同时在导航图上显示出RTK 天线应移动的方向和距离。当RTK 天线位置与放样点的实际位置重合时, 即可得到放样点的位置。充分体现了GPS-RTK技术观测范围广，操作便捷，工作效率高的优势。4.4 数据处理对于数据处理我们主要介绍GPS静态和GPS-RTK相关的处理软件和各种数据参数变化对测量成果的影响。仪器和电脑可以通过数据线链接以DAT数据文件进行同步传输，处理GPS静态测量数据采用 FGO2008数据处理软件。在数据处理过程中只需要将项目细节、坐标系统、七参数和观测数据

16、导入数据处理软件，按软件数据处理步骤操作，平差结果中的全部内容输出成一个HTML 报告形式，如下图软件还有其他的成果输出方式，具体成果输出方式可以根据工作需要自行设置。在道路测量工作中可以根据GPS-RTK测量数据配合纬地道路软件生成道路纵横断面图和相应的桩号工程量，这里不做具体介绍。我们主要通过场平项目中SEI料场区域介绍RTK数据配合南方cass7.0测量软件进土石方计算的方法。SEI料场面积80618平方，原地面测量点1264个，施工开挖后测量点460个。在计算前，须用施工开挖测量点高程建立DTM三角网，并使用“等高线/三角网存取/写入文件”保存为*.sjw文件。在方格网土方计算对话框中

17、，顶部选择所需要的坐标文件（原地面测量点坐标数据）。下部选择设计的三角网文件（施工开挖后测量点建立的三角网文件*.sjw），点击“确定”，即可进行方格网土方计算。计算完成后会在CAD上形成一个方格网计算的成果图。有总面积、总填方、总挖方工程量，每个方格网四角各标有经过内插法形成的施工前后两期高程。在使用方格网计算土方量时，方格网的边长长度设定对测量成果会产生一定的影响。山区地形多为丘陵、山地、甚至悬崖峭壁若，方格网四角高程是通过就近点捕捉内插生成，若采用边长较长的方格网进行计算，就会使方格网中间突出的部分土方量无法计算在内。在对场平项目SEI料场区域土石方计算过程中分别才有边长20m和10m两

18、种方格网进行计算比较。采用20m方格网计算总挖方量为331971.2方，采用10m方格网计算挖方量为356307.6方；工程量相差24336.4方占总工程量的6.8%。这是很大一块利润增长点，项目测量人员通过采用较小边长方格网计算为工程项目增加了效益。由原理可知，方格的宽度越小，计算精度越高。但如果采用方格网宽度值太小，超过了野外采集的点的密度也是没有实际意义的。这需要根据实际工程项目和建设单位、监理单位沟通后确定。5 总结 GPS技术的应用是对山区公路测量的根本性变革和发展 。通过结合本单位在川东北地区参与施工的项目介绍了GPS定位术于山区工程测量的应用，实践证明, GPS技术运用于山区山区工程可显著提高工作效率、缩短工期、降低成本, 同时具有精度高、方便快捷等优点, 它为山区复杂地形条件下工程测量开辟了一条有效的技术途径。本文通过GPS技术在川东北地区工程中的具体应用探讨，总结出： (1)GPS它的作业不受环境和距离限制，非常适合于地形条件困难地区、局部重点工程地区、公路狭长地带等。 (2) GPS测量可以大大提高工作及成果质量。它不受人为因素的影响，整个作业过程全由微电子技术、计算机技