摘 要:文章論述了在工程測(cè)量中，GPS(G1oba1P0sitioningSystem)測(cè)量技術(shù)原理和應(yīng)用的合理性，對(duì)于大比例尺的測(cè)圖、工程設(shè)計(jì)和施工放樣，國(guó)家規(guī)定的6。帶、3。帶不能滿足其精度的需要的情況下采用自選的中央子午線、計(jì)算基準(zhǔn)面，建立大型工程的獨(dú)立平面控制網(wǎng)的理論支持，在實(shí)踐中也得到了廣泛的應(yīng)用，可以供類(lèi)似的工程控制建網(wǎng)參考借鑒。
　　關(guān)鍵詞:GPS工程測(cè)量；技術(shù)原理；應(yīng)用；大地測(cè)量，比較
　　1 GPS工程測(cè)量網(wǎng)的整體設(shè)計(jì)
　　GPS是一種高精度的連續(xù)定位系統(tǒng)，具有速度快、費(fèi)用低、操作簡(jiǎn)便等優(yōu)良特性而廣泛應(yīng)用于控制測(cè)量、工程測(cè)量、變形觀測(cè)中去，逐漸有取代常規(guī)測(cè)量的趨勢(shì)。
　　1.1 GPS工程測(cè)量控制網(wǎng)的概述
　　一般將GPS工程測(cè)量網(wǎng)分為兩大類(lèi)：1．全球或全國(guó)性高精度的GPS測(cè)量網(wǎng)，網(wǎng)內(nèi)相鄰點(diǎn)的距離在數(shù)千公里左右，用于大范圍測(cè)量控制框架和科研；2．區(qū)域性的GPS測(cè)量網(wǎng)，它包括城市或施工區(qū)域控制、變形監(jiān)測(cè)等，網(wǎng)內(nèi)相鄰點(diǎn)距離很近，主要作用服務(wù)于國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)。下面主要闡述后者。
　　以某水電站而言，在一個(gè)區(qū)域面積較小情況適合C、D、E級(jí)GPS測(cè)量網(wǎng)或者專(zhuān)為工程項(xiàng)目布設(shè)的工程GPS測(cè)量網(wǎng)，現(xiàn)階段水電工程建立首級(jí)控制網(wǎng)的手段基本被GPS技術(shù)所取代，GPS快速靜態(tài)測(cè)量用于平面控制測(cè)量與傳統(tǒng)的全站儀和典型靜態(tài)測(cè)量相比，不僅能夠顯著提高工作效率，而且所測(cè)成果精度能夠滿足設(shè)計(jì)要求。
　　1.2 工程測(cè)量平面坐標(biāo)系的建立原理
　　(1)高斯投影長(zhǎng)度變形公式
　　高斯投影長(zhǎng)度變形公式地面上的邊長(zhǎng)歸化至平均海水面上，再投影至高斯平面，變形公式如式(2)：
　　（2）
　　其中：△S為地面長(zhǎng)度歸化的高斯投影面的總改正值；S為地面兩點(diǎn)間距離；△S1為地面長(zhǎng)度歸化至海平面的改正，△S2為海平面距離投影到高斯平面的改正；V1為地面長(zhǎng)度歸化至海平面的改正系數(shù)，V2為海平面距離投影到高斯平面的改正系數(shù)；Hm為歸算邊高出海平面的平均高程，h為平均海水面與參考橢球體之問(wèn)的高差；Rn為歸算邊方向平均海水面法截弧的曲率半徑，ym為歸算邊兩端點(diǎn)y坐標(biāo)的平均值：Rm為平均海水面的平均曲率半徑。
　　上面公式中的Rn和Rm相差很少，在計(jì)算時(shí)，為了簡(jiǎn)便，一般用地球平均半徑R代替，h一般也忽略不計(jì)，通常用下面的近似公式(3)：
　　（3）
　　人們無(wú)論從測(cè)圖、設(shè)計(jì)用圖到施工放樣，都希望邊長(zhǎng)改正△S改正值盡量的小，使實(shí)地實(shí)測(cè)距離與坐標(biāo)間反算距離、實(shí)測(cè)圖上的距離吻合。因此《城市測(cè)量規(guī)范》《公路勘測(cè)規(guī)范一JTGC10—2007》中，均明確規(guī)定，每公里的改正不大于2．5cm。
　　(2)工程測(cè)量平面坐標(biāo)系建立的方法
　　從上面的公式時(shí)，可以看出，當(dāng)測(cè)區(qū)平均高程Hm在1O0m以下，Y坐標(biāo)平均值在40km以下，高斯投影改正每公里小于2．5cm。能滿足相應(yīng)規(guī)范的要求。
　　每公里距離改正2．5cm，即為：
　　（4）
　　從公式中的△S1、△S2兩項(xiàng)改正，符號(hào)相反，故對(duì)以上要求，還可適當(dāng)放寬。然而，有一些測(cè)區(qū)，往往難以使。
　　為此，通過(guò)選擇某一獨(dú)立的平面坐標(biāo)系來(lái)解決，具體方法是：根據(jù)測(cè)區(qū)的具體情況，通過(guò)改變Hm和中央子午線的位置，進(jìn)而改變ym的值以抵消△S的影響。
　　1.3 GPS測(cè)量技術(shù)原理及外業(yè)施測(cè)
　　在GPS測(cè)量中，衛(wèi)星主要被作為位置已知的空間觀測(cè)目標(biāo)，從而形成了不需要地面點(diǎn)的后方交會(huì)，每臺(tái)接收機(jī)都是一個(gè)獨(dú)立的控制點(diǎn)，經(jīng)過(guò)接受到的數(shù)據(jù)解算出點(diǎn)的經(jīng)緯坐標(biāo)(WGS一84)，在多臺(tái)接收機(jī)同時(shí)接收數(shù)據(jù)便形成了很多三角網(wǎng)形參與平差解算，自由網(wǎng)無(wú)約束平差解算出WGS一84坐標(biāo)，然后把己知的控制點(diǎn)進(jìn)行約束平差得到BJ一54坐標(biāo)。
　　考慮到測(cè)區(qū)的實(shí)際情況，選多于4臺(tái)GPS接收機(jī)為一套設(shè)備，以兩臺(tái)儀器為一組，成對(duì)布設(shè)GPS點(diǎn)。在組成良好網(wǎng)形的前提下，每一對(duì)GPS點(diǎn)必須通視良好，其間距一般500米左右，以便于以后作為全站儀導(dǎo)線點(diǎn)的起始點(diǎn)。
　　GPS聯(lián)測(cè)和高等級(jí)導(dǎo)線在各個(gè)單位均有各自不同軟件和方法平差解算，在此不在贅述。在做較長(zhǎng)距離導(dǎo)線時(shí)就會(huì)產(chǎn)生投影變形，投影變形處理與否將直接導(dǎo)致整個(gè)坐標(biāo)系統(tǒng)成敗。
　　2 GPS測(cè)量技術(shù)與大地測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用及比較
　　某工程施工控制測(cè)量采用“分層布網(wǎng)•兩級(jí)控制”的原則即以該工程首級(jí)控制網(wǎng)點(diǎn)為已知點(diǎn)對(duì)分層布設(shè)的加密控制網(wǎng)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量。測(cè)量方法有常規(guī)大地測(cè)量技術(shù)和GPS靜態(tài)測(cè)量技術(shù)。對(duì)其中的兩次加密控制網(wǎng)(1、2)進(jìn)行了大地測(cè)量技術(shù)和GPS靜態(tài)測(cè)量技術(shù)測(cè)量以比較測(cè)量結(jié)果的可靠性，為工程施工控制測(cè)量采用GPS靜態(tài)測(cè)量技術(shù)提供依據(jù)。
　　2.1 網(wǎng)形介紹．
　　施工加密控制網(wǎng)是以該工程首級(jí)控制網(wǎng)點(diǎn)作為已知起算點(diǎn)，根據(jù)施工進(jìn)度進(jìn)行加密以滿足施工測(cè)量放樣工作的需要。網(wǎng)1見(jiàn)圖1。其中“壩下”“新壩上”為首級(jí)控制點(diǎn)，作為網(wǎng)1的已知起算點(diǎn)，EQ13～EQ18、EQ2O為加密控制點(diǎn)。網(wǎng)2見(jiàn)圖2。其已知起算點(diǎn)為“壩下”“新壩上”，煙雨樓、左導(dǎo)墻、EQ07、EQ19、EQ21～EQ24為加密控制點(diǎn)。
　　
　　圖1  GPS控制網(wǎng)l
　　
　　圖2  GPS控制網(wǎng)2
　　2.2 使用儀器、測(cè)量技術(shù)及結(jié)果
　　（1）應(yīng)用大地測(cè)量技術(shù)
　　大地測(cè)量技術(shù)主要采用大地測(cè)量?jī)x器如經(jīng)緯儀、測(cè)距儀、干濕溫度計(jì)、氣壓計(jì)等對(duì)所布設(shè)的控制網(wǎng)進(jìn)行測(cè)量。該工程控制網(wǎng)采用測(cè)邊網(wǎng)，高程采用測(cè)距三角高程，使用WILDT2經(jīng)緯儀+DI2002測(cè)距儀按照觀測(cè)技術(shù)要求進(jìn)行施測(cè)。外業(yè)觀測(cè)數(shù)據(jù)經(jīng)數(shù)據(jù)處理并進(jìn)行平差計(jì)算其結(jié)果見(jiàn)表1、表2。
　　表1  網(wǎng)l大地測(cè)量技術(shù)坐標(biāo)成果表(單位：m)
　　點(diǎn)名 坐標(biāo)
　　 X Y H
　　EQ13 19946．451 49151．243 68．O33
　　EQ14 19989．414 48863．693 40．558
　　EQ15 19991．968 48594．686 44．873
　　EQ16 2O162．292 48733．O46 27．259
　　EQ17 20151．391 48798．830 37．687
　　EQ18 20147．350 48986．OOO 49．456
　　EQ19 20236．354 49102．340 76．484
　　EQ20 20235．874 49183．69O 76．624
　　表2  網(wǎng)2大地測(cè)量技術(shù)坐標(biāo)成果表(單位：m)
　　點(diǎn)名 坐標(biāo)
　　 X Y H
　　左導(dǎo)墻 20545．4894 48684．O20 7O．854
　　煙雨樓 19974．673 48373．257 76．269
　　EQ07 19924．144 48719．813 43．520
　　EQ19 20236．349 491O2．336 76．480
　　EQ21 19943．135 49061．009 59．412
　　EQ22 19875．907 48975．992 77．3O7
　　EQ23 2O248．745 48648．12O 32．178
　　EQ24 20159．302 48747．912 31．797
　　（2）應(yīng)用GPS靜態(tài)測(cè)量技術(shù)
　　GPS靜態(tài)測(cè)量技術(shù)就是根據(jù)制定的觀測(cè)方案，將幾臺(tái)GPS接收機(jī)安置在構(gòu)成同步環(huán)的待定點(diǎn)(未知點(diǎn))上同時(shí)接收衛(wèi)星信號(hào)，直至將所有環(huán)路觀測(cè)完畢。然后使用Trimble公司的GPSSurvey或武漢天任公司的PowerAdj2．0軟件進(jìn)行基線向量的解算和網(wǎng)平差。網(wǎng)1的觀測(cè)數(shù)據(jù)經(jīng)平差計(jì)算得到54北京坐標(biāo)系的坐標(biāo)，經(jīng)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換后得到某坐標(biāo)系的坐標(biāo)成果見(jiàn)表3。
　　表3  網(wǎng)1GPS測(cè)量坐標(biāo)成果表(單位：m)
　　點(diǎn)名 GPS坐標(biāo)
　　 XGPS YGPS HGPS
　　EQ13 19946．455 49151．248 68．O34
　　EQ14 19989．412 48863．696 40．562
　　EQ15 19991．965 48594．689 44．873
　　EQ16 2O162．288 48733．O50 27．259
　　EQ17 20151．387 48798．840 37．693
　　EQ18 20147．348 48986．OO1 49．455
　　EQ19 20236．348 49102．340 76．477
　　EQ20 20235．876 49183．692 76．627
　　為檢驗(yàn)大地測(cè)量技術(shù)與GPS測(cè)量技術(shù)其起算點(diǎn)不同對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，對(duì)網(wǎng)2的部分點(diǎn)用GPS靜態(tài)測(cè)量技術(shù)進(jìn)行檢測(cè)并更換網(wǎng)的起算數(shù)據(jù)組成網(wǎng)2′，見(jiàn)圖3。將54北京坐標(biāo)系的平差結(jié)果轉(zhuǎn)換為某坐標(biāo)系的結(jié)果見(jiàn)表4。
　　表4  網(wǎng)2′GPS測(cè)量坐標(biāo)成果表(單位：m)
　　點(diǎn)名 GPS坐標(biāo)
　　 XGPS YGPS HGPS
　　ZBDD 19688．714 49184．437 89．O58
　　壩下 20523．777 48187．172 113．999
　　EQ07 19924．153 48719．819 43．52O
　　EQ19 20236．355 491O2．340 76．480
　　EQ21 19943．143 49061．014 59．422
　　EQ22 19875．912 48975．997 77．3O5
　　EQ23 20248．748 48648．124 32．187
　　
　　
　　圖3  GPS靜態(tài)測(cè)量技術(shù)
　　（3）GPS測(cè)量技術(shù)與大地測(cè)量技術(shù)結(jié)果比較
　　兩種結(jié)果的比較如表5和表6所示。
　　表5  網(wǎng)1坐標(biāo)差值比較表(單位：mm)
　　點(diǎn)名 X大地-XGPS Y大地-YGPS H大地-HGPS
　　EQ13 +6 -5 —1
　　EQ14 +2 -3 —4
　　EQ15 +3 -3 O
　　EQ16 +4 -4 O
　　EQ17 +4 -10 —6
　　EQ18 +2 -1 +1
　　EQ19 +6 O +7
　　EQ20 -2 -2 —3
　　表6  網(wǎng)2與網(wǎng)2′坐標(biāo)差值比較表(單位：mm)
　　點(diǎn)名 X大地-XGPS Y大地-YGPS H大地-HGPS
　　EQ07 -9 -6 0
　　EQ19 -6 -4 0
　　EQ21 -8 -5 -10
　　EQ22 -5 -5 -2
　　EQ23 -3 -4 -9
　　EQ24 -5 -6 -7
　　由表5、表6可知：兩種測(cè)量方法的結(jié)果存在差值是由于兩種測(cè)量方法本身的測(cè)量誤差和坐標(biāo)轉(zhuǎn)換數(shù)學(xué)模型誤差以及在平差計(jì)算中觀測(cè)量權(quán)配置不合理引起的，其三維坐標(biāo)差值均小于±1O唧，可以滿足工程砼澆筑對(duì)加密施工控制網(wǎng)的精度要求。
　　3 總結(jié)
　　(1)采用本方法建立的工程控制網(wǎng)，其長(zhǎng)度變形很小，可忽略不計(jì)。對(duì)于測(cè)圖、設(shè)計(jì)和施工放樣，都可以做到圖紙與實(shí)際對(duì)照，不必考慮投影改正。
　　(2)測(cè)區(qū)中心點(diǎn)A的坐標(biāo)與國(guó)家坐標(biāo)完全相同，其他各點(diǎn)由于旋轉(zhuǎn)和到中心A的距離差別，與國(guó)家坐標(biāo)有較小的差異。
　　(3)用該坐標(biāo)系統(tǒng)測(cè)出的大比例地形圖，可以通過(guò)相應(yīng)的數(shù)字化軟件縮小為1：1萬(wàn)地形圖，插入國(guó)家l：l萬(wàn)標(biāo)準(zhǔn)圖幅中，這時(shí)在測(cè)區(qū)的周邊與國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)1：1萬(wàn)圖紙會(huì)出現(xiàn)不完全銜接，但這種不銜接在誤差允許的范圍內(nèi)，可以利用軟件進(jìn)行必要的修飾。采用工程坐標(biāo)系所成地形圖插入l：1萬(wàn)地形圖中，進(jìn)行同等使用，設(shè)計(jì)的工程在不同比例的地形圖中坐標(biāo)一致，位置相同。這將對(duì)工程的設(shè)計(jì)、施
　　工放樣人員使用不同比例尺地形圖帶來(lái)許多方便。
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