試論高層建筑測(cè)量中GPS技術(shù)的有效運(yùn)用

楊磊晶

（云南工業(yè)技師學(xué)院，云南 曲靖 655000）

1 GPS技術(shù)測(cè)量的特征

近幾年，GPS測(cè)量技術(shù)得以在高層建筑施工中大量應(yīng)用。就GPS測(cè)量技術(shù)的優(yōu)勢(shì)來(lái)說(shuō)，在高層建筑施工期間，哪怕是密度特別低的基本控制網(wǎng)點(diǎn)，也能借助系GPS測(cè)量技術(shù)精準(zhǔn)、快速定位。GPS測(cè)量技術(shù)的顯著特征如下：首先，此技術(shù)的測(cè)量精準(zhǔn)度較高。當(dāng)基線＜50km時(shí)，其精準(zhǔn)測(cè)量度可實(shí)現(xiàn)1×10-6，若是基線長(zhǎng)度大于1000km，那么，精準(zhǔn)度可實(shí)現(xiàn)1×10-8，顯而易見(jiàn)，GPS測(cè)量技術(shù)的精準(zhǔn)度優(yōu)勢(shì)明顯；其次，直接取消測(cè)站間相互通視的需求，使得測(cè)量工作更加靈活。GPS測(cè)量技術(shù)在應(yīng)用過(guò)程中，將測(cè)站間的互相通視的形式直接省去，可直接根據(jù)需求界定測(cè)試點(diǎn)；同時(shí)，GPS測(cè)量技術(shù)在觀測(cè)時(shí)間層面，也獨(dú)具優(yōu)勢(shì)。在GPS測(cè)量過(guò)程中，靜態(tài)相對(duì)定位的情況下，設(shè)站的時(shí)間只需要20min；若是動(dòng)態(tài)觀測(cè)，只需要5~10s；最后，GPS測(cè)量技術(shù)操作簡(jiǎn)便且靈活，能夠?qū)崿F(xiàn)接收機(jī)自動(dòng)化完成測(cè)量作業(yè)。在測(cè)量工作中，測(cè)量工作者僅僅需要將測(cè)量?jī)x器對(duì)中放好。那么，就可以快速量取高度。在開(kāi)機(jī)之后依照測(cè)量要求設(shè)置一定的參數(shù)，接收機(jī)就能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化作業(yè)[1]。

2 高層建筑測(cè)量中GPS技術(shù)的設(shè)計(jì)分析

2.1 高層建筑測(cè)量中GPS技術(shù)的設(shè)計(jì)依據(jù)

GPS技術(shù)依據(jù)涉及兩個(gè)層面，一種是測(cè)量任務(wù)書(shū)，另外一種是測(cè)量規(guī)范。其中，測(cè)量任務(wù)書(shū)是相關(guān)管理部門(mén)結(jié)合高層建筑的施工狀況，下達(dá)至下級(jí)業(yè)務(wù)部門(mén)的文件；此文件涉及測(cè)量高層建筑的范圍、精度以及目的。測(cè)量任務(wù)書(shū)是一種指令性的文件，當(dāng)下級(jí)部門(mén)收到文件指示以后，一定要嚴(yán)格依照測(cè)量任務(wù)書(shū)的規(guī)定執(zhí)行設(shè)計(jì)并施工。而測(cè)量規(guī)范是指國(guó)家相關(guān)部門(mén)制定的硬性技術(shù)指標(biāo)，明確界定GPS測(cè)量技術(shù)的實(shí)施步驟及要求。如測(cè)量部門(mén)針對(duì)建筑施工制定的全球性定位測(cè)量規(guī)范以及建設(shè)部門(mén)制定的有關(guān)GPS技術(shù)在城市測(cè)量中的相關(guān)規(guī)范等。

2.2 測(cè)量精度設(shè)計(jì)

GPS測(cè)量設(shè)計(jì)精準(zhǔn)度的過(guò)程中會(huì)受到多種因素的影響，其中，GPS網(wǎng)的用途是影響GPS測(cè)量設(shè)計(jì)精準(zhǔn)度的重要因素。在城市或者工程網(wǎng)內(nèi)，能夠結(jié)合相鄰兩點(diǎn)的距離劃分測(cè)量等級(jí)，此方式可以有效地測(cè)量精準(zhǔn)度。在等級(jí)劃分過(guò)程中，嚴(yán)格界定城市、工程網(wǎng)的觀測(cè)點(diǎn)。以相鄰兩個(gè)觀測(cè)點(diǎn)的間距作為劃分依據(jù)，分別設(shè)置四個(gè)等級(jí)。一般而言，在高層建筑中兩個(gè)相鄰的觀測(cè)點(diǎn)的間距不會(huì)超過(guò)1km，通常在2級(jí)測(cè)量范圍內(nèi)。在測(cè)量精準(zhǔn)度設(shè)計(jì)期間可結(jié)合等效距離的誤差公式，具體如下。

式中：a——接收機(jī)的誤差，并且誤差值一定要低于15mm；b——比例誤差，誤差值不能超過(guò)20ppm·D；d——GPS網(wǎng)中的相鄰點(diǎn)的間距，誤差不能超過(guò)1km。

GPS網(wǎng)技術(shù)設(shè)計(jì)的核心要素則是精度標(biāo)準(zhǔn)，精度的大小關(guān)乎GPS網(wǎng)的設(shè)計(jì)方案、觀測(cè)數(shù)據(jù)以及觀測(cè)計(jì)劃等處理方式。通常來(lái)說(shuō)，如果邊長(zhǎng)低于200m，那么邊長(zhǎng)中的誤差不能超過(guò)20mm。在高層建筑施工期間，需要結(jié)合實(shí)際需要的人力、財(cái)力及物力等綜合情況，合理設(shè)計(jì)精度標(biāo)準(zhǔn)，或者結(jié)合建筑企業(yè)其他部門(mén)現(xiàn)有的作業(yè)經(jīng)驗(yàn)及生產(chǎn)流程進(jìn)行設(shè)計(jì)[2]。

2.3 高層建筑測(cè)量中GPS網(wǎng)的構(gòu)成和圖形設(shè)計(jì)

2.3.1 GPS網(wǎng)同步圖形的獨(dú)立邊設(shè)計(jì)

經(jīng)過(guò)GPS網(wǎng)設(shè)計(jì)的理論，可推算出，如果GPS接收機(jī)有N臺(tái)，共同構(gòu)成同步圖形中一個(gè)特定時(shí)段的GPS基線數(shù)如下。

然而，其中獨(dú)立存在的GPS邊只有N-1條，剩下的則是非獨(dú)立的GPS邊長(zhǎng)，如果接收機(jī)N＝2~5時(shí)，其構(gòu)成的同步圖形如圖1所示。

圖1 N臺(tái)GPS接收機(jī)同步的觀測(cè)圖形

如果同步觀測(cè)的GPS接收機(jī)超過(guò)3個(gè)，那么，同步閉合的最小個(gè)數(shù)如下。

就理論層面而言，同步閉合環(huán)節(jié)中的每個(gè)GPS邊的坐標(biāo)差之和應(yīng)該是零。然而，各個(gè)GPS接收機(jī)無(wú)法同步，使得同步閉合環(huán)的差值也無(wú)法是零。所以，GPS規(guī)范明確界定了同步閉合限差的規(guī)定。在實(shí)際測(cè)量過(guò)程中，如果同步閉合差值較高，那么，需要嚴(yán)格遵循線差的要求；不然，就要結(jié)合高層建筑實(shí)際情況適當(dāng)放寬限差。在實(shí)際測(cè)量過(guò)程中，如果同步環(huán)閉合線差較小，那么，只能表明GPS基線向量的計(jì)算剛剛達(dá)到基本要求，無(wú)法代表GPS邊的觀測(cè)精度。為了充分保障GPS測(cè)量的精準(zhǔn)度，及時(shí)發(fā)現(xiàn)測(cè)量誤差，那么，一定要使GPS獨(dú)立邊構(gòu)成特定的幾何圖形。這類幾何圖形，可能由多條GPS獨(dú)立邊構(gòu)成非同步的多邊形，如四邊形、六邊形等。如果GPS網(wǎng)中起算點(diǎn)有若干個(gè)，那么，可用兩個(gè)起算點(diǎn)之間的多余GPS獨(dú)立邊，構(gòu)成合格線路。而相對(duì)于異步環(huán)的構(gòu)成而言，需要事先選定網(wǎng)圖進(jìn)行設(shè)計(jì)，如果需要的話，需要審核通過(guò)，或者結(jié)合工程的實(shí)際情況優(yōu)化調(diào)整。如果接收機(jī)超過(guò)3臺(tái)，依照軟件功能自動(dòng)挑選獨(dú)立基線構(gòu)成環(huán)路。N，J，T之間的關(guān)系如表1所示。

表1 N，J，T之間的關(guān)系

2.3.2 GPS圖形網(wǎng)的設(shè)計(jì)

GPS網(wǎng)的圖形設(shè)計(jì)主要由用戶的要求所決定，還涉及人力、物力、接收設(shè)備的類型、財(cái)力等多種和網(wǎng)設(shè)計(jì)有關(guān)的因素。高層建筑測(cè)量工程錯(cuò)綜復(fù)雜，需采取合理、科學(xué)的方式，在滿足用戶要求的同時(shí)，將各項(xiàng)誤差降到最低。

（1）GPS網(wǎng)的圖形設(shè)計(jì)原則。

GPS網(wǎng)通常借助非獨(dú)立同步觀測(cè)邊構(gòu)成符合線路和若干個(gè)閉合環(huán)，以此來(lái)強(qiáng)化測(cè)量的條件，提升GPS網(wǎng)的可靠性和穩(wěn)定性。GPS網(wǎng)點(diǎn)需和原有地面的控制網(wǎng)點(diǎn)有效結(jié)合；同時(shí)確保重合的點(diǎn)不能低于3個(gè)，如果重合點(diǎn)低于3個(gè)，需要進(jìn)行聯(lián)測(cè)，同時(shí)，網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)需均勻分布，進(jìn)而能精準(zhǔn)確定GPS網(wǎng)和地面網(wǎng)之間的轉(zhuǎn)換參數(shù)。為了保障GPS測(cè)量工作的精準(zhǔn)性，可適時(shí)采用城市坐標(biāo)系統(tǒng)，標(biāo)識(shí)所有符合GPS網(wǎng)點(diǎn)要求的舊網(wǎng)點(diǎn)[3]。

（2）GPS網(wǎng)的圖形形式。

一般而言，GPS網(wǎng)的獨(dú)立觀測(cè)邊一定要構(gòu)成幾何圖形。圖形形式通常有星形網(wǎng)、環(huán)形網(wǎng)以及三角形網(wǎng)等。三角形網(wǎng)是由非同步的三角形邊及獨(dú)立觀測(cè)邊組成，其優(yōu)勢(shì)特征顯著，如自己的能力好、穩(wěn)定性高、幾何結(jié)構(gòu)強(qiáng)等，經(jīng)平差后網(wǎng)中相鄰點(diǎn)間基線向量的精度分布均勻。三角形網(wǎng)的不足之處是觀測(cè)量過(guò)大，特別是接收機(jī)數(shù)量欠缺時(shí)，將會(huì)降低觀測(cè)的效率和質(zhì)量。所以，如果對(duì)GPS網(wǎng)要求較高，可運(yùn)用此種圖形；與此同時(shí)，還有環(huán)形網(wǎng)，由多個(gè)獨(dú)立觀測(cè)條閉合而成。圖形的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不如三角形。環(huán)形的優(yōu)勢(shì)在于觀測(cè)量小，可靠性及自檢性較好，不足之處是對(duì)于不是直接觀測(cè)的基線條，其精準(zhǔn)度會(huì)明顯降低，使得相鄰點(diǎn)間的基線精度分布不均；還有星形條，幾何圖形簡(jiǎn)單，每個(gè)直接觀測(cè)邊不會(huì)構(gòu)成任何閉合圖形，因此，檢驗(yàn)和誤差值較大。不過(guò)，這種圖形的網(wǎng)僅需兩臺(tái)接收機(jī)便能作業(yè)；如果用三臺(tái)儀器，可將一臺(tái)作為中心站，另外兩臺(tái)用于作業(yè)流動(dòng)，不會(huì)受同步條件的約束。采用WGS-84的坐標(biāo)系測(cè)定點(diǎn)位坐標(biāo)，每點(diǎn)坐標(biāo)則要用坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)實(shí)行轉(zhuǎn)換。

在高層建筑中測(cè)量GPS網(wǎng)的圖形一般采用環(huán)形網(wǎng)或者三角形網(wǎng)。如果條件允許，也可融合環(huán)形網(wǎng)和三角形網(wǎng)同時(shí)運(yùn)用，進(jìn)而形成混合網(wǎng)，混合網(wǎng)在保障網(wǎng)幾何強(qiáng)度的同時(shí)，還能充分保障網(wǎng)的穩(wěn)定性，進(jìn)而有效降低高層建筑的施工成本及施工量。因此，混合網(wǎng)應(yīng)該是高層建筑測(cè)量中GPS測(cè)量的首選，如圖2所示。

圖2 環(huán)形網(wǎng)和三角形網(wǎng)混合連接的圖形

由圖2可以看出，三臺(tái)接收器的觀測(cè)方案可以構(gòu)成10個(gè)同步三角形，6條復(fù)測(cè)基線邊，2個(gè)異步環(huán)。獨(dú)立基線數(shù)是20條，總基線數(shù)是29條。圖3的圖線呈封閉狀，可靠指標(biāo)有效提升，相比較環(huán)形網(wǎng)，其外部作業(yè)量明顯減少[4]。

2.3.3 GPS網(wǎng)基準(zhǔn)設(shè)計(jì)

GPS測(cè)量所獲得的數(shù)據(jù)是GPS的基線量，位于WGS-84坐標(biāo)系，是一種三維坐標(biāo)差。但是高層建筑施工的標(biāo)準(zhǔn)坐標(biāo)系是地方獨(dú)立坐標(biāo)系或者國(guó)家坐標(biāo)系。因此，GPS網(wǎng)在技術(shù)設(shè)計(jì)過(guò)程中，需清晰界定GPS成果的起算數(shù)據(jù)和坐標(biāo)體系，也就是GPS的基準(zhǔn)設(shè)計(jì)。GPS網(wǎng)的基準(zhǔn)包含尺度、方位、位置。尺度基準(zhǔn)的確定方式由地面的電磁波觀測(cè)的數(shù)據(jù)邊所決定，也可借助GPS基線的向量距離決定。GPS的方位基準(zhǔn)通常用既定的起算方位界定，或者GPS基線向量的方位決定方位基準(zhǔn)。而GPS網(wǎng)的位置基準(zhǔn)則是通過(guò)既定的起算坐標(biāo)所決定。所以，GPS網(wǎng)的基準(zhǔn)設(shè)計(jì)，主要是為了確定網(wǎng)的位置基準(zhǔn)。

高層建筑測(cè)量GPS網(wǎng)基準(zhǔn)設(shè)計(jì)時(shí)，可注意以下3點(diǎn)：①為了確定GPS點(diǎn)在地面坐標(biāo)系的坐標(biāo)，需合理選定計(jì)算數(shù)據(jù)，并聯(lián)測(cè)若干個(gè)控制點(diǎn)，以此來(lái)轉(zhuǎn)換坐標(biāo)。在選定聯(lián)測(cè)點(diǎn)的過(guò)程中，可借助舊材料，提升新材料的精準(zhǔn)度。②除了未知點(diǎn)連接圖形觀測(cè)以外，也要適當(dāng)構(gòu)成長(zhǎng)邊圖形，以此來(lái)降低GPS網(wǎng)約束平差后的誤差以及坐標(biāo)的均勻性。③經(jīng)平差計(jì)算GPS網(wǎng)之后，可以計(jì)算出GPS點(diǎn)在地面參照坐標(biāo)系的高度，為了充分保障GPS點(diǎn)的正常值，可結(jié)合高層建筑的觀測(cè)情況，計(jì)算分析符合精度的觀測(cè)要求，以便更好地應(yīng)用于高層建筑施工。

3 高層建筑測(cè)量中GPS技術(shù)的應(yīng)用策略

以我國(guó)某省高層建筑為例，在高層建筑中應(yīng)用GPS定位技術(shù)，首先，需建立并確定大地坐標(biāo)系（WGS-84）和工程施工坐標(biāo)系的內(nèi)在的轉(zhuǎn)換關(guān)系，以便為后期施測(cè)GPS基準(zhǔn)傳遞使用。

3.1 GPS測(cè)量基準(zhǔn)建立

此高層建筑施工坐標(biāo)系，屬于獨(dú)立高層建筑工程施工的獨(dú)立坐標(biāo)系。為了便于放樣，4個(gè)測(cè)量基點(diǎn)數(shù)設(shè)置在主體建筑物內(nèi)，也就是內(nèi)控法。根據(jù)建筑施工場(chǎng)地小、周期短、精度高等特征，在高層建筑的施工圍墻外增設(shè)兩個(gè)較為穩(wěn)定的臨時(shí)基準(zhǔn)點(diǎn)XM01和XM02，將兩個(gè)臨時(shí)基準(zhǔn)點(diǎn)作為GPS基準(zhǔn)傳遞的基準(zhǔn)，如圖3所示。

圖3 GPS施工測(cè)量基準(zhǔn)點(diǎn)

上述兩個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)的作用是在測(cè)量過(guò)程中將其中一點(diǎn)固定，作為GPS測(cè)量的起算點(diǎn)；將兩點(diǎn)固定，可將此作為起算方位，進(jìn)而精準(zhǔn)確定GPS的網(wǎng)平差和測(cè)量基準(zhǔn)，保障每次都能夠形成統(tǒng)一的起算方位和基準(zhǔn)。將初次測(cè)量GPS的定位基準(zhǔn)作為GPS的起算方位和坐標(biāo)。同時(shí)，每次轉(zhuǎn)換GPS測(cè)量成果時(shí)一定要采用統(tǒng)一的轉(zhuǎn)換參數(shù)，充分保障坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成果基準(zhǔn)的一致性，轉(zhuǎn)換參數(shù)同樣是由首次GPS測(cè)量所決定[5]。

3.2 GPS測(cè)量基準(zhǔn)點(diǎn)的位置

XM01點(diǎn)設(shè)置在高層建筑的屋面上，此建筑的屋面便于保護(hù)、使用和設(shè)點(diǎn)。點(diǎn)位和建筑主體間距是90m，天空通視情況較好。XM02點(diǎn)設(shè)置在高層建筑施工圍墻外的混凝土路面上，點(diǎn)位基礎(chǔ)穩(wěn)定牢固，不會(huì)過(guò)多的有交通影響，有利于設(shè)點(diǎn)，點(diǎn)位和高層建筑主體的間距是140m。

3.3 GPS測(cè)量基準(zhǔn)傳遞

此高層建筑的GPS測(cè)量處于傳統(tǒng)建筑的首次試驗(yàn)，測(cè)量方案和實(shí)施計(jì)劃嚴(yán)格依照國(guó)家及測(cè)量行業(yè)的規(guī)范所制定。為了充分保障高層建筑的正常施工，選定局部樓層實(shí)行GPS測(cè)量基準(zhǔn)傳遞，對(duì)比分析測(cè)量結(jié)果可知，GPS測(cè)量能夠充分滿足高層建筑的應(yīng)用需求。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，GPS測(cè)量技術(shù)在高層建筑中的有效應(yīng)用，能夠充分保障高層建筑測(cè)量的精準(zhǔn)度、效率及質(zhì)量，在我國(guó)建筑行業(yè)中的實(shí)施效果顯著。相比較傳統(tǒng)的建筑施工定位技術(shù)，GPS測(cè)量技術(shù)優(yōu)勢(shì)較多，能夠最大限度降低測(cè)量的工作量和人工誤差，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)傳遞和高效定位，對(duì)樓層施工控制網(wǎng)基點(diǎn)的選擇約束較小。