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摘要：全球定位系统GPS（ Global Positioning System） ，以其连续、实时、高精度、全天候测量和自动化程度高等优点，对经典大地测量学以及地球动力学研究诸方面产生了极其深刻的影响，在工程及灾害监测中的应用也越来越广泛。但同时也存在不足和局限性。本文首先对变形监测的理论及GPS在其应用状况进行阐述，再结合实例对GPS在变形监测中应用进行分析、数据处理和总结。
关键词：GPS技术；高速公路测量；具体应用
中图分类号：U41 文献标识码：A 文章编号：2306-1499（2014）12-
1. 引言
在控制网变形监测研究中，变形监测控制网设计的意义就在于有效确定变形，一个优化的变形监测网必须有最经济的外业观测方案有助于在变形分析之前，确定、剔除、与减小观测数据中粗差、系统误差的影响，以免将测量误差错误解释为变形现象。高质量的监测网可准确地监测变形体的变形，由于监测网的主要作用在于发现变形，因此它是变形观测与分析的基础。如果监测网布设不合理，观测的精度不高，控制网不能有效发现粗差、抵抗粗差，也就无法满足变形监测的需要。
2. GPS技术特点简述
2.1 GPS技术获取的数据准确度高，定位精度高
利用静态基线进行解算，其精度能够达到±（5mm+lPPm）。经过一小时以上的时间对测量对象进行观测，用观测得到的值进一步求解平面位置，最终的误差不大于1毫米。对于长距离的测量，GPS技术相比于常规的电磁波测距技术其优势更加明显，得到的数据精度也较高。
2.2 RTK技术对GPS技术的提高
在没有RTK以前，使用GPS测量时要使用多台GPS接收机长时间接受GPS信号，回来后还要做相应的数据处理，才能得到GPS控制点坐标，这种作业方式不但费时，还要多台仪器多个人同时观测，费用大，需要人员较多。有了RTK技术以后，情况大大改观，只需把RTK基站架设在一个已知坐标值的固定点上，并不断发射无线电信号，另外一台GPS接收机可以即时接受基站的信号，并和其构成一条基线，这样GPS接收机就可以进行实时观测（几十秒即可），且精度能达到厘米级，测量速度快，精度高，只需一个基站和一台GPS接收机（也可以多台GPS接收机同时作业），测量时每机只须一人（放样时增至两人），人员也减少了。
2.3 测站与测站之间不需要通视
GPS测量技术在实际操作过程中，不要求测站与测站之间实现完全的通视，只要测站上空的天气条件符合要求，就能完成测量任务。只要符合规范，就可实现测量，选点灵活，工作效率高，相比于传统的测量方法更省时省力。
2.4 GPS测量技术能够提供三维坐标
使用GPS测量技术能够对对象的三维坐标进行较为准确地测量，现阶段GPS高程测量的精度能够达到四等水准。使用RTK技术进行测量得到的数据精度更高，以下举出RTK测量和静态测量得到的几个数据，RTK测量：平面10mm+1ppm、高程20mm+1ppm；静态测量：平面2.5mm+1ppm、高程5mm+1ppm。
2.5 GPS技术在实际测量中操作简便
随着技术的不断进步，GPS测量设备的自动化程度越来越高，能够在较大程度上的减小工程测量人员的劳动量，使得外业测量更为轻松。
2.6 GPS技术在测量中的使用并不受外界条件如地点、时间的限制
一般受到天气的影响也不大，能够实现全天测量作业。GPS技术除了应用于测量、导航等领域，还应用于速度及时间的测定。
3. 公路GPS沉降变形监测网的优化设计研究
3.1 精度指标
监测网的精度是描述随机误差对监测网结果的影响程度。一般用未知参数的方差或协方差来描述。精度指标是描述误差分布离散程度的一种量度，是对监测网进行的一种常规质量分析，以观测值仅存在随机误差为前提进行精度分析，主要是利用参数的方差一协方差阵或协因数阵描述。常用坐标方差一协方差阵或协因数阵的纯量形式来描述，纯量精度标准一般描述全网的总体精度，可根据需要构成不同的纯量精度指标，用来建立优化设计的目标函数或约束条件。
GPS变形监测网的精度与控制点的坐标无关，与控制网的基线数、基线的连接形式、基线本身的精度有关，因此要使控制网达到一定的精度要求必须优化基线数、基线的连接形式，更重要的是保证基线本身的精度，否则即使观测所有基线，基线本身的精度不高，也达不到高精度。而GPS基线本身的精度取决于原始相位观测值的质量与数量、卫星的几何分布以及基线解算的数学模型等。
3.2 可靠性指标
GPS监测网的可靠性是反映监测网抵抗粗差的能力。GPS基线向量由于周跳修补不完善，整周模糊度参数搜索效果不佳等各种原因，难免含有粗差，因此GPS网的结构必须具有抵抗粗差的能力。可靠性指标是研究模型误差（主要指粗差）而提出来的，其中用来描述监测网本身发现某一模型误差能力的指标称为内部可靠性监测网，抵抗某一模型误差影响能力的指标称为外部可靠性。
3.3 灵敏度指标
在变形监测网设计中灵敏度是一个很重要的质量指标，它反映了监测网可监测到的最小变形值及其方向。设监测网经过两期观测后，通过基准变换可得公共点在同一基准下的变形量及其协因数阵。灵敏度与设计矩阵及权阵密切相关。对于控制网，设计矩阵主要取决于基线数量与网形连接，同样一组点，网形连接不同，设计矩阵不同，因此对于网的网形设计应该是指网形的连接设计。网的观测值是基线向量，基线向量的权阵来自于基线解算结果，它与观测过程中的很多因素有关，包括影响的各种误差、卫星的几何分布等。
3.4 费用指标
GPS变形监测网与常规变形监测网一样，需要多期观测，因此费用标准也是变形监测网考虑的重点之一。变形监测网的费用主要取决于网点数、仪器数、所测基线数目以及测区交通条件等。其中所测基线数目是最主要的，因此GPS变形监测网的观测成本可用下式描述： ①变形监测网不同于一般的大地控制网，它的目的不仅是求解静态的几何参数（点位、方向、距离、基线向量），更重要的是求解监测对象的动态参数（位移、速率、加速度等）。这些参数在不大的时空尺度上是微变量毫米级甚至亚毫米级。
②GPS变形监测网的网形主要是指基线的多少与连接方式，为了说明独立基线数对结果的影响，结合铁岭至朝阳高速公路工程实例，对公路沉降变形监测网进行分析，一般来说，独立基线的个数越多，GPS控制网的精度、可靠性、灵敏度越强、但是费用也就越高，选择合理的基线数，可以节省大量的工作，同时又能满足质量标准。
4. GPS技术在高速公路测量中的应用
4.1 GPS技术在加密控制点上应用
在实际测量中，如果原来平面控制网中出现平面控制点受到外界因素影响而破坏的现象，并且控制点归属于不同的坐标系，等级也不一致，这时为了保证平面控制网的精度符合要求，必须采取措施加密控制点，通过加密后，控制点所采集到的数据就能满足精度要求。相比于常规的测量方法，GPS测量技术应用于控制点的加密能够极大地提高效率。
4.2 GPS导线控制测量应用于植被茂密区域的公路测量
在植被茂密区域进行高速公路测量时由于植被的遮挡，测点间的通视存在一定困难。为了保障高速公路测量的质量，在GPS控制点布设时要控制好间距，留有足够的水平通视距离。在此基础上再对控制点进行加密，进行放线测量工作，这样既有利于提高测量工作的质量，又减低了作业强度。
4.3 沉降监测及与精密水准的一致性分析
比较GPS与全站仪2种方法的测量结果可以看出：在2种方法下测得的同一坐标之差的最大值分别为：△Xmax=4.0mm，△Ymax=5.0mm。因此，GPS测量成果是精确可靠的，从下面定位精度一致性检验结果来看，GPS技术测量的点位精度可达毫米级，与全站仪测定结果符合得较好，可以较好地满足公路变形监测的精度要求。使用GPS测出变形监测点的高程，然后将GPS高程与水准高程进行比较，其比较结果具有很高的参考价值据。
5. GPS 用于变形监测的未来发展趋势
根据对国内外GPS 变形监测的现状分析和对变形监测的客观要求，可将GPS 变形监测的发展趋势概括为以下几个方面：
5.1 建立GPS 变形监控在线实时分析系统
对于大坝、大型桥梁、高层建（构）筑物、滑坡和地区性地壳变形监测，研究建立技术先进而又实用的GPS 变形监控在线实时分析系统是一个重要的发展趋势。
5.2 建立“3S”（GPS、GIS、RS）集成变形监测系统
随着计算机技术、无线电通讯技术、空间技术及地球科学的迅猛发展，“3S” 技术已从各自独立发展进入相互集成融合的阶段。研究“3S”集成变形监测系统，也是变形监测技术的重要发展趋势之一。
6. 结语
GPS技术在高速公路测量中的应用，能够极大地提高测量效率，测量质量也能够得到保证，此外还能在很大程度上降低作业人员的劳动强度，特别适合地形条件较为复杂的高速公路。传统的公路测量方法，效率较低，精度也会受到外界因素的影响，不利于获取高精度的测量数据。GPS技术尤其是改良后的GPS-RTK测量技术更加适用于复杂条件下的公路测量工作，测量数据间的传输也更为便捷，随着技术的革新，相信GPS技术将在高速公路测量中得到更为广阔的应用。
参考文献
[1]谷东博.谈谈高速公路测量中GPS的应用[J].城市建设理论研究，2012，17（20）.
[2]郭亚真，陈通，霍林.GPS技术在高速公路测量工程中的应用探讨[J].科技信息，2009，10（4）.
[3]张腾冲.GPS在高速公路测量中的应用[J].青海交通科技，2011，02（5）.
关键词：GPS技术；高速公路测量；具体应用
中图分类号：U41 文献标识码：A 文章编号：2306-1499（2014）12-
1. 引言
在控制网变形监测研究中，变形监测控制网设计的意义就在于有效确定变形，一个优化的变形监测网必须有最经济的外业观测方案有助于在变形分析之前，确定、剔除、与减小观测数据中粗差、系统误差的影响，以免将测量误差错误解释为变形现象。高质量的监测网可准确地监测变形体的变形，由于监测网的主要作用在于发现变形，因此它是变形观测与分析的基础。如果监测网布设不合理，观测的精度不高，控制网不能有效发现粗差、抵抗粗差，也就无法满足变形监测的需要。
2. GPS技术特点简述
2.1 GPS技术获取的数据准确度高，定位精度高
利用静态基线进行解算，其精度能够达到±（5mm+lPPm）。经过一小时以上的时间对测量对象进行观测，用观测得到的值进一步求解平面位置，最终的误差不大于1毫米。对于长距离的测量，GPS技术相比于常规的电磁波测距技术其优势更加明显，得到的数据精度也较高。
2.2 RTK技术对GPS技术的提高
在没有RTK以前，使用GPS测量时要使用多台GPS接收机长时间接受GPS信号，回来后还要做相应的数据处理，才能得到GPS控制点坐标，这种作业方式不但费时，还要多台仪器多个人同时观测，费用大，需要人员较多。有了RTK技术以后，情况大大改观，只需把RTK基站架设在一个已知坐标值的固定点上，并不断发射无线电信号，另外一台GPS接收机可以即时接受基站的信号，并和其构成一条基线，这样GPS接收机就可以进行实时观测（几十秒即可），且精度能达到厘米级，测量速度快，精度高，只需一个基站和一台GPS接收机（也可以多台GPS接收机同时作业），测量时每机只须一人（放样时增至两人），人员也减少了。
2.3 测站与测站之间不需要通视
GPS测量技术在实际操作过程中，不要求测站与测站之间实现完全的通视，只要测站上空的天气条件符合要求，就能完成测量任务。只要符合规范，就可实现测量，选点灵活，工作效率高，相比于传统的测量方法更省时省力。
2.4 GPS测量技术能够提供三维坐标
使用GPS测量技术能够对对象的三维坐标进行较为准确地测量，现阶段GPS高程测量的精度能够达到四等水准。使用RTK技术进行测量得到的数据精度更高，以下举出RTK测量和静态测量得到的几个数据，RTK测量：平面10mm+1ppm、高程20mm+1ppm；静态测量：平面2.5mm+1ppm、高程5mm+1ppm。
2.5 GPS技术在实际测量中操作简便
随着技术的不断进步，GPS测量设备的自动化程度越来越高，能够在较大程度上的减小工程测量人员的劳动量，使得外业测量更为轻松。
2.6 GPS技术在测量中的使用并不受外界条件如地点、时间的限制
一般受到天气的影响也不大，能够实现全天测量作业。GPS技术除了应用于测量、导航等领域，还应用于速度及时间的测定。
3. 公路GPS沉降变形监测网的优化设计研究
3.1 精度指标
监测网的精度是描述随机误差对监测网结果的影响程度。一般用未知参数的方差或协方差来描述。精度指标是描述误差分布离散程度的一种量度，是对监测网进行的一种常规质量分析，以观测值仅存在随机误差为前提进行精度分析，主要是利用参数的方差一协方差阵或协因数阵描述。常用坐标方差一协方差阵或协因数阵的纯量形式来描述，纯量精度标准一般描述全网的总体精度，可根据需要构成不同的纯量精度指标，用来建立优化设计的目标函数或约束条件。
GPS变形监测网的精度与控制点的坐标无关，与控制网的基线数、基线的连接形式、基线本身的精度有关，因此要使控制网达到一定的精度要求必须优化基线数、基线的连接形式，更重要的是保证基线本身的精度，否则即使观测所有基线，基线本身的精度不高，也达不到高精度。而GPS基线本身的精度取决于原始相位观测值的质量与数量、卫星的几何分布以及基线解算的数学模型等。
3.2 可靠性指标
GPS监测网的可靠性是反映监测网抵抗粗差的能力。GPS基线向量由于周跳修补不完善，整周模糊度参数搜索效果不佳等各种原因，难免含有粗差，因此GPS网的结构必须具有抵抗粗差的能力。可靠性指标是研究模型误差（主要指粗差）而提出来的，其中用来描述监测网本身发现某一模型误差能力的指标称为内部可靠性监测网，抵抗某一模型误差影响能力的指标称为外部可靠性。
3.3 灵敏度指标
在变形监测网设计中灵敏度是一个很重要的质量指标，它反映了监测网可监测到的最小变形值及其方向。设监测网经过两期观测后，通过基准变换可得公共点在同一基准下的变形量及其协因数阵。灵敏度与设计矩阵及权阵密切相关。对于控制网，设计矩阵主要取决于基线数量与网形连接，同样一组点，网形连接不同，设计矩阵不同，因此对于网的网形设计应该是指网形的连接设计。网的观测值是基线向量，基线向量的权阵来自于基线解算结果，它与观测过程中的很多因素有关，包括影响的各种误差、卫星的几何分布等。
3.4 费用指标
GPS变形监测网与常规变形监测网一样，需要多期观测，因此费用标准也是变形监测网考虑的重点之一。变形监测网的费用主要取决于网点数、仪器数、所测基线数目以及测区交通条件等。其中所测基线数目是最主要的，因此GPS变形监测网的观测成本可用下式描述： ①变形监测网不同于一般的大地控制网，它的目的不仅是求解静态的几何参数（点位、方向、距离、基线向量），更重要的是求解监测对象的动态参数（位移、速率、加速度等）。这些参数在不大的时空尺度上是微变量毫米级甚至亚毫米级。
②GPS变形监测网的网形主要是指基线的多少与连接方式，为了说明独立基线数对结果的影响，结合铁岭至朝阳高速公路工程实例，对公路沉降变形监测网进行分析，一般来说，独立基线的个数越多，GPS控制网的精度、可靠性、灵敏度越强、但是费用也就越高，选择合理的基线数，可以节省大量的工作，同时又能满足质量标准。
4. GPS技术在高速公路测量中的应用
4.1 GPS技术在加密控制点上应用
在实际测量中，如果原来平面控制网中出现平面控制点受到外界因素影响而破坏的现象，并且控制点归属于不同的坐标系，等级也不一致，这时为了保证平面控制网的精度符合要求，必须采取措施加密控制点，通过加密后，控制点所采集到的数据就能满足精度要求。相比于常规的测量方法，GPS测量技术应用于控制点的加密能够极大地提高效率。
4.2 GPS导线控制测量应用于植被茂密区域的公路测量
在植被茂密区域进行高速公路测量时由于植被的遮挡，测点间的通视存在一定困难。为了保障高速公路测量的质量，在GPS控制点布设时要控制好间距，留有足够的水平通视距离。在此基础上再对控制点进行加密，进行放线测量工作，这样既有利于提高测量工作的质量，又减低了作业强度。
4.3 沉降监测及与精密水准的一致性分析
比较GPS与全站仪2种方法的测量结果可以看出：在2种方法下测得的同一坐标之差的最大值分别为：△Xmax=4.0mm，△Ymax=5.0mm。因此，GPS测量成果是精确可靠的，从下面定位精度一致性检验结果来看，GPS技术测量的点位精度可达毫米级，与全站仪测定结果符合得较好，可以较好地满足公路变形监测的精度要求。使用GPS测出变形监测点的高程，然后将GPS高程与水准高程进行比较，其比较结果具有很高的参考价值据。
5. GPS 用于变形监测的未来发展趋势
根据对国内外GPS 变形监测的现状分析和对变形监测的客观要求，可将GPS 变形监测的发展趋势概括为以下几个方面：
5.1 建立GPS 变形监控在线实时分析系统
对于大坝、大型桥梁、高层建（构）筑物、滑坡和地区性地壳变形监测，研究建立技术先进而又实用的GPS 变形监控在线实时分析系统是一个重要的发展趋势。
5.2 建立“3S”（GPS、GIS、RS）集成变形监测系统
随着计算机技术、无线电通讯技术、空间技术及地球科学的迅猛发展，“3S” 技术已从各自独立发展进入相互集成融合的阶段。研究“3S”集成变形监测系统，也是变形监测技术的重要发展趋势之一。
6. 结语
GPS技术在高速公路测量中的应用，能够极大地提高测量效率，测量质量也能够得到保证，此外还能在很大程度上降低作业人员的劳动强度，特别适合地形条件较为复杂的高速公路。传统的公路测量方法，效率较低，精度也会受到外界因素的影响，不利于获取高精度的测量数据。GPS技术尤其是改良后的GPS-RTK测量技术更加适用于复杂条件下的公路测量工作，测量数据间的传输也更为便捷，随着技术的革新，相信GPS技术将在高速公路测量中得到更为广阔的应用。
参考文献
[1]谷东博.谈谈高速公路测量中GPS的应用[J].城市建设理论研究，2012，17（20）.
[2]郭亚真，陈通，霍林.GPS技术在高速公路测量工程中的应用探讨[J].科技信息，2009，10（4）.
[3]张腾冲.GPS在高速公路测量中的应用[J].青海交通科技，2011，02（5）.