精密工程測(cè)量和變形監(jiān)測(cè)，是以毫米級(jí)乃至亞毫米級(jí)精密為目的的工程測(cè)量工作。隨著GPS系統(tǒng)的不斷完善，軟件性能不斷改進(jìn)，目前GPS已可用于精密工程測(cè)量和工程變形監(jiān)測(cè)。
10.2.1 GPS用于建立精密工程控制網(wǎng)的可行性
目前我國精密工程控制網(wǎng)，一般都用ME5000測(cè)距儀和T3精密光學(xué)經(jīng)緯儀來施測(cè)。為研究用GPS來建立精密工程控制網(wǎng)的可行性，武漢測(cè)繪科技大學(xué)在某山區(qū)水利工程布設(shè)了如圖10-1所示的精密工程控制網(wǎng)。
該網(wǎng)由5個(gè)點(diǎn)組成，每點(diǎn)都建立水泥墩，設(shè)有強(qiáng)制對(duì)中裝置。試驗(yàn)網(wǎng)最長邊為1313.5m，最短邊長為359.5m，平均為701.3m。試驗(yàn)時(shí)先用ME5000測(cè)邊，用T3測(cè)角，然后用GPS施測(cè)。接收機(jī)采用TurboRogueSNR-8000，時(shí)段長為2小時(shí)，用GAMIT軟件、精密星歷解算，起算點(diǎn)WGS-84坐標(biāo)通過與武漢測(cè)繪科技大學(xué)跟蹤站聯(lián)測(cè)求出。經(jīng)平差計(jì)算，求出全網(wǎng)各邊的長及點(diǎn)位坐標(biāo)，結(jié)果見表10-1和表10-2。由表10-1可看出，GPS測(cè)出的邊長與ME5000測(cè)出的同一條邊長較差中誤差為±0.34mm，其中較差ΔS有正有負(fù)，無系統(tǒng)性差異。從表10-2可看出，GPS測(cè)出20點(diǎn)位坐標(biāo)與用ME5000和T3求出的點(diǎn)位坐標(biāo)較差中誤差為±0.29mm,其中較差δ有正、有負(fù)，也無系統(tǒng)性差異，從而可認(rèn)為，完全可用GPS來建立精密工程控制網(wǎng)。
表10-1 GPS網(wǎng)與邊角網(wǎng)邊長比較表
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邊 名 |
SGPS |
SME5000 |
ΔS |
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2-3 |
466244.1 |
466244.3 |
-0.2 |
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2-4 |
652860.9 |
652861.4 |
-0.5 |
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4-5 |
642664.7 |
642664.3 |
+0.4 |
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2-5 |
748678.5 |
748678.8 |
-0.3 |
|
1-5 |
1313474.2 |
1313470.5 |
-0.3 |
|
1-4 |
1178112.5 |
1178112.4 |
+0.1 |
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3-5 |
359343.8 |
359344.0 |
-0.2 |
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1-2 |
582651.0 |
582650.7 |
+0.3 |
|
3-4 |
359894.2 |
359893.7 |
+0.5 |
表10-2 GPS網(wǎng)與邊角網(wǎng)點(diǎn)位坐標(biāo)比較表
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點(diǎn) 號(hào) |
平面坐標(biāo)GPS(m) |
平面坐標(biāo)ME5000+T3(m) |
差值σ（mm） |
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4 |
x=1417.2750 x=812.9388 |
1417.2747 812.9388 |
+0.3 0.0 |
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3 |
x=1092.8954 y=968.8289 |
10.92.8957 968.8289 |
-0.3 0.0 |
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2 |
x=1189.8049 y=1424.8904 |
1189.8044 1424.8908 |
+0.5 -0.4 |
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1 |
x=1337.9964 y=1988.3808 |
1337.9967 1988.3807 |
-0.3 +0.1 |
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5 |
x=774.7064 y=801.8232 |
774.7066 801.8229 |
-0.2 +0.3 |
長江水利委員會(huì)綜合勘測(cè)局，也進(jìn)行了由10個(gè)點(diǎn)18條邊組成的GPS測(cè)量與高精度大地測(cè)量對(duì)比試驗(yàn)，GPS施測(cè)時(shí)采用SOKK1A GSS1A單頻接收機(jī)，使用廣播星歷和隨機(jī)軟件，結(jié)果為：mx=±mm。my=±2.4mm，mH=6.5mm。這說明單頻GPS接收機(jī)也可用于水利工程施工控制網(wǎng)的建立。
10.2.2 GPS用于工程變形監(jiān)測(cè)的可行性
工程變形監(jiān)測(cè)通常要達(dá)到毫米級(jí)或亞毫米級(jí)的精度，而監(jiān)測(cè)的邊長一般為300～1000m。在這樣短的邊長上，GPS能否達(dá)到上述精度呢？武漢測(cè)繪科技大學(xué)做模擬試驗(yàn)。
測(cè)試工作在武漢測(cè)繪科技大學(xué)校園內(nèi)的GPS衛(wèi)星跟蹤站與四號(hào)樓間進(jìn)行。試驗(yàn)過程中GPS跟蹤站上的接收機(jī)天線始終保持固定不動(dòng)。四號(hào)樓樓項(xiàng)的GPS接收機(jī)天線安置在一個(gè)活動(dòng)的儀器平臺(tái)上。平臺(tái)可以在兩個(gè)互相垂直（東西和南北方向）的導(dǎo)軌上移動(dòng)。移動(dòng)量通過平臺(tái)上的測(cè)微器精確測(cè)定（讀至0.01mm，其精度可保證優(yōu)于0.1mm），因而天線的位移值可視為已知值。然后通過與GPS定位結(jié)果進(jìn)行比較來檢核其精度，評(píng)定利用GPS定位技術(shù)進(jìn)行變形觀測(cè)的能力。試驗(yàn)時(shí)每隔5小時(shí)左右移動(dòng)一次平臺(tái)。數(shù)據(jù)處理采用改進(jìn)后的GAMIT軟件和精密星歷進(jìn)行，并分別計(jì)算了5小時(shí)解，2小時(shí)解和1小時(shí)解。5小時(shí)、2小時(shí)、1小時(shí)解的測(cè)試分別進(jìn)行了10組，其結(jié)果列于表10-3。
從表10-3可看出，若用一個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)來進(jìn)行變形監(jiān)測(cè)，利用5小時(shí)GPS觀測(cè)值求出監(jiān)測(cè)點(diǎn)平面位移分量中誤差約為±0.4mm；利用2小時(shí)GPS觀測(cè)值求出監(jiān)測(cè)點(diǎn)平面位移分量中誤差約為±0.6mm，利用1小時(shí)GPS觀測(cè)值求出監(jiān)測(cè)點(diǎn)平面位移分量中誤差約為±1.0mm。若利用兩個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)，其監(jiān)測(cè)精度可進(jìn)一步提高。測(cè)試結(jié)果表明，只要采取一定的措施，利用GPS技術(shù)進(jìn)行各種工程變形監(jiān)測(cè)是可行的。
10.2.3 隔河巖水庫大壩外觀變形GPS自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)
隔河巖水庫位于湖北省長陽縣境內(nèi)，是清江中游的一個(gè)水利水電工程——隔河巖水電站。隔河巖水電站的大壩為三圓心變截面重力拱壩，壩長653m，壩高151m。隔河巖大壩外觀變形GPS自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)于1998年3月投入運(yùn)行，系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)處理三大部分組成。
1.數(shù)據(jù)采集
GPS數(shù)據(jù)采集分基準(zhǔn)點(diǎn)和監(jiān)測(cè)點(diǎn)兩部分，由七臺(tái)AshtechZ-12GPS接收機(jī)組成。為提高大壩監(jiān)測(cè)的精度和可靠性，大壩監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)點(diǎn)宜選兩個(gè)，并分別位于大壩兩岸。點(diǎn)位地質(zhì)條件要好，點(diǎn)位要穩(wěn)定且能滿足GPS觀測(cè)條件。
監(jiān)測(cè)點(diǎn)能反映大壩形變，并能滿足GPS觀測(cè)條件。根據(jù)以上原則，隔河巖大壩外觀變形GPS監(jiān)測(cè)系統(tǒng)基準(zhǔn)點(diǎn)為2個(gè)（GPS1和GPS2）、監(jiān)測(cè)點(diǎn)為5個(gè)（GPS3～GPS7）。
2.數(shù)據(jù)傳輸
根據(jù)現(xiàn)場條件，GPS數(shù)據(jù)傳輸采用有線（壩面監(jiān)測(cè)點(diǎn)觀測(cè)數(shù)據(jù)）和無線（基準(zhǔn)點(diǎn)觀測(cè)數(shù)據(jù)）相結(jié)合方法，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖10-2所示。
3.GPS數(shù)據(jù)處理、分析和管理
整個(gè)系統(tǒng)七臺(tái)GPS接收機(jī)，在一年365天中，需連續(xù)觀測(cè)，并實(shí)時(shí)將觀測(cè)資料傳輸?shù)娇刂浦行?，進(jìn)行處理、分析、貯存。系統(tǒng)反應(yīng)時(shí)間小于10分鐘（即從每臺(tái)GPS接收機(jī)傳輸數(shù)據(jù)開始，至處理、分析、變形顯示為止，所需總的時(shí)間小于10分鐘），為此，必須建立一個(gè)有局域網(wǎng)，有一個(gè)完善地軟件管理、監(jiān)控系統(tǒng)。
本系統(tǒng)的硬件環(huán)境及配置如圖10-3。
整個(gè)系統(tǒng)全自動(dòng)，應(yīng)用廣播星歷1～2小時(shí)，GPS觀測(cè)資料解算的監(jiān)測(cè)點(diǎn)位水平精度優(yōu)于1.5mm（相對(duì)于基準(zhǔn)點(diǎn)，以下同），垂直精度優(yōu)于1.5mm；6小時(shí)GPS觀測(cè)資料解算水平精度優(yōu)于1mm，垂直精度優(yōu)于1mm。
10.2.4 GPS在機(jī)場軸線定位中的應(yīng)用
機(jī)場跑道中心軸線方位的精度，按機(jī)場等級(jí)不同而不同，最高精度應(yīng)低于±1″，最低也應(yīng)優(yōu)于±6″。自1992年開始，國內(nèi)各城市建立的新機(jī)場，其跑道的定向都已采用GPS來施測(cè)，如武漢天河國際機(jī)場，南京綠口國際機(jī)場，濟(jì)南國際機(jī)場，貴陽國際機(jī)場等。
在施測(cè)時(shí)應(yīng)注意：（1）當(dāng)方位精度要求±1″時(shí)，GPS基線解算一定要用精密軟件。（2）當(dāng)要求提供大地方位角時(shí)，要顧及平面子午線收斂角和方向改化的影響；當(dāng)要求提供天文方位角時(shí)，還要顧及垂線偏差的影響（有關(guān)計(jì)算公式見大地測(cè)量學(xué)）。
近年來，GPS還普遍用于電子加速器的工程施工控制測(cè)量，大橋施工控制網(wǎng)建立，海上勘探平臺(tái)沉降監(jiān)測(cè)，大橋墩動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)形變監(jiān)測(cè)，高層建筑實(shí)時(shí)變形監(jiān)測(cè)等。