GPS在公路工程勘测中的应用_gps在道路工程的应用
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GPS在公路工程勘测中的应用
武二杰孙现锋
（1：郑州市公路勘察设计院 河南 郑州 2：郑州市公路勘察设计院 河南 郑州）摘 要 本文主要结合G310线控制测量工作，介绍GPS接收机在进行公路工程静态控制测量中的内外业工作过程方法及注意事项。
主题词 GPS控制网 公路应用
1． GPS概况及研究的目的和意义
1．1 概况
GPS（Global Positioning System）又叫全球卫星定位系统,是目前最先进的卫星导航定位系统，该系统是以卫星为基础的无线电导航定位系统，具有全能型（陆地、海洋、航空和航天）全球性、全天候、连续性和实时性的导航、定位、和定时的功能，能为各类用户提供精密的三维坐标、速度和时间。因其相对定位精度较高,而越来越被广泛应用于大地控制测量领域,使常规大地测量发生了深刻性变化,GPS的基本作业模式主要有静态定位、准动态定位、动态定位及导航作业四种。
1．1．1 GPS定位原理
GPS定位属于无线电定位范畴，最基本的方法有距离定位法和双曲线定位法两种。
（1）距离定位法
如S1、S2、S3为已知位置的三颗卫星，P为GPS接收机天线所在位置（即欲求位置点），P到S1、S2、S3的距离利用电磁波传播理论计算后，P点的位置按公式即可求出，也就是说，分别以S1、S2、S3为圆心，以距离PS1、PS2、PS3为半径，画出三个园，其交点处即GPS接收机的位置，它具有经度、纬度、高程和时间的四维特性。
（2）双曲线定位法
如S1、S2、S3、S4为已知位置的四颗GPS工作卫星，P为接收机天线位置，即待求点位置，如果已测量出P点到两个已知卫星间的距离D，即
D = │Si│-│Sj│（i≠j）
则可以Si、Sj 为焦点，以D为焦距绘处三组曲面，三个不同的曲面交会于一个
点，即P点位置。这种方式需要三个距离差值，至少需要观测四颗以上的GPS卫星，才能完成观测定位工作。
1．1．2 GPS在公路工程中的应用
（1）控制测量
目前公路路线GPS控制测量实施方案有两种：
一、所有路线控制点全部采用GPS施测。
二、沿路线每隔5-10Km布设一对GPS点作为路线的基本控制，在此基础上，用常规仪器进行导线点加密。方案一的优点是速度快、质量高，但其设备要求较高，GPS接收机要求为动态双频。在本次测量中我们采取了这种方法。
（2）测量和施工中的中线放样
利用GPS的实时动态(RTK)测量技术与电子手簿配合，利用已有的数据资料，在实地进行中线测量，由于GPS测量具有三维信息，因此在放样中线位置时，也可测得其高程（精度有待于进一步研究，可作为对照校核用）。因为能显示横断面的方向，也可进行横断面测量。
（3）在公路竣工验收中的应用
在竣工测量时，GPS可以测定路线的平纵曲线，看其是否满足设计要求，通过(RTK)动态采样，可获得精确的道路坐标、坡度、平曲线、竖曲线等各种参数，从而检验道路施工质量。
总之，路线勘测及隧道贯通测量是公路工程建设中重要的工作，以往大多采用传统的测量方法进行控制网建立及施测，由于该类测量控制网大多以狭长形式布设，并且很多工程穿越山林。周围已知控制点很少，使得传统测量方法在网形布设、误差控制等多方面带来很大问题。同时传统作业方法时间也较长，直接影响了工程建设的正常进行。自从将GPS技术引入公路交通工程领域以来，其测量效率及测量精度得到可喜的提高。
1．2 研究的目的及意义
随着经济建设的发展，公路等级不断提高，也就要求测量手段要有相应的发展和提高，为了更好的适应西部大开发，提高公路测量水平，为了GPS技术在公路建设应用中更加成熟和广泛，对使用GPS中的一些问题加以总结，对于公路事业的发展和进步是非常必要的。
2． 测量研究工作的主要依据
《公路勘测规范》（交通部JTG C10—2007）
3． 测量实施的主要工作及内容
3．1 GPS测量的外业准备及技术设计书编写
在进行GPS外业工作之前，做好实施前的踏勘，资料收集、器材筹备、观测计划拟定、GPS仪器检校及设计书编写等工作。根据收集资料情况及规范要求布设控制网。
3．2 GPS测量的外业实施
3．2．1 选点
选点工作开始前，除收集和了解有关测区的地理情况的原有测量控制点分布及标架、标型、标石完好状况，决定其适宜的点位外，选点工作还遵守了以下原则：
1．周围应便于安置接收设备和操作,视野开阔的较高点上。
2．点位目标要明确，视场内障碍物的高度角应符合规定。一般规定最小截止高度角为15°以上不应有障碍物，以减少GPS信号被遮挡和吸收。
3．远离大功率无线电发射源(如电视台微波站)其距离不小于200m,远离高压输电线距离不得小于50m，以避免电磁场对GPS信号的干扰。
4．点位附近不应有大面积水域或强烈干扰卫星信号接收的物体,以减弱多路经效应的影响。
5．点位选在交通方便,有利于其它测量手段扩展和联测的地方。
6．地面基础稳定,易于点的保存。
7．选点人员应按技术设计进行踏勘，在实地按要求选定点位。
3．2．2标志埋设
标石的制作及埋设按规范要求进行，埋设工作完成后，按要求提供如下资料：点之记、GPS网的选点网图、选点与埋石工作技术总结。
如工作区处于地广人稀且周围无明显特征点的地区时，应配备手持GPS并记录点位坐标（必须注明采用的坐标系统及设置参数，建议采用与1：5万地形图一致的坐标设置），这对于后续的工作将有很大的帮助。
3．2．3观测工作
观测中一般选用进口双频动态接收机（Ashtech Z型和Trimble4800型）进行，采用静态观测模式。为提高工作效率及精度，可采用四台机器同步观测，连网形式采用边连式。根据GPS常规进行天线安置，开机观测要同步进行，同步观测时段长度根据GPS观测PDOP值及接收卫星数量，在12～25分钟之内调整。（基本要求：PDOP≤6，卫星数≥4）。一个时段观测完成后，由GPS测量仪自动生成一个观测记录，同时观测者必须认真填写测量手簿。
观测记录和测量手簿都是GPS精密定位的依据，必须认真、及时填写，坚决杜绝事后补记或追记。
外业观测中存储介质上的数据文件应及时拷贝一式两份，分别保存在专人保管的防水、防静电的资料箱内。存储介质的外面，适当处应贴制标签，注明文件名、网区名、点名、时段名、采集日期、测量手簿编号等。
接收机内存数据文件在转录到外存储介质时，不得进行任何剔除或删改，不得调用任何对数据实施重新加工组合的操作指令。
3．2．4 数据处理
数据处理工作在每天外业完成后进行，这样可以检查当天的观测情况，以对不合格点位及时补测。数据处理及网平差均采用随机软件。平面控制测量采用国家统一的平面坐标系统—1954年北京坐标系。WGS—84与1954年北京坐标系统的转换采用国家控制点重合转换，重合点位与控制网两端及中间部位并均匀分布，在三维约束平差计算时剔除有明显问题的三角点。
GPS网的数据处理采用随机软件进行解算，分为三个步骤：一是基线解算，二是闭合差检验，三是网平差解算。
在基线解算时有些参数的不同取值（如：卫星高度角、采样间隔、卫星的取舍、参考卫星的选择、观测时段的选择）会产生不同的结果，如何判断这些参数的和理性，要靠对计算结果的正确分析和在实践中不断积累经验。对于基线解算的数据质量，GPS接收机数据处理软件有两个检验指标：（1）方差比（Ratio）≥3；（2）中误差≤0.02，满足上述两项指标的基线为合格基线，否则为不合格基线，禁止使用并重新测量。本次测量中经计算发现某一时段的结果不理想，经分析为此时段卫星状况不好，后在其他时段补测，经解算合格通过。
闭合差检验是数据处理的重要步骤，由基线组成的最小闭合环必须满足规范规定的限差，闭合环检验合格后才能进行网平查计算，网平差计算时需输入中央子午线精度等信息，然后就可由随机软件计算出各GPS点的坐标。
一般情况下，采用常规导线测量对GPS控制网进行加密时，可将两组GPS点作为已知点，对加密导线点进行附合导线平差，平差所用的边长可直接采用测距仪所测距
离。在平差过程中，发现角度闭合情况较好，一般Km长的附合导线角度闭合差在60″以内，而由边长推算的坐标增量闭合差也满足要求，但与角度闭合差相比稍大。尤其在高等级公路及大型桥梁、隧道的导线测量中，应该采用更精确的经过改正的边长进行平差，只有考虑了椭球体、投影变形的影响，才能求出精确的边长，其计算方法如下：
（1）将测距仪观测的长度规划到椭球面的长度，计算公式为：
s = D + Dd
Dd =-(D * Hm)/ρm
式中：s——归化到椭球面的长度；
D——地面上的观测距离；
Dd——高程归化改正；
Hm——观测边的平均大地高；
ρm——该地区平均曲率半径。
（2）将椭球面的长度归化到高斯平面的长度，计算公式为：
so = s + Δs
Δs =(s * ym)/(2 * ρ2 2 m)
式中：so——归化到高斯平面上的长度；
ym——在高斯平面上离中央子午线垂距的平均值。
现很多随测量设备所带的应用软件中都包括以上计算程序。
4． 问题及建议
1．公路为线状构造物，控制网布设沿路线呈条带状，为保证测量精度，测量连网形式采用边连式，故测量设备应不少于三台。建议测量每组采用四到五台，一是可以使测量效率成倍增加，二是可增加同步环数量，保证精度，即使有个别基线不符合要求也不影响施测结果。
2．测设单位进行GPS设备配置时应考虑动、静态兼容，同时又考虑到经济实用的原则。建议采用1（基准站）+2（动态RTK）+1（或2静态）的配置，即考虑了静态控制测量（3-5台），又能够进行实时动态（RTK）测量、放样及施工控制。
3．测量前应根据近期测区的星历情况（随即软件中可查），合理安排测量时间，避开卫星条件不好的时段，达到保证测量质量和节省时间的目的。在对G310线进行
测量时，根据星历预报发现测区内13：00—15：00左右卫星状况不好，实际测量时发现此段时间的测量结果也很不理想，故将此段时间改为休息及移站时间。
4．坐标转换及计算过程中应注意投影带的选取，中央子午线的确定应以路线所经过的中央位置为准。地形起伏高差比较大的地区的投影面应选取测区平均高程投影面，已知控制点坐标必须经过换算才能参与约束平差。根据以上原则进行坐标计算才能保证最小平曲面误差。
5．自定义坐标系或无已知控制点进行平差计算时，应利用全站仪等设备所测量的基线数据进行点校正。
5． 经济、社会效益及应用前景
经近些年我国测绘部门和公路工程部门的使用表明，GPS以全天候、高精度、自动化、高效益等显著特点，成功用于大地测量、工程测量中，给测绘领域带来一场深刻的技术革命。
GPS在本次公路工程测量中有明显的社会经济效益：
1、缩短了测量时间，提高工作效率
本次控制测量共布点24个（分布于长26Km、宽约2Km地带）。根据以往经验，在传统三角网测量、计算方式下最少需用15天的时间。而使用GPS测量及用随机平差软件计算，只需4天的时间。
2、提高测量精度，减少工作强度
GPS测量精度高，测量速度快，其精度是传统测量方式所不能达到的。
3、测量数据自动分析处理，减少了手工劳动，保证结果的准确性
在传统控制测量方式中，测量数据的分析处理所占的比重很大，因为计算数据量大而出现的错误也相应增多。而应用计算机读取数据计算，则只需简单的操作就能完成，而且由于数据导入完全自动进行，大大的减少了错误几率而保证了结果的准确性。随着公路等级的不断提高，对于工程测量及施工的精度要求也越来越高，应用传统的测量手段很难达到要求，而GPS系统正是在这种要求下得到推广和应用，并有着广阔的发展前景。
参考文献：
《公路勘测规范 》（交通部JTG C10—2007）
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