GPS在某公路拓寬工程測量中的應(yīng)用研究

摘 要：本文基于筆者多年從事工程測量的相關(guān)工作經(jīng)驗，以南寧某公路工程測量為工程背景，探討了該工程中線路控制測量的相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)，論文首先分析了公路工程控制測量現(xiàn)狀，進而探討了GPS控制測量的實施步驟，在此基礎(chǔ)上，筆者結(jié)合具體的工程案例探討了GPS公路工程控制測量方法，全文是筆者長期工作實踐基礎(chǔ)上的理論升華，相信對同行能有所裨益。

關(guān)鍵詞：GPS 公路 控制測量 精度

中圖分類號：P2 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2012）10（a）-0026-02

1 公路工程控制測量現(xiàn)狀探討

在公路工程中首先引入GPS的是公路控制測量。公路控制測量是路線勘測設(shè)計的基礎(chǔ)，隨著高等級道路的興建，對路線勘測提出了更高的要求，由于線路長且己知點少，因此，用常規(guī)手段不僅布網(wǎng)困難而且難以滿足高精度的要求，而GPS高精度的特點正好可以滿足這一要求。從20世紀(jì)90年代中期，許多公路工程部門開始了GPS定位技術(shù)在公路控制測量中的應(yīng)用和研究。如應(yīng)用GPS進行了控制測量的技術(shù)并在新疆烏奎高等級公路、江蘇徐連高速公路、江蘇寧通公路、云南元磨公路進行了有益的實踐。廣東長大公路工程有限公司開展了GPS水準(zhǔn)測量在高程控制測量中的應(yīng)用研究。目前國內(nèi)己逐步采用GPS技術(shù)建立線路首級高精度控制網(wǎng)，如在滬寧高速公路，青銀高速公路，廣惠高速公路等公路控制測量中得到廣泛應(yīng)用。

此外，在隧道外控制、特大橋梁的施工，也需要高精度控制測量。GPS技術(shù)也同樣應(yīng)用于特大橋梁和隧道貫通的控制測量中，由于無需通視，可構(gòu)成較強的圖形結(jié)構(gòu)特別是對常規(guī)測量中無檢核的支點的量測提供了方便。在江陰長江大橋的建設(shè)過程中就應(yīng)用了GPS技術(shù)對常規(guī)精密邊角網(wǎng)進行檢測。首先用常規(guī)測量建立了高精度的邊角網(wǎng)，然后利用GPS技術(shù)對該網(wǎng)進行檢測，GPS檢測網(wǎng)達(dá)到了毫米級精度，與常規(guī)測量的結(jié)果符合較好，取得了較好的效果。長梁山隧道貫通的洞外控制測量采用了GPS定位技術(shù)進行施測。杭州灣大橋項目也采用了GPS定位技術(shù)。

在公路控制測量中通常采用靜態(tài)相對定位技術(shù)，也就是至少有兩臺GPS接收機同時觀測，經(jīng)處理后可以精確獲得兩點的三維坐標(biāo)差，根據(jù)其中一點的坐標(biāo)可推算出另一點的坐標(biāo)。由于靜態(tài)相對定位精度高，因此廣泛應(yīng)用于大地測量、形變監(jiān)測等高精度測量領(lǐng)域。同樣靜態(tài)相對定位技術(shù)將在相當(dāng)廣泛的范圍內(nèi)逐步地取代以往的常規(guī)測量方法廣泛應(yīng)用于公路控制測量中，如用于建立路線精密控制網(wǎng)、橋隧精密控制網(wǎng)等。隨著應(yīng)用理論研究的深入以及作業(yè)規(guī)范的建立和完善，靜態(tài)相對定位技術(shù)將會更好的為公路工程中的控制測量服務(wù)。

2 GPS控制測量

GPS控制測量工作與經(jīng)典大地測量工作相類似，按其性質(zhì)可分為外業(yè)和內(nèi)業(yè)兩大部分。其中：外業(yè)工作主要包括選點（即觀測站址的選擇）、建立觀測標(biāo)志、野外觀測作業(yè)以及成果質(zhì)量檢核等；內(nèi)業(yè)工作主要包括GPS測量的技術(shù)設(shè)計、測后數(shù)據(jù)處理以及技術(shù)總結(jié)等。如果按照GPS測量實施的工作程序，則大體可分為這樣幾個階段：技術(shù)設(shè)計；選點與建立標(biāo)志；外業(yè)觀測；成果檢核與處理。

作業(yè)方法：采用兩臺（或兩臺以上）接收機，分別安置在一條（或數(shù)條）基線的端點，根據(jù)基線長度和要求的精度，按GPS測量系統(tǒng)外業(yè)的要求同步觀測四顆以上的衛(wèi)星數(shù)時段，時段長度根據(jù)測量等級確定。

定位精度：基線測量的精度可達(dá)±（5mm＋1ppm×D），D為基線長度，以公里計。

作業(yè)要求：采取這種作業(yè)模式所觀測的獨立基線邊，應(yīng)構(gòu)成閉合圖形（如三角形、多邊形），以利于觀測成果的檢核，增強網(wǎng)的強度，提高成果的可靠性和精確性。適用范圍。

建立國家大地控制網(wǎng)（二等或二等以下）。

建立精密工程控制網(wǎng)，如橋梁測量、隧道測量等；建立各種加密控制網(wǎng)，如城市測量、工程點測量、道路測量、勘界測量等；觀測中至少跟蹤四顆衛(wèi)星，同時基線邊一般不要超過15km。

注意事項：所有已觀測基線應(yīng)組成一系列封閉圖形，已利于外業(yè)檢核，提高成果可靠度。

GPS測量是一項技術(shù)復(fù)雜、要求嚴(yán)格、耗費較大的工作，對這項工作總的原則是，在滿足用戶要求的情況下，盡可能地減少經(jīng)費、時間、和人力的消耗。因此，對其各階段的工作都要精心設(shè)計和實施。GPS測量的工作程序見圖1。

3 工程概況與GPS點的布設(shè)實施

某公路是連接南寧與桂林等城市的重要通道。該公路拓寬改建工程全長18．07km，拓寬后的道路從原先的雙向4車道改建為雙向8車道。本工程基礎(chǔ)平面控制采用GPS測量，按照《公路勘測規(guī)范》（JTCC10-2007）中四等網(wǎng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)實施。以二等點“G2035、G2015”作為起算點進行布網(wǎng)。設(shè)計GPS網(wǎng)的精度為四等，結(jié)合本工程的具體情況，沿線路走向布設(shè)GPS點，GPS網(wǎng)采用邊連式，組成網(wǎng)中的基線有一定數(shù)量的多余觀測，以增強成果的可靠，取“G2035、G2015”兩點作為四等GPS控制網(wǎng)的起算點，以取得了可靠的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)。根據(jù)線路情況，GPS首級網(wǎng)擬布設(shè)成帶狀大地四邊形鎖的形式，點對點之間相互通視。平均400～500m左右布設(shè)1對GPS點。全線共布設(shè)107點四等GPS控制點。

控制點均選擇在施工紅線之外且滿足通視要求和相對穩(wěn)定。點位選設(shè)時避免了各種電磁波對GPS衛(wèi)星信號的干擾、以及因施工的影響而產(chǎn)生點位的變動?？刂泣c分布均勻，相鄰邊長之比小于1/2。

（1）GPS坐標(biāo)系統(tǒng)及起算依據(jù)。

GPS測量采用坐標(biāo)系為深圳城市坐標(biāo)系（參考1954北京坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換）；1954年北京坐標(biāo)系為北京54橢球。

（2）四等GPS控制網(wǎng)的主要技術(shù)指標(biāo)。

每對相鄰點的平均距離（km）；固定誤差≤5mm；比例誤差≤3ppm；最弱相鄰點的相對中誤差為1/35000。

4 GPS觀測

4.1 使用儀器

使用6臺Ashtech型靜態(tài)單頻GPS接收機（標(biāo)稱精度為5mm+1ppm）進行GPS網(wǎng)野外數(shù)據(jù)采集。

4.2 作業(yè)時基本技術(shù)要求

衛(wèi)星截止高度角，≥15°；同時觀測有效衛(wèi)星數(shù)，≥4；平均重復(fù)設(shè)站數(shù)，≥1.6；同時觀測有效衛(wèi)星數(shù)≥4；時段長度，≥60min；數(shù)據(jù)采樣率（S），≤30s。

4.3 觀測方式

每時段觀測均量取天線高兩次，其互差不超過3mm，取平均值作為最后天線高。

5 GPS內(nèi)業(yè)解算

5.1 數(shù)據(jù)后處理

GPS觀測數(shù)據(jù)內(nèi)業(yè)編輯輸入相關(guān)點位信息后，采用接收機配備的商用軟件Ashtechsolutions2.5進行基線解算，保證每一條基線都求出整周模糊度。重復(fù)基線較差和非同步環(huán)閉合差的檢核仍按外業(yè)基線檢核時的要求進行。

5.2 網(wǎng)平差

對整網(wǎng)進行無約束平差并檢核GPS網(wǎng)的觀測質(zhì)量。以所有獨立基線組成閉合圖形，以三維基線向量及相應(yīng)方差協(xié)方差陣作為觀測信息，以網(wǎng)一點的WGS-84系三維坐標(biāo)作為起算依據(jù)，進行全網(wǎng)無約束平差。對整網(wǎng)進行二維約束平差。以深圳市平面控制網(wǎng)GPS點“G2015、2035”作為起算數(shù)據(jù)，對控制網(wǎng)進行二維約束平差計算。

6 GPS精度評定

6.1 環(huán)閉合差統(tǒng)計（如表1）

6.2 基線殘差統(tǒng)計（如表2）

6.3 平面平差基線相對精度統(tǒng)計（如表3）

6.4 gps點位中誤差統(tǒng)計

100%的點位精度在1.0cm以內(nèi)，其中46%精度小于0.5cm。以上充分說明觀測數(shù)據(jù)合格，基線解算質(zhì)量良好，GPS網(wǎng)的測量精度滿足四等要求。

7 結(jié)語

隨著城市建設(shè)規(guī)模日益擴大，今后遇到高速公路拓寬改建的項目會越來越多，在保證工程進度及精度要求下，如何將GPS技術(shù)在大型工程施工控制中靈活運用是一個只得探討的課題。通過本工程的實踐筆者得到如下一些體會。

（1）GPS觀測受到各種外界因素的影響，有可能產(chǎn)生粗差和各種隨機誤差，為了對GPS觀測成果進行質(zhì)量檢查，保證成果的可靠并恰當(dāng)?shù)卦u定精度，就要求由非同步獨立觀測邊構(gòu)成閉合環(huán)或符合線路。作業(yè)時不應(yīng)將非獨立邊作為獨立觀測邊處理，更不能將同步閉合環(huán)當(dāng)作非同步閉合環(huán)。（2）對GPS網(wǎng)進行圖型設(shè)計時，應(yīng)使閉合環(huán)的邊數(shù)小于規(guī)范的規(guī)定，僅允許個別閉合環(huán)的邊數(shù)等于規(guī)范的邊數(shù)，為了使外業(yè)觀測有計劃的進行，避免GPS獨立邊選擇的隨意性，便于及時檢查觀測結(jié)果。宜按設(shè)計網(wǎng)圖選定GPS獨立邊，必要時，在經(jīng)過技術(shù)負(fù)責(zé)人審議后，可根據(jù)具體情況作適當(dāng)調(diào)整。

參考文獻

[1]周忠漠，易杰軍，周琪.GPS衛(wèi)星測量原理與應(yīng)用[M].北京：測繪出版社，1995.

[2]張雨化.公路勘測設(shè)計[M].南寧：人民交通出版社，1986.