GPS技術(shù)在新藏公路改建工程中的應(yīng)用①

摘 要:介紹了GPS測(cè)量技術(shù)的特點(diǎn);論述了GPS靜態(tài)測(cè)量技術(shù)和RTK技術(shù)在公路工程中的控制測(cè)量、道路中線放樣、縱橫斷面測(cè)量等方面的應(yīng)用。根據(jù)GPS技術(shù)的發(fā)展，展望了GPS技術(shù)在工程測(cè)量領(lǐng)域的發(fā)展前景。

關(guān)鍵詞:GPS-RTK技術(shù) 轉(zhuǎn)換參數(shù) 中線測(cè)設(shè) 縱橫斷面測(cè)量

中圖分類號(hào):F542.3文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào)：1674-098X(2012)08(a)-0108-02隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速增長(zhǎng)和西部大開發(fā)的深入實(shí)施，基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)速度很快，尤其是公路和鐵路建設(shè)項(xiàng)目大增并且勘測(cè)設(shè)計(jì)的工期要求很急。目前線路工程勘測(cè)中雖已采用電子全站儀等先進(jìn)儀器設(shè)備，但常規(guī)測(cè)量方法受通視條件和作業(yè)條件的限制，作業(yè)強(qiáng)度大，且工作效率低，勘測(cè)工作無法在短期內(nèi)快速完成以滿足設(shè)計(jì)要求，從而大大延長(zhǎng)了勘測(cè)設(shè)計(jì)時(shí)間。當(dāng)前，用GPS靜態(tài)或快速靜態(tài)方法建立沿線總體測(cè)量控制網(wǎng)，為勘測(cè)設(shè)計(jì)階段測(cè)繪帶狀地形圖，道路中線放樣，縱橫斷面測(cè)量提供基礎(chǔ)依據(jù);采用GPS-RTK技術(shù)進(jìn)行道路中線放樣、縱橫斷面測(cè)量和測(cè)繪帶狀地形圖的技術(shù)已日趨成熟。

1 GPS測(cè)量的特點(diǎn)

相對(duì)于常規(guī)測(cè)量來說，GPS測(cè)量主要有以下特點(diǎn):(1)定位精度高。GPS觀測(cè)的精度明顯高于一般常規(guī)測(cè)量，在小于50km的基線上，其靜態(tài)相對(duì)定位精度可達(dá)1×10-6，RTK測(cè)量可達(dá)到1～3cm。(2)測(cè)站間無需通視。GPS測(cè)量只要保證測(cè)站上空開闊，能夠接收較多的GPS衛(wèi)星信號(hào)即可。不需要測(cè)站點(diǎn)間相互通視，可根據(jù)實(shí)際需要確定點(diǎn)位，使得選點(diǎn)工作靈活方便。(3)觀測(cè)時(shí)間短。在進(jìn)行GPS測(cè)量時(shí)，靜態(tài)相對(duì)定位每站僅需30～40min左右，動(dòng)態(tài)相對(duì)定位僅需幾秒鐘。(4)儀器操作簡(jiǎn)便。目前GPS接收機(jī)自動(dòng)化程度越來越高，已趨小型化和操作傻瓜化，觀測(cè)人員只需將天線對(duì)中、整平，量取天線高打開電源即可進(jìn)行自動(dòng)觀測(cè)，利用數(shù)據(jù)處理軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理即求得測(cè)點(diǎn)三維坐標(biāo)。(5)全天候作業(yè)。GPS衛(wèi)星數(shù)目多，且分布均勻，一天24h內(nèi)可保證在任何時(shí)間、任何地點(diǎn)連續(xù)進(jìn)行觀測(cè)，一般不受天氣狀況的影響。(6)提供三維坐標(biāo)。GPS測(cè)量可同時(shí)精確測(cè)定測(cè)站點(diǎn)的三維坐標(biāo)，其高程精度已可滿足四等水準(zhǔn)測(cè)量的要求;RTK技術(shù)可以實(shí)時(shí)測(cè)量點(diǎn)位的三維坐標(biāo)。

2 應(yīng)用實(shí)例

2.1 工程概況

2004年我院受中交第一公路勘察設(shè)計(jì)研究院委托，在國(guó)道219線黑恰道班至新藏公路區(qū)界路段進(jìn)行公路控制測(cè)量、帶狀地形圖測(cè)繪、中線測(cè)設(shè)和縱橫斷面測(cè)量工作。測(cè)區(qū)大部分路段為山地和高原丘陵地區(qū)。線路總長(zhǎng)365km，考慮到線路設(shè)計(jì)和施工的實(shí)際情況，將整段路分成5個(gè)投影于抵償高程面上的高斯正形投影任意帶平面直角坐標(biāo)系(簡(jiǎn)稱公路抵償坐標(biāo)系)，每個(gè)抵償坐標(biāo)系以該段路線平均高程面為投影面?？紤]到工程質(zhì)量要求、工期和測(cè)區(qū)的特點(diǎn)，應(yīng)用常規(guī)的測(cè)量方法，在短時(shí)間內(nèi)難以完成全部工作量，因此決定采用GPS技術(shù)進(jìn)行測(cè)量，采用的GPS接收機(jī)為Trimble 5700型。精度要求為:基本控制點(diǎn)最弱相鄰點(diǎn)位中誤差不大于±5cm，中樁點(diǎn)位限差不大于±10cm，中樁高程限差不大于±10cm。

2.2 GPS控制點(diǎn)布設(shè)和測(cè)量

GPS測(cè)量的技術(shù)設(shè)計(jì)主要依據(jù)1999年交通部發(fā)布的行a業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《公路勘測(cè)規(guī)范》、1998年交通部發(fā)布的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《公路全球定位系統(tǒng)(GPS)測(cè)量規(guī)范》及工程測(cè)量合同有關(guān)要求制定的。GPS網(wǎng)設(shè)計(jì)精度根據(jù)工程需要和測(cè)區(qū)情況，選擇四級(jí)GPS網(wǎng)作為測(cè)區(qū)首級(jí)控制網(wǎng)。在國(guó)家一等導(dǎo)線點(diǎn)的基礎(chǔ)上直接布設(shè)，點(diǎn)位距擬選路線中心線兩側(cè)50～300m左右，每隔600m左右埋設(shè)一個(gè)點(diǎn)，在特殊構(gòu)造物附近加布了GPS點(diǎn)。平坦開闊處在1000米以內(nèi)選埋一個(gè)點(diǎn)，并保證與一個(gè)以上的GPS點(diǎn)通視。在投影帶交界和工作任務(wù)分界附近布設(shè)了一對(duì)相互通視的GPS點(diǎn)，在投影帶交界附近均與國(guó)家平面控制點(diǎn)聯(lián)測(cè)。GPS點(diǎn)的埋設(shè)保證路線測(cè)量及施工放樣的要求。四級(jí)GPS網(wǎng)觀測(cè)采用Trimble5700接收機(jī)以靜態(tài)方式觀測(cè)，網(wǎng)形布設(shè)成鉸鏈導(dǎo)線式。接收機(jī)采樣間隔為15s，同步觀測(cè)1個(gè)時(shí)段，每時(shí)段觀測(cè)時(shí)間大于40min。

2.3 數(shù)據(jù)處理

本項(xiàng)目所有GPS網(wǎng)的觀測(cè)數(shù)據(jù)均采用隨機(jī)軟件Trimble Geomatics Office 1.6(TGO中文版)進(jìn)行基線解算，每個(gè)投影帶為一個(gè)整網(wǎng)。四級(jí)GPS網(wǎng)采用PowerADJ4.0平差軟件，首先在WGS-84坐標(biāo)系下進(jìn)行三維無約束平差，在無約束平差確定的有效觀測(cè)量的基礎(chǔ)上，在1954年北京坐標(biāo)系下進(jìn)行二維約束平差。約束平差合格后，將全部GPS點(diǎn)按各投影分帶公路抵償坐標(biāo)系的中央子午線進(jìn)行投影換帶計(jì)算，再轉(zhuǎn)為公路抵償坐標(biāo)系坐標(biāo)值。(表1)

2.4 高程控制測(cè)量

在國(guó)家一等水準(zhǔn)點(diǎn)的基礎(chǔ)上施測(cè)四等附合水準(zhǔn)路線，聯(lián)測(cè)全部四級(jí)GPS點(diǎn)。水準(zhǔn)觀測(cè)采用索佳C32Ⅱ型和索佳B20Ⅱ型自動(dòng)安平水準(zhǔn)儀配雙面區(qū)格式木質(zhì)標(biāo)尺，記錄采用PC-1500A計(jì)算機(jī)和南方控制精靈記錄。水準(zhǔn)路線觀測(cè)結(jié)束，經(jīng)全面檢查確認(rèn)無誤后，計(jì)算外業(yè)觀測(cè)高差和概略高程，計(jì)算水準(zhǔn)標(biāo)尺長(zhǎng)度誤差改正數(shù)，正常水準(zhǔn)面不平行的改正數(shù)，水準(zhǔn)路線(環(huán)線)閉合差。四等水準(zhǔn)平差計(jì)算采用廣州開思水準(zhǔn)平差軟件計(jì)算。

2.5 求取坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)

為后續(xù)的GPS-RTK測(cè)量和道路中線放樣工作做好準(zhǔn)備工作，按抵償坐標(biāo)系的要求，在每一個(gè)投影分帶內(nèi)將全部同時(shí)擁有WGS-84和抵償坐標(biāo)系坐標(biāo)的GPS點(diǎn)(全部帶有水準(zhǔn)高程)，輸入GPS數(shù)據(jù)處理軟件中求取轉(zhuǎn)換參數(shù)，再將求得的七參數(shù)導(dǎo)入到GPS手簿中;或者是直接輸入到GPS手簿中求取七參數(shù)。求解七參數(shù)的注意事項(xiàng):一是公共點(diǎn)應(yīng)能覆蓋擬進(jìn)行RTK測(cè)量的路段，確保RTK測(cè)量的可靠性;二是七參數(shù)的轉(zhuǎn)換精度應(yīng)符合測(cè)量作業(yè)的精度要求，對(duì)參與求解七參數(shù)的公共點(diǎn)要認(rèn)真分析研究，對(duì)含有粗差的公共點(diǎn)要予以剔除，保證七參數(shù)的轉(zhuǎn)換殘差對(duì)測(cè)量精度影響最小。本項(xiàng)目設(shè)計(jì)要求點(diǎn)校正后最大平面殘差不應(yīng)超過±5cm;最大垂直殘差不應(yīng)超過±10cm。校正結(jié)果最大平面較正殘差為3.8cm，最大高程校正殘差為5cm。

2.6 道路中線數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

在Trimble Geometrics Officel軟件的Roadlink模式下按線段建立路線文件名。根據(jù)勘測(cè)設(shè)計(jì)單位提供的道路測(cè)設(shè)元素表，由直線段開始按起點(diǎn)里程，長(zhǎng)度，交點(diǎn)里程，長(zhǎng)度，曲率半徑，曲線長(zhǎng)度等逐項(xiàng)錄入路線文件中，在錄入過程中軟件會(huì)自動(dòng)根據(jù)里程和曲線要素計(jì)算出全部待放樣點(diǎn)的坐標(biāo)，并逐個(gè)顯示道路主點(diǎn)的坐標(biāo)值，與設(shè)計(jì)提供的路線主點(diǎn)坐標(biāo)值比對(duì)無誤就可以繼續(xù)進(jìn)行，直到一條或一段路線輸入完成后導(dǎo)入電子手簿供放樣使用;或者在Trimble的TSC2電子手簿中選擇道路測(cè)量模式直接按上述方法錄入相關(guān)數(shù)據(jù)。在路線輸入的過程中要特別注意曲線的轉(zhuǎn)向方向不能輸錯(cuò)，還要注意是否有斷鏈情況，如有要重新建立路線文件再錄入。

2.7 道路中線測(cè)設(shè)及縱橫斷面測(cè)量

(1)基準(zhǔn)站和流動(dòng)站的設(shè)置及檢核:在地勢(shì)較高、四周開闊的已知控制點(diǎn)上架設(shè)基準(zhǔn)站，正確配置參數(shù)。啟動(dòng)流動(dòng)站接收機(jī)并完成流動(dòng)站的配置。設(shè)置完成后在已知控制點(diǎn)上進(jìn)行比測(cè)檢核，設(shè)計(jì)要求當(dāng)比測(cè)較差≤±7cm以內(nèi)時(shí)，方可進(jìn)行中線放樣和縱斷面測(cè)量;在該基準(zhǔn)站測(cè)量工作結(jié)束之后，還應(yīng)在另一已知控制點(diǎn)上進(jìn)行比測(cè)，比測(cè)較差≤±7cm 以內(nèi)時(shí)該基準(zhǔn)站所測(cè)成果才可使用。本項(xiàng)目比測(cè)平面較差均小于5cm，且與不同時(shí)間、不同測(cè)站所測(cè)設(shè)中樁比測(cè)高程較差均在7cm之內(nèi)，滿足設(shè)計(jì)要求。

(2)道路中線測(cè)設(shè)和縱斷面測(cè)量:根據(jù)預(yù)先建立在TSC2手簿中的工作文件夾，鍵入或調(diào)出待放樣的中樁里程，根據(jù)手簿提示的距離和方位將中樁點(diǎn)放樣在實(shí)地，并實(shí)時(shí)測(cè)量中樁的三維坐標(biāo)，與設(shè)計(jì)坐標(biāo)進(jìn)行比對(duì)，檢核中樁放樣點(diǎn)位精度是否符合設(shè)計(jì)要求。采用等外水準(zhǔn)測(cè)量對(duì)中樁高程進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)縱斷面高程中誤差為m=±=±4cm，經(jīng)檢驗(yàn)高程精度良好符合設(shè)計(jì)要求。

(3)橫斷面測(cè)量:使用RTK方法或全站儀實(shí)時(shí)采集各個(gè)斷面點(diǎn)的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)，利用本單位針對(duì)該項(xiàng)目開發(fā)的“橫斷面測(cè)量軟件”。在內(nèi)業(yè)自動(dòng)將坐標(biāo)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成“緯地”格式，并能被“緯地”軟件讀取生成橫斷面;不需逐個(gè)人工錄入。此軟件在橫斷面測(cè)量中的使用極大地降低了勞動(dòng)強(qiáng)度和工作量，提高了生產(chǎn)效率。

3 結(jié)語

GPS測(cè)量技術(shù)在線路測(cè)量中的應(yīng)用，極大地提高了作業(yè)效率，尤其是GPS-RTK技術(shù)在線路工程測(cè)量中的應(yīng)用，改變了傳統(tǒng)的作業(yè)模式。GPS-RTK技術(shù)具有測(cè)量速度快、較高的測(cè)量精度并且精度較均勻、點(diǎn)位之間不存在誤差累積，可以實(shí)時(shí)獲得點(diǎn)位的三維坐標(biāo)，非常適合線路工程測(cè)量中的點(diǎn)位測(cè)量，中樁放樣，縱橫斷面測(cè)量和線狀地形圖測(cè)繪工作。因此，GPS測(cè)量技術(shù)尤其是RTK技術(shù)在工程測(cè)量領(lǐng)域會(huì)有較好的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)

[1]交通部第一公路勘查設(shè)計(jì)院JTJ 061-99公路勘測(cè)規(guī)范[S].人民交通出版社，1999.

[2]交通部第一公路勘查設(shè)計(jì)院JTJ 066-98公路全球定位系統(tǒng)(GPS)測(cè)量規(guī)范[S].人民交通出版社，1998.

[3]王棋.關(guān)于RTK在道路勘測(cè)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用探究.測(cè)繪與空間地理信息，2012(1).

[4]徐紹銓等，GPS測(cè)量原理及應(yīng)用.武漢:武漢大學(xué)出版社，1998.