基于沈陽(yáng)某公路工程測(cè)量案例的線路控制測(cè)量技術(shù)研究

摘 要:本文基于筆者多年從事工程測(cè)量的相關(guān)工作經(jīng)驗(yàn)，以沈陽(yáng)某公路工程測(cè)量為工程背景，探討了該工程中線路控制測(cè)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(cè)量現(xiàn)狀，進(jìn)而探討了GPS控制測(cè)量的實(shí)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(cè)量方法，全文是筆者長(zhǎng)期工作實(shí)踐基礎(chǔ)上的理論升華，相信對(duì)同行能有所裨益。

關(guān)鍵詞:GPS 公路 控制測(cè)量 精度

中圖分類(lèi)號(hào):TB22文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1674-098X(2012)03(a)-0090-02

1 公路工程控制測(cè)量現(xiàn)狀探討

在公路工程中首先引入GPS的是公路控制測(cè)量。公路控制測(cè)量是路線勘測(cè)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，隨著高等級(jí)道路的興建，對(duì)路線勘測(cè)提出了更高的要求，由于線路長(zhǎng)且己知點(diǎn)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(diǎn)正好可以滿足這一要求。從上個(gè)世紀(jì)90年代中期，許多公路工程部門(mén)開(kāi)始了GPS定位技術(shù)在公路控制測(cè)量中的應(yīng)用和研究。如應(yīng)用GPS進(jìn)行了控制測(cè)量的技術(shù)并在新疆烏奎高等級(jí)公路、江蘇徐連高速公路、江蘇寧通公路、云南元磨公路進(jìn)行了有益的實(shí)踐。廣東長(zhǎng)大公路工程有限公司開(kāi)展了GPS水準(zhǔn)測(cè)量在高程控制測(cè)量中的應(yīng)用研究。目前國(guó)內(nèi)己逐步采用GPS技術(shù)建立線路首級(jí)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(cè)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(cè)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(cè)量中，由于無(wú)需通視，可構(gòu)成較強(qiáng)的圖形結(jié)構(gòu)特別是對(duì)常規(guī)測(cè)量中無(wú)檢核的支點(diǎn)的量測(cè)提供了方便。在江陰長(zhǎng)江大橋的建設(shè)過(guò)程中就應(yīng)用了GPS技術(shù)對(duì)常規(guī)精密邊角網(wǎng)進(jìn)行檢測(cè)。首先用常規(guī)測(cè)量建立了高精度的邊角網(wǎng)，然后利用GPS技術(shù)對(duì)該網(wǎng)進(jìn)行檢測(cè)，GPS檢測(cè)網(wǎng)達(dá)到了毫米級(jí)精度，與常規(guī)測(cè)量的結(jié)果符合較好，取得了較好的效果。長(zhǎng)梁山隧道貫通的洞外控制測(cè)量采用了GPS定位技術(shù)進(jìn)行施測(cè)。杭州灣大橋項(xiàng)目也采用了GPS定位技術(shù)。

在公路控制測(cè)量中通常采用靜態(tài)相對(duì)定位技術(shù)，也就是至少有兩臺(tái)GPS接收機(jī)同時(shí)觀測(cè)，經(jīng)處理后可以精確獲得兩點(diǎn)的三維坐標(biāo)差，根據(jù)其中一點(diǎn)的坐標(biāo)可推算出另一點(diǎn)的坐標(biāo)。由于靜態(tài)相對(duì)定位精度高，因此廣泛應(yīng)用于大地測(cè)量、形變監(jiān)測(cè)等高精度測(cè)量領(lǐng)域。同樣靜態(tài)相對(duì)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(cè)量方法廣泛應(yīng)用于公路控制測(cè)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(duì)定位技術(shù)將會(huì)更好的為公路工程中的控制測(cè)量服務(wù)。

2 GPS控制測(cè)量

GPS控制測(cè)量工作與經(jīng)典大地測(cè)量工作相類(lèi)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(diǎn)(即觀測(cè)站址的選擇)、建立觀測(cè)標(biāo)志、野外觀測(cè)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(cè)量的技術(shù)設(shè)計(jì)、測(cè)后數(shù)據(jù)處理以及技術(shù)總結(jié)等。如果按照GPS測(cè)量實(shí)施的工作程序，則大體可分為這樣幾個(gè)階段:技術(shù)設(shè)計(jì);選點(diǎn)與建立標(biāo)志;外業(yè)觀測(cè);成果檢核與處理。

作業(yè)方法:

采用兩臺(tái)(或兩臺(tái)以上)接收機(jī)，分別安置在一條(或數(shù)條)基線的端點(diǎn)，根據(jù)基線長(zhǎng)度和要求的精度，按GPS測(cè)量系統(tǒng)外業(yè)的要求同步觀測(cè)四顆以上的衛(wèi)星數(shù)時(shí)段，時(shí)段長(zhǎng)度根據(jù)測(cè)量等級(jí)確定。

定位精度:

基線測(cè)量的精度可達(dá)±(5mm＋1ppm×D)，D為基線長(zhǎng)度，以公里計(jì)。

作業(yè)要求:

采取這種作業(yè)模式所觀測(cè)的獨(dú)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(cè)成果的檢核，增強(qiáng)網(wǎng)的強(qiáng)度，提高成果的可靠性和精確性。適用范圍:

建立國(guó)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(cè)量、隧道測(cè)量等;

建立各種加密控制網(wǎng)，如城市測(cè)量、工程點(diǎn)測(cè)量、道路測(cè)量、勘界測(cè)量等;

觀測(cè)中至少跟蹤四顆衛(wèi)星，同時(shí)基線邊一般不要超過(guò)15km;

注意事項(xiàng):所有已觀測(cè)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(cè)量是一項(xiàng)技術(shù)復(fù)雜、要求嚴(yán)格、耗費(fèi)較大的工作，對(duì)這項(xiàng)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(fèi)、時(shí)間、和人力的消耗。因此，對(duì)其各階段的工作都要精心設(shè)計(jì)和實(shí)施。

3 工程概況與GPS點(diǎn)的布設(shè)實(shí)施

某公路是連接沈陽(yáng)與齊齊哈爾等城市的重要通道。該公路拓寬改建工程全長(zhǎng)18．07公里，拓寬后的道路從原先的雙向4車(chē)道改建為雙向8車(chē)道。本工程基礎(chǔ)平面控制采用GPS測(cè)量，按照《公路勘測(cè)規(guī)范》(JTC C10-2007)中四等網(wǎng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施。以二等點(diǎn)“G2035、G2015”作為起算點(diǎn)進(jìn)行布網(wǎng)。

設(shè)計(jì)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(diǎn)，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(cè)，以增強(qiáng)成果的可靠，取“G2035、G2015”兩點(diǎn)作為四等GPS控制網(wǎng)的起算點(diǎn)，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(jí)網(wǎng)擬布設(shè)成帶狀大地四邊形鎖的形式，點(diǎn)對(duì)點(diǎn)之間相互通視。平均400～500米左右布設(shè)1對(duì)GPS點(diǎn)。全線共布設(shè)107點(diǎn)四等GPS控制點(diǎn)。

控制點(diǎn)均選擇在施工紅線之外且滿足通視要求和相對(duì)穩(wěn)定。點(diǎn)位選設(shè)時(shí)避免了各種電磁波對(duì)GPS衛(wèi)星信號(hào)的干擾、以及因施工的影響而產(chǎn)生點(diǎn)位的變動(dòng)。控制點(diǎn)分布均勻，相鄰邊長(zhǎng)之比小于1/2。

(1)GPS坐標(biāo)系統(tǒng)及起算依據(jù)。

GPS測(cè)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(duì)相鄰點(diǎn)的平均距離1(km);固定誤差≤5mm;比例誤差≤3ppm;

最弱相鄰點(diǎn)的相對(duì)中誤差為1/35000

4 GPS觀測(cè)

4.1 使用儀器

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

4.2 作業(yè)時(shí)基本技術(shù)要求

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

4.3 觀測(cè)方式

每時(shí)段觀測(cè)均量取天線高兩次，其互差不超過(guò)3mm，取平均值作為最后天線高。

4.4 外業(yè)數(shù)據(jù)檢核

(1)同一時(shí)段觀測(cè)值的數(shù)據(jù)剔除率不易大于10％;

(2)重復(fù)基線的測(cè)量差值ds;

(3)各級(jí)GPS網(wǎng)同步環(huán)閉合差需符合下式規(guī)定:

(4)各級(jí)GPS網(wǎng)異步環(huán)或符合路線坐標(biāo)閉合差需符合下式規(guī)定:

(5)無(wú)約束平差中，基線分量的改正數(shù)的絕對(duì)值需符合下式規(guī)定:

式中:n-閉合環(huán)邊數(shù)，σ-儀器的標(biāo)稱精度。

5 GPS內(nèi)業(yè)解算

5.1 數(shù)據(jù)后處理

(1)GPS觀測(cè)數(shù)據(jù)內(nèi)業(yè)編輯輸入相關(guān)點(diǎn)位信息后，采用接收機(jī)配備的商用軟件Ashtech solutions 2.5進(jìn)行基線解算，保證每一條基線都求出整周模糊度。(2)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(shí)的要求進(jìn)行。

5.2 網(wǎng)平差

(1)對(duì)整網(wǎng)進(jìn)行無(wú)約束平差并檢核GPS網(wǎng)的觀測(cè)質(zhì)量。以所有獨(dú)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(cè)信息，以網(wǎng)一點(diǎn)的WGS-84系三維坐標(biāo)作為起算依據(jù)，進(jìn)行全網(wǎng)無(wú)約束平差。(2)對(duì)整網(wǎng)進(jìn)行二維約束平差。以深圳市平面控制網(wǎng)GPS點(diǎn)“G2015、2035”作為起算數(shù)據(jù)，對(duì)控制網(wǎng)進(jìn)行二維約束平差計(jì)算。

6 GPS精度評(píng)定

6.1 環(huán)閉合差統(tǒng)計(jì)(表1)

6.2 基線殘差統(tǒng)計(jì)(表2)

6.3 平面平差基線相對(duì)精度統(tǒng)計(jì)(表3)

6.4 gps點(diǎn)位中誤差統(tǒng)計(jì)

100%的點(diǎn)位精度在1.0cm以內(nèi)，其中46%精度小于0.5cm。

以上充分說(shuō)明觀測(cè)數(shù)據(jù)合格，基線解算質(zhì)量良好，GPS網(wǎng)的測(cè)量精度滿足四等要求。

7 結(jié)語(yǔ)

隨著城市建設(shè)規(guī)模日益擴(kuò)大，今后遇到高速公路拓寬改建的項(xiàng)目會(huì)越來(lái)越多，在保證工程進(jìn)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(yùn)用是一個(gè)只得探討的課題。通過(guò)本工程的實(shí)踐筆者得到如下一些體會(huì)。

(1)GPS觀測(cè)受到各種外界因素的影響，有可能產(chǎn)生粗差和各種隨機(jī)誤差，為了對(duì)GPS觀測(cè)成果進(jìn)行質(zhì)量檢查，保證成果的可靠并恰當(dāng)?shù)卦u(píng)定精度，就要求由非同步獨(dú)立觀測(cè)邊構(gòu)成閉合環(huán)或符合線路。作業(yè)時(shí)不應(yīng)將非獨(dú)立邊作為獨(dú)立觀測(cè)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(duì)GPS網(wǎng)進(jìn)行圖型設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)使閉合環(huán)的邊數(shù)小于規(guī)范的規(guī)定，僅允許個(gè)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(cè)有計(jì)劃的進(jìn)行，避免GPS獨(dú)立邊選擇的隨意性，便于及時(shí)檢查觀測(cè)結(jié)果。宜按設(shè)計(jì)網(wǎng)圖選定GPS獨(dú)立邊，必要時(shí)，在經(jīng)過(guò)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(xiàn)

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

[2]張雨化.公路勘測(cè)設(shè)計(jì).沈陽(yáng):人民交通出版社，1986.