探討公路工程中GPS測量技術的運用

【摘 要】隨著我國經濟持續(xù)穩(wěn)定的發(fā)展，人們的生活水平日益提高，公路工程行業(yè)也通過幾年的不斷奮斗和發(fā)展，已經進入一個重要的發(fā)展階段。公路工程由于線路多變、構造復雜，其施工測量工作也較為繁瑣。GPS作為一項現代化的測量技術，在公路工程測量中有著不可比擬的優(yōu)勢。現在GPS測量技術已經逐步取代傳統(tǒng)的測量方法。本文對GPS系統(tǒng)進行簡要介紹并說明GPS在公路工程測量中的應用。

【關鍵詞】公路工程；GPS；測量技術

0.引言

隨著中國公路工程建設的快速發(fā)展，公路工程的規(guī)模在不斷擴大，這也對測量技術提出了更加格準確和高效的要求。雖然中國公路工程的施工已采用電子全站儀等較為先進的測量設備，但是這些常規(guī)的測量設備受到各種各樣條件的限制，其工作效率也因此越來越低。GPS測量技術突破了傳統(tǒng)的測量方法，完全適應了現代公路工程測量的要求，從而給測繪領域帶來了一場革命。

1.GPS簡介

1.1 GPS概述

GPS作為目前世界最完善、最先進的衛(wèi)星導航及定位系統(tǒng)，具有高精度、高效率、全天候、自動化等特點。GPS測量技術是通過接收衛(wèi)星信號然后進行相應的數據處理，通過它極高的精密度，提供精確的三維坐標。公路工程的施工控制網是施工放樣的依據，它對精度的要求很高。GPS的精密測量技術可以既省力又省時的解決這一精度問題，工作效率相比傳統(tǒng)的測量技術得到大幅提高。經過我國測繪部門十多年的使用，GPS已經在工程測量、工程變形監(jiān)測、資源勘測、大地測量等多項學科得到廣泛應用并贏得了廣大測量人員的信賴。

1.2 GPS 系統(tǒng)的組成

GPS系統(tǒng)由空間部分、地面控制部分和用戶設備部分等三部分組成，如下圖所示：

（1）GPS空間衛(wèi)星星座是由3顆在軌備用衛(wèi)星和21顆工作衛(wèi)星組成。24顆衛(wèi)星分布在6個軌道平面內，軌道傾角為55°，衛(wèi)星的平均高度約20200公里，運行一周需用11小時58分鐘?？臻g衛(wèi)星使用L波段兩個無線電載波向用戶持續(xù)發(fā)送信號。在任何時刻、任何地點，高度角在15°以上，平均可觀測到6顆衛(wèi)星，最多可以觀測到9顆。

（2）GPS的地面控制部分由一個主控站、三個注入站和五個跟蹤站組成。依據檢測站對GPS衛(wèi)星觀測所得到的數據，主控站可以計算各衛(wèi)星的種差參數、軌道參數等，并可以將這些數據編成導航電文存在到相應衛(wèi)星的存儲器中。

（3）GPS用戶設備由GPS接收機、數據處理軟件和終端設備組成。GPS接收機可以捕捉到待測衛(wèi)星的信號，跟蹤衛(wèi)星運行并且對信號進行交換、放大與處理，再通過計算機相應軟件，求出GPS接收機中心三維坐標。

1.3 GPS 測量原理

GPS測量系統(tǒng)采用高軌測距，它的基本觀測量是觀測站到GPS衛(wèi)星之間的距離，有兩種方式得到距離觀測量，一種方式是載波相位測量，另一種方式是偽距測量。測量接收器產生的參考載波信號與有載波多普勒頻移GPS衛(wèi)星載波信號之間相位差的方式是載波相位測量，這種測量方式的優(yōu)點是定位精度高；測量用戶接收器接收GPS衛(wèi)星發(fā)射的測距碼信號所耗費的時間這種方式稱為偽距測量，這種測量方式測量定位的速度非?？?。GPS定位是通過4顆及以上衛(wèi)星同時做載波相位測量和偽距測量，這兩種測量，進而計算出接收機的三維坐標。

1.4 GPS測量的特點

相對于常規(guī)測量方法GPS測量主要有以下特點：

①測量定位精度高。紅外儀稱測量精度一般是5mm+5ppm，而雙頻GPS接收機基線解精度是5mm+1ppm。因此兩者精度大致相當，但是隨著測量距離的增加，GPS測量的優(yōu)越性便表現出來了，實驗證明，在小于50km的基線上，其測量定位精度可以達到12×10-6，如果在100km～500km長的基線上可以達10-6～10-7。②觀測所需時間短。對一條基線進行精密定位所需的時間短，例如小于20km的短基線上用快速相對定位一般只需要5min。

③觀測點之間無需通視。這樣既可以減少測量工作所需的時間和經費，同時使點位的選擇變得更加靈活。

④操作簡便。目前GPS接收機有向智能操作和小型化的發(fā)展趨勢，觀測人員不需要有很高的技術水平，只需要將接收機天線進行對中，整平然后量取天線高，打開電源后GPS接收機就會自動觀測，并利用數據處理軟件即可求得待測點的三維坐標，并且儀器可以自動完成衛(wèi)星捕獲、跟蹤進行觀測等其它的觀測工作。

⑤提供精確的三維坐標。GPS測量在對觀測站的大地高程進行精確測定的同時還可以對觀測站的平面位置進行精確測定。

⑥可以全天候作業(yè)。GPS觀測可以在任何時間，任何地點連續(xù)進行，一般不會受天氣的影響。公路路線一般分布在帶狀的走廊內。進行平面控制測量時一般采用導線形式，這包括結點導線、閉合導線、附合導線等形式。對于一些重要構造物例如長大隧道、大橋、特大橋等，也有的是布設成線形鎖、三角網等形式。

2.GPS 測量在公路工程中的應用

公路工程測量主要用到GPS兩大功能：靜態(tài)測量功能和動態(tài)測量功能。接收衛(wèi)星信息，然后確定地面上某點三維坐標是GPS的靜態(tài)功能；運用衛(wèi)星系統(tǒng)，把已知三維坐標的點位放樣到實際地面上是GPS的動態(tài)測量功能。

2.1繪大比例尺的地形圖

現在高等級的公路選線多在大比例尺的帶狀地形圖上進行。傳統(tǒng)的測圖方法是先建立控制點，然后再進行碎部測量，最終繪大比例尺地形圖。這種選線方法速度慢、工作量很大、浪費時間。而GPS動態(tài)測量則可以解決這些問題，在確定的公路線路上每個碎部點上停一兩分鐘就可以獲得各點的高程和坐標。結合輸入點的屬性信息及特征編碼，構成帶狀碎部點的數據，在室內就可以用繪圖軟件繪制大比例尺地形圖。因為采集碎部點坐標和輸入其屬性信息的速度很快，因此可以在很大程度上降低繪圖難度。

2.2道路的土石方量計算和橫、縱斷放樣

在進行縱斷面放樣時，先把放樣數據輸入到GPS電子手簿中，并將生成的施工測設放樣點文件進行相應的保存，為現場隨時放樣測設做準備。在進行橫斷面放樣時，先要確定橫斷面的形式，先把把橫斷面設計數據輸入GPS電子手簿中（如路幅的寬度、路肩的寬度、設計高度、邊坡坡度），并將生成的施工測設放樣點文件進行存儲，為現場隨時放樣測設做準備。在利用“斷面法”計算土方量時可以利用軟件自動和地面線進行“戴帽”工作。利用繪圖軟件繪出沿線的縱斷面和各點的橫斷面圖。由于所用的數據已經在測繪地形圖時采集了，所以不再需要外業(yè)測量工作。而且如果有必要，可以利用GPS的動態(tài)功能到現場進行檢測，與傳統(tǒng)測量方法相比，既實用又經濟。

2.3道路的中線測設

工程人員在大比例尺地形圖上定線后，還應該在公路實際地面上將線路標定出來。通過動態(tài)GPS技術測量，只需要將中線主點坐標輸入到GPS接收機中，就會得到放樣點的位置。由于每個點都是單獨進行測量，因此幾乎不會產生累積誤差。道路路線主要是由直線、圓曲線、緩和曲線組成。只需要輸入各主控點的樁號，然后輸入起終點的方位角，直線段距離、圓曲線半徑、緩和曲線距離就可完成施工放樣。這種比傳統(tǒng)弦線撥角法效率要高的多。

2.4道路工程施工變形觀測

動態(tài)GPS變形監(jiān)測網測量精度相當高，例如對路基路堤沉降觀測、隧道施工的變形觀測以及現澆梁做變形觀測等，要比傳統(tǒng)的工程監(jiān)控網更加精確，有更廣闊的應用前景。

3.結束語

本文通過探討GPS技術在公路工程測量中應用，總結出：（1）GPS測量作業(yè)精度極高。它不受距離限制，非常適合我國地形條件困難地區(qū)、國家大地點破壞嚴重區(qū)、局部重點工程地區(qū)等（2）GPS測量可以提高工作質量。整個工作過程由計算機技術、微電子技術控制，自動記錄數據并進行預處理、自動計算平差。（3）GPS測量可以大大降低勞動作業(yè)強度，提高作業(yè)效率。（4）在目前高等級公路逐慢慢向山嶺重丘區(qū)發(fā)展，由于這些地區(qū)地形限制，進行常規(guī)幾何水準測量有困難，在這種情況下，GPS高程測量無疑是一種高效的手段。 [科]

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