深山峽谷中GPS平面控制網(wǎng)快速復(fù)測技術(shù)的研討

楊元林，崔同菊

(中國水利水電第十四工程局有限公司， 云南 昆明 650041)

0 前 言

GPS作為最新型的定位技術(shù)正在廣泛地應(yīng)用于軍事、科學(xué)、工程及生活中， GPS使很多事情變得更加精準(zhǔn)，工作效率也大大提高。隨著科技的發(fā)展，GPS技術(shù)逐步用于復(fù)雜環(huán)境的工程測量中。目前，我國西部許多建設(shè)的高速公路，地處深山峽谷，高程起伏大，高速公路線型復(fù)雜，并且任務(wù)重、工期緊，采用GPS快速測量技術(shù)，相比傳統(tǒng)的測量方法，節(jié)約了大量的人力、物力。GPS控制測量方便，受地形地貌影響小，觀測解算一體化，工作效率高，已成為目前工程施工測量的主要方法。本文通過對GPS測量從外業(yè)觀測到內(nèi)業(yè)解算的全過程研究，總結(jié)出了一套快速、可靠的測量方法。

1 工程概述

本工程屬于宜賓至昭通高速公路云南段的一期項目，路線起于K144+910 m，止于K237+600 m，路線全長92.72 km，設(shè)計速度80 km/h，設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)為雙向四車道，路基寬24.5 m。起點為彝良縣海子鄉(xiāng)，終點為昭通市北閘鎮(zhèn)，設(shè)置北閘立交與麻昭高速公路銜接。項目建成后將成為通往云南省昆明市、貴州省貴陽市、四川省瀘州市、重慶市四省市的省際快速通道。接G85渝昆高速通往云南省會昆明；接在建的昭瀘高速(彝良至鎮(zhèn)雄段)、G56杭瑞高速通往貴州省會貴陽；接G93成渝高速通往重慶。遠(yuǎn)期宜昭高速(彝良至宜賓段)建成后，可接G85渝昆、G76夏蓉高速前往成都。

2 控制點平面坐標(biāo)

采用“宜昭高速抵償坐標(biāo)系”，類似“國家54坐標(biāo)系”。

本工程路線在測區(qū)內(nèi)總體呈東北～西南走向，地理經(jīng)度范圍103°45′～104°20′，地理緯度范圍27°25′～27°38′，沿線地形起伏較大為山嶺重丘區(qū)地形。測區(qū)高程約在870～2 200 m之間。為了保證全線成果的統(tǒng)一性，滿足規(guī)范和線路設(shè)計要求，減少接邊誤差，根據(jù)高斯投影理論以及本條線路的實際情況，須保證本測區(qū)投影長度變形值小于2.5 cm/km及橋遂等大型構(gòu)造物投影長度變形值小于1.0 cm/km，以抵消投影變形。抵償坐標(biāo)系如表1所示。

表1 宜昭高速抵償坐標(biāo)系匯總

3 設(shè)計方案

3.1 選點埋石

(1)通過現(xiàn)場踏勘，原有控制點被破壞的，若施工則需重新埋點，由于線路調(diào)整，部分距施工區(qū)域較遠(yuǎn)的控制點可以舍棄，點密度不滿足施工需求的地方需要加密控制點。

(2)埋石要求如下：埋設(shè)的控制點標(biāo)石，其規(guī)格為150 mm×300 mm×600 mm的水泥混凝土樁，樁中埋設(shè)一根長300 mm的Φ12鋼筋以便固定，并在樁頂露出5 mm且做“十”字絲刻劃。埋設(shè)時，基坑用水泥砂漿、石塊回填夯實，在上部用水泥砂漿“戴帽”固結(jié)，如圖1所示。點位埋設(shè)后及時做好點之記記錄。

圖1 埋石斷面及正面示意

(3)控制點沿設(shè)計路線兩側(cè)布設(shè)，點距離設(shè)計路線中線50～300 m；控制點間盡量保持前后通視，困難地區(qū)至少保證兩點相互通視。

(4)控制點應(yīng)埋設(shè)在地質(zhì)條件穩(wěn)定，易于長期保存的地方，同時還應(yīng)該兼顧施測方便。

(5)控制點周圍環(huán)境應(yīng)該滿足規(guī)范對GPS外業(yè)觀測和水準(zhǔn)觀測的要求；遠(yuǎn)離強震、強磁場、強反射區(qū)、高壓電線等不良環(huán)境。

(6)一般情況下，平面、高程控制點共用，在施測水準(zhǔn)困難的地方，可以適當(dāng)增設(shè)單獨的高程控制點。

3.2 平面控制測量

3.2.1 GPS控制測量技術(shù)要求

GPS靜態(tài)測量基本技術(shù)要求見表2。

表2 GPS靜態(tài)測量基本技術(shù)要求

平面控制網(wǎng)最弱點相對于起算點的點位中誤差不得超過±5.0 cm，相鄰點相對于起算點的點位中誤差不得大于±3.0 cm，三等GPS平面控制網(wǎng)最弱相鄰點邊長相對中誤差不得大于1/70 000。四等GPS平面控制網(wǎng)最弱相鄰點邊長相對中誤差不得大于1/35 000。

3.2.2 GPS控制測量方法

(1)本次測量采用14臺中海達V90雙頻接收機按邊連式推進方式構(gòu)網(wǎng)進行野外數(shù)據(jù)采集，接收機標(biāo)稱精度為±(5 mm+1 ppm·D)，D為觀測基線長度，單位為km。

(2)GPS平面控制采用四等、獨立三等網(wǎng)，網(wǎng)形為邊連方式。

3.2.3 GPS控制測量作業(yè)要求

(1)觀測人員應(yīng)嚴(yán)格遵守觀測計劃和調(diào)度命令,按規(guī)定的時間進行同步觀測作業(yè)，測站之間密切配合。

(2)到達點位以后，作業(yè)人員均應(yīng)按要求架設(shè)好接收機天線，做到精確對中、嚴(yán)格整平，并做好儀器、天線、電源的正確連接。

(3)接收機開始記錄數(shù)據(jù)后，觀測員要經(jīng)常查看測站信息及其變化情況，做到發(fā)現(xiàn)異常情況及時通報給現(xiàn)場調(diào)度員。

(4)觀測人員應(yīng)操作細(xì)心，在觀測期間，防止接收設(shè)備震動、移動和其它物品碰動天線或阻擋信號。

(5)觀測時段結(jié)束后應(yīng)認(rèn)真進行檢查，當(dāng)測量記錄項目齊全，并符合要求后報告調(diào)度員才可遷站。

(6)天線高量取兩次，高差值小于3 mm時取平均值，取位到1 mm。

(7)雨霧天氣觀測時，需用塑料袋包好主機，回到駐地后擦拭并晾干。

3.2.4 GPS數(shù)據(jù)處理技術(shù)要求

外業(yè)數(shù)據(jù)采集完成后，立即進行基線向量的解算，重復(fù)基線的驗算，然后進行同步環(huán)、異步環(huán)、PDOP值、有效衛(wèi)星個數(shù)的檢驗工作，當(dāng)以上工作各項限差滿足規(guī)定要求后，采用中海達HGO軟件進行基線解算，基線解算完畢并檢查合格后，將基線向量輸出，分別采用HGO/COSA GPS進行平差計算。數(shù)據(jù)處理應(yīng)滿足以下要求：

(1)同一時段觀測值基線處理中，數(shù)據(jù)采用率不宜低于80%。

(3)同步環(huán)各坐標(biāo)分量及全長閉合差均滿足：

式中，n為同步環(huán)的邊數(shù)；σ為相鄰點間弦長精度，根據(jù)相應(yīng)等級精度要求取環(huán)平均邊長計算。

(4)異步環(huán)的坐標(biāo)分量及全長閉合差均滿足：

式中，n為獨立環(huán)中的邊數(shù);σ為相鄰點間弦長精度，根據(jù)相應(yīng)等級精度要求計算；V為環(huán)閉合差。

無論采用單基線模式或多基線模式解算基線，都應(yīng)在整個GPS網(wǎng)中選取一組完全的獨立基線構(gòu)成獨立觀測環(huán)，其異步環(huán)的坐標(biāo)分量閉合差和全長閉合差應(yīng)符合規(guī)定。

3.2.5 GPS網(wǎng)平差技術(shù)要求

GPS網(wǎng)的平差計算，按基線向量網(wǎng)的三維無約束平差，三維基線向量網(wǎng)向二維基線向量網(wǎng)的約束平差步驟進行。

(1)三維基線向量網(wǎng)的無約束平差在WGS-84坐標(biāo)系中進行。

(2)二維約束平差在橢球面上進行，進行二維約束平差以前，首先應(yīng)對首級控制點的相容性進行檢查，采用相容性較好的控制點作為二維約束平差的起算點。

(3)二維約束平差計算后的成果作為目標(biāo)坐標(biāo)系，可直接用于施工測量。

(4)獨立隧道GPS平面控制網(wǎng)，應(yīng)采用觀測質(zhì)量較好的一個點作為起算點，以這個點和位于隧道另外一端的、處于隧道軸線方向一個點的方位角作為起算方位角進行平差計算。當(dāng)獨立控制網(wǎng)的中檢核點與路線控制測量中橫坐標(biāo)差異較大時，應(yīng)對構(gòu)造物平面控制網(wǎng)進行旋轉(zhuǎn)，最終成果中檢核點在兩個網(wǎng)中的坐標(biāo)差值不應(yīng)大于40 mm。

4 測量方案

4.1 GPS控制測量作業(yè)流程(見圖2)

圖2 GPS控制測量作業(yè)流程示意

4.2 野外數(shù)據(jù)采集

4.2.1 GPS接收機的使用

采用14臺中海達V90雙頻接收機按邊連式推進方式構(gòu)網(wǎng)進行野外數(shù)據(jù)采集，接收機標(biāo)稱精度為±(5 mm+1 ppm·D)，D為觀測基線長度，單位為：km。

4.2.2 天線安置與對中精度

天線架設(shè)高于地面1 m以上，嚴(yán)格整平天線，使用經(jīng)檢校后，對中精度大于1 mm的光學(xué)對中器對中。

4.2.3 天線高的測量

天線高量至毫米，天線高測量在觀測前后按斜高方式各量測一次，較差都小于3 mm，然后取用平均值記錄在手簿上，最后用該值作為軟件平差采用的天線高。觀測質(zhì)量控制見表3。

表3 觀測質(zhì)量控制

4.3 GPS網(wǎng)的數(shù)據(jù)處理

GPS平面控制網(wǎng)數(shù)據(jù)處理流程見圖3。

圖3 GPS平面控制網(wǎng)數(shù)據(jù)處理流程示意

4.3.1 數(shù)據(jù)處理軟件的選用

數(shù)據(jù)傳輸采用中海達HGO軟件解算基線，共解算出664條合格基線，同一時段觀測值的數(shù)據(jù)剔除率0.9%。利用HGO進行網(wǎng)平差，并統(tǒng)計重復(fù)基線數(shù)、同步環(huán)和異步環(huán)數(shù)。

4.3.2 復(fù)測基線檢查

共有復(fù)測基線15條，計算后最大相對誤差為14 ppm，見表4。

表4 重復(fù)基線觀測值

經(jīng)檢查，最大復(fù)測基線長度較差滿足《公路勘測規(guī)范》(JTG C10-2007) 4.1.5-1的要求。

4.3.3 環(huán)閉合差檢查

由664條合格基線共組成1 643個同步環(huán)，計算后平面最大同步環(huán)閉合差相對誤差為7.07 ppm。經(jīng)檢查，最大同步時段中同步環(huán)的坐標(biāo)閉合差滿足《公路勘測規(guī)范》(JTG C10-2007)中4.1.5-2的要求。

由此可以看出GPS野外數(shù)據(jù)采集質(zhì)量良好，觀測時段長度合理，基線解算精度情況優(yōu)良，可以進行下一步網(wǎng)平差。

4.3.4 GPS網(wǎng)基線向量平差

GPS網(wǎng)空間向量網(wǎng)在WGS-84坐標(biāo)系下的三維無約束平差， GPS空間向量網(wǎng)的無約束平差，進行無(最小)約束平差。平差結(jié)束后，四等網(wǎng)無約束平相對誤差最大值為1/67 645，三等網(wǎng)無約束平相對誤差最大值為1/45 510。三等網(wǎng)主要原因為峽谷山區(qū)，GPS接收機靜態(tài)數(shù)據(jù)質(zhì)量差。

經(jīng)檢查，無約束平差基線改正量絕對值最大值均滿足《公路勘測規(guī)范》(JTG C10-2007)4.1.5-4的要求。三維無約束平差后的點位誤差及最弱邊相對中誤差最大值見表5。

從各項精度指標(biāo)可看出：三維無約束平差后的點位誤差及最弱邊相對中誤差最大值均達到《公路勘測規(guī)范》(JTG C10-2007)、《技術(shù)設(shè)計書》的要求,三、四等GPS網(wǎng)在WGS-84坐標(biāo)系下的三維無約束平差后精度優(yōu)良，說明三、四等GPS網(wǎng)布設(shè)合理，基線組網(wǎng)方式合理，數(shù)據(jù)采集質(zhì)量可靠，該網(wǎng)內(nèi)符合精度較高。

GPS網(wǎng)空間向量網(wǎng)在各坐標(biāo)系成果進行二維約束平差，平差結(jié)束后，四等網(wǎng)二維約束平相對誤差最大值為1/55 499，三等網(wǎng)二維約束平相對誤差最大值為1/127 161。二維約束平差后的點位誤差及最弱邊相對中誤差最大值見表6。

表5 三維無約束平差后的點位誤差及最弱邊相對中誤差最大值

表6 二維約束平差后的點位誤差及最弱邊相對中誤差最大值

經(jīng)檢查，點位誤差均能達到《公路勘測規(guī)范》(JTG C10-2007)、《技術(shù)設(shè)計書》要求,從各項精度指標(biāo)可看出三、四等GPS網(wǎng)精度較好，達到三、四等精度要求。

5 結(jié) 語

高速公路施工由于地形復(fù)雜、高差大、受氣候條件影響等原因，長期以來，使用常規(guī)的測量方法布設(shè)高精度的測量控制網(wǎng)，主要依賴于高精度的測距儀、經(jīng)緯儀或者全站儀，常規(guī)的邊、角控制網(wǎng)測量要求各控制點間必須通視，給網(wǎng)形的布設(shè)帶來了很大的限制。該方法工作量大，作業(yè)時間較長，給常規(guī)測量工作帶來了一定的困難。本文論述的在宜昭高速一期項目中采用GPS控制測量技術(shù)，僅用1周的時間就完成了任務(wù)，大大節(jié)省了人力、物力，極大程度地提高了工作效率，顯示出 GPS技術(shù)相對于常規(guī)測量方式有著不可比擬的優(yōu)越性。