CORS技術(shù)應(yīng)用于道路勘測研究

曾聰 楊淑芬

摘? 要：勘測工作貫穿于整個公路建設(shè)。然而，應(yīng)用目前的GPS技術(shù)，定位精度將隨著探測站與基站之間距離的增加而降低。本文對CORS技術(shù)進(jìn)行了研究和應(yīng)用，本文介紹了CORS系統(tǒng)的工作原理和組成，分析了CORS在道路控制測量、道路中心線布設(shè)和垂直橫截面測量中的具體應(yīng)用方法。實踐表明，CORS系統(tǒng)的建立實現(xiàn)了高精度的動態(tài)、實時、無水準(zhǔn)測量，用戶只需一臺GNSS接收機(jī)即可進(jìn)行mm、cm、dm、m水準(zhǔn)，準(zhǔn)實時，快速定位，實時或定位后，全天候支持各類測量、定位、變形監(jiān)測和下線工作。

關(guān)鍵詞：道路? 勘測? CORS? 橫斷面測量

中圖分類號：P228.4? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-098X（2020）09（c）-0055-03

Abstract： Survey work runs through the whole highway construction. However， with the application of current GPS technology， the positioning accuracy will decrease with the increase of the distance between the detection station and the base station. This paper studies and applies the CORS technology， introduces the working principle and composition of the CORS system， and analyzes the specific application methods of CORS in road control survey， road centerline layout and vertical cross section survey. The practice shows that the CORS system can achieve high-precision dynamic， real-time and no leveling measurement. Users only need a GNSS receiver to carry out mm， cm， dm， m leveling， quasi real-time fast positioning real-time or positioning， and support all kinds of measurement， positioning， deformation monitoring and offline work all day.

Key Words： Road; Survey; CORS; Cross section survey

隨著我國城市化進(jìn)程的加快，道路建設(shè)將有更快更大的發(fā)展。作為道路建設(shè)的前奏，從選線設(shè)計到施工放樣，測量工作貫穿于道路工程的始終。GPS技術(shù)已基本取代了全站儀、測距儀、經(jīng)緯儀、水準(zhǔn)儀等常規(guī)測量方法，成為主要測量手段[1]。RTK技術(shù)在線路測量領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，但傳統(tǒng)的RTK技術(shù)需要建立基站，隨著探測車與基站距離的增大，測量精度逐漸降低，有效距離一般不超過15km，因此，尋找一種提高有效距離的測量方法十分必要[2]。近年來，隨著連續(xù)參考系統(tǒng)（CORS）的快速發(fā)展，這一目標(biāo)得以實現(xiàn)。本文介紹CORS在道路測量中的應(yīng)用。

1? CORS工作原理和組成

CORS的工作原理是利用GNSS導(dǎo)航定位技術(shù)，根據(jù)一定距離范圍內(nèi)對一定距離的要求，建立固定GNSS參考站的長期連續(xù)運(yùn)行，利用計算機(jī)，數(shù)據(jù)通信和因特網(wǎng)技術(shù)通過各種參考站和數(shù)據(jù)中心組成網(wǎng)絡(luò)[3]。數(shù)據(jù)中心通過網(wǎng)絡(luò)從參考站采集數(shù)據(jù)，用參考站網(wǎng)絡(luò)軟件進(jìn)行處理，所有用戶都可以自動發(fā)布不同類型的GNSS原始數(shù)據(jù)和修正數(shù)據(jù)。只需一個用于野外作業(yè)的GNSS接收機(jī)，用戶可以得到mm、cm、dm、m，準(zhǔn)實時，實時，快速定位，定位后或?qū)Ш蕉ㄎ籟4]。

CORS系統(tǒng)由參考站系統(tǒng)，數(shù)據(jù)處理中心，數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)和用戶應(yīng)用程序系統(tǒng)組成。用戶應(yīng)用系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)連接以形成局域網(wǎng)[5]。

（1）參考站系統(tǒng)：參考站系統(tǒng)由多個參考站組成。參考站包括GNSS接收器、天線、電源（UPS）、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、機(jī)柜和防雷系統(tǒng)。

（2）數(shù)據(jù)處理中心系統(tǒng)：數(shù)據(jù)處理中心的子系統(tǒng)是CORS-brain，它保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定和安全運(yùn)行，并不斷提供定位服務(wù)。它分為兩部分：用戶管理中心和系統(tǒng)數(shù)據(jù)中心。它由服務(wù)器、工作站、網(wǎng)絡(luò)傳輸設(shè)備、電源設(shè)備（包括UPS）、數(shù)據(jù)記錄設(shè)備、系統(tǒng)和安全設(shè)備。

（3）數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)：數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)包括每個參考站與數(shù)據(jù)中心之間以及數(shù)據(jù)中心與漫游用戶之間的通信。

（4）用戶應(yīng)用系統(tǒng)：用戶應(yīng)用程序系統(tǒng)是系統(tǒng)的最終用戶。它由GNSS接收天線、數(shù)據(jù)接收器和通信模塊組成[6]。

2? CORS技術(shù)在道路測量中的應(yīng)用

CORS技術(shù)在道路測量中的應(yīng)用方向如圖1所示。

2.1 路網(wǎng)設(shè)計

道路控制測量的最終目的是為道路測量的設(shè)計和施工提供必要的方向和高度控制?？刂泣c(diǎn)應(yīng)沿道路兩側(cè)的網(wǎng)絡(luò)布置，通常呈線性分布。根據(jù)測量規(guī)范的要求，并考慮到特殊性和工作的實際需要，如果線路太長，則控制網(wǎng)絡(luò)可以具有一個或兩個級別。GPS道路網(wǎng)點(diǎn)的選擇必須首先滿足道路設(shè)計和放樣施工的需要，同時充分利用高精度，靈活的設(shè)計和不受限制的網(wǎng)絡(luò)點(diǎn)GPS控制。另外，為了使調(diào)整結(jié)果與原始網(wǎng)絡(luò)相匹配并便于結(jié)果的應(yīng)用，從而不損失GPS網(wǎng)絡(luò)的精度，應(yīng)對先前的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行驗證。

2.2 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

1954年坐標(biāo)系、1980年國家大地坐標(biāo)系和2000年地心坐標(biāo)系同時并存。它們是平面與高程基準(zhǔn)的分離系統(tǒng)：平面采用國家坐標(biāo)系或城市獨(dú)立坐標(biāo)系，高程為正常的高程坐標(biāo)系。GNSS接收機(jī)獲取的三維坐標(biāo)信息在地球坐標(biāo)系中遵循WGS-84等協(xié)議，因此必須涉及基于CORS的平面坐標(biāo)與高程系統(tǒng)之間的轉(zhuǎn)換。通常有兩大類不同坐標(biāo)系之間的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模式，一類是二維轉(zhuǎn)換模式（四參數(shù)轉(zhuǎn)換），一類是三維轉(zhuǎn)換模式（Bursa七參數(shù)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模型）。二維轉(zhuǎn)換模式適用于小范圍的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，三維轉(zhuǎn)換模式適用于大范圍的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。在平面坐標(biāo)轉(zhuǎn)換中，一般可以使用四個參數(shù)或七個參數(shù)。高程擬合方法通?？梢缘玫叫》秶牡途雀叱剔D(zhuǎn)換，但要確定大范圍或高精度的高程轉(zhuǎn)換，必須對相似的大地水準(zhǔn)面進(jìn)行細(xì)化處理。

（1）二維高斯平面坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模型為

（2） Bursa七參數(shù)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模型。

其中，為平移參數(shù);為旋轉(zhuǎn)參數(shù);k為比例因子。從理論模型和實際使用的四參數(shù)和七參數(shù)可以看出，四參數(shù)測量精度隨GNSS衛(wèi)星姿態(tài)調(diào)整有相應(yīng)的變化，但有時不能滿足測量精度和穩(wěn)定性的要求。但是，通過解決長時間連續(xù)單點(diǎn)定位問題，獲得了7個參數(shù)，測量精度穩(wěn)定，精度高，完全滿足了一般工程測量和地形測量的需要，達(dá)到厘米級精度。

2.3 繪制大比例尺帶狀地形圖

道路選線一般采用大比例尺（1：1000或1：2000）帶狀地形圖。傳統(tǒng)的方法是先進(jìn)行控制測量，再進(jìn)行詳細(xì)測量，繪制大比例尺地形圖。傳統(tǒng)的詳查是根據(jù)測區(qū)現(xiàn)有的s控制點(diǎn)，采用全站儀進(jìn)行的。在測量過程中，如果不轉(zhuǎn)移儀器，要求看到控制點(diǎn)和細(xì)節(jié)點(diǎn)。在地形條件復(fù)雜、建筑物密集的勘察區(qū)，車站移動頻繁會導(dǎo)致效率低下。

常規(guī)RTK測量的基準(zhǔn)站需要高精度地放置在已知的坐標(biāo)點(diǎn)上，在沒有控制點(diǎn)的情況下使用非常不方便。此外，傳統(tǒng)的RTK測量利用一個臨時的單參考站將差分信息發(fā)送給漫游者，因此在參考站出現(xiàn)故障的情況下，漫游者的點(diǎn)精度無法得到保證。此外，使用傳統(tǒng)的RTK測量方法，隨著與參考站的距離的增加，探測站點(diǎn)的精度顯著降低。這種運(yùn)行方式的服務(wù)范圍一般只有10kg左右。CORS技術(shù)突破了傳統(tǒng)RTK探測車與參考站距離較近的局限性，在保證精度的前提下，將工作距離從20kg提高到70kg。利用CORS技術(shù)繪圖，真正改變了傳統(tǒng)的“先控后破”的繪圖模式，即依靠多個永久性參考站同時向漫游者發(fā)送差分信息，大大提高了一些舊路改造工程中漫游者站點(diǎn)的點(diǎn)精度，在精度允許的情況下，可以將GNSS天線和無線電天線固定在一輛汽車上，汽車只能沿著原路連續(xù)行走完成測量工作。從而大大提高了測量速度，減輕了外部測量的勞動強(qiáng)度。

2.4 道路放樣測量

傳統(tǒng)的放樣方法是根據(jù)道路的設(shè)計參數(shù)計算中樁數(shù)量和設(shè)計坐標(biāo)。然后全站儀或經(jīng)緯儀放在控制點(diǎn)上，用極坐標(biāo)進(jìn)行放樣。在地形條件復(fù)雜、樁位誤差不均勻的地區(qū)，不能滿足控制點(diǎn)和樁位必須通過的要求。使用CORS監(jiān)視，只需在手冊中輸入GNSS樁點(diǎn)中心線的坐標(biāo)，然后移動接收天線，系統(tǒng)很快就會設(shè)置監(jiān)視點(diǎn)。采用這種方法，每個測點(diǎn)的測量都是獨(dú)立完成的，不產(chǎn)生累積誤差，因此測點(diǎn)精度相同。因此CORS技術(shù)放樣真正實現(xiàn)了單樁獨(dú)立作業(yè)，大大提高了路樁測量的效率。

2.5 道路橫斷面測量

完成道路中心線測量后，再進(jìn)行道路縱向和橫斷面測量。縱斷面測量是確定樁基礎(chǔ)高程并繪制道路縱斷面圖進(jìn)行路線縱坡設(shè)計的一種方法。橫斷面測量是確定樁在中線地形狀態(tài)下的垂直度，并繪制橫斷面圖，用于路堤土石方計算和施工邊樁的設(shè)計。采用傳統(tǒng)的道路縱斷面測量方法，在與國家高等級水準(zhǔn)點(diǎn)相關(guān)的道路沿線布設(shè)臨時水準(zhǔn)點(diǎn)，計算其高程，然后以臨時水準(zhǔn)點(diǎn)為起點(diǎn)，通過標(biāo)準(zhǔn)測量方法計算各樁的高度。這種工作模式需要更多的測量站，特別是在工作量相當(dāng)大的地形中。全站儀雖然具有三維坐標(biāo)測量功能，但為了避免重復(fù)測量，在高程樁中測量樁的布置，減少了部分工作人員的工作量，該方法要求全站儀測量點(diǎn)和全站儀測量點(diǎn)具有通視性，在復(fù)雜地形地區(qū)也存在重復(fù)移動的問題。CORS技術(shù)可以改變傳統(tǒng)的測量方式。確定道路中心線后，根據(jù)采集的s樁點(diǎn)坐標(biāo)，利用繪圖軟件繪制道路橫斷面圖。大大減少了測量時間和人員工作量。與傳統(tǒng)方法相比，該方法在精度、經(jīng)濟(jì)性、實用性和效率等方面具有明顯的優(yōu)勢。

3? 結(jié)語

CORS系統(tǒng)的建立實現(xiàn)了高精度的動態(tài)、實時、無水準(zhǔn)測量，用戶只需一臺GNSS接收機(jī)即可進(jìn)行mm、cm、dm、m水準(zhǔn)，準(zhǔn)實時，快速定位，實時或定位后，全天候支持各類測量、定位、變形監(jiān)測和下線工作。隨著衛(wèi)星導(dǎo)航定位（GPS、GLONASS和GALILEO）、數(shù)字通信、有線和無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，CORS將在測繪、交通導(dǎo)航、氣象預(yù)報、輔助規(guī)劃建設(shè)、地震監(jiān)測等領(lǐng)域發(fā)揮越來越重要的作用。

參考文獻(xiàn)

[1] 徐軍.淺談GPS技術(shù)在道路橋梁工程測量中的應(yīng)用[J].智能建筑與智慧城市，2020（5）：85-86.

[2] 伍廷良.CORS及PDA技術(shù)在重慶涪陵濱江大道管線測量中的應(yīng)用研究[D].北京：中國地質(zhì)大學(xué)，2019.

[3] 龔志剛.道路工程中GPS與全站儀測量放樣的對比分析[J].交通世界，2019（10）：76-77.

[4] 何亮.CORS支持下的多波束測深系統(tǒng)在庫區(qū)淤積測量中的應(yīng)用[D].武漢：長江科學(xué)院，2018.

[5] 劉利民.手機(jī)GPS在道路勘察設(shè)計中的應(yīng)用研究[J]. 測繪通報，2016（3）：80-82.

[6] 黃若洪.基于CORS系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)在城市地下管線測量中的應(yīng)用[J]. 智能城市，2019（8）：83-84.