GNSS技術(shù)在公路勘測中的應(yīng)用研究

劉永琦

摘 要全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）能為用戶提供高精度、全天候的定位和導(dǎo)航服務(wù)，目前在工程中的應(yīng)用越來越廣泛。本文首先介紹GNSS的基本定位原理和技術(shù)優(yōu)點(diǎn)，然后探討了GNSS技術(shù)在公路勘測中的實(shí)際應(yīng)用，包括控制測量、大比例尺地形圖測繪、中線放樣及公路橫斷面測量。

關(guān)鍵詞GNSS技術(shù);公路勘測;地形圖測繪;中線放樣;橫斷面測量

0 引言

傳統(tǒng)測量儀器和方法雖然可以保證測量精度，但是受外界條件影響較多，工作效率較低。隨著新科技的不斷發(fā)展，GNSS技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，如今已經(jīng)非常成熟。由于GNSS測量具有高精度、全天候、測站間無須通視、低成本高效率等傳統(tǒng)測量不可取代的優(yōu)點(diǎn)，因此GNSS技術(shù)已成為公路勘測中應(yīng)用最廣泛的定位技術(shù)。

1 GNSS技術(shù)

GNSS即全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)，它包括全球性的美國的GPS、中國的北斗、俄羅斯的GLONASS以及歐盟的Galileo。此外還有區(qū)域性導(dǎo)航系統(tǒng)和增強(qiáng)系統(tǒng)。當(dāng)今，GNSS系統(tǒng)不僅是國家安全和經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)設(shè)施，也是體現(xiàn)現(xiàn)代化大國地位和國家綜合國力的重要標(biāo)志。

GPS系統(tǒng)包括三大部分：空間部分—GPS衛(wèi)星星座;地面控制部分—地面監(jiān)控系統(tǒng);用戶設(shè)備部分—GPS信號(hào)接收機(jī)。[1]GPS定位是以GPS衛(wèi)星和用戶接收天線之間的距離為基本觀測量，根據(jù)已知的衛(wèi)星瞬時(shí)坐標(biāo)，確定用戶天線所對(duì)應(yīng)的位置，其實(shí)質(zhì)是空間距離后方交會(huì)。[2]

2 GNSS技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)

（1）觀測站之間無須通視。GNSS測量與傳統(tǒng)測量方法和原理都不同，傳統(tǒng)測量需要使用光學(xué)儀器或電子儀器（經(jīng)緯儀或全站儀），測量原理主要是測角、量邊，解三角形法測算待定點(diǎn)坐標(biāo)。GNSS測量主要利用衛(wèi)星與衛(wèi)星之間、衛(wèi)星與接收機(jī)之間、移動(dòng)站接收機(jī)與基準(zhǔn)站接收機(jī)之間的距離關(guān)系，通過空間距離后方交會(huì)原理測算待定點(diǎn)坐標(biāo)。接收機(jī)之間通過信號(hào)進(jìn)行傳播，不需要通視。

（2）定位精度高。GNSS測量利用接收到的衛(wèi)星信號(hào)（測距碼）或載波相位實(shí)現(xiàn)距離測量。在解算過程中通過誤差改正模型、求差法等技術(shù)手段大大提高了測量精度。

（3）觀測時(shí)間短，效率高。GNSS測量時(shí)間短，對(duì)于精度要求較高、建立高等級(jí)平面控制網(wǎng)的情況，測量時(shí)間為1-3小時(shí)。對(duì)于碎部點(diǎn)采集、施工放樣等工作，可采用RTK技術(shù)進(jìn)行測量，測量時(shí)間只需要幾秒鐘，大大提高了測量工作效率。

（4）提供三維坐標(biāo)。GNSS測量可同時(shí)測出大地高，通過對(duì)地面控制點(diǎn)進(jìn)行水準(zhǔn)測量后，可得出控制點(diǎn)的正常高，從而計(jì)算出控制點(diǎn)處的高程異常值，進(jìn)而可建立該區(qū)域的似大地水準(zhǔn)面精化模型。這使得GNSS測量同時(shí)提供三維坐標(biāo)，而且高程精度可以達(dá)到理想精度。

（5）操作簡便，自動(dòng)化程度高。GNSS接收機(jī)都是電子儀器設(shè)備，儀器制造商已經(jīng)將復(fù)雜的工作封裝起來，交給程序完成。觀測者只需掌握簡單的儀器操作即可，自動(dòng)化程度非常高。

（6）成本低、經(jīng)濟(jì)效益高。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，電子產(chǎn)品性價(jià)比大幅度提高。測量型GNSS接收機(jī)剛問世時(shí)，1+1單星座設(shè)備大約在10-20萬之間，而如今1+1多星座設(shè)備不足4萬元，性能卻顯著提高。與傳統(tǒng)觀測方法相比，測量成本大大降低。

（7）全天候作業(yè)。GNSS觀測一般不受天氣、氣溫、大氣折射、晝夜與否等因素影響，可以全天候工作。

3 GNSS技術(shù)在公路勘測中的應(yīng)用

3.1 GNSS技術(shù)用于公路勘測首級(jí)平面控制網(wǎng)的建立

控制測量為其他任何測量工作提供起算數(shù)據(jù)。公路勘測工作中，設(shè)計(jì)階段需要提供大比例尺地形圖，工程量預(yù)算需要提供公路橫斷面測量數(shù)據(jù)，確定線路位置需要進(jìn)行中線放樣。這一切測量工作的開展都離不開高精度控制點(diǎn)，所以公路勘測首級(jí)平面控制網(wǎng)的建立至關(guān)重要。首級(jí)平面控制網(wǎng)的精度應(yīng)根據(jù)工程的精度要求確定。確定好控制網(wǎng)精度后，根據(jù)國家規(guī)范，采用相應(yīng)的施測方法。整個(gè)工作流程包括：現(xiàn)場踏勘、收集已有資料、技術(shù)設(shè)計(jì)書編寫、選點(diǎn)與埋石、外業(yè)觀測、內(nèi)業(yè)解算、精度評(píng)定、成果整理、技術(shù)總結(jié)等。

3.2 GNSS技術(shù)用于大比例尺帶狀地形圖的測繪

GNSS-RTK技術(shù)用于大比例尺帶狀地形圖測量具有明顯優(yōu)勢。從人力投入上看，全站儀傳統(tǒng)測量方法至少需要2人一組才能作業(yè)，而GNSS-RTK只需1個(gè)人即可開展測量工作。從工作效率上看，GNSS-RTK方法測圖不需要進(jìn)行圖根控制測量，不需要考慮通視情況，測量點(diǎn)存儲(chǔ)時(shí)可方便給測量點(diǎn)編碼，方便內(nèi)業(yè)成圖。從測量精度上看，GNSS-RTK方法測量精度更高，而且每個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)位都是獨(dú)立采集，精度均勻，避免全站儀測量誤差累積等缺點(diǎn)。

GNSS-RTK技術(shù)用于大比例尺帶狀地形圖測繪的作業(yè)流程如下：

（1）架設(shè)基準(zhǔn)站：在測區(qū)選擇地勢較高、較空曠的控制點(diǎn)作為基準(zhǔn)站點(diǎn)。對(duì)于已建立CORS站的測區(qū)，此步操作可省略。

（2）流動(dòng)站設(shè)置：為了保證測量的可靠性，流動(dòng)站必須在基準(zhǔn)站有效控制范圍內(nèi)進(jìn)行作業(yè)。流動(dòng)站設(shè)置過程中，重點(diǎn)關(guān)注天線高的設(shè)置和天線類型的選擇。

（3）點(diǎn)校正：此工作是為了建立GNSS測量坐標(biāo)系與實(shí)用坐標(biāo)系的聯(lián)系，也就是測量點(diǎn)的坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換工作。對(duì)于已求得測區(qū)轉(zhuǎn)換參數(shù)的情況，驗(yàn)證后可直接使用，不再需要點(diǎn)校正操作。

（4）碎部點(diǎn)采集：碎部點(diǎn)采集即按照《地形圖圖式》和國家相關(guān)規(guī)范的要求，對(duì)地物特征點(diǎn)、地貌特征點(diǎn)的三維坐標(biāo)進(jìn)行采集的工作。GNSS接收機(jī)使用可參照不同品牌的手簿軟件說明書進(jìn)行。

3.3 GNSS技術(shù)用于公路中線放樣

為了將公路總平面設(shè)計(jì)圖上的道路中線在實(shí)地標(biāo)定出來，指導(dǎo)道路施工作業(yè)，公路勘測中需要對(duì)公路中線進(jìn)行放樣。采用經(jīng)緯儀（或全站儀）傳統(tǒng)測量儀器進(jìn)行放樣時(shí)，需要對(duì)緩和曲線和圓曲線的切線長度、弧長等進(jìn)行求解，通過測角量邊放樣出曲線主點(diǎn)，計(jì)算和放樣操作都很復(fù)雜，如果遇到兩點(diǎn)間不通視的情況，放樣操作非常麻煩。這樣工作效率大幅降低，放樣精度得不到保證。與傳統(tǒng)中線放樣方法相比，GNSS-RTK具有以下明顯優(yōu)勢：

（1）工作效率高。GNSS-RTK放樣測量時(shí)，移動(dòng)站可以在基準(zhǔn)站5公里半徑內(nèi)開展工作，一個(gè)人操作儀器即可。與傳統(tǒng)方法放樣相比，免去了控制點(diǎn)布設(shè)環(huán)節(jié)，不再受控制點(diǎn)分布情況的限制，同時(shí)不需要“搬站”，大大提高了工作效率。

（2）放樣點(diǎn)精度均勻，誤差不累積。使用GNSS-RTK放樣時(shí)，每個(gè)點(diǎn)位都是獨(dú)立計(jì)算放樣點(diǎn)位置，下一個(gè)點(diǎn)位的放樣精度不受上一個(gè)點(diǎn)位影響，使得放樣點(diǎn)精度均勻。

（3）全天候作業(yè)。一般地，GNSS作業(yè)不受氣溫、濕度、大氣折射、光照強(qiáng)度等因素的影響。只要接收機(jī)上方足夠開闊，滿足接收機(jī)定位所需要的衛(wèi)星數(shù)量即可工作，基本是全天候作業(yè)。

（4）GNSS-RTK手薄程序功能強(qiáng)大。市場在售的所有品牌GNSS設(shè)備都配備功能強(qiáng)大的手薄軟件。手簿軟件內(nèi)集成公路中線放樣的各種工具。用戶只需要獲得圓曲線、緩和曲線的設(shè)計(jì)參數(shù)即可計(jì)算出整條線路的位置。用戶可以選擇曲線主點(diǎn)或者加樁點(diǎn)進(jìn)行放樣。

⑤實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示測量成果，現(xiàn)場指示性好。[3]

3.4 GNSS技術(shù)用于公路橫斷面測量

公路橫斷面測量是測量與中線垂直方向各中樁處的地面起伏情況。根據(jù)設(shè)計(jì)需要，一般每隔20米或25米設(shè)置一個(gè)中樁。公路橫斷面測量數(shù)據(jù)主要用于公路設(shè)計(jì)、土石方量計(jì)算、邊坡路基施工，橋涵設(shè)計(jì)等。

傳統(tǒng)橫斷面測量主要采用水準(zhǔn)儀配合皮尺方法進(jìn)行。通過水準(zhǔn)儀測量出地面點(diǎn)的起伏程度，通過皮尺丈量地面點(diǎn)距離中線的距離。此方法雖然精度較高，但是受外界影響較大，當(dāng)?shù)孛嫫鸱^大時(shí)，皮尺量距和水準(zhǔn)儀讀數(shù)都會(huì)極不方便。如果測區(qū)植被較茂盛，采用此方法施測難度更大。

采用GNSS-RTK法進(jìn)行公路橫斷面測量優(yōu)勢十分明顯。此方法靈活方便、效率非常高，一個(gè)人即可作業(yè)。測量直接得到的是三維坐標(biāo)成果，通過內(nèi)業(yè)展點(diǎn)，輕松提取各點(diǎn)高程和偏距。隨著計(jì)算機(jī)輔助制圖的發(fā)展，我們可以通過數(shù)字化成圖軟件直接處理RTK測量數(shù)據(jù)文件，做到自動(dòng)化公路橫斷面圖繪制。

4 結(jié)束語

本文介紹了GNSS技術(shù)的定位原理，總結(jié)了GNSS技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，分析了在公路勘測中GNSS技術(shù)相對(duì)于傳統(tǒng)測量的優(yōu)勢，重點(diǎn)介紹了利用GNSS技術(shù)進(jìn)行平面控制網(wǎng)的建立、大比例尺帶狀地形圖的測繪、中線放樣和橫斷面測量的方法。GNSS已成為公路勘測中的重要定位技術(shù)，隨著GNSS技術(shù)不斷地發(fā)展以及廣大測繪工作者的不斷探索，GNSS技術(shù)在公路工程中的應(yīng)用將會(huì)越來越廣泛，產(chǎn)生更多的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

參考文獻(xiàn)

[1]徐紹銓.（等）.GPS測量原理及應(yīng)用（3S叢書）[M].武漢：武漢測繪科技大學(xué)出版社，1998.

[2]浦仕順.GPS在公路測量中的應(yīng)用與誤差分析[J].硅谷，2009（15）：95.

[3]黃新祥.GPS及其RTK技術(shù)在公路勘測中的應(yīng)用探討[J].地礦測繪，2005，21（1）：26-27.