GPS和全站儀聯(lián)合測量在道路勘測中的應(yīng)用分析

王 彬

（佛山市測繪地理信息研究院,廣東 佛山 528000）

0 引言

構(gòu)建控制網(wǎng)只是GPS技術(shù)在道路勘測領(lǐng)域的初級應(yīng)用，在此基礎(chǔ)上發(fā)展而來的GPSRTK技術(shù)可大大提高勘測作業(yè)效率，但無法完全取代傳統(tǒng)勘測方法，在部分場景下仍需搭配使用全站儀、水準(zhǔn)儀等常規(guī)勘測工具[1]。在實(shí)際勘測作業(yè)中，全站儀測量、GPS測量單獨(dú)完成，數(shù)據(jù)無法共享。因此，為提高道路勘測效率和質(zhì)量，可采取GPSRTK+全站儀聯(lián)合勘測技術(shù)，結(jié)合二者優(yōu)點(diǎn)開展道路聯(lián)合勘測[2-3]。

1 幾種道路勘測技術(shù)應(yīng)用特點(diǎn)

1.1 GPSPTK勘測技術(shù)

GPSRTK勘測使用的關(guān)鍵設(shè)備包括基準(zhǔn)站、流動(dòng)站，其中基準(zhǔn)站設(shè)置于基準(zhǔn)點(diǎn)位，且對地勢標(biāo)高、視野的要求較高，通過GPS完成勘測數(shù)據(jù)采集與分析實(shí)現(xiàn)高精度勘測定位[4]。

（1）勘測原理：GPSRTK勘測技術(shù)的定位原理見圖1。

圖1 GPSRTK定位原理圖

（2）勘測特點(diǎn)：GPSRTK勘測技術(shù)具有定位精準(zhǔn)、經(jīng)濟(jì)性好、作業(yè)效率高等優(yōu)點(diǎn)，但流動(dòng)站需先確定待測點(diǎn)，實(shí)際操作難度大，對道路工況要求較高，在部分道路工況下該技術(shù)應(yīng)用效果不理想。具體來說，該技術(shù)的應(yīng)用特點(diǎn)包括：①效率較高。只需布設(shè)少量基準(zhǔn)點(diǎn)就能高效開展道路勘測作業(yè)。②不受時(shí)間地點(diǎn)限制。隨時(shí)隨地都能開展勘測作業(yè)。③結(jié)果更加直觀。與傳統(tǒng)勘測技術(shù)相比，GPSRTK技術(shù)得到的測量結(jié)果更直觀，能有效解決高地勢、大遮擋等問題。④人工成本低。多個(gè)流動(dòng)站共享同一個(gè)基準(zhǔn)站，且單個(gè)流動(dòng)站單人即可操作，可有效降低人工成本。

（3）勘測要點(diǎn)：①沿待測道路全線布設(shè)異步閉合測量控制網(wǎng)，間隔2 km左右布設(shè)多個(gè)測量控制點(diǎn)，對于地形復(fù)雜區(qū)域的道路，測量控制點(diǎn)間距不能超過2 km。②布設(shè)好測量控制網(wǎng)后需先觀測各控制點(diǎn)標(biāo)高，觀測前選擇視野無遮擋、地勢較平處設(shè)置基準(zhǔn)站，再運(yùn)用RTK勘測質(zhì)控措施獲得各控制點(diǎn)坐標(biāo)系間轉(zhuǎn)換擬合參數(shù)。③測定控制點(diǎn)處中樁坐標(biāo)，并做好標(biāo)記。根據(jù)放樣測量點(diǎn)位計(jì)算GPS導(dǎo)航數(shù)據(jù)，并在導(dǎo)航圖中顯示，測得RTK接收裝置的準(zhǔn)確位置，表征其與放樣點(diǎn)的定位誤差，再進(jìn)行位置重合，得到放樣點(diǎn)的精確位置。④整理坐標(biāo)數(shù)據(jù)，先定點(diǎn)設(shè)置橫斷面，基于系統(tǒng)偏距測量功能采集各測控點(diǎn)的標(biāo)高變化，從而明確橫斷面地面數(shù)據(jù)，根據(jù)地形地貌特征和數(shù)據(jù)模型獲得精確的橫斷面勘測數(shù)據(jù)[5]。

1.2 全站儀

全站儀是工程測量領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的一種勘測裝置，包含機(jī)械、光電等多種元件，可提供豐富的工程測量功能，測量精度較高，配置到位后就能高效開展各項(xiàng)勘測作業(yè)。如測角、測距以及相關(guān)數(shù)據(jù)的整理分析，作業(yè)效率高，操作成本較低，可見高效運(yùn)用全站儀的關(guān)鍵是合理的配置與操作。

（1）全站儀基本結(jié)構(gòu)：①光學(xué)單元，全站儀內(nèi)包含多種光學(xué)測量元件，結(jié)構(gòu)較為精密。例如，其內(nèi)部設(shè)有望遠(yuǎn)鏡，可進(jìn)行遠(yuǎn)距離校正、測距光波發(fā)射等。②自動(dòng)補(bǔ)償單元，其配備的自動(dòng)補(bǔ)償單元能夠自動(dòng)實(shí)時(shí)檢測縱軸傾斜度，并自動(dòng)校正由此導(dǎo)致的測角誤差，從而實(shí)現(xiàn)縱軸傾斜的自動(dòng)補(bǔ)償，保證測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。③電子處理單元，該單元包括微處理器、存儲器兩部分，其中微處理器是整個(gè)裝置的核心部分，主要包括運(yùn)算器、寄存器、控制器。作用是按照外部指令或內(nèi)部程序控制全站儀的運(yùn)行狀態(tài)，以保證整個(gè)測量作業(yè)高效有序開展，存儲器的主要作用是保存各種勘測數(shù)據(jù)[6-7]。全站儀基本結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 全站儀結(jié)構(gòu)

（2）全站儀測量技術(shù)的主要特征：①測量精度較高。全站儀能精確測定待測點(diǎn)坐標(biāo)信息，作業(yè)效率高，適用范圍廣。②測量速度快。全站儀測量作業(yè)速度快，操作簡便，單人即可操作。③測量距離遠(yuǎn)。全站儀配備有望遠(yuǎn)鏡可進(jìn)行遠(yuǎn)程測量，當(dāng)待測區(qū)域存在大范圍遮擋物時(shí)，全站儀測量精度明顯下降。④自動(dòng)勘測。單個(gè)流動(dòng)站可由單人操作完成勘測作業(yè)，作業(yè)效率高，人工成本低。但自動(dòng)勘測精度難以保證，勘測結(jié)果易受地形地貌、氣候條件以及道路工況等因素的影響，適用范圍受限[8-9]。

1.3 GPS和全站儀聯(lián)合測量

在道路勘測領(lǐng)域，GPSRTK技術(shù)不能完全取代常規(guī)勘測技術(shù)，某些場景下需配合使用全站儀、水平儀等常規(guī)勘測設(shè)備進(jìn)行聯(lián)合勘測。如待測區(qū)域存在大范圍的植被遮擋或構(gòu)建物遮擋時(shí)，可綜合運(yùn)用GPSPTK+全站儀對測控點(diǎn)進(jìn)行聯(lián)合勘測，以提高勘測精度和效率。

首先運(yùn)用RTK技術(shù)完成測量放樣，將預(yù)先確定的測量放樣點(diǎn)坐標(biāo)輸入手簿，通過GPS接收器解算得到放樣點(diǎn)坐標(biāo)并做好標(biāo)記。然后考慮地形地貌特征，運(yùn)用全站儀進(jìn)行聯(lián)合勘測，明確待測點(diǎn)區(qū)域的碎部點(diǎn)，最后綜合GPS+全站儀測量數(shù)據(jù)，獲得更精準(zhǔn)的測量結(jié)果。

2 GPS和全站儀相聯(lián)合勘測工程應(yīng)用

2.1 工程概況

某雙向四車道道路1#施工段長18.47 km，設(shè)計(jì)車速80 km/h，路基寬24.6 m。該施工區(qū)域內(nèi)存在大范圍植被，路基土石方量較大，道路勘測難度較大。結(jié)合該工程實(shí)際情況，采用GPSRTK+全站儀聯(lián)合勘測方法完成道路勘測作業(yè)方案。為驗(yàn)證該方案的合理性，該研究選取三種不同工況的路段，分別進(jìn)行聯(lián)合勘測。

2.2 勘測步驟

2.2.1 前期工作

由于道路測量涉及環(huán)節(jié)較多，操作步驟煩瑣，為確保道路勘測結(jié)果的可靠性，采用GPSRTK+全站儀聯(lián)合勘測方法，正式勘測前需做好前期準(zhǔn)備工作。全面掌握GPSRTK+全站儀聯(lián)合勘測作業(yè)步驟，作業(yè)人員應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況合理確定勘測流程，嚴(yán)格按照勘測流程有序完成勘測作業(yè)。

正式勘測前，作業(yè)人員必須先仔細(xì)觀測待測點(diǎn)實(shí)際情況，并調(diào)試好GPS接收器、全站儀等勘測設(shè)備，合理設(shè)置測量坐標(biāo)系、高程、控制網(wǎng)等關(guān)鍵參數(shù)。

2.2.2 投影面及投影帶選取

合理選取平面控制測量投影面及投影帶，以有效解決平面測量長度變形問題，具體計(jì)算方法如下：

（1）高程與平面測量長度變形成正比：實(shí)際平面測量邊長可參考橢球面變形規(guī)律，計(jì)算值為Δs1：

式中，Hm——實(shí)際平面測量邊長值參照橢球面高程均值；s——實(shí)際平面測量邊長；R——實(shí)際平面測量邊長方向的橢球法截弧曲率半徑。

（2）實(shí)際平面測量邊長相對變形計(jì)算公式如式（2），大地高不同，每千米實(shí)際平面測量邊長的相對變形有所差異，具體如表1所示。式中，Δs1表示負(fù)值，是指將測量長度歸算到參考橢球面；|Δs1|值隨Hm增加而增加。

表1 投影變形變化表（設(shè)Rm=6 370 km）

（3）待測區(qū)域與中央子午線的距離越遠(yuǎn)，實(shí)際平面測量邊長度變形越明顯：將參考橢球面的邊長歸算為高斯投影面的變形值為Δs2。公式如下，由于其后半部分對結(jié)果的影響很小，可忽略不計(jì)，該研究僅討論公式前半部分：

式中，s=s0+Δs1，s0——高斯投影面平面測量邊長；ym——平面測量邊長兩端橫坐標(biāo)均值；Rm——橢球面曲率半徑均值。

高斯投影面平面測量邊長相對投影變形可通過下列公式計(jì)算，具體計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 距離中央子午線垂距的相對變形（設(shè)Rm=6 370 km）

Δs2恒為正，說明橢球面的平面測量邊長度投影在高斯面上，長度持續(xù)增大；Δs2與ym的平方成正比，距離子午線越遠(yuǎn)，平面測量邊長變形越大。

2.2.3 實(shí)際應(yīng)用

在實(shí)際道路勘測作業(yè)中，運(yùn)用GPSRTK技術(shù)獲取的信號不穩(wěn)定，導(dǎo)致后續(xù)勘測數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析工作難以順利開展，影響勘測結(jié)果的可靠性。因此，在勘測信號不穩(wěn)定的情況下，應(yīng)采用GPSRTK+全站儀聯(lián)合勘測方法進(jìn)行綜合勘測，以提高勘測精度[10]。

（1）在道路勘測實(shí)踐中先通過GPSRTK技術(shù)在待測區(qū)域設(shè)置初級測量控制點(diǎn)位，保證勘測精度達(dá)到相關(guān)技術(shù)要求?；谠摽睖y技術(shù)無法全面掌握地形地貌特征點(diǎn)位信息，因此需繪制待測區(qū)域地形地貌圖。再通過全站儀勘測待測區(qū)域碎部，從圖根、碎部入手開展聯(lián)合勘測，以獲得最精準(zhǔn)的勘測結(jié)果，有效解決GPSRTK勘測技術(shù)、全站儀勘測技術(shù)存在的問題，取長補(bǔ)短，提升道路勘測作業(yè)效率及精度。

（2）為確?？睖y數(shù)據(jù)的一致，需統(tǒng)一處理待測區(qū)域各碎部點(diǎn)，將勘測數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成DAT格式，其標(biāo)準(zhǔn)格式為：“點(diǎn)號、逗號、東坐標(biāo)、北坐標(biāo)，高程”，具體如下：

3 質(zhì)量評價(jià)

該高速道路段采取GPSRTK+全站儀聯(lián)合勘測作業(yè)方案，全部勘測作業(yè)耗時(shí)97 d，通過比較各種道路勘測方法，最終確定GPSRTK+全站儀聯(lián)合勘測方法可有效提高勘測作業(yè)效率，能自動(dòng)完成勘測數(shù)據(jù)的采集、記錄、分析、繪圖，適用于地形地貌復(fù)雜多變的道路勘測，常見道路勘測方法比較結(jié)果見表3。

表3 幾種測量方式對比結(jié)果

4 結(jié)論

綜上所述，結(jié)合GPSRTK、全站儀勘測可消除常規(guī)全站儀勘測容易受地勢、植被等因素的影響，同時(shí)可有效解決GPSRTK勘測結(jié)果易受外部環(huán)境干擾的問題。工程應(yīng)用實(shí)踐表明，采用GPSRTK+全站儀聯(lián)合勘測方法進(jìn)行道路勘測，能有效減輕勘測工作量，可適用于復(fù)雜地形道路勘測作業(yè)。此外，GPSRTK 勘測無須考慮誤差累計(jì)問題，選擇測量點(diǎn)位的范圍更廣。在后續(xù)研究中需重點(diǎn)研究流動(dòng)站GPS接收器的通信技術(shù)，如藍(lán)牙等無線通信手段可直接傳輸數(shù)據(jù)坐標(biāo)，從而提高勘測數(shù)據(jù)采集速度，可為道路勘測工作人員以及技術(shù)研究人員提供可靠的數(shù)據(jù)參考。