GNSS技術(shù)在公路測量中的應(yīng)用

陳賀

中國葛洲壩集團(tuán)路橋工程有限公司 湖北 宜昌 443000

引言

傳統(tǒng)公路測量技術(shù)容易受到外界因素的限制，我國地大物博，跨度大的高速公路分布面積廣，區(qū)域位置所處不同，對于設(shè)計(jì)需求和檢測標(biāo)準(zhǔn)，各種公路要求不一。丘陵地區(qū)因地形復(fù)雜、氣候環(huán)境不同，公路檢測方案測量精度較低，實(shí)施難度較高，難以滿足不斷提高的測量要求。近幾年來，社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展十分迅速，GNSS精密定位技術(shù)因此被廣泛運(yùn)用。GNSS技術(shù)的精確程度較高，可以優(yōu)化靜態(tài)相對定位的準(zhǔn)確度，甚至可以達(dá)到亞毫米級的精確度。該技術(shù)在定位動(dòng)態(tài)位置方面具有較大突破，符合多種類型公路的測量要求。在公路測量工程中使用GNSS技術(shù)可以提高工作效率，減少整體任務(wù)量，節(jié)約工程成本投入，加快公路測量技術(shù)發(fā)展腳步。

1 公路施工測量的重要性

施工測量技術(shù)是提高公路工程建設(shè)準(zhǔn)確性的關(guān)鍵方法，通過運(yùn)用測量技術(shù)能夠?qū)?shí)際施工中數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性提高，為公路建設(shè)奠定堅(jiān)實(shí)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，有助于其他管理工作的開展。公路的測量工作是公路建設(shè)中最為重要的一部分，因此，施工人員需要結(jié)合實(shí)際情況來進(jìn)行測量。在實(shí)際的公路測量過程中，受公路的地勢、地形影響，需要采用專業(yè)的工具來進(jìn)行測量。測量前，需要對周邊的環(huán)境進(jìn)行勘探，檢測周邊環(huán)境是否有利于檢測，是否是崎嶇的，公路測量需要在平穩(wěn)的地面上進(jìn)行，同時(shí)，還需要對周邊地區(qū)的地質(zhì)進(jìn)行檢測，通過檢測，了解到施工場地的地質(zhì)狀況，對地質(zhì)狀況進(jìn)行分析，檢測是否有助于測量工作的開展。測量時(shí)，需要有專業(yè)的工作人員進(jìn)行操作，并且還需要保障測量工具的準(zhǔn)確性，提高數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)度。測量結(jié)束后還需要對測量結(jié)果進(jìn)行復(fù)盤，仔細(xì)檢測測量結(jié)果，工作人員根據(jù)測量結(jié)果能夠明確工程施工范圍，合理選用施工技術(shù)，合理調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)施工方案。所有的工程建設(shè)都需要強(qiáng)有力的管理，高效的管理能夠提升工程建設(shè)的效率、進(jìn)度、質(zhì)量等，能夠明確劃分工作人員的工作職責(zé)，有助于工程高效完工，達(dá)到節(jié)約成本的效果。公路工程建設(shè)也不例外，在建設(shè)過程中需要做好施工方案和施工流程的確定，將工程建設(shè)目標(biāo)落實(shí)。而各項(xiàng)工作開展需要相關(guān)數(shù)據(jù)支撐，只有各項(xiàng)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠才能保證有條不紊地開展施工作業(yè)，才能高質(zhì)量地開展管理工作。施工測量可以得到實(shí)際工程項(xiàng)目的準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，為工作人員優(yōu)化項(xiàng)目施工方案和管理方案提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。為了保證數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、可靠、及時(shí)，施工企業(yè)應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)構(gòu)建完善的公路施工測量技術(shù)流程和控制體系，將各個(gè)人員的職責(zé)明確，確保測量工作能夠落實(shí)到人。可以設(shè)置分級控制制度，加強(qiáng)測量工作的管控，確保測量技術(shù)的落實(shí)[1]。

2 GNSS技術(shù)原理及特點(diǎn)

2.1 GNSS技術(shù)

GNSS是Global Navigation Satellite System的縮寫，GNSS實(shí)際上是一種定位技術(shù)，GNSS與GPS不一樣，主要是指GNSS在范圍上更加廣泛，各種各樣的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)都被包含其中，主要由美國的GPS、俄羅斯的GLONASS、歐洲的GALILEO、中國的BDS以及區(qū)域增強(qiáng)型系統(tǒng)組成，在工程測繪、建筑重建、各類移動(dòng)設(shè)備導(dǎo)航、數(shù)據(jù)分析等領(lǐng)域具有極高的應(yīng)用價(jià)值。除此之外還包括區(qū)域性導(dǎo)航系統(tǒng)與增強(qiáng)系統(tǒng)。目前，GNSS工程建設(shè)成為一個(gè)國家經(jīng)濟(jì)安全的基礎(chǔ)，現(xiàn)代化大國地位和一個(gè)國家綜合國力強(qiáng)盛與否的重要象征也由GNSS體現(xiàn)出來。

通過人造衛(wèi)星，全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)可以接收并發(fā)送空間地理信息，為全球的信息發(fā)展提供了流通機(jī)會(huì)。全球?qū)Ш较到y(tǒng)利用衛(wèi)星之間的距離、衛(wèi)星發(fā)射時(shí)間等信息測量并定位地理位置。此項(xiàng)技術(shù)通過對衛(wèi)星間的距離進(jìn)行檢測，以測量的一個(gè)基準(zhǔn)站為定位，進(jìn)行參考，計(jì)算出衛(wèi)星與基準(zhǔn)站的距離差，從而確定測量基站空間信息，其測試結(jié)果能夠精確到具體數(shù)值，可有效提升測量質(zhì)量。GNSS系統(tǒng)為國家的發(fā)展提供了有效的發(fā)展手段，通過GNSS系統(tǒng)，居民可以得到更加便利的出行體驗(yàn)并提升生活質(zhì)量，社會(huì)上也基于GNSS系統(tǒng)誕生了一批諸如外賣、打車等行業(yè)，甚至對治安、國防現(xiàn)代化的建設(shè)做出了不可磨滅的貢獻(xiàn)。不可否認(rèn)的是，此技術(shù)的產(chǎn)生推動(dòng)了我國的現(xiàn)代化發(fā)展，為我國的各行各業(yè)發(fā)展提供了便利，也實(shí)現(xiàn)了國家信息化的發(fā)展。

2.2 技術(shù)特點(diǎn)

①數(shù)據(jù)信息具有較強(qiáng)的完整性與精確性，可以記住衛(wèi)星提供的導(dǎo)航電文。衛(wèi)星系統(tǒng)具有較強(qiáng)的可靠性，可以根據(jù)要求完成特定任務(wù)，在提高搜集數(shù)據(jù)精確性方面發(fā)揮著重要作用。GNSS測量主要是通過使用接收到的衛(wèi)星信號來實(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；②兼容性，數(shù)據(jù)整理過程突破了導(dǎo)航電文、圖像及數(shù)據(jù)包等各類信息的局限性，具有較強(qiáng)的兼容性，能夠滿足系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用需求。③操作便捷度高，在系統(tǒng)應(yīng)用中，GNSS技術(shù)在應(yīng)用階段的自動(dòng)化程度較高，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，人為測量所有可能引起的誤差能被有效避免。自動(dòng)化程度非常高這對于公路測量工作的順利推進(jìn)有著積極的作用。④觀測時(shí)間短，效率高。GNSS測量時(shí)間短，對于精度要求較高、建立高等級平面控制網(wǎng)的情況，測量時(shí)間為1～3h。對于碎部點(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；⑤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10～20萬元之間 ，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[2]。

3 GNSS技術(shù)在公路測量中的應(yīng)用

近幾年，我國的科學(xué)技術(shù)水平不斷提高，人口數(shù)量不斷增多，人們的出行也越來越頻繁。出行增多，對于公路的需求也在逐步上升，公路修建對于人們出行而言至關(guān)重要。目前，為滿足國內(nèi)人口對公路的需求，我國加快了對公路的修建，但是，我國的地勢較為復(fù)雜，在進(jìn)行公路測量時(shí)，需要先對地形進(jìn)行勘測，受地勢影響，公路測量數(shù)據(jù)也因此會(huì)產(chǎn)生輕微偏差，這就需要相關(guān)工作者在測量過程中時(shí)刻關(guān)注地形的變化，根據(jù)地勢變化來調(diào)整測量的角度，減少公路測量的數(shù)據(jù)誤差。

GNSS技術(shù)對于公路測量工程而言是有極大幫助的，GNSS技術(shù)的發(fā)展為公路測量提供了定位系統(tǒng)，通過定位系統(tǒng)，施工人員可以了解公路建設(shè)周圍的一些環(huán)境，并且可以對地形實(shí)施監(jiān)控，為施工人員提供了施工過程的地形環(huán)境，這也是GNSS為公路測量提供的相應(yīng)幫助。

3.1 GSP軟件處理過程

為了提高公路工程測量精度，需要做好GPS軟件處理工作。若不清楚平面坐標(biāo)系的投影高程及中央子午線信息，可以使用該軟件進(jìn)行變化迭代，將其復(fù)原到原來坐標(biāo)系。公路項(xiàng)目實(shí)際測量中，要提升該技術(shù)的應(yīng)用水平，保證項(xiàng)目測量精度，還應(yīng)注重以下要點(diǎn) ：第一，公路測量的工作人員需要先確定點(diǎn)位，再進(jìn)行坐標(biāo)架、坐標(biāo)型號的集中分析，進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)的流程化、標(biāo)準(zhǔn)化處理，打造較為完整的技術(shù)運(yùn)維體系。第二，公路外業(yè)測繪中，需要規(guī)范化進(jìn)行GPS定位測量裝置安裝：一方面，要求GPS測量的儀器設(shè)備的三腳架應(yīng)該放在標(biāo)志中心垂直正上方，確保設(shè)備施測角度控制合理 ；另一方面，應(yīng)控制設(shè)備基座的水平程度，確保設(shè)備整體平衡。 此外，應(yīng)重視定向誤差、對中誤差、兩次量高差距等指標(biāo) 的控制，確保公路測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。通常進(jìn)行公路測繪測量時(shí)使用GPS測量技術(shù)，要求其對中誤差、兩次測量高差均不得超過3mm，定向的誤差上下不能超過±5°。此外，要求測量設(shè)備三腳架的三個(gè)空檔互成120°，對于測驗(yàn)數(shù)據(jù)的填寫間隔應(yīng)該控制在15min之內(nèi)。從測量結(jié)果來看，采用GPS技術(shù)測量開展公路測量時(shí)，其能夠提供較為精準(zhǔn)的三維坐標(biāo)信息。這些信息不僅反映了施工路段所在地域空間，而且能實(shí)現(xiàn)不同時(shí)間段公路建設(shè)變化情況的有效反映。

3.2 GSP參數(shù)準(zhǔn)備

啟動(dòng)GSP軟件之后，選擇新建或者打開一個(gè)GPS項(xiàng)目，在參數(shù)頁面中輸入復(fù)測網(wǎng)中的大地高程及中央子午線經(jīng)緯度信息，根據(jù)WGS84坐標(biāo)選定平差參數(shù)中的中央子午線，同時(shí)根據(jù)高程確定大地高度，選擇三維基線平差。然后需要在坐標(biāo)標(biāo)簽中的高斯坐標(biāo)中導(dǎo)入平面坐標(biāo)，與復(fù)測結(jié)果進(jìn)行比較，順利完成準(zhǔn)備階段工作。

3.3 中央子午線經(jīng)度確定

3.3.1 首先，需要在“F復(fù)測比較”頁面選擇先變換選項(xiàng)與擬穩(wěn)點(diǎn)，比較坐標(biāo)變換差別。將復(fù)測坐標(biāo)與原有坐標(biāo)進(jìn)行對比，觀察兩種坐標(biāo)系之間的縮放狀況與旋轉(zhuǎn)情況，觀察底部信息欄中的參數(shù)信息。旋轉(zhuǎn)參數(shù)即因中央子午線差別產(chǎn)生的子午線收斂角度，由于高程投影面不同，高程投影會(huì)引發(fā)尺度縮放問題。

3.3.2 將經(jīng)度差dl轉(zhuǎn)換為復(fù)測網(wǎng)采用的中央子午線經(jīng)度，得新經(jīng)度為108°，在“高斯坐標(biāo)”頁面中底部輸入轉(zhuǎn)換后的中央子午線經(jīng)度108°和投影面高程，單擊[換帶]按鈕，將坐標(biāo)變換到新的坐標(biāo)系中。

3.4 “一點(diǎn)一方向”處理

在處理小范圍獨(dú)立坐標(biāo)時(shí)，如隧道、橋梁、市政道路工程等，需要使用一點(diǎn)一方向的處理策略。在此過程中，需要選定某個(gè)固定點(diǎn)，為其制定控制方向，選擇投影子午線經(jīng)緯度與大地高度，建立精確程度較高的獨(dú)立坐標(biāo)系系統(tǒng)。若控制網(wǎng)精度較高，可以固定“一點(diǎn)一方向”平差，約束衛(wèi)星視野較好與起點(diǎn)位置，在固定一點(diǎn)之后根據(jù)測量變長修改另一個(gè)端點(diǎn)的坐標(biāo)。使用該方法需要征求業(yè)主與設(shè)計(jì)人員的統(tǒng)一，適當(dāng)調(diào)小除固定點(diǎn)之外的控制點(diǎn)坐標(biāo)分量，無須調(diào)整設(shè)計(jì)圖紙文件，僅將調(diào)整后的控制網(wǎng)坐標(biāo)系統(tǒng)及成果報(bào)設(shè)計(jì)、監(jiān)理、業(yè)主單位存檔即可?！耙稽c(diǎn)一方向”的處理具有高精準(zhǔn)度的特點(diǎn)，通過“一點(diǎn)一方向”的平差原理進(jìn)行公路測量的工程建設(shè)，能夠有效地提高公路測量的精準(zhǔn)度?！耙稽c(diǎn)一方向”的處理是公路測量中最為重要的一部分，通過控制網(wǎng)坐標(biāo)系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的精細(xì)化，減少公路測量的數(shù)值誤差[3]。

3.5 新坐標(biāo)系統(tǒng)與實(shí)測值比對

在確定中央子午線經(jīng)緯度、投影面積所在大地高度之后，可以在“G高斯坐標(biāo)”系統(tǒng)調(diào)整J4, J6坐標(biāo)，將其作為已知交樁坐標(biāo)，并將J4, J6坐標(biāo)調(diào)整到獨(dú)立系統(tǒng)坐標(biāo)系中。坐標(biāo)轉(zhuǎn)換過程在軟件中完成，具有速度快、高進(jìn)度的特征，與現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)保持相同，確保坐標(biāo)成果滿足要求與規(guī)范，以順利完成現(xiàn)場控制測量任務(wù)。完成坐標(biāo)轉(zhuǎn)換后，需要轉(zhuǎn)換現(xiàn)場所有設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，需要與設(shè)計(jì)人員進(jìn)行溝通，調(diào)整坐標(biāo)系統(tǒng)參數(shù)信息，測量設(shè)計(jì)系統(tǒng)及坐標(biāo)系統(tǒng)參數(shù)，以便重新完成技術(shù)交底工作。文件和重做坐標(biāo)系的技術(shù)改進(jìn)。一般情況下，衛(wèi)星的開始和結(jié)束視場的選擇最好和最穩(wěn)定的點(diǎn)都可以根據(jù)測量邊長來確定，為其他控制點(diǎn)更改坐標(biāo)。

4 結(jié)束語

現(xiàn)代先進(jìn)的測量測繪技術(shù)和現(xiàn)代化的新型設(shè)備的使用，能夠有效促進(jìn)公路測量測繪工程的快速發(fā)展。在公路路面工程中使用GNSS測量技術(shù)可以提高測量工作效率與質(zhì)量，突破外界環(huán)境因素的局限性，擴(kuò)大可測量范圍。同時(shí)，使用GNSS技術(shù)可以降低勞動(dòng)強(qiáng)度，減少項(xiàng)目資金消耗。未來，GNSS技術(shù)的應(yīng)用價(jià)值有待進(jìn)一步提高，將持續(xù)推進(jìn)公路測量行業(yè)的穩(wěn)定發(fā)展。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，在公路工程測量中GNSS技術(shù)的使用將會(huì)越來越廣泛，產(chǎn)生更多的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。