如何利用GPS進(jìn)行公路工程控制測(cè)量

1、道路工程1262011 年 4 期( 總第 76 期)如何利用 gps 進(jìn)行公路工程控制測(cè)量王瑞忠( 河北省滄州交通勘測(cè)設(shè)計(jì)院，河北滄州061000)摘要:本文簡(jiǎn)述了 gps 測(cè)量技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r，簡(jiǎn)要介紹了 gps 測(cè)量的特點(diǎn)，重點(diǎn)介紹了 gps 在公路工程控制測(cè)量、水準(zhǔn)測(cè)量中的實(shí)際應(yīng)用和成果。關(guān)鍵詞:全球定位系統(tǒng);gps;公路;控制測(cè)量中圖分類(lèi)號(hào):u49文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:b1概述gps 是英文 global positioning system ( 全球定位系統(tǒng))的簡(jiǎn)稱，而其中文簡(jiǎn)稱為 “球位系” 。gps 是20 世紀(jì) 70 年代由美國(guó)陸海空三軍聯(lián)合研制的新一代空間衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)。其主要目的是

2、為陸、海、空三大領(lǐng)域提供實(shí)時(shí)、全天候和全球性的導(dǎo)航服務(wù)，并用于情報(bào)收集、核爆監(jiān)測(cè)和應(yīng)急通訊等一些軍事目的。自 1980 年第一臺(tái)商用 gps 接收機(jī)問(wèn)世以來(lái)，隨著 gps 工作衛(wèi)星的不斷入軌和 gps 接收機(jī)性能的不斷提高和改進(jìn)，gps 測(cè)量技術(shù)已廣泛應(yīng)用于我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)的各個(gè)部門(mén)。公路工程測(cè)量具有一定的獨(dú)特性，這是因?yàn)楣仿肪€一般均呈帶狀布置，跨越范圍大，路線距離長(zhǎng)，其平面控制測(cè)量往往采用導(dǎo)線形式，這包括附合導(dǎo)線、閉合導(dǎo)線、結(jié)點(diǎn)導(dǎo)線等導(dǎo)線網(wǎng)形式，為滿足測(cè)量精度的要求，人們?cè)诓粩嗟馗倪M(jìn)測(cè)量工具和測(cè)量方法，gps 的出現(xiàn)和應(yīng)用對(duì)公路工程測(cè)量起到巨大的推進(jìn)作用。目前 gps 測(cè)量技術(shù)在公路測(cè)設(shè)中

3、主要用于建立公路工程測(cè)量控制網(wǎng)及動(dòng)態(tài) rtk 測(cè)量。本文主要介紹如何利用 gps 進(jìn)行公路工程控制測(cè)量。2gps 測(cè)量的特點(diǎn)相對(duì)于傳統(tǒng)的測(cè)量學(xué)來(lái)說(shuō)，gps 測(cè)量主要有以下特點(diǎn)。2. 1功能多、用途廣gps 定位系統(tǒng)不僅可以用于各種工程領(lǐng)域的測(cè)量，還可以用于導(dǎo)航、測(cè)速、測(cè)時(shí)等。測(cè)速的精度可達(dá) 0. 1m/s，測(cè)時(shí)的速度可達(dá)幾十毫秒。其應(yīng)用領(lǐng)域還在不斷地?cái)U(kuò)大。2. 2定位精度高大量實(shí)驗(yàn)和工程應(yīng)用證明，進(jìn)行靜態(tài)相對(duì)定位時(shí)，在小于 50km 的基線上，其相對(duì)定位精度可達(dá) 12 106，而在 100 500km 的基線上可達(dá) 106107。在實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位和實(shí)時(shí)差分定位時(shí)，定位精度可達(dá)到厘米級(jí)和分米級(jí)，能

4、夠滿足各種工程測(cè)量的要求。2. 3測(cè)站之間無(wú)需通視在使用傳統(tǒng)的測(cè)量方法時(shí)，必須要求相連接的測(cè)站點(diǎn)之間通視良好，但 gps 卻具有測(cè)站點(diǎn)間無(wú)需通視的特點(diǎn)，使得在測(cè)量時(shí)選點(diǎn)更加靈活方便。但測(cè)站上空必須開(kāi)闊，以使接收 gps 衛(wèi)星信號(hào)不受干擾。2. 4觀測(cè)時(shí)間短在小于 20km 的短基線上，靜態(tài)相對(duì)定位每站僅需 5min 左右的觀測(cè)時(shí)間，動(dòng)態(tài)相對(duì)定位僅需幾秒鐘。2. 5操作簡(jiǎn)便gps 測(cè)量的自動(dòng)化程度很高。在觀測(cè)中測(cè)量員的主要任務(wù)是安裝并開(kāi)關(guān)儀器、量取儀器高和監(jiān)視儀器的工作狀態(tài)，而其他觀測(cè)工作如衛(wèi)星的捕獲，跟蹤觀測(cè)等均由儀器自動(dòng)完成。結(jié)束觀測(cè)時(shí)，僅需關(guān)閉電源，收好接機(jī)，便完成了野外數(shù)據(jù)采集任務(wù)。2.

5、 6提供三維坐標(biāo)在傳統(tǒng)的大地測(cè)量中，平面和高程需要采用不同的方法分別進(jìn)行測(cè)量，而采用 gps 測(cè)量，在精確測(cè)定觀測(cè)站平面位置的同時(shí)，可以精確測(cè)定觀測(cè)站的大地高程。2. 7全天候作業(yè)gps 觀測(cè)可在任何地點(diǎn)，任何時(shí)間連續(xù)地進(jìn)行，一般不受天氣狀況的影響。3靜態(tài) gps 測(cè)量建立公路控制網(wǎng)的步驟靜態(tài) gps 測(cè)量技術(shù)在公路中主要用于建立公路首級(jí)控制網(wǎng)，控制網(wǎng)的建立步驟如下:2011 年 4 期( 總第 76 期)127第一步:勘察路線，gps 點(diǎn)選址。組織測(cè)量人員對(duì)路線的走向，沿線的地形、地貌進(jìn)行初步勘察，調(diào)查沿線可選作 gps 點(diǎn)的位置情況。同時(shí)調(diào)查路線附近是否有高等級(jí)的 gps 點(diǎn)，以便進(jìn)行聯(lián)測(cè)

6、。第二步:控制網(wǎng)設(shè)計(jì)。gps 控制網(wǎng)的布設(shè)應(yīng)根據(jù)公路等級(jí)、沿線地形地物、作業(yè)時(shí)衛(wèi)星狀況、精度要求等因素進(jìn)行綜合設(shè)計(jì)。因?yàn)?gps 控制網(wǎng)作為公路首級(jí)控制網(wǎng)時(shí)，需采用其他測(cè)量方法進(jìn)行加密。故沿路線兩側(cè)每隔 5 10km 布設(shè)一對(duì)相互通視的 gps 點(diǎn)。理論上 gps 點(diǎn)觀測(cè)時(shí)只須在 3 個(gè) gps 點(diǎn)上架設(shè) gps儀同時(shí)觀測(cè)即可確定這 3 個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)?？紤]到公路測(cè)量本身的特點(diǎn)采用 4 臺(tái) gps 儀同時(shí)觀測(cè) 4 個(gè) gps 點(diǎn)，這樣可大大加快全線的測(cè)量速度。第三步:gps 選點(diǎn)、埋石。實(shí)地進(jìn)行 gps 點(diǎn)的選點(diǎn)，并埋石，選點(diǎn)時(shí)應(yīng)按照技術(shù)設(shè)計(jì)要求，選擇有利于采用其他測(cè)量方法擴(kuò)展和聯(lián)測(cè)的地點(diǎn)。第四步

7、:架設(shè) gps 儀觀測(cè)。4 個(gè) gps 點(diǎn)觀測(cè)的共同時(shí)間、有效觀測(cè)衛(wèi)星總數(shù)等應(yīng)滿足規(guī)范要求。我們?cè)谕鈽I(yè)的觀測(cè)中規(guī)定觀測(cè)時(shí)間不得少于半個(gè)小時(shí)，有效觀測(cè)衛(wèi)星數(shù)不少于 4 個(gè)。第五步:gps 觀測(cè)數(shù)據(jù)的處理。外業(yè)觀測(cè)結(jié)束后將 gps 中的數(shù)據(jù)傳入計(jì)算機(jī)中，采用南方公司的軟件 ( 包括采集器與計(jì)算機(jī)通訊軟件、基線向量處理軟件、網(wǎng)平差及坐標(biāo)轉(zhuǎn)換軟件) ，及時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和質(zhì)量分析。過(guò)程可分為基線解算與檢核、gps 控制網(wǎng)平差計(jì)算兩個(gè)步驟。第六步:gps 控制網(wǎng)進(jìn)行加密。利用全站儀測(cè)量附合導(dǎo)線的方法進(jìn)行首級(jí) gps 控制網(wǎng)的加密作業(yè)。將路線按 gps 的分布分成若干段，每一段單獨(dú)進(jìn)行附合導(dǎo)線的測(cè)量，保證每

8、一段附合導(dǎo)線起始于 gps點(diǎn)，終止于 gps 點(diǎn)。第七步:導(dǎo)線點(diǎn)座標(biāo)及平差計(jì)算。將每段附合導(dǎo)線測(cè)量數(shù)據(jù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中進(jìn)行角度、距離平差得到最后結(jié)果。4應(yīng)用實(shí)例307 國(guó)道滄州市區(qū)至淮鎮(zhèn)段二級(jí)公路全長(zhǎng) 27km，所處地形為平原微丘區(qū)，沿線遍布棗樹(shù)林，通視較差。設(shè)計(jì)路面寬度 12m。4. 1gps 首級(jí)控制網(wǎng)的建立本次控制測(cè)量共布設(shè) 5 對(duì) gps 點(diǎn)。gps 網(wǎng)由 10個(gè) gps 點(diǎn)組成，其網(wǎng)形略圖如圖 1。圖 1307 國(guó)道滄州市區(qū)至淮鎮(zhèn)段 gps 控制網(wǎng)該控制網(wǎng)由 4 臺(tái)南方 ngs 200 型單頻 gps 接收機(jī)作業(yè)，靜態(tài)標(biāo)稱精度 ( 5mm + 2ppm) ，觀測(cè)時(shí)間為 60min。數(shù)據(jù)

9、采樣間隔為 15s。gps 測(cè)量起算已知點(diǎn)采用石黃高速公路滄州段的兩個(gè) gps 點(diǎn)，石黃高速公路滄州段的 gps 點(diǎn)由河北省第一測(cè)繪院于 1996 年測(cè)量。據(jù)其提供的資料，坐標(biāo)中央子午線為 11620，投影面為高斯投面，1954年北京坐標(biāo)系參考橢球。利用南方公司的基線向量處理軟件、網(wǎng)平差及坐標(biāo)轉(zhuǎn)換軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理結(jié)果見(jiàn)表 1。表 1數(shù)據(jù)處理結(jié)果點(diǎn)名x 向坐標(biāo)/m中誤差/mmy 向坐標(biāo)/m中誤差/mm點(diǎn)位中誤差/mm誤 差 橢 圓e/mmf/mmet/( ) :( ) :( )gps14238802. 8422521111. 051232246:19:17gps24238862. 2472521

10、111. 051233347:16:02gps34231743. 6612520922. 407232253:44:12gps44231620. 0162521227. 222233255:31:53gps54225211. 4883521377. 526343329:04:52gps64224769. 7813521058. 760343327:36:07gps74218542. 9043521164. 7183533167:09:34gps84218368. 2313521689. 4913543162:50:35gps94223948. 9023520699. 947343341:55:

11、13gps104223790. 6003520535. 426343341:42:07lbx14238369. 208522552. 983 已知點(diǎn) lbx24238265. 576523026. 925 已知點(diǎn) lbx34238145. 2742528131. 634222133:33:45道路工程1282011 年 4 期( 總第 76 期)4. 2gps 首級(jí)控制網(wǎng)的加密本次控制測(cè)量，全線共布設(shè)導(dǎo)線點(diǎn) 132 個(gè)，其中10 個(gè)作為 gps 點(diǎn)聯(lián)測(cè)，共分為 6 段，測(cè)段長(zhǎng)度最長(zhǎng)為 9. 3km，最短為 7. 34km。導(dǎo)線采用徠卡的 tc1610型全站儀進(jìn)行觀測(cè)距離和角度，角度以全測(cè)回法測(cè)

12、量左角，觀測(cè)一個(gè)測(cè)回，每一個(gè)測(cè)回中兩個(gè)半測(cè)回角度誤差不大于 4，角度取其平均值。對(duì)各測(cè)段導(dǎo)線點(diǎn)進(jìn)行平差，根據(jù) 公路勘測(cè)規(guī)范 ，方位角閉合差小于 16n，導(dǎo)線全長(zhǎng)相對(duì)閉合差小于 1/10000。平差后標(biāo)精度均能滿足規(guī)范的要求。結(jié)果見(jiàn)表 2。表 2gps 分段測(cè)量結(jié)果匯總表段落東線比較線gps1， 2 gps3， 4gps3， 4 gps5， 6gps5， 6 gps7， 8gps3， 4 gps9， 10gps9， 10 gps7， 8測(cè)站數(shù)3134243733規(guī)范要求角度閉合差 10n/ ( )5558496057規(guī)范要求邊長(zhǎng)相對(duì)閉合差1/150001/150001/150001/150001

13、/15000測(cè)段長(zhǎng)度/m8577. 8638071. 0579123. 4919300. 0827341. 885平均導(dǎo)線點(diǎn)間距/m276. 7237. 3380. 1251. 3222. 4角度閉和差/( )43. 048. 049. 059. 022. 0坐標(biāo)增量閉合差/m0. 3570. 4320. 3090. 5070. 32邊長(zhǎng)相對(duì)閉合差1/240281/186831/295261/183431/229434. 3gps 用于高程測(cè)量的嘗試本段起始點(diǎn)高程引自石黃高速公路滄州段的 gps點(diǎn)標(biāo)高。利用 gps 測(cè)量數(shù)據(jù)推算出的結(jié)果與水準(zhǔn)測(cè)量高程相比結(jié)果見(jiàn)表 3。表 3gps 高程測(cè)量與水

14、準(zhǔn)測(cè)量結(jié)果比較表/m點(diǎn)名gps 高程水準(zhǔn)測(cè)量高程互差gps19. 6119. 6110gps29. 6179. 6170gps311. 21211. 2820. 07gps411. 23011. 2890. 059gps512. 38212. 4310. 049gps69. 3629. 4240. 062gps713. 18613. 2330. 047gps816. 73416. 8240. 068gps911. 14811. 2160. 068gps1011. 29111. 3680. 077從表 3 中可看出，最大偏差 0. 077m，最小偏差0. 047m。誤差的平均值為 0. 05m。

15、按 公路勘測(cè)規(guī)范jtj061 99 中規(guī)定:兩水準(zhǔn)點(diǎn)之間的. 容許閉合差為 30l ( mm) ，其中 l 為兩水準(zhǔn)點(diǎn)之間的距離( 以公里為單位) 。測(cè)量數(shù)據(jù)滿足要求。5動(dòng)態(tài) gpsrtk 在公路路線中樁測(cè)量中的應(yīng)用簡(jiǎn)介以上講的是 gps 在控制測(cè)量中的應(yīng)用，下面簡(jiǎn)要介紹如何利用動(dòng)態(tài) gpsrtk 進(jìn)行公路路線的中樁測(cè)量:rtk 是指載波相位實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)差分定位 ( real timekinematic) ，它是 gps 發(fā)展的最新形式。靜態(tài)gps 測(cè)量采用相位差分可以達(dá)到厘米甚至毫米級(jí)精度，但缺點(diǎn)是經(jīng)過(guò)事后處理才知道結(jié)果。而 rtk 通過(guò)實(shí)時(shí)處理即能達(dá)到厘米級(jí)精度。rtk 要求一臺(tái)基準(zhǔn)站和至少一臺(tái)流動(dòng)站及相配套的數(shù)據(jù)通訊鏈?；鶞?zhǔn)站實(shí)時(shí)地把測(cè)站信息和所有觀測(cè)值通過(guò)數(shù)據(jù)鏈傳遞給流動(dòng)站，流動(dòng)站用先進(jìn)的處理技術(shù)來(lái)瞬時(shí)求出流動(dòng)站的三維坐標(biāo)。rtk 具有下述優(yōu)點(diǎn):( 1)直接以 cm 級(jí)精度實(shí)時(shí)測(cè)定中樁位置;( 2)工作人員少;( 3)工作效率高。6結(jié)語(yǔ)從上述 gps 控制測(cè)量