道路勘測階段控制測量方法的研究

侯曉真，于瑞鵬

（1．中國礦業(yè)大學(xué) 環(huán)境與測繪學(xué)院，江蘇 徐州221008；2．山東省第一地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，山東 濟(jì)南250014）

道路勘測階段控制測量方法的研究

侯曉真1，于瑞鵬2

（1．中國礦業(yè)大學(xué) 環(huán)境與測繪學(xué)院，江蘇 徐州221008；2．山東省第一地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，山東 濟(jì)南250014）

道路勘測控制測量作為線路施工放樣的依據(jù)，必須建立具備一定精度的控制網(wǎng)，測量儀器及施工方法對工程質(zhì)量將會產(chǎn)生很大影響。結(jié)合張承高速公路二期工程所處測區(qū)概況，并結(jié)合現(xiàn)代測量工具，從而提出該路段控制測量的最佳施測方法；通過對實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行處理及分析，驗(yàn)證該方法的可行性。

道路測量；控制測量；GPS

隨著時(shí)代的發(fā)展，現(xiàn)代公路建設(shè)呈現(xiàn)出新的特點(diǎn)，傳統(tǒng)的測量工具、測量手段很難滿足現(xiàn)代道路工程高精度、高效率、低勞動強(qiáng)度的要求，需探索適應(yīng)新要求的勘測手段。道路勘測控制測量是線路施工放樣的依據(jù)，是道路建設(shè)的重要階段。

控制測量階段最重要的是要控制誤差在一定范圍內(nèi)，使測量數(shù)據(jù)滿足施工要求。誤差包括儀器誤差、觀測誤差、外界條件引起的誤差。測量誤差不可避免，但可以通過使用先進(jìn)的測量儀器和測量方法、提高作業(yè)人員的業(yè)務(wù)素養(yǎng)等手段減小誤差。隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展，測量儀器呈現(xiàn)出自動化程度高、精度高、穩(wěn)定性好，對外界條件的要求逐漸降低等新的特點(diǎn)，降低了勞動強(qiáng)度，提高了作業(yè)效率。因此，電子測量儀器在施工過程中得到廣泛應(yīng)用。在研究當(dāng)代測繪儀器及方法的基礎(chǔ)上，基于測區(qū)概況提出了該區(qū)段測量的最佳方法，即：平面控制測量采用GPS兩級控制，首級選取四等GPS測量，下一級采用一級GPS測量；高程控制測量采用四等水準(zhǔn)測量和GPS擬合高程相結(jié)合的測量方法。實(shí)際數(shù)據(jù)結(jié)果表明該方法的有效性。

1 實(shí)例應(yīng)用

1．1 測區(qū)概況

張承二期高速公路（張家口段）位于張家口市崇禮縣、張北縣、沽源縣境內(nèi)，多為山區(qū)，晝夜溫差大，線路穿過大馬群山進(jìn)入壩上草原。測區(qū)最高處約2 050 m，最低處約1 290 m，高差達(dá)到760 m。線路經(jīng)過242省道、345省道、406縣道、404縣道、403縣道、241省道。路線位于東經(jīng)115°17′～115°58′和北緯40°00′～40°34′。線路主線 AK 全長101．8 km，比較線 A1長23．18 km、A2長10．1 km、A3長6．976 km，線位終點(diǎn)向東延長2 km，共計(jì)144 km，其中丘陵段22 km，山區(qū)段122 km。

1．2 測量方案的選取

現(xiàn)代施工過程中常用的控制測量方法有：全站儀導(dǎo)線測量、全站儀三角高程測量、水準(zhǔn)測量、GPS測量［1］。從測區(qū)所處環(huán)境可見測區(qū)范圍較大，路線長度較長，且地形起伏變化比較大，同時(shí)結(jié)合各種測量方法的特點(diǎn)，為有效的控制誤差，提高工作效率，降低勞動強(qiáng)度，平面控制測量采用GPS靜態(tài)相對定位的方法，高程控制測量采用電子水準(zhǔn)測量與GPS擬合高程測量相結(jié)合的方法。

1．2．1 平面控制測量

依據(jù)公路勘測規(guī)范JTG／T－C10－2007，高速公路控制網(wǎng)應(yīng)采用一級GPS測量，但綜合考慮該測區(qū)范圍比較大、儀器數(shù)量有限及儀器誤差、操作誤差等因素影響，為使測量數(shù)據(jù)盡可能滿足精度要求，減少誤差積累，平面控制測量采用兩級控制［2］，首級選取四等GPS測量，下一級采用一級GPS測量。四等GPS控制網(wǎng)布設(shè)為大地四邊形，三角點(diǎn)雙邊聯(lián)測控制網(wǎng)；一級控制網(wǎng)采用邊連式或點(diǎn)連式布網(wǎng)，控制網(wǎng)的兩端與四等GPS點(diǎn)聯(lián)結(jié)，做到不隔點(diǎn)聯(lián)結(jié)。

1．2．2 高程控制測量

根據(jù)已知點(diǎn)的現(xiàn)有資料情況，為方便計(jì)算，高程系統(tǒng)采用1985國家高程基準(zhǔn)。由于測區(qū)山地地段較多，在保證測量精度的前提下，為滿足工期、節(jié)省財(cái)力、人力、物力等條件，不同地段采用不同的作業(yè)方法。

依據(jù)公路勘測規(guī)范JTG／T－C10－2007，高速公路高程控制網(wǎng)應(yīng)滿足四等測量的精度要求。本測區(qū)高程控制測量平緩地段采用聯(lián)測四等水準(zhǔn)，為加快觀測速度，提高觀測精度，四等水準(zhǔn)使用電子水準(zhǔn)儀銦瓦水準(zhǔn)尺采用單程雙轉(zhuǎn)點(diǎn)方法；山區(qū)路線相鄰高程控制點(diǎn)間的距離不超過1．5 km的區(qū)段采用GPS擬合高程［3－4］，這種方法在應(yīng)用過程中應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

1）高程異常變化平緩的地區(qū)可使用GPS方法施測高程控制測量，數(shù)據(jù)采集應(yīng)采用靜態(tài)相對定位的方法，時(shí)間應(yīng)大于相應(yīng)等級的平面控制測量所需的時(shí)間。

2）當(dāng)采用擬合的方法求解高程值時(shí)，應(yīng)在測區(qū)周圍和測區(qū)內(nèi)聯(lián)測高一級的水準(zhǔn)點(diǎn)。丘陵或山地不宜少于10個點(diǎn)。未知點(diǎn)較多時(shí)，聯(lián)測點(diǎn)宜大于未知點(diǎn)點(diǎn)數(shù)的1／5或聯(lián)測點(diǎn)間的距離不應(yīng)大于5km。聯(lián)測的水準(zhǔn)點(diǎn)應(yīng)均勻分布于網(wǎng)中，外圍水準(zhǔn)點(diǎn)連成的多邊形應(yīng)包含整個測區(qū)。

1．3 測量儀器的選取

依據(jù)公路勘測規(guī)范JTG／T－C10－2007，GPS測量的主要技術(shù)要求應(yīng)滿足表1。

表1 GPS測量的主要技術(shù)指標(biāo)

依據(jù)上述技術(shù)要求，結(jié)合本單位現(xiàn)有測量儀器，同時(shí)考慮到儀器攜帶、運(yùn)輸費(fèi)用及使用情況，四等GPS測量、一級GPS測量和GPS擬合高程測量均使用4臺TRIMBLE SPS780雙頻GPS接收機(jī)（標(biāo)稱精度5 mm＋1 ppm×D）；4臺 NAVOCAM 3010S雙頻GPS接收機(jī)（標(biāo)稱精度5 mm＋1 ppm×D）。四等水準(zhǔn)測量使用3臺Trimble Di－Ni電子水準(zhǔn)儀（標(biāo)稱精度±0．3 mm／Km），1臺 DL－111C（標(biāo)稱精度±0．3 mm／Km），3 m條形碼銦瓦水準(zhǔn)標(biāo)尺和鑄鐵尺墊。

1．4 坐標(biāo)系的選取

在GPS測量內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理過程中，為了將GPS數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到1954北京坐標(biāo)系中，需利用2至3個平面已知點(diǎn)進(jìn)行二維約束平差，求出控制點(diǎn)在高斯平面上的坐標(biāo)［5］。由于這一處理過程中存在不同程度的高斯投影變形，致使GPS點(diǎn)間有坐標(biāo)反算的邊長與實(shí)測值之間存在差異，給后續(xù)工程施工放樣帶來不便，因此，要保證測區(qū)內(nèi)投影長度變形值不大于2．5cm／km，若投影變形超限可采用抵償高程面的方法［6］，其中長度綜合變形按式（1）計(jì)算。

式中：RA為長度所在方向的橢球曲率半徑；H為長度所在高程面相對于橢球面的高差；SH為實(shí)地測量長度；R為測區(qū)平均曲率半徑；S為規(guī)劃到橢球面的長度；ym為邊長兩端點(diǎn)橫坐標(biāo)的平均值。

當(dāng)δ≥2．5 cm／km，應(yīng)按式（2）計(jì)算抵償高程面的高程。

此次工程施工現(xiàn)場高差變化比較大，距離中央子午線比較遠(yuǎn)，為保證投影變形在限差內(nèi)及為充分利用現(xiàn)有數(shù)據(jù)資料，此次施工坐標(biāo)系采用1980西安坐標(biāo)系參考橢球，抵償高程面上的高斯正形投影任意帶平面直角坐標(biāo)系。本次工程中全線共劃分三個平面坐標(biāo)系，具體劃分如下：

1）第一坐標(biāo)系中央子午線115°30′，處于線路AK62＋078m—AK83＋700m，投影面高程1 420 m，投影變形值最大為24．4 mm／km；

2）第二坐標(biāo)系中央子午線115°30′，處于線路AK83＋700m—AK110，投影面高程1 680 m，投影變形值最大為22．0 mm／km；

3）第三坐標(biāo)系中央子午線115°30′，處于線路AK110—AK163＋885m，投影面高程1 450 m，投影變形值最大為20．4 mm／km。

2 數(shù)據(jù)處理

路線控制網(wǎng)是公路控制測量的主控制網(wǎng)，主控制網(wǎng)宜全線貫通，統(tǒng)一平差［7］。本實(shí)驗(yàn)中采用華測COMPASS軟件進(jìn)行平差。

2．1 平面控制測量數(shù)據(jù)

各GPS控制點(diǎn)的點(diǎn)位中誤差、邊長相對中誤差、各主要精度指標(biāo)統(tǒng)計(jì)如下：

1）四等GPS控制網(wǎng)最弱邊邊長574．902 7 m，相對中誤差為1／78784。

2）四等GPS控制點(diǎn)點(diǎn)位中誤差一般在0～0．90 cm之間，如表2所示。

誤差區(qū)間／cm 0～0．5 0．5～0．9 0．9以上個數(shù)6 52 0

其中點(diǎn)位中誤差：最大值為±0．85 cm；最小值為±0．35 cm。

3）四等GPS控制點(diǎn)閉合環(huán)誤差一般在0～10 ppm之間，如表3所示。

表3 四等GPS控制點(diǎn)閉合環(huán)誤差精度統(tǒng)計(jì)

其中相對閉合差：最大值為9．98 ppm；最小值為0．02 ppm。

4）一級GPS控制網(wǎng)最弱邊邊長427．597 5 m，相對中誤差為1／64809。

5）一級GPS控制點(diǎn)點(diǎn)位中誤差一般在0～1．0 cm之間，如表4所示。

表4 一級GPS控制點(diǎn)點(diǎn)位中誤差精度統(tǒng)計(jì)

其中點(diǎn)位中誤差：最大值為±0．62 cm；最小值為±0．02 cm。

6）一級GPS控制點(diǎn)閉合環(huán)誤差一般在0～13 ppm之間，如表5所示。

表5 一級GPS控制點(diǎn)閉合環(huán)誤差精度統(tǒng)計(jì)

其中相對閉合差：最大值為12．71 ppm；最小值為0．01 ppm。

依據(jù)公路勘測細(xì)則JTG／T－C10－2007，其相應(yīng)精度要求為：四等GPS網(wǎng)最弱點(diǎn)點(diǎn)位中誤差不超過±5 cm，最弱相鄰點(diǎn)邊長相對中誤差小于1／35 000；一級GPS網(wǎng)最弱點(diǎn)點(diǎn)位中誤差不超過±5 cm，最弱相鄰點(diǎn)邊長相對中誤差小于1／20 000。

通過以上數(shù)據(jù)不難看出：控制點(diǎn)點(diǎn)位誤差及閉合環(huán)相對閉合差較小，均滿足精度要求且分布集中，觀測精度比較高。

2．2 高程控制測量數(shù)據(jù)

在完成整個測區(qū)水準(zhǔn)線路后，全網(wǎng)統(tǒng)一平差，其精度統(tǒng)計(jì)如表6所示。

表6 四等水準(zhǔn)測量高差閉合差精度統(tǒng)計(jì)表

由閉合差計(jì)算的觀測值精度統(tǒng)計(jì)：如表7所示，每公里高程測量的高差中誤差：±9．54 mm；高差中數(shù)全中誤差：±5．75 mm。

表7 GPS高程擬合精度統(tǒng)計(jì)表 m

續(xù)表7

依據(jù)公路勘測細(xì)則JTG／T－C10－2007精度要求應(yīng)滿足：四等水準(zhǔn)測量附和路線閉合差不大于±25■L mm，如表8所示。

表8 四等水準(zhǔn)測量的技術(shù)要求［8］

通過上述數(shù)據(jù)精度統(tǒng)計(jì)，可見上述兩種測量手段均滿足相應(yīng)規(guī)范的精度要求，此外大部分GPS高程點(diǎn)的點(diǎn)位誤差達(dá)到毫米級，最大誤差為2．8 cm，如表9所示。

表9 GPS擬合高程控制測量技術(shù)要求

3 結(jié) 論

1）通過對比現(xiàn)代常用的控制測量方法并結(jié)合本測區(qū)概況，提出了該測區(qū)控制測量的最佳施測方法，該研究對類似工程具有一定的指導(dǎo)意義。

2）為滿足平面控制測量的數(shù)據(jù)精度要求，同時(shí)考慮到儀器數(shù)量有限，該路段采用GPS兩級控制，首級采用四等GPS測量，下一級采用一級GPS測量。

3）為滿足高程控制測量的精度及工期的要求，經(jīng)研究該區(qū)段高程控制測量采用GPS擬合高程測量與電子水準(zhǔn)測量相結(jié)合的方法：即本測區(qū)平緩地段采用電子水準(zhǔn)儀單程雙轉(zhuǎn)點(diǎn)的方法，山區(qū)路線相鄰高程控制點(diǎn)間的距離不超過1．5 km的區(qū)段采用GPS擬合高程的方法。

4）由于此次工程施工現(xiàn)場高差變化比較大，距離中央子午線比較遠(yuǎn)，為保證投影變形在限差內(nèi)并充分利用現(xiàn)有數(shù)據(jù)資料，此次施工坐標(biāo)系采用1980西安坐標(biāo)系參考橢球，抵償高程面上的高斯正形投影任意帶平面直角坐標(biāo)系。

5）通過對實(shí)測數(shù)據(jù)的處理，得出了一些數(shù)據(jù)處理的規(guī)律。研究表明本文提出的方法均滿足相應(yīng)規(guī)范的精度要求，同時(shí)說明現(xiàn)代測量方法對于降低勞動強(qiáng)度、提高數(shù)據(jù)精度、提高工作效率等方面具有無可比擬的優(yōu)勢，具有廣泛的應(yīng)用前景。

［1］孔祥元．控制測量（上·下）［M］．武漢：武漢大學(xué)出版社，2006．

［2］劉躍武．道路勘測中使用GPS技術(shù)的方法［J］．北方交通，2009（5）：45－46．

［3］尚保興．GPS擬合高程在測量中的運(yùn)用［J］．山西科技，2008（6）：143－144．

［4］薛明．線路測量中GPS擬合高程的應(yīng)用研究［J］．山西建筑，2010，36（29）：350－352．

［5］徐紹栓．GPS測量原理及應(yīng)用［M］．武漢：武漢大學(xué)出版社，2004．

［6］潘正風(fēng)．?dāng)?shù)字測圖原理與方法［M］．武漢：武漢大學(xué)出版社，2004．

［7］中交第一公路勘測設(shè)計(jì)研究院．JTG／TC 10－2007公路勘測細(xì)則［S］．北京：人民交通出版社，2007．

［8］國家測繪局測繪標(biāo)準(zhǔn)化研究所．GB 12898－91國家三、四等水準(zhǔn)測量規(guī)范［S］．北京：人民交通出版社，2009．

The method about the control survey of road

HOU Xiao－zhen1，YU Rui－peng2
（1．School of Environmental Science and Spatial Informatics，China University of Mining and Technology，Xuzhou 221008，China；2．The First Geology and Mining Exploration Institution of Shandong，Jinan 250014，China）

The control survey is the foundation of staking，thus we must establish the control network with a certain precision．The equipment and the measuring method contribute a lot to the project’s quality．I will put forward the best control method by combining the second phase of Zhang Cheng Highway with the modern equipment；and through the measurement data processing and analysis，the feasibility of this method was verified．

road survey；control survey；GPS

P221

A

1006－7949（2012）04－0070－04

2011－11－16

侯曉真（1988－），女，碩士研究生．

［責(zé)任編輯張德福］