高速公路工程測(cè)量中GPS的應(yīng)用研究

王雷

摘 要：本文基于筆者多年從事高速公路測(cè)量的相關(guān)工作經(jīng)驗(yàn)，以基于GPS的沉降變形監(jiān)測(cè)技術(shù)為研究對(duì)象，探討了其在某高速公路沉降變形監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用思路，全文是筆者長(zhǎng)期實(shí)踐基礎(chǔ)上的理論升華，相信對(duì)從事相關(guān)工作的同行能有所裨益。

關(guān)鍵詞：GPS 沉降 變形監(jiān)測(cè) 公路

中圖分類號(hào)：TB22 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2014）02（a）-0084-02

1 工程概述

某高速公路全線采用雙向四車道全封閉高速公路標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，設(shè)計(jì)行車時(shí)速100～120 km/h。本人選取其中10 km作為GPS沉降變形監(jiān)測(cè)的工程項(xiàng)目，所處地形為平原和丘陵連接地帶，設(shè)計(jì)路基寬度26 m。路線設(shè)計(jì)為四車道該段有11個(gè)各種系統(tǒng)的平面控制點(diǎn)，經(jīng)過(guò)實(shí)地尋找，找出了5個(gè)。

在已找出的5個(gè)控制點(diǎn)中，國(guó)家測(cè)繪局系統(tǒng)一等點(diǎn)2個(gè)，二等點(diǎn)1個(gè)，城市測(cè)量系統(tǒng)點(diǎn)2個(gè)，這些平面控制點(diǎn)分屬不同測(cè)量系統(tǒng)，且等級(jí)不同。

2010年9月，本人對(duì)其中10 km路段進(jìn)行了測(cè)定，采用了GPS技術(shù)進(jìn)行高程測(cè)量，并與用二等水準(zhǔn)測(cè)量的高程數(shù)據(jù)進(jìn)行比較和分析，在測(cè)量過(guò)程中有意識(shí)對(duì)GPS的高程進(jìn)行了檢驗(yàn)。

2 工程實(shí)施過(guò)程

（1）觀測(cè)使用AshtechZ-X雙頻GPS接收機(jī)5臺(tái)，二等水準(zhǔn)采用NAZ+GPM3型水準(zhǔn)儀。并對(duì)兩種方法測(cè)量的成果進(jìn)行分析，同時(shí)用全站儀檢驗(yàn)了GPS點(diǎn)的坐標(biāo)。

（2）GPS網(wǎng)采用靜態(tài)模式觀測(cè)，網(wǎng)形采用邊連式。觀測(cè)時(shí)最少衛(wèi)星數(shù)5顆，存儲(chǔ)的限差：水平為±5 mm，垂直為±10 mm；水準(zhǔn)測(cè)量參照二等水準(zhǔn)的精度指標(biāo)。

（3）在測(cè)區(qū)內(nèi)l0 km范圍內(nèi)有GPS基準(zhǔn)點(diǎn)7個(gè)，布設(shè)14個(gè)變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)，每個(gè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)1～2 h。

3 精度分析

3.1 測(cè)區(qū)GPS沉降變形監(jiān)測(cè)網(wǎng)的精度分析

下面結(jié)合某高速公路的其中10 km路段的變形監(jiān)測(cè)網(wǎng)，對(duì)GPS基準(zhǔn)網(wǎng)和監(jiān)測(cè)網(wǎng)的精度進(jìn)行分析，該路段沉降變形監(jiān)測(cè)網(wǎng)，由7個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)（JZ03、JZ06、JZ08、JZ09、JZ10、JZ18和JZ21）組成了GPS基準(zhǔn)網(wǎng)；由14個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)（BJ01、BJ02、BJ04、BJ05、BJ07、BJ11、BJ12、BJ13、BJ14、BJ15、BJ16、BJ17、BJ19、BJ20）組成了GPS監(jiān)測(cè)網(wǎng)。通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的精密水準(zhǔn)觀測(cè)和基準(zhǔn)分析，認(rèn)定JGO3點(diǎn)是穩(wěn)定的，把JZO3作為基準(zhǔn)起算點(diǎn)，解算整個(gè)GPS網(wǎng)，GPS沉降變形監(jiān)測(cè)網(wǎng)采用邊連接形式布設(shè)（見圖1）。

表1給出了GPS基準(zhǔn)網(wǎng)基線解算的邊長(zhǎng)中誤差。從表1中可以看出，GPS基準(zhǔn)網(wǎng)的基線解算精度達(dá)到了毫米級(jí)。最大的基線邊長(zhǎng)中誤差為5.7 mm，最小的基線邊長(zhǎng)中誤差為0.l mm。GPS基準(zhǔn)網(wǎng)是在WGS-84坐標(biāo)系下進(jìn)行整體平差。平差時(shí)，固定具有精密WGS-84坐標(biāo)的JG03點(diǎn)，以提高整個(gè)基準(zhǔn)網(wǎng)的位置精度。平差后獲得其它基準(zhǔn)點(diǎn)在WGS-84坐標(biāo)系下的空間直角坐標(biāo)、大地坐標(biāo)和高斯平面直角坐標(biāo)及相關(guān)精度信息。監(jiān)測(cè)網(wǎng)的平差也在WGS-84坐標(biāo)系下進(jìn)行。經(jīng)過(guò)平差后獲得監(jiān)測(cè)點(diǎn)在WGS-84坐標(biāo)系下的空間直角坐標(biāo)、大地坐標(biāo)及相關(guān)的精度信息；然后固定JGO3點(diǎn)和方向，在WGS-84坐標(biāo)系的高斯平面上進(jìn)行平差。平差后獲得變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)的高斯平面直角坐標(biāo)、監(jiān)測(cè)點(diǎn)間的平面邊長(zhǎng)及其相關(guān)信息。

從GPS基準(zhǔn)點(diǎn)和變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)的中誤差統(tǒng)計(jì)可以發(fā)現(xiàn)（見表2），高程分量的精度雖然不如南北和東西方向分量的精度，但也沒(méi)有超過(guò)6 mm的，除了個(gè)別點(diǎn)因?yàn)橹車^測(cè)條件的影響（特別是多路徑效應(yīng)的影響）以及城區(qū)觀測(cè)環(huán)境的因素外，大多數(shù)都在4 mm左右，是可以滿足沉降變形監(jiān)測(cè)的需要。當(dāng)然，如果在觀測(cè)過(guò)程中，采取更多的措施，比如，采集數(shù)據(jù)前，精確檢驗(yàn)每個(gè)天線的相位中心位置，特別是垂直方向的差值；觀測(cè)時(shí)段增加到10 h以上，同時(shí)擁有更多的同步觀測(cè)站點(diǎn)等，精度會(huì)更高，也是值得進(jìn)一步考慮的。

3.2 沉降監(jiān)測(cè)及與精密水準(zhǔn)的一致性分析

通過(guò)表3比較GPS與全站儀兩種方法的測(cè)量結(jié)果可以看出：在兩種方法下測(cè)得的同一坐標(biāo)之差的最大值分別為：

△Xmax=4.0 mm，△Ymax=5.0 mm。

因此，GPS測(cè)量成果是精確可靠的，從下面定位精度一致性檢驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，GPS技術(shù)測(cè)量的點(diǎn)位精度可達(dá)毫米級(jí)，與全站儀測(cè)定結(jié)果符合得較好，可以較好地滿足公路變形監(jiān)測(cè)的精度要求。

使用GPS測(cè)出變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)的高程，然后將GPS高程與水準(zhǔn)高程進(jìn)行比較，其比較結(jié)果具有很高的參考價(jià)值，表4是工程中的一部分?jǐn)?shù)據(jù)。

可以看出，GPS高程與水準(zhǔn)高程最大差值不超過(guò)5 mm。GPS高程能滿足公路變形監(jiān)測(cè)的精度要求。GPS的數(shù)據(jù)處理結(jié)果表明，在水平方向上的監(jiān)測(cè)精度能達(dá)到毫米級(jí)，在豎直方向上的精也能達(dá)到毫米級(jí)。完全符合公路沉降變形監(jiān)測(cè)的精度要求。下面表格中的數(shù)據(jù)是從工程實(shí)例中抽取具有代表性的公路GPS沉降變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)，并以此數(shù)據(jù)為例，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

表5中僅列出了五個(gè)觀測(cè)周期的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，從中可以看出，不同周期的數(shù)據(jù)有所變化，相鄰觀測(cè)周期之間的高程變化不大，到了監(jiān)測(cè)后期變化甚小，趨于平穩(wěn)狀態(tài)。也就是說(shuō)，在公路剛剛進(jìn)入運(yùn)營(yíng)階段，是最容易發(fā)生沉降變形的，因此，剛剛投入使用的公路，前期的維護(hù)和保養(yǎng)是相當(dāng)關(guān)鍵的。

在此基礎(chǔ)上，筆者選擇工程中的部分變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)，繪制在公路使用過(guò)程中的高程變化趨勢(shì)圖。由于選取的變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)是隨機(jī)的，因此，該圖形可以代表該高速公路的其中10 km路段的整體變化情況，可以清楚的看到，在公路使用前期，監(jiān)測(cè)點(diǎn)隨時(shí)間呈下沉趨勢(shì)，而且下沉比較明顯。到了沉降監(jiān)測(cè)后期，由于前期在沉降變形過(guò)程中，對(duì)公路進(jìn)行了科學(xué)的維護(hù)和保養(yǎng)，路面結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，強(qiáng)度較高，在后期的運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，高程變化很小，相鄰觀測(cè)周期之間的高差趨于零。也就是說(shuō)，通過(guò)工程實(shí)踐，可以認(rèn)定該高速公路是穩(wěn)定的。

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