GPS測繪技術在工程測繪中的應用

■湯良軍

（江蘇省地質礦產局第五地質大隊 江蘇徐州 221004）

GPS測繪技術在工程測繪中的應用

■湯良軍

（江蘇省地質礦產局第五地質大隊 江蘇徐州 221004）

本文主要結合高速鐵路工程測量實例就GPS控制網技術的應用做了一些分析和探討。

GPS控制網技術應用

我國高速鐵路建設規(guī)模越來越大，其質量要求也越來越高，對于測量的要求和精度也要求越來越高。一些工程采用常規(guī)測量方法無法達到要求，本文將結合高速鐵路工程測量實例就GPS控制網技術的應用做一些分析和探討。

1 工程概況

溫福鐵路福建段第Ⅲ標段施工任務，其中有多座特大型橋梁及隧道。其中寧德特大橋，全長8456.28m，溫福端位于漳灣鎮(zhèn)蔣沃村，福州端在寧德市天坪崗村進入筆架山隧道，橋梁跨越整個寧德海灣，其橋梁大部分位于寧德海灣中，海灣寬度有6km左右，選用GPS進行測量控制。

2 GPS控制網的布設

2.1 基準設計

GPS測量獲得的是GPS基線向量,它屬于WGS-84坐標系的三維坐標差,而實際需要的是國家坐標系或地方獨立坐標系的坐標。因此需要結合當地位置和有關規(guī)范規(guī)定,進行GPS網的基準設計。

2.2 控制網布設

控制網布設時，為了組成最強的圖形，由相連的三個大地四邊形組成，寧德海灣的兩岸各布設了4個點，要求同岸側的4個點相互之間必須通視，點位間間距不大于1000m，且為保證對衛(wèi)星的連續(xù)跟蹤觀測和衛(wèi)星信號的質量，要求點位上空應盡可能的開闊，在10～15°高度角以上不能有成片的障礙物,在點位周圍約200m的范圍內不能有強電磁波干擾源，如大功率無線電發(fā)射設施、高壓輸電線、高層建筑、成片水域等。

3 外業(yè)實施

外業(yè)觀測采用三臺Timble5700雙頻GPS接受機,它的標稱精度可達5mm±1ppm,滿足精度要求。在精度和網型確定好后，就要進行外業(yè)觀測，制定作業(yè)計劃。為了保證網的整體性和內符合度，先確定N1-N4-B1-B4為框架網點，后測定其余點相互及與框架點關系。具體做法為，先選取同步觀測環(huán)，由于只有三臺接收機，則三點為一同步環(huán)，共確定8個同步觀測環(huán)，分別為N2-N3-B2、N2-B2-B3、N1-N4-B1、N1-N4-B4、N2-N3-N4、N2-N3-N1、B1-B3-B4、B1-B2-B4,既免去費時費力的繞過海灣來回搬站，提高了作業(yè)的效率，又能具有足夠的多余的獨立基線，每點至少有五條基線相連，保證網的可靠性。為提高網的精度和檢核起算數據，用徠卡TCA2003全站儀精密測量了N1-B4、N4-B4兩邊的邊長。

4 數據處理

4.1 基線處理

在進行基線解算時，首先用軟件讀取原始的GPS觀測值數據。開始解算前需要對觀測數據進行必要的檢查，檢查的項目包括：測站名、點號、測站坐標、天線高等。軟件對觀測值進行各種模型改正，如對流層改正、電離層改正等，軟件自動解算基線。基線解算完畢后，基線結果并不能馬上用于后續(xù)的處理，還必須對基線的質量進行檢驗，基線的質量檢驗需要通過比率、RMS、參考方差、同步環(huán)閉和差、異步環(huán)閉和差和重復基線較差來進行。只有質量合格的基線才能用于后續(xù)的處理，如果不合格，則需要借助觀測值殘差圖對GPS觀測值進行剔除處理，剔除那些殘差較大和周跳嚴重的時間段的觀測值，觀測時間很短的衛(wèi)星觀測值也需剔除，數據的剔除率不得大于10%，若解算還不合格，則需補測直至基線合格。

4.2 平差計算

基線解算完畢后，即用平差軟件進行平差計算。首先軟件上設置預先設計好的坐標系統(tǒng)，先進行三維無約束平差，GPS網的三維無約束平差是指平差在WGS-84三維空間直角坐標系下進行，平差時不引入使得GPS網產生由非觀測量所引起的變形的外部約束條件，即只固定一點。三維無約束平差能很好的評定GPS網的內部符合精度，發(fā)現和剔除GPS觀測值中可能存在的粗差，反映了GPS網本身的質量好壞，如果平差結果質量不好，則說明GPS網的布設或GPS觀測值的質量有問題。判定三維無約束平差好壞的指標為基線分量的改正數（VΔX、VΔY、VΔZ），改正數的絕對值應小于3σ（σ含義與上同）。

在三維無約束平差精度符合要求后，在平面坐標系內進行二維約束平差。需輸入約束點的坐標和其他距離或方位的約束值。約束點的選擇是關鍵，約束點的內符合精度將直接網的平差精度，精度不高的約束點將把網整體進行較大的縮放和旋轉。人為降低網的精度。平差時選擇N1、B4為約束點。選擇這兩點有兩個原因，一是它們是Ⅲ標整體控制網的控制點，為了大橋網與Ⅲ標網相統(tǒng)一。二是經過TCA2003精密測量邊長的校核，兩點相對精度較高，滿足B級網的要求。判定二維約束平差好壞的指標有點位中誤差、相對中誤差、基線分量的改正數，其中基線分量改正數與三維無約束平差結果的同一基線的相應改正數較差的絕對值（dVΔX、dVΔY、dVΔZ）應小于2σ（σ含義與上同）。

4.3 平差總結

經過平差處理后，網中最弱點位中誤差為8mm，平均點位中誤差為4mm，最弱邊相對中誤差1/257515，平均邊長相對中誤差1/ 732981。精度比常規(guī)測量要高許多，且誤差穩(wěn)定分布均勻。達到B級網要求。

5 討論和體會

GPS定位測量所取得的高程屬于WGS-84大地高程，GPS網布設時，如果聯(lián)測一定數量的水準高程點，則可將GPS大地高程轉換為水準高程。所以，設計GPS網時，聯(lián)測一定數量的具有國家或地方坐標系坐標的控制點和具有水準高程的控制點，以便將觀測的GPS點的WGS-84坐標轉換為國家或地方坐標，將GPS大地高程轉換為水準高程。GPS基準設計中，首先要考慮的應當是聯(lián)測測區(qū)內附近高等級的具有WGS-84坐標的控制點，通過GPS觀測數據處理，GPS點能夠獲得高精度的WGS-84坐標。然后，根據測圖或工程需要，聯(lián)測一定數量高等級的國家或地方坐標系的控制點（一般3個以上），聯(lián)測一定數量的水準高程點（一般5個以上）。設計時要求公共點點位分布均勻。

如果同時用三臺GPS接收機進行相對定位，可以同時結算三條基線向量，三條基線向量構成同步觀測環(huán)。如果同時用四臺GPS接收機進行相對定位，可以同時結算六條基線向量。用N臺接收機進行相對定位，可以同時結算出N(N-1)/2條基線向量，構成多個同步三角形觀測環(huán)。前已述及，用N臺接收機進行相對相對定位，每個時間段可以同時結算出N(N-1)/2條觀測基線，其中，有N-1條是獨立基線。因為其中任意一條基線可以用其余N-1條基線計算出來。

[1]喬軍.GPS靜態(tài)控制網成果的常見檢核誤區(qū)分析 [J].陜西水利,2013,(2):131-132.

[2]袁國華,郭文瑞.在山區(qū)建立GPS控制網的優(yōu)化法 [J].價值工程,2013,32(13):203-204.

P228[文獻碼]B

1000-405X（2015）-11-122-1