基于GPS技術(shù)公路控制測量研究

何文才

（四川省地質(zhì)工程勘察院集團(tuán)有限公司，四川 成都 610000）

1 GPS技術(shù)

GPS 技術(shù)全稱為全球定位系統(tǒng)，是一個(gè)能夠在全天候和全世界范圍內(nèi)應(yīng)用的衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，其是由衛(wèi)星設(shè)備、地面控制設(shè)備和用戶接收信號(hào)設(shè)備3 個(gè)部分構(gòu)成的。衛(wèi)星設(shè)備均勻分布在軌道上，在全世界任何一個(gè)時(shí)刻和地點(diǎn)都能實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星觀測，且能實(shí)現(xiàn)連續(xù)性的實(shí)時(shí)定位導(dǎo)航。地面控制設(shè)備則均勻分布在美國本土和三大洋的美軍基地上，由監(jiān)測站、主控站和注入站組成，實(shí)現(xiàn)對衛(wèi)星系統(tǒng)的監(jiān)測控制，并向衛(wèi)星注入更新好的導(dǎo)航電文。用戶接收設(shè)備由主機(jī)、電源和天線構(gòu)成，主機(jī)核心利用了維腦電技術(shù)和適應(yīng)癥到期等，可完成對衛(wèi)星選擇、數(shù)據(jù)采集和分析加工、傳承和存儲(chǔ)等功能，同時(shí)還能實(shí)現(xiàn)對設(shè)備系統(tǒng)的檢查更新、報(bào)警和故障排除等，實(shí)現(xiàn)對整個(gè)接收系統(tǒng)的自動(dòng)化管理。GPS 的觀測方式包括偽距法、干涉法以及微波相位法等，隨著觀測技術(shù)和處理方式的不斷發(fā)展，GPS 設(shè)備的體積越來越小，但是精確度越來越高，操作也越來越簡單，功能越來越強(qiáng)大。在這幾種觀測方法中，微波相位法利用了載波波長的優(yōu)勢，可獲得精確度更高的數(shù)據(jù)，因此得到更多的應(yīng)用，適應(yīng)性較強(qiáng)。

2 GPS技術(shù)在控制測量領(lǐng)域的工作原理

在應(yīng)用GPS 技術(shù)進(jìn)行控制測量時(shí)，其具體應(yīng)用原理和應(yīng)用流程如下。1）通過GPS 定位分析后，證明GPS 絕對定位的定位精確度較低，所以在控制測量時(shí)一般采用相對定位技術(shù)，選擇精確度較高的靜態(tài)相對定位方式后，在控制網(wǎng)內(nèi)選定已知坐標(biāo)、精確度滿足要求的地面控制點(diǎn)和GPS 控制點(diǎn)，注意是每隔一段固定的距離設(shè)置一個(gè)GPS 觀測點(diǎn)，要求選擇在穩(wěn)定平坦地地方進(jìn)行觀測點(diǎn)布設(shè)，且須遠(yuǎn)離大功率無線電發(fā)射源和高壓輸電線。在選點(diǎn)后應(yīng)在坐標(biāo)系圖上標(biāo)定位置并標(biāo)記繪制點(diǎn)，然后再在觀測站點(diǎn)上安裝GPS 接收機(jī)觀測衛(wèi)星信號(hào)，接收信號(hào)并進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理，確定基線兩側(cè)在坐標(biāo)系中的相對位置。為了減少觀測點(diǎn)布設(shè)和相位測量引起的誤差，可利用載波波長精確度較高的優(yōu)勢進(jìn)行相位觀測，其應(yīng)用原理是2 個(gè)及其以上測站點(diǎn)，在同一時(shí)間段內(nèi)可實(shí)現(xiàn)對相同衛(wèi)星信號(hào)的同步觀測量，大大降低了觀測的誤差。

3 GPS技術(shù)應(yīng)用特點(diǎn)和應(yīng)用優(yōu)勢分析

3.1 定位精確度高

利用GPS 技術(shù)進(jìn)行公路工程控制測量，可以在基線上設(shè)置多個(gè)觀測點(diǎn)進(jìn)行相對定位，測量的精確度很高，且符合公路工程線路長的特點(diǎn)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)證明，在800 km 以上的測量精確度可達(dá)10-8，在100 km～500 km 的精確度可達(dá) 10-6～10-7，在50 km 范圍內(nèi)的測量精確度可達(dá)（1-2）×10-6。

3.2 測站之間無需通視

在使用GPS 技術(shù)進(jìn)行控制測量時(shí)，一般在測站之間不用保持通視，將測站點(diǎn)設(shè)置穩(wěn)定平坦的地方就行，這樣也是為了方便測量，避免產(chǎn)生不必要的經(jīng)濟(jì)損失。同時(shí)因?yàn)闊o需通視，因此點(diǎn)位位置和相互之間的距離只需根據(jù)實(shí)際情況設(shè)置便可，選擇的距離和點(diǎn)位都比較靈活，且節(jié)約了大量計(jì)算和選點(diǎn)的工作，在降低工作難度同時(shí)還可以保證測量結(jié)果的精確性。

3.3 GPS數(shù)據(jù)處理結(jié)果能夠提供三維坐標(biāo)

利用GPS 技術(shù)不僅可以獲得精確度較高的數(shù)據(jù)，而且還能獲得坐標(biāo)、高程等詳細(xì)信息，并完成數(shù)據(jù)的分析處理，對處理后的數(shù)據(jù)可通過顯示設(shè)備呈現(xiàn)出來，平面坐標(biāo)與高程坐標(biāo)可分開計(jì)算，得到的數(shù)據(jù)能通過前后的對比，獲得精確的測站點(diǎn)平面位置，同時(shí)獲得高程點(diǎn)位的三維坐標(biāo)[1]。

3.4 GPS能夠?qū)崿F(xiàn)全天候作業(yè)

采用GPS 技術(shù)除了精確度高、無需通視、能獲得三維坐標(biāo)等優(yōu)勢外，該技術(shù)的適應(yīng)性和靈活性也很強(qiáng)，可適宜在任何地點(diǎn)、任何時(shí)刻進(jìn)行測量計(jì)算，具有全天候工作的優(yōu)勢。即使在環(huán)境惡劣的條件下都能利用GPS 技術(shù)得到精確度較高的數(shù)據(jù)，能在全球任意時(shí)間和地點(diǎn)完成連續(xù)性觀測。

3.5 GPS接收機(jī)輕便小巧，操作方便

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，GPS 相關(guān)設(shè)備正朝著體積小、便于操作及功能完善等方向發(fā)展。因此利用GPS 進(jìn)行野外公路工程的測量時(shí)，可減少操作人員的工作、減輕工作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。因?yàn)椴僮骱唵?，所以測量人員不用進(jìn)行太過復(fù)雜的流程，只要按照要求布設(shè)控制點(diǎn)并在測站點(diǎn)上安裝接收機(jī)就能獲取、跟蹤和記錄分析衛(wèi)星信號(hào)等信息數(shù)據(jù)，且隨著GPS的數(shù)字化程度的提升，可自動(dòng)化完成上述工作，降低了對操作人員的要求，也為整個(gè)工程測量節(jié)省了人工成本[2]。

3.6 觀測時(shí)間較短

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，GPS 相關(guān)設(shè)備和硬、軟件等都得到了更新和完善，利用該技術(shù)進(jìn)行公路工程的測量，除了可保證測量可靠性外，觀測的時(shí)間也大大縮短，一般在小范圍內(nèi)進(jìn)行靜態(tài)相對定位測量只要十幾分鐘甚至幾分鐘便能完成。

4 公路工程控制測量的特點(diǎn)

和其他工程測量相比，因?yàn)楣繁旧砭€路較長、測量區(qū)域較為狹窄其周邊環(huán)境相對復(fù)雜、會(huì)受地形地勢等環(huán)境因素的影響，所以在進(jìn)行控制測量時(shí)，經(jīng)緯跨度不大的公路工程容易因變形誤差而影響測量的結(jié)果。對于線路總長達(dá)幾十、幾百公里的，必須要對引起控制網(wǎng)誤差的原因進(jìn)行分析并找出應(yīng)對方法，使公路測量控制的各個(gè)點(diǎn)位精確度得到保障，滿足公路控制測量和施工的要求。在進(jìn)行公路測量時(shí)，具體包括對路線、橋梁、隧道和其他大型建筑物的控制測量，其中路線平面控制網(wǎng)是公路平面控制測量的主控網(wǎng)，沿線各種公路工程的平面控制網(wǎng)需要和主控網(wǎng)聯(lián)系起來，主控網(wǎng)則應(yīng)該全線貫通且統(tǒng)一平差。采用GPS 技術(shù)進(jìn)行控制網(wǎng)測量，不用進(jìn)行通視就能完成角度、歡唱和方位角的觀測，且滿足測量精確度要求，不存在傳遞引起的測量誤差[3]。

5 GPS技術(shù)在公路平面控制測量中的具體應(yīng)用

5.1 工程概況

某公路路線全長為1 011 km，東南至西北走向，沿線的東南地段地形相對平坦穩(wěn)定，但是西北地段的地形復(fù)雜嚴(yán)峻，沿線大部分是山地丘陵，植被茂盛，測區(qū)通視困難，如果采用常規(guī)的測量控制方法，無法在緊張的工期內(nèi)完成，期間還會(huì)遇到其他干擾因素的影響，最重要的是無法滿足測量精確度的要求，所以應(yīng)采用GPS 技術(shù)進(jìn)行測量控制。

5.2 控制測量外業(yè)實(shí)施過程

5.2.1 布置控制網(wǎng)

布置測量控制網(wǎng)時(shí)必須根據(jù)甲方要求和測量規(guī)范要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，保證控制網(wǎng)是閉環(huán)狀態(tài)。其次，必須有一定數(shù)量的點(diǎn)位重合，便于觀測和計(jì)算。同時(shí)要求觀測網(wǎng)點(diǎn)和水準(zhǔn)點(diǎn)重合，實(shí)現(xiàn)在控制網(wǎng)中的均勻分布，從而可為觀測數(shù)據(jù)分析提供可靠參考。另外，在布置控制網(wǎng)時(shí)要求觀測點(diǎn)之間最好要有開闊的視野，雖然無須通視，但是良好的視覺效果避免了外在因素的干擾，提高觀測的精確性。一般要求在觀測點(diǎn)150°高度以上不能有障礙物出現(xiàn)，這樣才可發(fā)揮出GPS測量的優(yōu)勢。為了滿足甲方以及對公路測量結(jié)果精確度的要求，從而為后期工程建設(shè)或改建、修改等提供可靠依據(jù)。在進(jìn)行控制網(wǎng)精確度指標(biāo)設(shè)置時(shí)還要結(jié)合工程實(shí)際和所用測量工具的特點(diǎn)、技術(shù)條件等，根據(jù)測量的規(guī)范來確定最終相鄰點(diǎn)位之間的距離標(biāo)準(zhǔn)差指標(biāo)。

5.2.2 GPS測量外業(yè)實(shí)施

在GPS 測量外業(yè)工作中，根據(jù)測量設(shè)計(jì)要求在測量區(qū)域內(nèi)布設(shè)GPS 觀測點(diǎn)，導(dǎo)線點(diǎn)等。為了避免電磁場等對信號(hào)產(chǎn)生影響，要求選擇的點(diǎn)位盡量遠(yuǎn)離大功率無線電發(fā)射源與高壓電線，選擇交通便利和視野開闊的地方。最后在選點(diǎn)結(jié)束后根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際澆筑的混凝土樁進(jìn)行標(biāo)記和記錄。在具體測量時(shí)，為獲得精確的數(shù)據(jù)并進(jìn)行對比，先在已知GPS 觀測點(diǎn)上利用三角支架進(jìn)行觀測，平面觀測時(shí)要滿足測量規(guī)范要求，然后使用相同方式對其他布置的觀測站點(diǎn)進(jìn)行測量，取3 個(gè)差值不超過2 cm 的平面觀測結(jié)果作為該點(diǎn)觀測站點(diǎn)的平面坐標(biāo)觀測結(jié)果，數(shù)據(jù)見表1。

表1 施工控制點(diǎn)平面坐標(biāo)成果表

利用GPS 測量完成后，使用全站儀對施工控制點(diǎn)A1、A2、A3 進(jìn)行角度、邊長檢核，檢核結(jié)果，見表2。

由表2 可知，角度較差為8″（限差為±20″），最弱邊相對中誤差為1/27767（限差為1/7000），精度良好，滿足“規(guī)范”要求。

在施測結(jié)束后，需要利用相關(guān)的數(shù)據(jù)處理軟件完成基線解算和網(wǎng)平差等數(shù)據(jù)處理，然后獲得GPS控制點(diǎn)的三維坐標(biāo)，并保證同步觀測精度、異步環(huán)觀測精度和復(fù)測基線觀測精度等精度指標(biāo)要符合設(shè)計(jì)要求。

表2 施工控制點(diǎn)平面坐標(biāo)成果表

6 結(jié)語

綜上所述，GPS 技術(shù)在公路控制測量中的應(yīng)用，具有布置控制網(wǎng)簡單、工作效率高、工作量少、安全可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，尤其在山區(qū)等地形復(fù)雜的區(qū)域進(jìn)行公路控制測量，還能避免外在不利因素對測量結(jié)果的干擾，同時(shí)實(shí)現(xiàn)對周圍生態(tài)環(huán)境的保護(hù)。在具體測量控制時(shí)，為避免影響GPS 測量控制的精確度，要合理選擇觀測的時(shí)間，同時(shí)也要注意2 個(gè)控制點(diǎn)之間的距離要合適，不能一個(gè)設(shè)置在山脊另一個(gè)設(shè)置在山溝或者2 個(gè)點(diǎn)之間的距離過大。由于GPS 技術(shù)在測量速度、精確度、效率以及操作等方面等都具有常規(guī)性控制測量無法具有的優(yōu)勢，因此其在公路控制測量中的應(yīng)用越來越普遍且得到了很好的測量效果。