GPS 測繪技術(shù)在鐵路工程測量中的應(yīng)用

夏旭東

（中鐵二十一局集團(tuán)第二工程有限公司，甘肅蘭州 730000）

近年來，GPS 測繪技術(shù)發(fā)展迅速，由于其自身無須通視、精度高、測繪時(shí)間短、操作便捷以及功能多等優(yōu)勢，現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用到鐵路工程測量工作中。本文就GPS 測繪技術(shù)在新建宣城至績溪高速鐵路站前工程XJZQ-4 標(biāo)段（25.326km）段的應(yīng)用進(jìn)行分析。

1 案例概況

新建宣城至績溪高速鐵路站前工程XJZQ-4 標(biāo)段（25.326km）設(shè)計(jì)速度350km/h，線路穿越崇山峻嶺，地形起伏大、地質(zhì)條件復(fù)雜。特別是全標(biāo)段長大隧道（金沙隧道：4607m、蒙山一號隧道：3662.85m）洞口施工條件差、危巖落石、人為坑洞、巖爆、高地應(yīng)力、巖溶等不良地質(zhì)顯著，圍巖圍護(hù)結(jié)構(gòu)工序復(fù)雜；由于通視條件較差，工程量大且任務(wù)艱巨，如果使用常規(guī)的測繪技術(shù)既耗時(shí)又費(fèi)力，且難以滿足本工程項(xiàng)目的建設(shè)需求，故而使用GPS 測繪技術(shù)完成測量工作。

2 GPS 測繪技術(shù)原理

GPS 測繪技術(shù)指的是一種全球性的定位系統(tǒng)，它最早是由美國軍方研究和制造而成的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，通過該系統(tǒng)用戶可以在全球范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)全天候、連續(xù)性以及實(shí)時(shí)性的導(dǎo)航定位。

GPS 系統(tǒng)主要由以下三個(gè)部分組成，即：空間部分（GPS 衛(wèi)星）、地面控制部分（地面監(jiān)控系統(tǒng)）以及用戶設(shè)備部分（GPS 信號接收機(jī)）。在GPS 定位系統(tǒng)下，先由空間部分的GPS 衛(wèi)星發(fā)出測距信號，用戶再使用GPS 信號接收機(jī)接收3 顆及以上的GPS 衛(wèi)星信號，最后得出準(zhǔn)確的空間坐標(biāo)和測站點(diǎn)，并通過使用距離交會(huì)法計(jì)算側(cè)測量站的精確位置。GPS 測繪技術(shù)在本工程項(xiàng)目中的應(yīng)用可以準(zhǔn)確判斷出測量點(diǎn)的具體位置，提高測量數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)性和可靠性。

3 GPS 測繪技術(shù)特點(diǎn)

在傳統(tǒng)的測繪工作中，因人為操作和其他外界因素的影響加大了測繪數(shù)據(jù)的誤差，而GPS 測繪技術(shù)具有無須通視、精度高、操作便捷、觀測時(shí)間短以及功能多等特點(diǎn)，既增強(qiáng)數(shù)據(jù)信息的準(zhǔn)確性，又實(shí)現(xiàn)測繪工作的實(shí)效性。

3.1 無須通視

測量點(diǎn)與測量點(diǎn)之間的相互通視一直以來是本工程項(xiàng)目中需要攻克的重難點(diǎn)問題，GPS 測繪技術(shù)的應(yīng)用巧妙解決了這一問題。但測量點(diǎn)上空必須開闊，在接收衛(wèi)星信號的過程中才不會(huì)受到任何干擾。

3.2 精度高

一般情況下，雙頻GPS 信號接收機(jī)的精度為5mm+1ppm，紅外儀的精度為5mm+5pmm，而GPS 測繪技術(shù)的測量精度與雙頻信號接收與紅外儀的測量精度相當(dāng)。但是，隨著監(jiān)測距離的不斷增長，GPS 測繪技術(shù)的優(yōu)越性愈加突出。相關(guān)數(shù)據(jù)顯示：在小于50km 的鐵路基線上，GPS 測繪技術(shù)的測量精度可達(dá)1ppm，而在500～1000km 內(nèi)的鐵路基線上其精度可達(dá)0.001ppm。

3.3 操作便捷

由于GPS 測繪技術(shù)在研究和開發(fā)過程中已經(jīng)具備了超高的自動(dòng)化水平，在具體應(yīng)用時(shí)只需安裝相應(yīng)的開關(guān)設(shè)備即可監(jiān)測，操作便捷，其所搜集到的數(shù)據(jù)信息全面、準(zhǔn)確且利用價(jià)值極高。比如在對本工程項(xiàng)目建設(shè)過程中的氣象數(shù)據(jù)采集時(shí)，系統(tǒng)中的所有設(shè)備全部處于高度監(jiān)視的工作狀態(tài)，同時(shí)與GPS 信號接收機(jī)連接于一起，保證監(jiān)測工作的自動(dòng)完成。如果在同一監(jiān)測點(diǎn)內(nèi)連續(xù)觀測，GPS 系統(tǒng)還將采集到的氣象數(shù)據(jù)信息存儲并傳送至數(shù)據(jù)信息處理中心，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)信息采集與處理的自動(dòng)化。

3.4 觀測時(shí)間短

GPS 測繪技術(shù)在本工程項(xiàng)目具體的測量工作中，采用的是靜態(tài)定位的方法，以其中的一條基線為標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合所需要的觀測數(shù)據(jù)完成全部測量工作，時(shí)間一般為2h 左右。如果使用快速定位法僅需要在幾分鐘內(nèi)便可以完成。當(dāng)前，隨著GPS 測繪技術(shù)的不斷發(fā)展，過去的鐵路工程測量可能需要幾天才能完成，如今幾個(gè)小時(shí)便能完成，既節(jié)省了觀測時(shí)間，又提高了監(jiān)測工作人員的工作效率。比如，升級后的GPS 測繪系統(tǒng)可在20km 范圍內(nèi)達(dá)到靜態(tài)定位，且僅需要16～20min 就能完成全部測量工作。

3.5 應(yīng)用領(lǐng)域廣

GPS 測繪技術(shù)可以為各行業(yè)領(lǐng)域提供連續(xù)性和實(shí)時(shí)性的三維位置和時(shí)間信息，因此它不僅可以用于測量工作，還能完成測速和測時(shí)。目前，在GPS 測繪技術(shù)不斷發(fā)展的大背景下，其應(yīng)用領(lǐng)域也不斷擴(kuò)張，比如運(yùn)動(dòng)目標(biāo)監(jiān)測與管理方面均取得理想的成績。

4 鐵路工程測量中GPS 測繪技術(shù)的可行性

大量實(shí)踐證明：GPS 測繪技術(shù)在鐵路鐵路工程測量中的應(yīng)用已足夠體現(xiàn)出其自身的可行性，這也足以說明GPS 測繪技術(shù)在鐵路工程測量中有著十分廣闊的發(fā)展前景。運(yùn)用GPS 測繪技術(shù)即縮短了人工測量的時(shí)間，又提高了人力資源的利用效率，且提高了工程項(xiàng)目測量的準(zhǔn)確性。GPS 測繪技術(shù)在本工程項(xiàng)目中的應(yīng)用幫助設(shè)計(jì)人員快速完成基礎(chǔ)設(shè)計(jì)工作，進(jìn)而改善傳統(tǒng)設(shè)計(jì)工作中的缺陷，增強(qiáng)測繪的效果并提高質(zhì)量。

GPS 測繪技術(shù)與傳統(tǒng)的測繪技術(shù)相比較，具有速度快、效率高、成本低等優(yōu)勢。從目前的情況來看，GPS 測繪技術(shù)已在鐵路工程項(xiàng)目中得到迅速的推廣和應(yīng)用，逐漸發(fā)展成為具有多用途、多功效以及多領(lǐng)域的高新技術(shù)。另外，GPS 測繪技術(shù)也在本工程項(xiàng)目中取得了良好的效果，不僅有效解決了點(diǎn)和位之間的通視難題，更實(shí)現(xiàn)了靈活選點(diǎn)、無須坐標(biāo)以及外施作業(yè)不受任何天氣影響等目標(biāo)。

5 GPS 測繪技術(shù)在鐵路工程測量中的應(yīng)用實(shí)踐

5.1 動(dòng)態(tài)定位模式測量

動(dòng)態(tài)定位模式測量是GPS 測繪技術(shù)發(fā)展至今的一個(gè)全新突破，動(dòng)態(tài)定位（RTK）系統(tǒng)主要由基準(zhǔn)站和移動(dòng)站兩個(gè)部分組成。其中，移動(dòng)站是實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位模式測量的根本保證，原理是將精度較高的取位點(diǎn)作為基準(zhǔn)點(diǎn)，并安裝一臺GPS 信號接收機(jī)作為參考站，對不同衛(wèi)星實(shí)施連續(xù)性的觀測，當(dāng)移動(dòng)站上的GPS 信號接收機(jī)在接收到衛(wèi)星信號時(shí)，再通過無線電傳輸設(shè)備觀測所接收到的數(shù)據(jù)信息，通過計(jì)算機(jī)計(jì)算和顯示移動(dòng)站中的三維坐標(biāo)?；谝陨戏治觯珿PS 測繪技術(shù)在本工程項(xiàng)目中的應(yīng)用，項(xiàng)目主要負(fù)責(zé)人可以完成對測試點(diǎn)的數(shù)據(jù)觀測，確定觀測時(shí)間，減少沉冗觀測，進(jìn)而提高監(jiān)測效率。但在使用動(dòng)態(tài)定位模式測量之前需對其進(jìn)行初始化工作，并靜止觀測控制點(diǎn)數(shù)分鐘以上，此時(shí)移動(dòng)站即可按照預(yù)定的采樣目標(biāo)并連同基準(zhǔn)站實(shí)現(xiàn)同步數(shù)據(jù)觀測，以此確定空間位置，目前動(dòng)態(tài)定位模式測量的精確度已達(dá)到厘米級。由于其高效、精準(zhǔn)、干擾小的優(yōu)點(diǎn)，目前動(dòng)態(tài)定位測量被廣泛運(yùn)用于鐵路工程地形圖測繪、土石方復(fù)測、施工過程構(gòu)筑物放樣等方面。

5.2 快速靜態(tài)測量模式

運(yùn)用快速靜態(tài)測量可以實(shí)現(xiàn)對鐵路工程項(xiàng)目控制網(wǎng)的測量，而在本工程項(xiàng)目中，控制網(wǎng)主要用來控制線路的走向，為下一步測量提供方便，是目前等級較高的控制網(wǎng)。但是，由于目前國家三角點(diǎn)毀損情況較為嚴(yán)重，如果僅僅使用全站儀測量，在30km范圍之內(nèi)基本找不到三角點(diǎn)實(shí)現(xiàn)聯(lián)測。因此，需要在國家三角點(diǎn)上完成加密測量，進(jìn)而完成對鐵路控制網(wǎng)的測量，這對于鐵路工程項(xiàng)目的蓬勃發(fā)展來說是十分有必要的。

在具體的測量過程中，每一移動(dòng)站上的GPS 信號接收機(jī)在靜止觀測狀態(tài)下可以同時(shí)接收到基準(zhǔn)站和移動(dòng)站發(fā)出的數(shù)據(jù)信息，迅速幫助用戶計(jì)算出三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)?？焖凫o態(tài)測量模式在本工程項(xiàng)目中的應(yīng)用可以很快得到準(zhǔn)確又可靠的數(shù)據(jù)，加快本工程項(xiàng)目的建設(shè)進(jìn)程。目前，鐵路工程施工中常用的靜態(tài)測量有CP I、CP II 控制網(wǎng)復(fù)測、加密控制網(wǎng)復(fù)測、CP Ⅲ控制網(wǎng)復(fù)測、橋梁墩臺身監(jiān)測、路基沉降及位移監(jiān)測等方面。

6 GPS 測繪技術(shù)應(yīng)用的注意事項(xiàng)

6.1 注重加強(qiáng)高程問題

GPS 測繪技術(shù)在本工程項(xiàng)目中的應(yīng)用，高程問題是最關(guān)鍵和最重要的問題之一，因此如何處理和解決好高程問題尤為重要。一旦高程問題得到根本性的解決，能為本工程項(xiàng)目創(chuàng)造巨大的經(jīng)濟(jì)效益。但實(shí)際的高程問題在解決過程中有一定難度，需要相關(guān)人員結(jié)合工程項(xiàng)目的實(shí)際情況靈活選擇和應(yīng)用不同的方法。比如在對本項(xiàng)目隧道洞外測量工作中，高程問題的解決可通過重力測量方法和重力異常圖解決，以此提高測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，提高監(jiān)測效率。

6.2 綜合考慮項(xiàng)目特點(diǎn)

在鐵路工程測量工作中，由于測量的位置不同、天氣不同等因素影響，其所選擇的轉(zhuǎn)化參數(shù)也不盡相同，同一個(gè)轉(zhuǎn)換參數(shù)不得同時(shí)運(yùn)用到不同的監(jiān)測位置上?；谶@一情況，GPS 測繪技術(shù)在本工程項(xiàng)目中的應(yīng)用，應(yīng)充分考慮自身的特點(diǎn)科學(xué)合理地選擇參數(shù)，充分發(fā)揮GPS 測繪技術(shù)中的優(yōu)勢和作用，這也是鐵路工程測量事業(yè)開展的目的所在。否則，GPS 測繪技術(shù)在鐵路工程項(xiàng)目中應(yīng)用便失去了應(yīng)有的意義。為了使GPS 測繪技術(shù)更好地服務(wù)于鐵路工程項(xiàng)目的測量工作中，還需要在考慮自身特點(diǎn)的基礎(chǔ)上不斷優(yōu)化和完善GPS 測繪技術(shù)，這也是鐵路工程測量事業(yè)需要重視的內(nèi)容之一。

7 結(jié)束語

2020 年，隨著我國北斗3 號的全球組網(wǎng)，GPS 技術(shù)必將深度融入國民經(jīng)濟(jì)和人民生活的各個(gè)領(lǐng)域，對國家產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型、數(shù)字中國的建設(shè)中做出重要貢獻(xiàn)，同時(shí)也給鐵路工程測量帶來了日新月異的變化。GPS 測繪技術(shù)作為一項(xiàng)新形勢下應(yīng)用廣泛的測量手段，較其他傳統(tǒng)測量技術(shù)相比具有無法比擬的優(yōu)勢，既幫助施工企業(yè)節(jié)約了大量的人力、財(cái)力和物力資源，又提高了測量工作的效率，是現(xiàn)代鐵路工程測量中的一次重大革命。