GPS與全站儀聯合測量在高速公路勘測中的應用

王 磊

（中鐵十八局集團第三工程有限公司，河北 涿州 072750）

1 引言

目前由于新型公路勘察技術的不斷涌現，公路勘察設計逐漸走向一體化和自動化，在提高公路勘察效率和準確性的同時，確保公路的勘察質量?，F階段公路勘察項目中還是以全站儀設備為主，但其應用時往往會受到地形地貌的限制，降低了工作效率。GPS RTK技術在公路勘察應用中也較為廣泛，但其在應用時也會遇到信號不佳的問題，同樣會受到一定的限制［1］。因此，為較好的提高公路勘察的整體質量，可有效將GPS RTK技術和全站儀相聯合，互相揚長補短，進行公路綜合勘察。本文研究GPS RTK技術和全站儀聯合測量在公路勘察中的應用，首先對GPS技術、全站儀、GPS RTK技術和全站儀相聯合技術的應用特點進行闡述，重點研究GPS RTK技術和全站儀相聯合勘察的應用。

2 幾種公路勘測技術應用特點

2.1 GPS PTK勘察技術

（1）勘測原理

GPSPTK技術主要應用設備為流動站加基準站，其基準站通常設置在已知基準點位之上［2］，另外對地勢的標高和視野要求較高，結合GPS衛(wèi)星傳來的跟蹤檢測信號來進行綜合信息采集分析，最終得到具備厘米級別的定位結果，GPS RTK的定位原理如圖1所示。

圖1 GPSRTK定位原理圖

（2）勘測特點

GPS RTK技術應用于公路橫斷面測量工作中具備成本低、效率高等特點，同時在測量快捷準確，然而流動站需測量待測點的具體位置，增大了測量難度，同時對公路工況有一定的要求，在某些特殊工況下GPS RTK技術有時并不適用［3-4］。GPSRTK測量特點顯著，主要為：

①提高作業(yè)效率。僅設立少許基準點即可完成測量工作；

②全天候工作。在任何位置和任意時間均可有效完成公路測量工作；

③測量直觀。采用GPS RTK技術測量公路橫斷面時可克服地勢高、遮擋物大等問題，相對于常規(guī)測量技術其直觀性更好；

④測量人員需求少。在應用GPS RTK技術進行公路橫斷面測量時，同一基準站可由多個流動站共同使用，同時一個流動站的測量接收僅需1名技術人員操作即可，極大節(jié)約人員成本投入。

（3）勘測要點

首先采用異步閉合網的形式在待測路線上沿線來設置控制網，每隔2~3km的間距在各區(qū)域設置控制點，針對山區(qū)，控制點設置的間距需低于2km。測區(qū)控制網設置完畢后對各控制點處的坐標和高程實現靜態(tài)觀察，觀察前將基準站設定于視野開闊、地勢達標的區(qū)域，再結合PTK質量控制措施得到坐標系間的轉換擬合參數［5］。點位測定公路中樁，并將其坐標輸入并埋樁標記。通過輸入放樣點位計算得到導航數據，并顯示在導航圖上，測量得到RTK接收器在地方坐標系上的具體位置，表征出RTK接收器和放樣點之間的位置偏差，通過位置重合后可準確得到放樣點位置。最后整理輸出所采集的坐標數據，先進行定點設置橫斷面方向，根據系統(tǒng)中的偏距測量功能采集各處變化點的坐標和高程，確定出橫斷面的地面數據，結合地形特征結合數據模型處理技術得到最終的橫斷面信息。

2.2 全站儀

在地勢陡峭的山區(qū)公路進行橫斷面測量時，部分位置無法進行正常跑尺作業(yè)，因此會選用全站儀設備進行測量處理。通過總結分析和實際應用，可歸納出全站儀測量技術的主要技術特征有：

（1）效率高，使用范圍廣。采用全站儀測量時往往不需到達待測點即可得到待測點的坐標信息，極大提高測量效率。

（2）測距速度快。全站儀測量時其速度較快，同時操作性簡單。

（3）測程遠。全站儀結合自身的棱鏡可極大提升測程，但在植被茂密區(qū)域會大大限制全站儀的測量效果［6］。

（4）自動化。各測站僅需1名技術人員即可完成測量，其測量效率較高，但全站儀測量的精度不高，同時容易受到地形、天氣以及工況等因素的影響，其適用性受到一定的限制。

2.3 GPS和全站儀聯合測量

公路測量時GPS RTK技術往往無法完全代替常規(guī)的測量技術，在一定情況下還需要結合全站儀、水平儀等設備進行協(xié)同測量，例如植被茂密或公路上構建物分布密集時，可采用GPSPTK技術進行控制點測定，完成聯合測量作業(yè)。具體操作為先進行RTK技術放樣，將事先設計好的點位坐標輸入到手簿內，連接好GPS接收裝置，快速準確地計算標記出放樣點位置，然而收到地形限制，采用全站儀進行配合操作，結合全站儀來測量待測點處的碎部點，兩種測量方式相結合，可較好貫穿到整個公路測量工作中。

3 GPS和全站儀相聯合勘測工程應用

3.1 工程概況

某山區(qū)高速公路第1合同段總長度為17.36km，設計行車速度為80km/h，雙向四車道，路基寬度為23.5m。該合同段整體呈南北走向，沿線地勢主要以丘陵為主，海拔最高高達1400m，同時植被茂密，路基的土石方量較大，其中還包括2座立交互通和4座中大橋，因此給公路的測量工作帶來難度。針對實際情況，施工單位決定采用GPS RTK技術和全站儀相聯合的方式進行公路測量，并選出三個不同特殊工況進行測量情況對比，分析GPS RTK技術和全站儀相聯合的可行性。

3.2 勘測步驟

（1）前期工作

公路工程測量設計的內容較多，其操作環(huán)節(jié)復雜，為了提高測量的準確性，應將GPS RTK技術和全站儀相結合，同時需對前期的準備工作完善。提前熟悉掌握GPS PTK聯合全站儀測量步驟流程，測量技術人員結合實際情況制定出科學有效的測量工藝，然后再逐步詳細的開展測量工作［7］。正式測量前測量技術人員提前對待測點區(qū)域的實際情況進行仔細勘察，即對地理環(huán)境、經緯度、面積高程、地形地勢等進行勘察。同時對各測繪儀器設備進行調試，確定測量中所應有的坐標系統(tǒng)、控制網布局及高程布局等參數。各測量人員需進行產前培訓，測量過程中做好各項數據記錄，不得出現遺測、漏測現象。

（2）投影面及投影帶選取

平面控制測量投影面和投影帶的選擇主要是解決長度變形問題。具體表現為：

①高程越大，長度變形越大。

實測邊長歸算到參考橢球面上的變形影響，其值為Δs1：

式中：Hm為歸算邊高出參考橢球面的平均高程；s為歸算邊的長度；R為歸算邊方向參考橢球法截弧的曲率半徑。

歸算邊長的相對變形：

對于不同的大地高，長度歸算的每千米相對變形也不盡相同，具體數值如表1所示。

表1 投影變形變化表（設Rm=6370km）

Δs1值是負值，表明將地面實際測量長度歸算到參考橢球面上，總是縮短的；｜Δs1｜值與Hm成正比，隨Hm增大而增大。

②測區(qū)偏離中央子午線越遠，長度變形越大。

將參考橢球面上的邊長歸算到高斯投影面上的變形值為Δs2（因公式后面影響小于毫米級，故在本文討論中將其舍掉只討論公式前面部分）：

式中：s=s0+Δs1，即s0為投影歸算邊長；ym為歸算邊兩端點橫坐標平均值；Rm為參考橢球面平均曲率半徑。

投影邊長的相對投影變形為：

表2 距離中央子午線垂距的相對變形（設Rm=6370km）

Δs2值總是正值，表明將橢球面上長度投影到高斯面上，總是增大的；Δs2值隨著ym平方成正比而增大，離中央子午線愈遠，其變形愈大。

（3）實際應用

公路測量應用中當GPS RTK技術中接收得到的信號質量較差，會給后續(xù)的測量統(tǒng)計工作帶來較大影響，降低了整體的測量結果準確性，此時針對信號較差情況可選用全站儀進行聯合測量［8］。實際應用中先采用GPS RTK技術在待測點區(qū)域內設立低級控制點位，其精度需滿足設計要求，針對GPS RTK技術測量時缺乏對地形特征點位信息的情況，得出待測點區(qū)域地形圖（見圖2），再采用全站儀對待測區(qū)域進行碎部測量作業(yè)，從圖根和碎部兩個部分進行聯合測量，得到最有效的測量結果，彌補兩種技術之間的不足和差異，提高整體的公路測量精度。為保持數據統(tǒng)一，應將各碎部點遵循統(tǒng)一方式進行處理，并將其轉化為DAT格式，其標準格式為： “點號、逗號、東坐標、北坐標，高程”，具體如下：HLB-A1.，433693.312，4724623.073，16.218 HLB-A2.，434104.910，4724332.838，17.600 HLB-A3.，434119.874，4724423.900，17.309 HLB-B4.，434128.131，4724257.480，17.250

圖2 本測區(qū)1∶2000地形圖

3.3質量評價

本公路合同段采用GPS RTK和全站儀相聯合的方式進行公路測量，其整體測量工作歷時86天，通過對比各勘測方式，得出GPS RTK技術和全站儀相聯合檢測方式可實現數據采集、記錄、計算、成圖一體化測量，可較好適用于復雜地形山區(qū)公路測量工作。幾種測量方式對比結果如表3所示。

表3 幾種測量方式對比結果

4 結語

本文圍繞GPS和全站儀聯合測量在高速公路勘測中的應用進行展開，分別闡述了GPS技術、全站儀、GPS RTK技術和全站儀相聯合技術的應用特點，重點研究GPS RTK技術和全站儀相聯合勘察的應用，并在實際工程中進行應用。研究結果表明，GPS RTK技術和全站儀相聯合檢測方式可實現一體化測量，縮短了測量作業(yè)人員、時間的投入，提高公路勘察質量，且可以較好適用于復雜地形山區(qū)公路測量工作，具有一定的可行性和實用性。