摘 要:本文基于筆者多年從事工程測量的相關(guān)工作經(jīng)驗(yàn)，以沈陽某公路工程測量為工程背景，探討了該工程中線路控制測量的相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)，論文首先分析了公路工程控制測量現(xiàn)狀，進(jìn)而探討了GPS控制測量的實(shí)施步驟，在此基礎(chǔ)上，筆者結(jié)合具體的工程案例探討了GPS公路工程控制測量方法，全文是筆者長期工作實(shí)踐基礎(chǔ)上的理論升華，相信對同行能有所裨益。

關(guān)鍵詞:GPS 公路 控制測量 精度

中圖分類號:TB22文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A文章編號:1674-098X(2012)03(a)-0090-02

1 公路工程控制測量現(xiàn)狀探討

在公路工程中首先引入GPS的是公路控制測量。公路控制測量是路線勘測設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，隨著高等級道路的興建，對路線勘測提出了更高的要求，由于線路長且己知點(diǎn)少，因此，用常規(guī)手段不僅布網(wǎng)困難而且難以滿足高精度的要求，而GPS高精度的特點(diǎn)正好可以滿足這一要求。從上個(gè)世紀(jì)90年代中期，許多公路工程部門開始了GPS定位技術(shù)在公路控制測量中的應(yīng)用和研究。如應(yīng)用GPS進(jìn)行了控制測量的技術(shù)并在新疆烏奎高等級公路、江蘇徐連高速公路、江蘇寧通公路、云南元磨公路進(jìn)行了有益的實(shí)踐。廣東長大公路工程有限公司開展了GPS水準(zhǔn)測量在高程控制測量中的應(yīng)用研究。目前國內(nèi)己逐步采用GPS技術(shù)建立線路首級高精度控制網(wǎng)，如在滬寧高速公路，青銀高速公路，廣惠高速公路等公路控制測量中得到廣泛應(yīng)用。

此外，在隧道外控制、特大橋梁的施工，也需要高精度控制測量。GPS技術(shù)也同樣應(yīng)用于特大橋梁和隧道貫通的控制測量中，由于無需通視，可構(gòu)成較強(qiáng)的圖形結(jié)構(gòu)特別是對常規(guī)測量中無檢核的支點(diǎn)的量測提供了方便。在江陰長江大橋的建設(shè)過程中就應(yīng)用了GPS技術(shù)對常規(guī)精密邊角網(wǎng)進(jìn)行檢測。首先用常規(guī)測量建立了高精度的邊角網(wǎng)，然后利用GPS技術(shù)對該網(wǎng)進(jìn)行檢測，GPS檢測網(wǎng)達(dá)到了毫米級精度，與常規(guī)測量的結(jié)果符合較好，取得了較好的效果。長梁山隧道貫通的洞外控制測量采用了GPS定位技術(shù)進(jìn)行施測。杭州灣大橋項(xiàng)目也采用了GPS定位技術(shù)。

在公路控制測量中通常采用靜態(tài)相對定位技術(shù)，也就是至少有兩臺GPS接收機(jī)同時(shí)觀測，經(jīng)處理后可以精確獲得兩點(diǎn)的三維坐標(biāo)差，根據(jù)其中一點(diǎn)的坐標(biāo)可推算出另一點(diǎn)的坐標(biāo)。由于靜態(tài)相對定位精度高，因此廣泛應(yīng)用于大地測量、形變監(jiān)測等高精度測量領(lǐng)域。同樣靜態(tài)相對定位技術(shù)將在相當(dāng)廣泛的范圍內(nèi)逐步地取代以往的常規(guī)測量方法廣泛應(yīng)用于公路控制測量中，如用于建立路線精密控制網(wǎng)、橋隧精密控制網(wǎng)等。隨著應(yīng)用理論研究的深入以及作業(yè)規(guī)范的建立和完善，靜態(tài)相對定位技術(shù)將會更好的為公路工程中的控制測量服務(wù)。

2 GPS控制測量

GPS控制測量工作與經(jīng)典大地測量工作相類似，按其性質(zhì)可分為外業(yè)和內(nèi)業(yè)兩大部分。其中:外業(yè)工作主要包括選點(diǎn)(即觀測站址的選擇)、建立觀測標(biāo)志、野外觀測作業(yè)以及成果質(zhì)量檢核等;內(nèi)業(yè)工作主要包括GPS測量的技術(shù)設(shè)計(jì)、測后數(shù)據(jù)處理以及技術(shù)總結(jié)等。如果按照GPS測量實(shí)施的工作程序，則大體可分為這樣幾個(gè)階段:技術(shù)設(shè)計(jì);選點(diǎn)與建立標(biāo)志;外業(yè)觀測;成果檢核與處理。

作業(yè)方法:

采用兩臺(或兩臺以上)接收機(jī)，分別安置在一條(或數(shù)條)基線的端點(diǎn)，根據(jù)基線長度和要求的精度，按GPS測量系統(tǒng)外業(yè)的要求同步觀測四顆以上的衛(wèi)星數(shù)時(shí)段，時(shí)段長度根據(jù)測量等級確定。

定位精度:

基線測量的精度可達(dá)±(5mm＋1ppm×D)，D為基線長度，以公里計(jì)。

作業(yè)要求:

采取這種作業(yè)模式所觀測的獨(dú)立基線邊，應(yīng)構(gòu)成閉合圖形(如三角形、多邊形)，以利于觀測成果的檢核，增強(qiáng)網(wǎng)的強(qiáng)度，提高成果的可靠性和精確性。適用范圍:

建立國家大地控制網(wǎng)(二等或二等以下);

建立精密工程控制網(wǎng)，如橋梁測量、隧道測量等;

建立各種加密控制網(wǎng)，如城市測量、工程點(diǎn)測量、道路測量、勘界測量等;

觀測中至少跟蹤四顆衛(wèi)星，同時(shí)基線邊一般不要超過15km;

注意事項(xiàng):所有已觀測基線應(yīng)組成一系列封閉圖形，已利于外業(yè)檢核，提高成果可靠度。

GPS測量是一項(xiàng)技術(shù)復(fù)雜、要求嚴(yán)格、耗費(fèi)較大的工作，對這項(xiàng)工作總的原則是，在滿足用戶要求的情況下，盡可能地減少經(jīng)費(fèi)、時(shí)間、和人力的消耗。因此，對其各階段的工作都要精心設(shè)計(jì)和實(shí)施。

3 工程概況與GPS點(diǎn)的布設(shè)實(shí)施

某公路是連接沈陽與齊齊哈爾等城市的重要通道。該公路拓寬改建工程全長18．07公里，拓寬后的道路從原先的雙向4車道改建為雙向8車道。本工程基礎(chǔ)平面控制采用GPS測量，按照《公路勘測規(guī)范》(JTC C10-2007)中四等網(wǎng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施。以二等點(diǎn)“G2035、G2015”作為起算點(diǎn)進(jìn)行布網(wǎng)。

設(shè)計(jì)GPS網(wǎng)的精度為四等，結(jié)合本工程的具體情況，沿線路走向布設(shè)GPS點(diǎn)，GPS網(wǎng)采用邊連式，組成網(wǎng)中的基線有一定數(shù)量的多余觀測，以增強(qiáng)成果的可靠，取“G2035、G2015”兩點(diǎn)作為四等GPS控制網(wǎng)的起算點(diǎn)，以取得了可靠的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)。

根據(jù)線路情況，GPS首級網(wǎng)擬布設(shè)成帶狀大地四邊形鎖的形式，點(diǎn)對點(diǎn)之間相互通視。平均400～500米左右布設(shè)1對GPS點(diǎn)。全線共布設(shè)107點(diǎn)四等GPS控制點(diǎn)。

控制點(diǎn)均選擇在施工紅線之外且滿足通視要求和相對穩(wěn)定。點(diǎn)位選設(shè)時(shí)避免了各種電磁波對GPS衛(wèi)星信號的干擾、以及因施工的影響而產(chǎn)生點(diǎn)位的變動?？刂泣c(diǎn)分布均勻，相鄰邊長之比小于1/2。

(1)GPS坐標(biāo)系統(tǒng)及起算依據(jù)。

GPS測量采用坐標(biāo)系為深圳城市坐標(biāo)系(參考1954北京坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換;1954年北京坐標(biāo)系為北京54橢球;

(2)四等GPS控制網(wǎng)的主要技術(shù)指標(biāo):

每對相鄰點(diǎn)的平均距離1(km);固定誤差≤5mm;比例誤差≤3ppm;

最弱相鄰點(diǎn)的相對中誤差為1/35000

4 GPS觀測

4.1 使用儀器

使用6臺Ashtech型靜態(tài)單頻GPS接收機(jī)(標(biāo)稱精度為5mm+1ppm)進(jìn)行GPS網(wǎng)野外數(shù)據(jù)采集。

4.2 作業(yè)時(shí)基本技術(shù)要求

衛(wèi)星截止高度角≥15°;同時(shí)觀測有效衛(wèi)星數(shù)≥4;平均重復(fù)設(shè)站數(shù)≥1.6;同時(shí)觀測有效衛(wèi)星數(shù)≥4;時(shí)段長度≥60min;數(shù)據(jù)采樣率(S)≤30s。

4.3 觀測方式

每時(shí)段觀測均量取天線高兩次，其互差不超過3mm，取平均值作為最后天線高。

4.4 外業(yè)數(shù)據(jù)檢核

(1)同一時(shí)段觀測值的數(shù)據(jù)剔除率不易大于10％;

(2)重復(fù)基線的測量差值ds;

(3)各級GPS網(wǎng)同步環(huán)閉合差需符合下式規(guī)定:

(4)各級GPS網(wǎng)異步環(huán)或符合路線坐標(biāo)閉合差需符合下式規(guī)定:

(5)無約束平差中，基線分量的改正數(shù)的絕對值需符合下式規(guī)定:

式中:n-閉合環(huán)邊數(shù)，σ-儀器的標(biāo)稱精度。

5 GPS內(nèi)業(yè)解算

5.1 數(shù)據(jù)后處理

(1)GPS觀測數(shù)據(jù)內(nèi)業(yè)編輯輸入相關(guān)點(diǎn)位信息后，采用接收機(jī)配備的商用軟件Ashtech solutions 2.5進(jìn)行基線解算，保證每一條基線都求出整周模糊度。(2)重復(fù)基線較差和非同步環(huán)閉合差的檢核仍按外業(yè)基線檢核時(shí)的要求進(jìn)行。

5.2 網(wǎng)平差

(1)對整網(wǎng)進(jìn)行無約束平差并檢核GPS網(wǎng)的觀測質(zhì)量。以所有獨(dú)立基線組成閉合圖形，以三維基線向量及相應(yīng)方差協(xié)方差陣作為觀測信息，以網(wǎng)一點(diǎn)的WGS-84系三維坐標(biāo)作為起算依據(jù)，進(jìn)行全網(wǎng)無約束平差。(2)對整網(wǎng)進(jìn)行二維約束平差。以深圳市平面控制網(wǎng)GPS點(diǎn)“G2015、2035”作為起算數(shù)據(jù)，對控制網(wǎng)進(jìn)行二維約束平差計(jì)算。

6 GPS精度評定

6.1 環(huán)閉合差統(tǒng)計(jì)(表1)

6.2 基線殘差統(tǒng)計(jì)(表2)

6.3 平面平差基線相對精度統(tǒng)計(jì)(表3)

6.4 gps點(diǎn)位中誤差統(tǒng)計(jì)

100%的點(diǎn)位精度在1.0cm以內(nèi)，其中46%精度小于0.5cm。

以上充分說明觀測數(shù)據(jù)合格，基線解算質(zhì)量良好，GPS網(wǎng)的測量精度滿足四等要求。

7 結(jié)語

隨著城市建設(shè)規(guī)模日益擴(kuò)大，今后遇到高速公路拓寬改建的項(xiàng)目會越來越多，在保證工程進(jìn)度及精度要求下，如何將GPS技術(shù)在大型工程施工控制中靈活運(yùn)用是一個(gè)只得探討的課題。通過本工程的實(shí)踐筆者得到如下一些體會。

(1)GPS觀測受到各種外界因素的影響，有可能產(chǎn)生粗差和各種隨機(jī)誤差，為了對GPS觀測成果進(jìn)行質(zhì)量檢查，保證成果的可靠并恰當(dāng)?shù)卦u定精度，就要求由非同步獨(dú)立觀測邊構(gòu)成閉合環(huán)或符合線路。作業(yè)時(shí)不應(yīng)將非獨(dú)立邊作為獨(dú)立觀測邊處理，更不能將同步閉合環(huán)當(dāng)作非同步閉合環(huán)。(2)對GPS網(wǎng)進(jìn)行圖型設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)使閉合環(huán)的邊數(shù)小于規(guī)范的規(guī)定，僅允許個(gè)別閉合環(huán)的邊數(shù)等于規(guī)范的邊數(shù)，為了使外業(yè)觀測有計(jì)劃的進(jìn)行，避免GPS獨(dú)立邊選擇的隨意性，便于及時(shí)檢查觀測結(jié)果。宜按設(shè)計(jì)網(wǎng)圖選定GPS獨(dú)立邊，必要時(shí)，在經(jīng)過技術(shù)負(fù)責(zé)人審議后，可根據(jù)具體情況作適當(dāng)調(diào)整。

參考文獻(xiàn)

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