彭亞軍李國洋

（1.廣東省國土資源測繪院，廣東 廣州 510500；2.東莞市測繪院，廣東 東莞 523129）

GPS控制測量在汕湛高速公路勘測定界中的應(yīng)用研究

彭亞軍1李國洋2

（1.廣東省國土資源測繪院，廣東 廣州 510500；2.東莞市測繪院，廣東 東莞 523129）

如何在實(shí)際工程中提高GPS測量的精度是目前GPS發(fā)展亟需研究的目標(biāo)之一。本文基于汕湛高速公路勘測定界工程實(shí)例，深入剖析了GPS控制測量在實(shí)際應(yīng)用中出現(xiàn)的問題，并提出了建設(shè)性的改進(jìn)方法，對(duì)以后的工程應(yīng)用具有參考價(jià)值和實(shí)用價(jià)值。

GPS；精度；控制測量；工程應(yīng)用

汕湛高速公路汕頭至揭西段項(xiàng)目是《廣東省高速公路網(wǎng)規(guī)劃》（2004～2030年）二橫線的起點(diǎn)段，是廣東省“十二·五”期間實(shí)施的重點(diǎn)建設(shè)項(xiàng)目。該測區(qū)地處汕頭市與揭陽市，地勢自西向東傾斜，低山高丘與谷地平原交錯(cuò)相間，分布不均，西北部和西南部多為丘陵、山地，中部、南部和東南部都是廣闊肥沃的榕江沖積平原和濱海沉積平原。

GPS即全球定位技術(shù)，具有測量精度高、全天候連續(xù)作業(yè)、測站之間無需通視等優(yōu)點(diǎn)［1］。在測繪行業(yè)中，被廣泛應(yīng)用于建立高精度的測量控制網(wǎng)、海洋測繪、軍事測量、航測遙感、工程測量等［2］［3］。本文主要針對(duì)GPS控制測量在汕湛高速公路勘測定界中應(yīng)用情況進(jìn)行探討研究。

1　GPS特點(diǎn)

GPS具備的特點(diǎn)，可以保障工程項(xiàng)目的順利進(jìn)行［4］［5］，其中主要的特點(diǎn)如下：

①任意測站不需要具備通視條件。相鄰測站之間是否能夠互相通視是傳統(tǒng)測量中的一大關(guān)鍵問題，GPS測量時(shí)，任意測站不需要具備通視條件即可進(jìn)行觀測，不僅選點(diǎn)方便靈活，更加快了作業(yè)效率；

②GPS定位精度較高。雙頻GPS接收機(jī)基線解精度為5mm+1ppm，而紅外儀標(biāo)稱精度為5mm+5ppm，經(jīng)過工程實(shí)例研究證明，50km以內(nèi)的基線測量，GPS相對(duì)定位精度能夠達(dá)到，而在100～500km范圍內(nèi)的的基線測量精度可；

③觀測周期短，有效節(jié)約了時(shí)間成本。通過GPS布設(shè)控制網(wǎng)，一個(gè)測站上的觀測時(shí)間只需要30～40min；采用快速靜態(tài)定位方法，大大加快了工作效率，有效縮短了觀測時(shí)間；

④能夠?qū)崟r(shí)提供觀測點(diǎn)的三維坐標(biāo)。利用GPS進(jìn)行測量，在觀測平面坐標(biāo)的同時(shí)，即可實(shí)時(shí)同步得到觀測點(diǎn)的大地高程坐標(biāo)；

⑤操作使用簡單快捷。隨著GPS使用度的廣泛增加，其自動(dòng)化程度更是得到了飛速的發(fā)展，觀測人員只需要對(duì)其進(jìn)行簡單的開機(jī)、對(duì)中、整平即可自動(dòng)追蹤衛(wèi)星信號(hào)，進(jìn)行自動(dòng)觀測；

⑥全天候作業(yè)。GPS在開闊地區(qū)可進(jìn)行連續(xù)作業(yè)，天氣狀況對(duì)其影響極小。

2　GPS控制測量在工程中的應(yīng)用

2.1儀器設(shè)備及使用的軟件

本項(xiàng)目作業(yè)使用了3臺(tái)某品牌500系列接收機(jī)，2臺(tái)某品牌GPS 1200系列接收機(jī)和2臺(tái)某品牌GPS接收機(jī)，所有儀器設(shè)備均經(jīng)相關(guān)測繪器具部門檢定合格，并在檢驗(yàn)合格有效期內(nèi)使用。

數(shù)據(jù)預(yù)處理采用隨機(jī)軟件Leica Geo Office和衛(wèi)星定位技術(shù)應(yīng)用中心的NETRTK數(shù)據(jù)處理軟件，TGO1.63版本軟件用于導(dǎo)出數(shù)據(jù)。

2.2工作的具體實(shí)施

2.2.1控制點(diǎn)的布設(shè)及埋石

本測區(qū)全線共布設(shè)了34個(gè)GPS-E級(jí)點(diǎn)，沿公路紅線兩側(cè)加密GPS一級(jí)點(diǎn)340個(gè)。

2.2.1.1本測區(qū)控制點(diǎn)位滿足以下要求［6］［7］：

①周圍便于安置接收機(jī)、便于操作、視野開闊；

②遠(yuǎn)離大功率無線電發(fā)射源（如電視臺(tái)、電臺(tái)、微波站等），其距離大于200m；遠(yuǎn)離高壓輸電線，其距離大于50m；

③附近沒有強(qiáng)烈干擾衛(wèi)星信號(hào)的物件（如大型建筑物、水面等）；

④交通方便，有利于其他測量手段擴(kuò)展和聯(lián)測；

⑤地面基礎(chǔ)穩(wěn)定，易于點(diǎn)的保存；

2.2.1.2GPS-E級(jí)點(diǎn)之記的內(nèi)容均在現(xiàn)場詳細(xì)記錄，最終格式為電子文本；

2.2.1.3GPS-E級(jí)點(diǎn)或GPS一級(jí)點(diǎn)間至少有一個(gè)或一個(gè)以上通視方向，保證點(diǎn)位既能滿足GPS的觀測條件，又方便于常規(guī)控制測量的使用；

2.2.1.4各等級(jí)控制點(diǎn)標(biāo)石規(guī)格和標(biāo)石整飾：

①GPS-E級(jí)點(diǎn)統(tǒng)一尺寸規(guī)格為上底12cm×12cm，下底為20cm×20cm，高60cm（也可以現(xiàn)場澆灌），且在中心位置打入直徑為10mm，長60mm帶十字螺絲帽的螺絲釘；

GPS-E級(jí)控制點(diǎn)標(biāo)石面整飾如圖1所示：

圖1　GPS-E級(jí)控制點(diǎn)標(biāo)石面整飾

②GPS一級(jí)點(diǎn)尺寸規(guī)格上底為12cm×12cm，下底為20cm×20cm，高60cm。在水泥地面上時(shí)，其鑿石規(guī)格為20cm×20cm，深0.5cm的方框，且在中心位置打入直徑為10mm，長60mm帶十字螺絲帽的螺絲釘；

GPS一級(jí)點(diǎn)控制點(diǎn)標(biāo)石面整飾如圖2所示：

③GPS-E級(jí)點(diǎn)的點(diǎn)名用到了山名、地名、單位名等，取名準(zhǔn)確、明了。

④GPS-E級(jí)點(diǎn)編號(hào)從E001開始，按順序編號(hào)；GPS一級(jí)點(diǎn)編號(hào)從I001開始，按順序編號(hào)。

圖2　GPS一級(jí)點(diǎn)控制點(diǎn)標(biāo)石面整飾

2.2.2平面控制網(wǎng)施測

2.2.2.1GPS外業(yè)觀測

本項(xiàng)目GPS-E級(jí)控制網(wǎng)精度符合以下要求：

a：為固定誤差（mm），對(duì)于GPS-E級(jí)點(diǎn)取10mm；

b：為比例誤差系數(shù)，對(duì)于GPS-E級(jí)點(diǎn)取5×10-6m；

d：為相鄰點(diǎn)間的距離，以公里為單位；

復(fù)測基線的長度較差滿足下公式的規(guī)定：

GPS網(wǎng)外業(yè)基線處理結(jié)果，其獨(dú)立閉合環(huán)或附和路線坐標(biāo)閉合差WS和各坐標(biāo)分量閉合差（WX、WY、WZ）滿足下公式規(guī)定：

式中：n——閉合差邊數(shù)σ——基線測量中誤差，

2.2.2.2GPS-E級(jí)網(wǎng)測量數(shù)據(jù)處理

基線解算采用廠家提供的隨機(jī)軟件在微機(jī)上進(jìn)行?；€解算采用選擇獨(dú)立基線按多基線處理模式統(tǒng)一解算?；€解算合理的選擇剔除基線，同一時(shí)間段觀測基線的數(shù)據(jù)剔除率小于10%，解算的基線以已知的GDCORS基準(zhǔn)站的WGS-84坐標(biāo)系坐標(biāo)作為基線解算的起算數(shù)據(jù)，采用雙差固定解作為基線解算的最終結(jié)果。

GPS-E級(jí)網(wǎng)的內(nèi)業(yè)平差、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換均由廣東省國土資源測繪院衛(wèi)星定位技術(shù)應(yīng)用中心完成。

2.2.2.3 GPS一級(jí)點(diǎn)觀測

GPS一級(jí)點(diǎn)觀測方法是采用網(wǎng)絡(luò)RTK模式進(jìn)行。

①兩次初始化，一次初始化觀測兩次，每次采集100個(gè)歷元，采樣間隔1秒。

②量取儀器高兩次，兩次讀數(shù)不大于3毫米，取中數(shù)輸入GPS接收機(jī)中。數(shù)據(jù)采集過程中填寫《實(shí)時(shí)定位觀測記錄表》。

③對(duì)兩次初始化采集的最后一個(gè)歷元的空間坐標(biāo)進(jìn)行比對(duì)，比對(duì)較差依照《廣東省國土資源測繪院網(wǎng)絡(luò)RTK作業(yè)指導(dǎo)規(guī)程（試行）》里規(guī)定的精度標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。

④觀測結(jié)束后，將數(shù)據(jù)從GPS接收機(jī)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)上，采用隨機(jī)軟件Leica Geo Office、TGO 1.63版本對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換。

⑤采用衛(wèi)星定位技術(shù)應(yīng)用中心編制的NETRTK數(shù)據(jù)處理軟件對(duì)進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)進(jìn)行檢查、預(yù)處理及其精度統(tǒng)計(jì)。

⑥數(shù)據(jù)預(yù)處理完成后把相關(guān)數(shù)據(jù)發(fā)回衛(wèi)星定位技術(shù)應(yīng)用中心進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、高程計(jì)算和精度統(tǒng)計(jì)。

GPS一級(jí)點(diǎn)的數(shù)據(jù)預(yù)處理由本項(xiàng)目人員完成，坐標(biāo)轉(zhuǎn)換由廣東省國土資源測繪院衛(wèi)星定位技術(shù)應(yīng)用中心完成。

2.2.2.4控制銜接

本測區(qū)控制起算點(diǎn)為GDCORS基準(zhǔn)站，所求控制點(diǎn)坐標(biāo)必須與甲方提供的控制點(diǎn)相銜接。故本測區(qū)以GDCORS為起算，測得21個(gè)甲方控制點(diǎn)，再利用NETRTK軟件求出甲方使用的1954北京坐標(biāo)本項(xiàng)目1980西安坐標(biāo)之間的轉(zhuǎn)換參數(shù)（精度為±1.98m厘米），對(duì)甲方坐標(biāo)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，達(dá)到兩套坐標(biāo)系統(tǒng)一致。

3　數(shù)據(jù)處理及精度統(tǒng)計(jì)

本項(xiàng)目GPS-E級(jí)控制點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集采用靜態(tài)布網(wǎng)模式，GPS一級(jí)點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集是采用網(wǎng)絡(luò)RTK模式進(jìn)行。按照技術(shù)設(shè)計(jì)書的要求，對(duì)每天采集的控制點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸備份、格式轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)預(yù)處理和精度統(tǒng)計(jì)。

3.1GPS-E級(jí)網(wǎng)的平差計(jì)算及精度

本項(xiàng)目GPS-E級(jí)點(diǎn)控制測量采用靜態(tài)布網(wǎng)模式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的34個(gè)E級(jí)控制點(diǎn)，平差計(jì)算由衛(wèi)星定位技術(shù)應(yīng)用中心完成，現(xiàn)將精度統(tǒng)計(jì)如下：

①WGS-84坐標(biāo)系三維無約束平差

在WGS-84大地坐標(biāo)系下進(jìn)行無約束平差時(shí)，首先以GDCORS基準(zhǔn)站為基準(zhǔn)，進(jìn)行無約束平差計(jì)算，以檢查控制網(wǎng)觀測質(zhì)量的內(nèi)符合精度。WGS-84坐標(biāo)系的三維無約束平差其結(jié)果相對(duì)中誤差最弱邊為1/72516.316（E002-STGT，邊長：385.11米），點(diǎn)位中誤差最大值為1.68 cm（點(diǎn)號(hào)：E021）。無約束平差中，基線向量的改正數(shù)絕對(duì)值小于3σ（σ=1.80cm）。

②WGS-84坐標(biāo)系三維約束平差

經(jīng)檢查整網(wǎng)無粗差后，以測區(qū)內(nèi)周邊的GDCORS基準(zhǔn)站為約束條件進(jìn)行WGS-84大地坐標(biāo)系約束平差計(jì)算。WGS-84坐標(biāo)系的三維約束平差結(jié)果相對(duì)中誤差最弱邊為1/67750.678 E002-STGT，邊長：385.11米），點(diǎn)位中誤差最大值為1.90 cm（點(diǎn)號(hào)：E021）。約束平差中，基線向量的改正數(shù)與無約束平差結(jié)果的同名基線相應(yīng)改正數(shù)的較差小于2σ（σ=1.80cm）。

1980西安坐標(biāo)系的平面直角坐標(biāo)成果，是由經(jīng)過約束平差的WGS-84空間坐標(biāo)，按動(dòng)態(tài)七參數(shù)轉(zhuǎn)換得到1980西安坐標(biāo)系的空間坐標(biāo)，再將其轉(zhuǎn)換為大地坐標(biāo)后按選定的中央子午線進(jìn)行高斯投影轉(zhuǎn)換得到。

3.2GPS一級(jí)點(diǎn)數(shù)據(jù)處理及精度

本項(xiàng)目340個(gè)GPS一級(jí)點(diǎn)的測量是采用網(wǎng)絡(luò)RTK模式進(jìn)行的，對(duì)所獲得的控制點(diǎn)成果，在數(shù)據(jù)處理過程中將平面和高程方向的限差均設(shè)置為±5 cm，測量成果的精度能滿足本項(xiàng)目控制點(diǎn)測量的要求。

①利用網(wǎng)絡(luò)RTK所獲得的控制點(diǎn)的1980西安坐標(biāo)系平面直角坐標(biāo)成果由是由經(jīng)過約束平差的WGS-84空間直角坐標(biāo)，按動(dòng)態(tài)七參數(shù)轉(zhuǎn)換得到1980西安坐標(biāo)系的空間直角坐標(biāo)，再將其轉(zhuǎn)換為大地坐標(biāo)后按中央子午線（116°20′）進(jìn)行高斯投影轉(zhuǎn)換得到。

3.3高程計(jì)算及精度

本項(xiàng)目的GPS-E級(jí)網(wǎng)控制測量計(jì)算中，控制點(diǎn)的正常高是通過廣東省似大地水準(zhǔn)面模型內(nèi)插獲取。利用動(dòng)態(tài)七參數(shù)轉(zhuǎn)換，各點(diǎn)轉(zhuǎn)換精度的平均值為0.018891米，其中最大值為0.0322米（E013、E011、E008）；最小值為0.0056米（E029）。

本項(xiàng)目利用網(wǎng)絡(luò)RTK所測的GPS一級(jí)點(diǎn)的正常高是通過廣東省似大地水準(zhǔn)面模型內(nèi)插獲取，廣東省似大地水準(zhǔn)面模型高程外符合中誤差±0.048 m。

4　轉(zhuǎn)換參數(shù)求取及精度

表1　參數(shù)精度及顯著性檢驗(yàn)t（α/2）

單位權(quán)中誤差為：m0=0.01436m

本項(xiàng)目中均勻選取了10個(gè)甲方原有的控制點(diǎn)用作重合點(diǎn)，利用NETRTK軟件，根據(jù)其1980西安坐標(biāo)系（中央子午線116°20′）和甲方提供的1954北京坐標(biāo)系（中央子午線116°20′）成果（表2）進(jìn)行坐標(biāo)二維轉(zhuǎn)換參數(shù)（四參數(shù)）的求取。利用NETRTK軟件，進(jìn)行坐標(biāo)二維轉(zhuǎn)換，即四參數(shù)的求取。得出轉(zhuǎn)換參數(shù)。

在完成GPS控制測量及平差之后，所求得1980西安坐標(biāo)（中央子午線116°20′）成果作為本項(xiàng)目的勘測定界的控制成果；

甲方提供的界樁坐標(biāo)成果為1954北京坐標(biāo)（中央子午線116°20′），利用所求得的轉(zhuǎn)換參數(shù)將本項(xiàng)目控制成果進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換后，可得出與甲方提供的界樁坐標(biāo)成果相一致的控制點(diǎn)成果。

表2　轉(zhuǎn)換精度

5　結(jié)論

針對(duì)GPS控制測量在汕湛高速公路勘測定界中的應(yīng)用研究，本文重要研究內(nèi)容總結(jié)如下：

5.1甲方提供的控制資料和地形圖資料均采用的是1954北京坐標(biāo)系，本項(xiàng)目勘測定界是為了國土報(bào)批等而采用的是1980西安坐標(biāo)系，這就需要在本測區(qū)內(nèi)將這兩套坐標(biāo)系建立聯(lián)系（轉(zhuǎn)換參數(shù)），本文具體處理方法如下：

①選取重合點(diǎn)并測出其1980西安坐標(biāo)，（本項(xiàng)目中共選取21個(gè)重合點(diǎn)）；

②利用NETRTK軟件求取重合點(diǎn)1954北京與1980西安坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換參數(shù)；

③檢查轉(zhuǎn)換精度，（將所測得的重合點(diǎn)的1980西安坐標(biāo)利用NETRTK軟件和求得的轉(zhuǎn)換參數(shù)求出其1954北京坐標(biāo)），經(jīng)比對(duì)，精度滿足本項(xiàng)目要求。

5.2由于測區(qū)圖形為帶狀圖，且基本上為林地與灌木，地形復(fù)雜，通行、通視相當(dāng)困難，給選點(diǎn)埋石及測量工作帶來了很大的不便，本文具體處理方法：控制點(diǎn)盡量選在山頂上，保持網(wǎng)形美觀實(shí)用，通視條件差的地方砍掉部分遮擋的樹木，保證控制點(diǎn)間的通視；

5.3測區(qū)內(nèi)部分地區(qū)網(wǎng)絡(luò)信號(hào)比較差，給觀測帶來很大不便，本文具體處理方法：盡量利用早上6點(diǎn)至10點(diǎn)這段時(shí)間進(jìn)行觀測（此時(shí)間段網(wǎng)絡(luò)信號(hào)強(qiáng)）；

5.4本文采用的武漢大學(xué)PowerNet軟件在三維坐標(biāo)系下進(jìn)行無約束和約束平差處理，1980西安坐標(biāo)系的平面直角坐標(biāo)成果是經(jīng)過約束平差的WGS-84空間坐標(biāo)，按動(dòng)態(tài)七參數(shù)轉(zhuǎn)換得到1980西安坐標(biāo)系的空間坐標(biāo)，再將按其轉(zhuǎn)換為大地坐標(biāo)后按選定的中央子午線（116020＇）進(jìn)行高斯投影轉(zhuǎn)換得到；

5.5本文采用1980西安坐標(biāo)系的平面直角坐標(biāo)成果，是由WGS-84坐標(biāo)系的空間直角坐標(biāo)，按GDCORS的動(dòng)態(tài)七參數(shù)轉(zhuǎn)換得到1980西安坐標(biāo)系的空間坐標(biāo)，再將其轉(zhuǎn)換為大地坐標(biāo)后按選定的中央子午線（116020＇）進(jìn)行高斯投影轉(zhuǎn)換得到，該方法體現(xiàn)了GDCORS帶來的方便性和高效性。

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Application of GPS Control Survey in Shantou to Zhanjiang Expressway Boundary Survey

Peng Yajun1Li Guoyang2
（1.Guangdong Institute of Surveying and Mapping of land and Resource，Guangzhou Guangdong510500；2.Dongguan Institute of Surveying and Mapping，Dongguan Guangdong 523129）

How to improve the accuracy of GPS measurements in the actual project development is one of the objectives currently GPS urgent research.Based on the survey and demarcation Shan Zhan Expressway project example，indepth analysis of the GPS control survey appear in the practical application problems，and put forward constructive improved method for future engineering applications with a reference value and practical value.

GPS；accuracy；control measurement；engineering applications

P228.4

A

1003-5168（2015）12-0088-4

2015-11-27

彭亞軍（1982-），男，本科，測繪工程師，研究方向：GPS測量，地形圖測繪，線路工程勘測等；李國洋（1989-），男，碩士，助理工程師，研究方向：數(shù)字化城市建設(shè)、國土資源信息化研究、工程測量、GIS應(yīng)用與開發(fā)等。