楊元林，崔同菊

(中國(guó)水利水電第十四工程局有限公司， 云南 昆明 650041)

0 前 言

GPS作為最新型的定位技術(shù)正在廣泛地應(yīng)用于軍事、科學(xué)、工程及生活中， GPS使很多事情變得更加精準(zhǔn)，工作效率也大大提高。隨著科技的發(fā)展，GPS技術(shù)逐步用于復(fù)雜環(huán)境的工程測(cè)量中。目前，我國(guó)西部許多建設(shè)的高速公路，地處深山峽谷，高程起伏大，高速公路線型復(fù)雜，并且任務(wù)重、工期緊，采用GPS快速測(cè)量技術(shù)，相比傳統(tǒng)的測(cè)量方法，節(jié)約了大量的人力、物力。GPS控制測(cè)量方便，受地形地貌影響小，觀測(cè)解算一體化，工作效率高，已成為目前工程施工測(cè)量的主要方法。本文通過(guò)對(duì)GPS測(cè)量從外業(yè)觀測(cè)到內(nèi)業(yè)解算的全過(guò)程研究，總結(jié)出了一套快速、可靠的測(cè)量方法。

1 工程概述

本工程屬于宜賓至昭通高速公路云南段的一期項(xiàng)目，路線起于K144+910 m，止于K237+600 m，路線全長(zhǎng)92.72 km，設(shè)計(jì)速度80 km/h，設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為雙向四車道，路基寬24.5 m。起點(diǎn)為彝良縣海子鄉(xiāng)，終點(diǎn)為昭通市北閘鎮(zhèn)，設(shè)置北閘立交與麻昭高速公路銜接。項(xiàng)目建成后將成為通往云南省昆明市、貴州省貴陽(yáng)市、四川省瀘州市、重慶市四省市的省際快速通道。接G85渝昆高速通往云南省會(huì)昆明；接在建的昭瀘高速(彝良至鎮(zhèn)雄段)、G56杭瑞高速通往貴州省會(huì)貴陽(yáng)；接G93成渝高速通往重慶。遠(yuǎn)期宜昭高速(彝良至宜賓段)建成后，可接G85渝昆、G76夏蓉高速前往成都。

2 控制點(diǎn)平面坐標(biāo)

采用“宜昭高速抵償坐標(biāo)系”，類似“國(guó)家54坐標(biāo)系”。

本工程路線在測(cè)區(qū)內(nèi)總體呈東北～西南走向，地理經(jīng)度范圍103°45′～104°20′，地理緯度范圍27°25′～27°38′，沿線地形起伏較大為山嶺重丘區(qū)地形。測(cè)區(qū)高程約在870～2 200 m之間。為了保證全線成果的統(tǒng)一性，滿足規(guī)范和線路設(shè)計(jì)要求，減少接邊誤差，根據(jù)高斯投影理論以及本條線路的實(shí)際情況，須保證本測(cè)區(qū)投影長(zhǎng)度變形值小于2.5 cm/km及橋遂等大型構(gòu)造物投影長(zhǎng)度變形值小于1.0 cm/km，以抵消投影變形。抵償坐標(biāo)系如表1所示。

表1 宜昭高速抵償坐標(biāo)系匯總

3 設(shè)計(jì)方案

3.1 選點(diǎn)埋石

(1)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)踏勘，原有控制點(diǎn)被破壞的，若施工則需重新埋點(diǎn)，由于線路調(diào)整，部分距施工區(qū)域較遠(yuǎn)的控制點(diǎn)可以舍棄，點(diǎn)密度不滿足施工需求的地方需要加密控制點(diǎn)。

(2)埋石要求如下：埋設(shè)的控制點(diǎn)標(biāo)石，其規(guī)格為150 mm×300 mm×600 mm的水泥混凝土樁，樁中埋設(shè)一根長(zhǎng)300 mm的Φ12鋼筋以便固定，并在樁頂露出5 mm且做“十”字絲刻劃。埋設(shè)時(shí)，基坑用水泥砂漿、石塊回填夯實(shí)，在上部用水泥砂漿“戴帽”固結(jié)，如圖1所示。點(diǎn)位埋設(shè)后及時(shí)做好點(diǎn)之記記錄。

圖1 埋石斷面及正面示意

(3)控制點(diǎn)沿設(shè)計(jì)路線兩側(cè)布設(shè)，點(diǎn)距離設(shè)計(jì)路線中線50～300 m；控制點(diǎn)間盡量保持前后通視，困難地區(qū)至少保證兩點(diǎn)相互通視。

(4)控制點(diǎn)應(yīng)埋設(shè)在地質(zhì)條件穩(wěn)定，易于長(zhǎng)期保存的地方，同時(shí)還應(yīng)該兼顧施測(cè)方便。

(5)控制點(diǎn)周圍環(huán)境應(yīng)該滿足規(guī)范對(duì)GPS外業(yè)觀測(cè)和水準(zhǔn)觀測(cè)的要求；遠(yuǎn)離強(qiáng)震、強(qiáng)磁場(chǎng)、強(qiáng)反射區(qū)、高壓電線等不良環(huán)境。

(6)一般情況下，平面、高程控制點(diǎn)共用，在施測(cè)水準(zhǔn)困難的地方，可以適當(dāng)增設(shè)單獨(dú)的高程控制點(diǎn)。

3.2 平面控制測(cè)量

3.2.1 GPS控制測(cè)量技術(shù)要求

GPS靜態(tài)測(cè)量基本技術(shù)要求見(jiàn)表2。

表2 GPS靜態(tài)測(cè)量基本技術(shù)要求

平面控制網(wǎng)最弱點(diǎn)相對(duì)于起算點(diǎn)的點(diǎn)位中誤差不得超過(guò)±5.0 cm，相鄰點(diǎn)相對(duì)于起算點(diǎn)的點(diǎn)位中誤差不得大于±3.0 cm，三等GPS平面控制網(wǎng)最弱相鄰點(diǎn)邊長(zhǎng)相對(duì)中誤差不得大于1/70 000。四等GPS平面控制網(wǎng)最弱相鄰點(diǎn)邊長(zhǎng)相對(duì)中誤差不得大于1/35 000。

3.2.2 GPS控制測(cè)量方法

(1)本次測(cè)量采用14臺(tái)中海達(dá)V90雙頻接收機(jī)按邊連式推進(jìn)方式構(gòu)網(wǎng)進(jìn)行野外數(shù)據(jù)采集，接收機(jī)標(biāo)稱精度為±(5 mm+1 ppm·D)，D為觀測(cè)基線長(zhǎng)度，單位為km。

(2)GPS平面控制采用四等、獨(dú)立三等網(wǎng)，網(wǎng)形為邊連方式。

3.2.3 GPS控制測(cè)量作業(yè)要求

(1)觀測(cè)人員應(yīng)嚴(yán)格遵守觀測(cè)計(jì)劃和調(diào)度命令,按規(guī)定的時(shí)間進(jìn)行同步觀測(cè)作業(yè)，測(cè)站之間密切配合。

(2)到達(dá)點(diǎn)位以后，作業(yè)人員均應(yīng)按要求架設(shè)好接收機(jī)天線，做到精確對(duì)中、嚴(yán)格整平，并做好儀器、天線、電源的正確連接。

(3)接收機(jī)開(kāi)始記錄數(shù)據(jù)后，觀測(cè)員要經(jīng)常查看測(cè)站信息及其變化情況，做到發(fā)現(xiàn)異常情況及時(shí)通報(bào)給現(xiàn)場(chǎng)調(diào)度員。

(4)觀測(cè)人員應(yīng)操作細(xì)心，在觀測(cè)期間，防止接收設(shè)備震動(dòng)、移動(dòng)和其它物品碰動(dòng)天線或阻擋信號(hào)。

(5)觀測(cè)時(shí)段結(jié)束后應(yīng)認(rèn)真進(jìn)行檢查，當(dāng)測(cè)量記錄項(xiàng)目齊全，并符合要求后報(bào)告調(diào)度員才可遷站。

(6)天線高量取兩次，高差值小于3 mm時(shí)取平均值，取位到1 mm。

(7)雨霧天氣觀測(cè)時(shí)，需用塑料袋包好主機(jī)，回到駐地后擦拭并晾干。

3.2.4 GPS數(shù)據(jù)處理技術(shù)要求

外業(yè)數(shù)據(jù)采集完成后，立即進(jìn)行基線向量的解算，重復(fù)基線的驗(yàn)算，然后進(jìn)行同步環(huán)、異步環(huán)、PDOP值、有效衛(wèi)星個(gè)數(shù)的檢驗(yàn)工作，當(dāng)以上工作各項(xiàng)限差滿足規(guī)定要求后，采用中海達(dá)HGO軟件進(jìn)行基線解算，基線解算完畢并檢查合格后，將基線向量輸出，分別采用HGO/COSA GPS進(jìn)行平差計(jì)算。數(shù)據(jù)處理應(yīng)滿足以下要求：

(1)同一時(shí)段觀測(cè)值基線處理中，數(shù)據(jù)采用率不宜低于80%。

(3)同步環(huán)各坐標(biāo)分量及全長(zhǎng)閉合差均滿足：

式中，n為同步環(huán)的邊數(shù)；σ為相鄰點(diǎn)間弦長(zhǎng)精度，根據(jù)相應(yīng)等級(jí)精度要求取環(huán)平均邊長(zhǎng)計(jì)算。

(4)異步環(huán)的坐標(biāo)分量及全長(zhǎng)閉合差均滿足：

式中，n為獨(dú)立環(huán)中的邊數(shù);σ為相鄰點(diǎn)間弦長(zhǎng)精度，根據(jù)相應(yīng)等級(jí)精度要求計(jì)算；V為環(huán)閉合差。

無(wú)論采用單基線模式或多基線模式解算基線，都應(yīng)在整個(gè)GPS網(wǎng)中選取一組完全的獨(dú)立基線構(gòu)成獨(dú)立觀測(cè)環(huán)，其異步環(huán)的坐標(biāo)分量閉合差和全長(zhǎng)閉合差應(yīng)符合規(guī)定。

3.2.5 GPS網(wǎng)平差技術(shù)要求

GPS網(wǎng)的平差計(jì)算，按基線向量網(wǎng)的三維無(wú)約束平差，三維基線向量網(wǎng)向二維基線向量網(wǎng)的約束平差步驟進(jìn)行。

(1)三維基線向量網(wǎng)的無(wú)約束平差在WGS-84坐標(biāo)系中進(jìn)行。

(2)二維約束平差在橢球面上進(jìn)行，進(jìn)行二維約束平差以前，首先應(yīng)對(duì)首級(jí)控制點(diǎn)的相容性進(jìn)行檢查，采用相容性較好的控制點(diǎn)作為二維約束平差的起算點(diǎn)。

(3)二維約束平差計(jì)算后的成果作為目標(biāo)坐標(biāo)系，可直接用于施工測(cè)量。

(4)獨(dú)立隧道GPS平面控制網(wǎng)，應(yīng)采用觀測(cè)質(zhì)量較好的一個(gè)點(diǎn)作為起算點(diǎn)，以這個(gè)點(diǎn)和位于隧道另外一端的、處于隧道軸線方向一個(gè)點(diǎn)的方位角作為起算方位角進(jìn)行平差計(jì)算。當(dāng)獨(dú)立控制網(wǎng)的中檢核點(diǎn)與路線控制測(cè)量中橫坐標(biāo)差異較大時(shí)，應(yīng)對(duì)構(gòu)造物平面控制網(wǎng)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，最終成果中檢核點(diǎn)在兩個(gè)網(wǎng)中的坐標(biāo)差值不應(yīng)大于40 mm。

4 測(cè)量方案

4.1 GPS控制測(cè)量作業(yè)流程(見(jiàn)圖2)

圖2 GPS控制測(cè)量作業(yè)流程示意

4.2 野外數(shù)據(jù)采集

4.2.1 GPS接收機(jī)的使用

采用14臺(tái)中海達(dá)V90雙頻接收機(jī)按邊連式推進(jìn)方式構(gòu)網(wǎng)進(jìn)行野外數(shù)據(jù)采集，接收機(jī)標(biāo)稱精度為±(5 mm+1 ppm·D)，D為觀測(cè)基線長(zhǎng)度，單位為：km。

4.2.2 天線安置與對(duì)中精度

天線架設(shè)高于地面1 m以上，嚴(yán)格整平天線，使用經(jīng)檢校后，對(duì)中精度大于1 mm的光學(xué)對(duì)中器對(duì)中。

4.2.3 天線高的測(cè)量

天線高量至毫米，天線高測(cè)量在觀測(cè)前后按斜高方式各量測(cè)一次，較差都小于3 mm，然后取用平均值記錄在手簿上，最后用該值作為軟件平差采用的天線高。觀測(cè)質(zhì)量控制見(jiàn)表3。

表3 觀測(cè)質(zhì)量控制

4.3 GPS網(wǎng)的數(shù)據(jù)處理

GPS平面控制網(wǎng)數(shù)據(jù)處理流程見(jiàn)圖3。

圖3 GPS平面控制網(wǎng)數(shù)據(jù)處理流程示意

4.3.1 數(shù)據(jù)處理軟件的選用

數(shù)據(jù)傳輸采用中海達(dá)HGO軟件解算基線，共解算出664條合格基線，同一時(shí)段觀測(cè)值的數(shù)據(jù)剔除率0.9%。利用HGO進(jìn)行網(wǎng)平差，并統(tǒng)計(jì)重復(fù)基線數(shù)、同步環(huán)和異步環(huán)數(shù)。

4.3.2 復(fù)測(cè)基線檢查

共有復(fù)測(cè)基線15條，計(jì)算后最大相對(duì)誤差為14 ppm，見(jiàn)表4。

表4 重復(fù)基線觀測(cè)值

經(jīng)檢查，最大復(fù)測(cè)基線長(zhǎng)度較差滿足《公路勘測(cè)規(guī)范》(JTG C10-2007) 4.1.5-1的要求。

4.3.3 環(huán)閉合差檢查

由664條合格基線共組成1 643個(gè)同步環(huán)，計(jì)算后平面最大同步環(huán)閉合差相對(duì)誤差為7.07 ppm。經(jīng)檢查，最大同步時(shí)段中同步環(huán)的坐標(biāo)閉合差滿足《公路勘測(cè)規(guī)范》(JTG C10-2007)中4.1.5-2的要求。

由此可以看出GPS野外數(shù)據(jù)采集質(zhì)量良好，觀測(cè)時(shí)段長(zhǎng)度合理，基線解算精度情況優(yōu)良，可以進(jìn)行下一步網(wǎng)平差。

4.3.4 GPS網(wǎng)基線向量平差

GPS網(wǎng)空間向量網(wǎng)在WGS-84坐標(biāo)系下的三維無(wú)約束平差， GPS空間向量網(wǎng)的無(wú)約束平差，進(jìn)行無(wú)(最小)約束平差。平差結(jié)束后，四等網(wǎng)無(wú)約束平相對(duì)誤差最大值為1/67 645，三等網(wǎng)無(wú)約束平相對(duì)誤差最大值為1/45 510。三等網(wǎng)主要原因?yàn)閸{谷山區(qū)，GPS接收機(jī)靜態(tài)數(shù)據(jù)質(zhì)量差。

經(jīng)檢查，無(wú)約束平差基線改正量絕對(duì)值最大值均滿足《公路勘測(cè)規(guī)范》(JTG C10-2007)4.1.5-4的要求。三維無(wú)約束平差后的點(diǎn)位誤差及最弱邊相對(duì)中誤差最大值見(jiàn)表5。

從各項(xiàng)精度指標(biāo)可看出：三維無(wú)約束平差后的點(diǎn)位誤差及最弱邊相對(duì)中誤差最大值均達(dá)到《公路勘測(cè)規(guī)范》(JTG C10-2007)、《技術(shù)設(shè)計(jì)書(shū)》的要求,三、四等GPS網(wǎng)在WGS-84坐標(biāo)系下的三維無(wú)約束平差后精度優(yōu)良，說(shuō)明三、四等GPS網(wǎng)布設(shè)合理，基線組網(wǎng)方式合理，數(shù)據(jù)采集質(zhì)量可靠，該網(wǎng)內(nèi)符合精度較高。

GPS網(wǎng)空間向量網(wǎng)在各坐標(biāo)系成果進(jìn)行二維約束平差，平差結(jié)束后，四等網(wǎng)二維約束平相對(duì)誤差最大值為1/55 499，三等網(wǎng)二維約束平相對(duì)誤差最大值為1/127 161。二維約束平差后的點(diǎn)位誤差及最弱邊相對(duì)中誤差最大值見(jiàn)表6。

表5 三維無(wú)約束平差后的點(diǎn)位誤差及最弱邊相對(duì)中誤差最大值

表6 二維約束平差后的點(diǎn)位誤差及最弱邊相對(duì)中誤差最大值

經(jīng)檢查，點(diǎn)位誤差均能達(dá)到《公路勘測(cè)規(guī)范》(JTG C10-2007)、《技術(shù)設(shè)計(jì)書(shū)》要求,從各項(xiàng)精度指標(biāo)可看出三、四等GPS網(wǎng)精度較好，達(dá)到三、四等精度要求。

5 結(jié) 語(yǔ)

高速公路施工由于地形復(fù)雜、高差大、受氣候條件影響等原因，長(zhǎng)期以來(lái)，使用常規(guī)的測(cè)量方法布設(shè)高精度的測(cè)量控制網(wǎng)，主要依賴于高精度的測(cè)距儀、經(jīng)緯儀或者全站儀，常規(guī)的邊、角控制網(wǎng)測(cè)量要求各控制點(diǎn)間必須通視，給網(wǎng)形的布設(shè)帶來(lái)了很大的限制。該方法工作量大，作業(yè)時(shí)間較長(zhǎng)，給常規(guī)測(cè)量工作帶來(lái)了一定的困難。本文論述的在宜昭高速一期項(xiàng)目中采用GPS控制測(cè)量技術(shù)，僅用1周的時(shí)間就完成了任務(wù)，大大節(jié)省了人力、物力，極大程度地提高了工作效率，顯示出 GPS技術(shù)相對(duì)于常規(guī)測(cè)量方式有著不可比擬的優(yōu)越性。