錢承軍

(南京市測繪勘察研究院股份有限公司，江蘇 南京 210019)

1 引 言

由于公路屬于帶狀構(gòu)筑物，傳統(tǒng)的公路控制網(wǎng)測量，采用全站儀及水準儀等設(shè)備進行觀測，控制網(wǎng)要求精度高，工程量較大，效率低且費用高，并且傳統(tǒng)公路建設(shè)工程的導(dǎo)線布設(shè)、橫斷面及縱斷面測量，均需要控制網(wǎng)擁有良好的點位分布及圖形結(jié)構(gòu)，要求各控制點之間具備通視條件，這些因素都是公路控制網(wǎng)布設(shè)與測量時需要面對的困難。

近年來，全球定位系統(tǒng)(GPS)技術(shù)不斷發(fā)展，定位精度已達毫米級，完全可以用于公路高精度定位測量。采用GPS技術(shù)進行首級控制網(wǎng)布設(shè)，定位精度高，選點靈活、作業(yè)效率高。國內(nèi)基本上都采用GPS技術(shù)進行公路控制網(wǎng)布設(shè)，并且取得了可靠的成果[6～14]。筆者結(jié)合浦儀公路西段工程，介紹項目方案及過程、數(shù)據(jù)處理方法及誤差分析，從而進一步證實GPS技術(shù)在公路控制方面的可靠性。

本項目橋梁段平面控制網(wǎng)等級選用二等，二等GPS控制網(wǎng)點8個，其余公路段按一級公路標準建設(shè)，公路段平面控制網(wǎng)等級選用一級，一級GPS控制網(wǎng)點位31個。

2 投影變形估算

在進行平面控制測量之前，選用合適的平面坐標系統(tǒng)，保證平面坐標系下公路投影長度變形值在規(guī)定限差之內(nèi)，對于提高控制測量成果精度，省去煩瑣的數(shù)據(jù)計算，顯得至關(guān)重要[4]。平面坐標系統(tǒng)下，投影分帶位置不應(yīng)選擇在大型構(gòu)造物處，選擇路線平面控制測量坐標系時，應(yīng)盡量使用國家統(tǒng)一的高斯投影，使測區(qū)內(nèi)投影長度變形值不大于 2.5 cm/km[5]且大型構(gòu)造物平面控制測量坐標系，其投影長度變形值不應(yīng)大于 1 cm/km[3]。

浦儀公路西段起于104國道(浦泗路)與205國道(江北大道)交叉的浦泗立交，向東北方向沿規(guī)劃走廊布設(shè)，跨越上壩夾江后與規(guī)劃和燕路過江通道相交，然后繼續(xù)向東北延伸，止于南京二橋高速，線路全長約 11.780 km，包含夾江大橋，夾江大橋的主橋跨徑為 500 m。項目線路長度較長，跨越了國家3°帶投影的39帶和40帶，投影帶邊緣區(qū)域變形較大，實際運用也會非常不方便，故控制網(wǎng)平面采用高斯-克呂格3°帶投影的92南京地方坐標系(新)，其中央經(jīng)線為南京中央子午線，大大減小了投影變形。高斯-克呂格正形投影長度變形計算公式如下：

式中，△s為變形長度增加值；s為參考橢球上兩點邊長；ym為測距邊兩端點的平均橫坐標；R為地球平均曲率半徑。

浦儀公路西段跨江大橋處距離南京中央子午線的距離約為 8 km，帶入ym可得△s/s=1/1260000，即每千米變形量△s為 0.8 mm。項目西段最邊緣處距離南京中央子午線的距離約為 15 km，帶入ym可得△s/s=1/360000，即每千米變形量△s為 2.8 mm。從上述計算可知，浦儀公路西段夾江大橋和最邊緣處的投影變形量均小于 1 cm/km，控制網(wǎng)長度變形只需要考慮高斯正形投影就可以了，選用南京92坐標系完全可以滿足項目要求。

3 平面控制網(wǎng)的布設(shè)

3.1 控制網(wǎng)等級確定

一般公路除了公路段，還會包括隧道段和橋梁段，而公路段、橋梁段和隧道段的平面控制網(wǎng)等級不一樣，所以應(yīng)采用橋梁段和隧道段這些構(gòu)造物平面控制網(wǎng)與公路段這類路線平面控制網(wǎng)分步布設(shè)的方法。應(yīng)根據(jù)公路的平面設(shè)計要求及各跨橋梁總長及隧道貫通總長來確定橋梁段及隧道段所采用的平面控制網(wǎng)等級，具體要求如表1所示：

平面控制測量等級選用 表1

浦儀公路西段公路段按一級公路標準建設(shè)，公路段平面控制網(wǎng)等級應(yīng)選用一級，夾江大橋的主橋跨徑為 500 m，故橋梁段首級平面控制網(wǎng)等級應(yīng)選用二等。

3.2 控制網(wǎng)的布設(shè)

(1)選點埋石

利用南京市已有最新1∶500地形圖，首先在地形圖上進行首級控制網(wǎng)的初步設(shè)計和點位選擇，然后實地踏勘確定點位，并對控制網(wǎng)圖進行更新。現(xiàn)場踏勘選點結(jié)束后，立即現(xiàn)場埋石。

浦儀公路西段一級GPS控制網(wǎng)主要覆蓋八卦洲、江北新區(qū)核心區(qū)等重點區(qū)域，按照甲方要求在實地踏勘選點，一級GPS控制網(wǎng)主要為道路的施工布設(shè)，沿線路每隔 300 m～400 m左右埋設(shè)一個控制點，點位距道路中心線在 50 m～300 m范圍內(nèi)；控制點在道路一側(cè)連續(xù)布設(shè)3點～5點后再跳至另一側(cè)，且每個點至少與一個相鄰點通視(如圖1所示)。

圖1 一級控制網(wǎng)圖

圖2 二等控制網(wǎng)

二等GPS控制網(wǎng)主要為跨江大橋施工布設(shè)，整個控制網(wǎng)共布設(shè)3個大地四邊形，如圖2所示。C、D控制點和E、F控制點均布設(shè)在夾江兩岸第二道加固江堤上，各點離跨江大橋主軸線的距離大于400 m，A、B點和G、H點分別布設(shè)在兩岸第二道大堤背水面，各點距離第二道江堤大于400 m，距離主軸線大于 200 m，保證控制點能夠長期保存。二等控制點兩點之間的距離均大于 300 m，每個控制點至少有一個通視方向。二等點位埋設(shè)均采用現(xiàn)場澆灌強制觀測墩的形式進行，鋼管埋深 10 m(如圖3所示)。

圖3 主橋平面控制網(wǎng)強制觀測墩圖

(2)GPS布網(wǎng)作業(yè)

一級GPS控制網(wǎng)共有點位34個，其中起算點3個，包括C級網(wǎng)點“八卦洲南”“高新醫(yī)院”和“三道灣”。觀測以6臺Trimble雙頻GPS接收機采用靜態(tài)觀測方法進行作業(yè)，全網(wǎng)共觀測5天，14個測段，數(shù)據(jù)采樣間隔為15秒。

二等GPS控制網(wǎng)共有點位11個，其中起算點3個，包括南京CORS基準站“城建檔案”“六合八百”和“棲霞靖安”。二等GPS網(wǎng)觀測以8臺Trimble雙頻GPS接收機采用靜態(tài)觀測方法進行作業(yè)，全網(wǎng)共觀測4天，6個測段，數(shù)據(jù)采樣間隔為10秒。

本次GPS網(wǎng)采用以邊連接形式為主，點連接為輔的方法，進行觀測，確保每個點有2條以上觀測基線相連接。每次同步觀測過程中注意衛(wèi)星信號情況和數(shù)據(jù)存儲情況。當(dāng)存儲出現(xiàn)異常時及時延長同步觀測時間。當(dāng)天靜態(tài)觀測的外業(yè)記錄表及時整理和保存，并進行基線解算和點位誤差解算等，對點位精度超限的控制點進行梳理，查找原因，第二天根據(jù)需要調(diào)整觀測計劃，及時進行重測或補測。

4 GPS數(shù)據(jù)處理

GPS控制網(wǎng)利用TGO軟件進行數(shù)據(jù)下載，基線解算和最后平差是在Ashtech Solutions軟件中完成。對精度較差或不合格的基線進行分析，參照衛(wèi)星殘差圖，對不合格基線提高衛(wèi)星高度角，并適當(dāng)調(diào)整信號不好的測站的起止歷元的位置，對噪聲比較大的衛(wèi)星或信號質(zhì)量較差的衛(wèi)星觀測時段予以屏蔽，從而提高基線解算質(zhì)量。在平差前對構(gòu)網(wǎng)的基線進行同步環(huán)、異步環(huán)閉合差和重復(fù)基線的檢核，選擇合適的基線向量構(gòu)網(wǎng)。GPS控制網(wǎng)中，復(fù)測基線的測量較差、同步環(huán)各坐標分量及全長閉合差及異步閉合環(huán)或附合路線坐標閉合差應(yīng)滿足《全球定位系統(tǒng)(GPS)測量規(guī)范》中規(guī)定的精度指標，GPS控制網(wǎng)平差流程圖如圖4所示。

圖4 GPS控制網(wǎng)平差流程圖

浦儀公路西段項目進行一級網(wǎng)平差計算的起算數(shù)據(jù)為南京市3個C級網(wǎng)點(“高新醫(yī)院”“八卦洲南”和“三道灣”)的CGCS2000坐標系下的三維坐標，對一級網(wǎng)95條基線進行三維無約束平差及約束平差，解算得到高精度的31個點位成果。平差后檢測了44個閉合環(huán)，X方向最大誤差為 0.015 m，Y方向最大誤差為 0.024 m，Z方向最大誤差為 0.024 m。進行二等網(wǎng)平差計算的起算數(shù)據(jù)為南京市3個CORS基準站(“城建檔案”“六合八百”和“棲霞靖安”)的CGCS2000坐標系下的三維坐標，對二等網(wǎng)的30條基線進行三維無約束平差及約束平差，解算得到8個高精度二等控制點點位。平差后檢測了14個閉合環(huán)，X方向最大誤差為 0.013 m，Y方向最大誤差為 0.023 m，Z方向最大誤差為 0.022 m。

利用本公司南京坐標轉(zhuǎn)換系統(tǒng)軟件將解算出的各GPS控制點在CGCS2000坐標系下的坐標轉(zhuǎn)換到1954年北京坐標系、92南京地方坐標系以及2008南京地方坐標系。

5 控制網(wǎng)精度評定

(1)基線相對精度

一級GPS控制網(wǎng)基線中最弱邊(F01—0-2988)相對中誤差為1/48478；二等網(wǎng)平差基線中最弱邊(JJXD-JJXB)相對中誤差為1/437602。

(2)點位中誤差

一級GPS控制網(wǎng)平差后最弱點點位中誤差為 12.0 mm；二等控制網(wǎng)最弱點點位中誤差為 9.2 mm。

(3)閉合環(huán)相對精度

檢查一級控制網(wǎng)閉合環(huán)40個，優(yōu)于100萬的占31.8%，優(yōu)于50萬小于100萬的占15.9%，大于10萬的占52.3%；檢查二等控制網(wǎng)閉合環(huán)14個，優(yōu)于500萬的占29%，優(yōu)于100萬小于500萬的占50%，大于100萬的占21%。

從控制網(wǎng)解算結(jié)果可以看出一級和二等控制網(wǎng)最弱點點位中誤差均小于 50 mm，一級GPS控制網(wǎng)基線最弱邊相對中誤差小于1/20000，二等控制網(wǎng)基線最弱邊相對中誤差小于1/100000，均滿足《公路勘測規(guī)范》中的要求，說明本項目各等級GPS控制網(wǎng)精度很高。

6 總結(jié)及建議

6.1 結(jié)論

采用GPS測量技術(shù)對公路控制網(wǎng)實施測量，其精度高于傳統(tǒng)的經(jīng)緯儀、全站儀等設(shè)備測量的結(jié)果，各站點的觀測時間短于傳統(tǒng)測量方式。GPS測量與站點間的可視性無關(guān)，避免了傳統(tǒng)測量方式的頻繁搬站，使公路控制網(wǎng)測量的控制點的選點靈活方便，降低勞動強度。公路是長條帶狀構(gòu)筑物，視距差，遮擋嚴重，不利于工程的測量，而GPS控制網(wǎng)的布網(wǎng)方式靈活，可以選擇導(dǎo)線式、網(wǎng)絡(luò)式、星形等各種方式，極大地改善作業(yè)環(huán)境，提高了公路測量的作業(yè)效率和測量精度。

本項目選擇高斯平面直角坐標為未知參數(shù)的約束平差，以平面二維基線向量為觀測值的無約束和約束平差相結(jié)合的方式處理數(shù)據(jù)，平差結(jié)果的整體性好，特別適用于長距離、大范圍的GPS控制網(wǎng)的平差計算，非常適用于公路控制網(wǎng)的測量。

6.2 建議

(1)對于公路控制網(wǎng)的不同部分，根據(jù)構(gòu)造物大小和主跨選用不同等級控制網(wǎng)，需求不同，布網(wǎng)靈活，根據(jù)需要做好控制網(wǎng)的圖形設(shè)計[15]；

(2)當(dāng)天數(shù)據(jù)當(dāng)天處理，隨時根據(jù)觀測情況進行補測或重測，補測或重測時可以根據(jù)前一天控制點信號情況增加觀測時間以彌補選點條件不佳的缺點，從而提高點位精度。

(3)當(dāng)測站周圍地形條件對衛(wèi)星信號遮擋較嚴重時，可以適時增大截止高度角以減少多路徑效應(yīng)及大氣延遲誤差的影響。

(4)不同等級公路控制網(wǎng)平差解算前要對所使用的已知控制點的坐標統(tǒng)一性和穩(wěn)定性進行驗證，以保證解算出來的坐標所在系統(tǒng)的一致性。

(5)GPS網(wǎng)最弱邊相對中誤差并不是直接觀測的基線精度，而是最弱間接邊的精度要求，為保證控制網(wǎng)中各相鄰點之間具有很高的相對精度，對距離較近的控制點進行同步觀測，以獲得直接觀測基線。

(6)GPS測量會受到電磁波、厚大云層、高大建筑物及大面積水域?qū)π盘柈a(chǎn)生的干擾，具有自身的局限性，因此，在實際測量中，應(yīng)該將GPS測量與全站儀等傳統(tǒng)測量方式相結(jié)合，可以提高控制網(wǎng)整體精度。