王 磊

（中鐵十八局集團(tuán)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(shù)的不斷涌現(xiàn)，公路勘察設(shè)計(jì)逐漸走向一體化和自動化，在提高公路勘察效率和準(zhǔn)確性的同時(shí)，確保公路的勘察質(zhì)量?，F(xiàn)階段公路勘察項(xiàng)目中還是以全站儀設(shè)備為主，但其應(yīng)用時(shí)往往會受到地形地貌的限制，降低了工作效率。GPS RTK技術(shù)在公路勘察應(yīng)用中也較為廣泛，但其在應(yīng)用時(shí)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(zhì)量，可有效將GPS RTK技術(shù)和全站儀相聯(lián)合，互相揚(yáng)長補(bǔ)短，進(jìn)行公路綜合勘察。本文研究GPS RTK技術(shù)和全站儀聯(lián)合測量在公路勘察中的應(yīng)用，首先對GPS技術(shù)、全站儀、GPS RTK技術(shù)和全站儀相聯(lián)合技術(shù)的應(yīng)用特點(diǎn)進(jìn)行闡述，重點(diǎn)研究GPS RTK技術(shù)和全站儀相聯(lián)合勘察的應(yīng)用。

2 幾種公路勘測技術(shù)應(yīng)用特點(diǎn)

2.1 GPS PTK勘察技術(shù)

（1）勘測原理

GPSPTK技術(shù)主要應(yīng)用設(shè)備為流動站加基準(zhǔn)站，其基準(zhǔn)站通常設(shè)置在已知基準(zhǔn)點(diǎn)位之上［2］，另外對地勢的標(biāo)高和視野要求較高，結(jié)合GPS衛(wèi)星傳來的跟蹤檢測信號來進(jìn)行綜合信息采集分析，最終得到具備厘米級別的定位結(jié)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(diǎn)

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

①提高作業(yè)效率。僅設(shè)立少許基準(zhǔn)點(diǎn)即可完成測量工作；

②全天候工作。在任何位置和任意時(shí)間均可有效完成公路測量工作；

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

④測量人員需求少。在應(yīng)用GPS RTK技術(shù)進(jìn)行公路橫斷面測量時(shí)，同一基準(zhǔn)站可由多個(gè)流動站共同使用，同時(shí)一個(gè)流動站的測量接收僅需1名技術(shù)人員操作即可，極大節(jié)約人員成本投入。

（3）勘測要點(diǎn)

首先采用異步閉合網(wǎng)的形式在待測路線上沿線來設(shè)置控制網(wǎng)，每隔2~3km的間距在各區(qū)域設(shè)置控制點(diǎn)，針對山區(qū)，控制點(diǎn)設(shè)置的間距需低于2km。測區(qū)控制網(wǎng)設(shè)置完畢后對各控制點(diǎn)處的坐標(biāo)和高程實(shí)現(xiàn)靜態(tài)觀察，觀察前將基準(zhǔn)站設(shè)定于視野開闊、地勢達(dá)標(biāo)的區(qū)域，再結(jié)合PTK質(zhì)量控制措施得到坐標(biāo)系間的轉(zhuǎn)換擬合參數(shù)［5］。點(diǎn)位測定公路中樁，并將其坐標(biāo)輸入并埋樁標(biāo)記。通過輸入放樣點(diǎn)位計(jì)算得到導(dǎo)航數(shù)據(jù)，并顯示在導(dǎo)航圖上，測量得到RTK接收器在地方坐標(biāo)系上的具體位置，表征出RTK接收器和放樣點(diǎn)之間的位置偏差，通過位置重合后可準(zhǔn)確得到放樣點(diǎn)位置。最后整理輸出所采集的坐標(biāo)數(shù)據(jù)，先進(jìn)行定點(diǎn)設(shè)置橫斷面方向，根據(jù)系統(tǒng)中的偏距測量功能采集各處變化點(diǎn)的坐標(biāo)和高程，確定出橫斷面的地面數(shù)據(jù)，結(jié)合地形特征結(jié)合數(shù)據(jù)模型處理技術(shù)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(jìn)行橫斷面測量時(shí)，部分位置無法進(jìn)行正常跑尺作業(yè)，因此會選用全站儀設(shè)備進(jìn)行測量處理。通過總結(jié)分析和實(shí)際應(yīng)用，可歸納出全站儀測量技術(shù)的主要技術(shù)特征有：

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

（2）測距速度快。全站儀測量時(shí)其速度較快，同時(shí)操作性簡單。

（3）測程遠(yuǎn)。全站儀結(jié)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(shù)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(shí)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(lián)合測量

公路測量時(shí)GPS RTK技術(shù)往往無法完全代替常規(guī)的測量技術(shù)，在一定情況下還需要結(jié)合全站儀、水平儀等設(shè)備進(jìn)行協(xié)同測量，例如植被茂密或公路上構(gòu)建物分布密集時(shí)，可采用GPSPTK技術(shù)進(jìn)行控制點(diǎn)測定，完成聯(lián)合測量作業(yè)。具體操作為先進(jìn)行RTK技術(shù)放樣，將事先設(shè)計(jì)好的點(diǎn)位坐標(biāo)輸入到手簿內(nèi)，連接好GPS接收裝置，快速準(zhǔn)確地計(jì)算標(biāo)記出放樣點(diǎn)位置，然而收到地形限制，采用全站儀進(jìn)行配合操作，結(jié)合全站儀來測量待測點(diǎn)處的碎部點(diǎn)，兩種測量方式相結(jié)合，可較好貫穿到整個(gè)公路測量工作中。

3 GPS和全站儀相聯(lián)合勘測工程應(yīng)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(shè)計(jì)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(dá)1400m，同時(shí)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(shí)際情況，施工單位決定采用GPS RTK技術(shù)和全站儀相聯(lián)合的方式進(jìn)行公路測量，并選出三個(gè)不同特殊工況進(jìn)行測量情況對比，分析GPS RTK技術(shù)和全站儀相聯(lián)合的可行性。

3.2 勘測步驟

（1）前期工作

公路工程測量設(shè)計(jì)的內(nèi)容較多，其操作環(huán)節(jié)復(fù)雜，為了提高測量的準(zhǔn)確性，應(yīng)將GPS RTK技術(shù)和全站儀相結(jié)合，同時(shí)需對前期的準(zhǔn)備工作完善。提前熟悉掌握GPS PTK聯(lián)合全站儀測量步驟流程，測量技術(shù)人員結(jié)合實(shí)際情況制定出科學(xué)有效的測量工藝，然后再逐步詳細(xì)的開展測量工作［7］。正式測量前測量技術(shù)人員提前對待測點(diǎn)區(qū)域的實(shí)際情況進(jìn)行仔細(xì)勘察，即對地理環(huán)境、經(jīng)緯度、面積高程、地形地勢等進(jìn)行勘察。同時(shí)對各測繪儀器設(shè)備進(jìn)行調(diào)試，確定測量中所應(yīng)有的坐標(biāo)系統(tǒng)、控制網(wǎng)布局及高程布局等參數(shù)。各測量人員需進(jìn)行產(chǎn)前培訓(xùn)，測量過程中做好各項(xiàng)數(shù)據(jù)記錄，不得出現(xiàn)遺測、漏測現(xiàn)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(xiàn)為：

①高程越大，長度變形越大。

實(shí)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(shù)值如表1所示。

表1 投影變形變化表（設(shè)Rm=6370km）

Δs1值是負(fù)值，表明將地面實(shí)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(yuǎn)，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(diǎn)橫坐標(biāo)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(shè)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(yuǎn)，其變形愈大。

（3）實(shí)際應(yīng)用

公路測量應(yīng)用中當(dāng)GPS RTK技術(shù)中接收得到的信號質(zhì)量較差，會給后續(xù)的測量統(tǒng)計(jì)工作帶來較大影響，降低了整體的測量結(jié)果準(zhǔn)確性，此時(shí)針對信號較差情況可選用全站儀進(jìn)行聯(lián)合測量［8］。實(shí)際應(yīng)用中先采用GPS RTK技術(shù)在待測點(diǎn)區(qū)域內(nèi)設(shè)立低級控制點(diǎn)位，其精度需滿足設(shè)計(jì)要求，針對GPS RTK技術(shù)測量時(shí)缺乏對地形特征點(diǎn)位信息的情況，得出待測點(diǎn)區(qū)域地形圖（見圖2），再采用全站儀對待測區(qū)域進(jìn)行碎部測量作業(yè)，從圖根和碎部兩個(gè)部分進(jìn)行聯(lián)合測量，得到最有效的測量結(jié)果，彌補(bǔ)兩種技術(shù)之間的不足和差異，提高整體的公路測量精度。為保持?jǐn)?shù)據(jù)統(tǒng)一，應(yīng)將各碎部點(diǎn)遵循統(tǒng)一方式進(jìn)行處理，并將其轉(zhuǎn)化為DAT格式，其標(biāo)準(zhǔn)格式為： “點(diǎn)號、逗號、東坐標(biāo)、北坐標(biāo)，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(zhì)量評價(jià)

本公路合同段采用GPS RTK和全站儀相聯(lián)合的方式進(jìn)行公路測量，其整體測量工作歷時(shí)86天，通過對比各勘測方式，得出GPS RTK技術(shù)和全站儀相聯(lián)合檢測方式可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、記錄、計(jì)算、成圖一體化測量，可較好適用于復(fù)雜地形山區(qū)公路測量工作。幾種測量方式對比結(jié)果如表3所示。

表3 幾種測量方式對比結(jié)果

4 結(jié)語

本文圍繞GPS和全站儀聯(lián)合測量在高速公路勘測中的應(yīng)用進(jìn)行展開，分別闡述了GPS技術(shù)、全站儀、GPS RTK技術(shù)和全站儀相聯(lián)合技術(shù)的應(yīng)用特點(diǎn)，重點(diǎn)研究GPS RTK技術(shù)和全站儀相聯(lián)合勘察的應(yīng)用，并在實(shí)際工程中進(jìn)行應(yīng)用。研究結(jié)果表明，GPS RTK技術(shù)和全站儀相聯(lián)合檢測方式可實(shí)現(xiàn)一體化測量，縮短了測量作業(yè)人員、時(shí)間的投入，提高公路勘察質(zhì)量，且可以較好適用于復(fù)雜地形山區(qū)公路測量工作，具有一定的可行性和實(shí)用性。