陳慧敏

（忻州市交通建設(shè)中心,山西 忻州 034000）

0 引言

公路建設(shè)質(zhì)量要求日益提高，配套施工技術(shù)的升級(jí)勢(shì)在必行。公路勘測(cè)技術(shù)多樣，包含測(cè)距、測(cè)角及水準(zhǔn)測(cè)量等常規(guī)地面測(cè)量技術(shù)，不同技術(shù)的應(yīng)用特性各異。相較而言，GPS技術(shù)具有精度高、速度快、全天候等優(yōu)勢(shì)，深受工程技術(shù)人員的青睞。在該行業(yè)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)下，需加強(qiáng)技術(shù)探索，明確GPS技術(shù)的應(yīng)用原理及要點(diǎn)，發(fā)揮GPS技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，為公路建設(shè)提供支持。

1 GPS技術(shù)概述

全球定位系統(tǒng)GPS具有全球性、實(shí)時(shí)性、連續(xù)性、全天候的定位能力及三維導(dǎo)航能力，在很多行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用。同時(shí)GPS技術(shù)提供的三維坐標(biāo)、速度和時(shí)間數(shù)據(jù)精確，利用價(jià)值極高。單點(diǎn)導(dǎo)航定位和相對(duì)測(cè)地定位是GPS的兩種常見應(yīng)用方式，覆蓋至地形測(cè)量、工程測(cè)量及地形測(cè)量等領(lǐng)域。

2 工程概況

某高速公路全長(zhǎng)約45 km，設(shè)計(jì)速度100 km/h。沿線以丘陵地貌居多，地形起伏大，加之封山育林，不利于工程建設(shè)活動(dòng)的開展，同時(shí)對(duì)工程測(cè)量提出較高的要求。為兼顧中線放樣測(cè)量、橫斷面測(cè)量、水文測(cè)量等各項(xiàng)測(cè)量項(xiàng)目的高精度、高效率要求，均采用GPS技術(shù)。

3 GPS技術(shù)的應(yīng)用原理及坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

3.1 靜態(tài)相對(duì)定位原理

選定某已知的或假定的基準(zhǔn)站，在該處配置GPS接收機(jī)，與被測(cè)站同步觀測(cè)衛(wèi)星，采集載波相位測(cè)量數(shù)據(jù)并加以處理，確定基線矢量并明確被測(cè)站相對(duì)基準(zhǔn)站的坐標(biāo)，以達(dá)到高精度測(cè)量的效果。

3.2 GPS-RTK實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位原理

基準(zhǔn)站將衛(wèi)星信息經(jīng)由無(wú)線電通信系統(tǒng)傳至流動(dòng)站，流動(dòng)站接收基準(zhǔn)站傳遞的衛(wèi)星數(shù)據(jù)，在獲取一系列數(shù)據(jù)后，流動(dòng)站初始化，差分處理載波觀測(cè)信號(hào)，確定待測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)。

常規(guī)GPS靜態(tài)定位、快速靜態(tài)定位等方法雖然取得廣泛應(yīng)用，但在便捷性、效率等方面存在局限性。不同的是GPS-RTK技術(shù)可集多項(xiàng)技術(shù)核心于一體，具有數(shù)據(jù)處理效率、定位效率均較高的優(yōu)勢(shì)。可全面檢核數(shù)據(jù)，及時(shí)剔除不達(dá)標(biāo)的數(shù)據(jù)，以免影響測(cè)量成果的可靠性[1]。

3.3 坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換

公路工程控制網(wǎng)應(yīng)用中存在坐標(biāo)系與WGS-84坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換問(wèn)題，根據(jù)GPS測(cè)量的要求，需確定施測(cè)點(diǎn)的真實(shí)坐標(biāo)數(shù)據(jù)，并進(jìn)行準(zhǔn)確的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。GPS測(cè)量精度易受坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)的影響，可采取以下措施：

（1）安排靜態(tài)測(cè)量，確定WGS-84坐標(biāo)，匯總在完成平差處理后的控制坐標(biāo)，綜合多項(xiàng)坐標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行校正，確定坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)。

（2）取沿線的多點(diǎn)進(jìn)行，生成多種匹配方案，保證轉(zhuǎn)換參數(shù)的可靠性。

（3）轉(zhuǎn)換參數(shù)的可行性檢驗(yàn)根據(jù)平面或高程校正殘差進(jìn)行。

4 GPS在公路勘測(cè)中的應(yīng)用

4.1 首級(jí)平面控制網(wǎng)的布設(shè)

以路線的基本走向?yàn)闇?zhǔn)，布設(shè)控制點(diǎn)，根據(jù)此類控制點(diǎn)完成帶狀地形圖的繪制、測(cè)量放樣等后續(xù)工作。GPS靜態(tài)技術(shù)布設(shè)首級(jí)平面控制網(wǎng)涵蓋的作業(yè)環(huán)節(jié)包括：外業(yè)觀測(cè)、基線解算與檢核、網(wǎng)平差、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換等。為保證工作成果的有效性，需階段性推進(jìn)工作進(jìn)程，首先做好技術(shù)設(shè)計(jì)，明確測(cè)量的具體方式以及注意事項(xiàng)，再由專員依據(jù)設(shè)計(jì)方案規(guī)范操作。加強(qiáng)GPS偏心觀測(cè)、內(nèi)業(yè)平差等細(xì)部的管控，在做好前述各項(xiàng)工作后，可保證幾十千米內(nèi)的點(diǎn)位誤差約為2 cm，有較高的觀測(cè)精度。

4.2 首級(jí)平面控制網(wǎng)的加密

首級(jí)平面控制網(wǎng)建成后，設(shè)二級(jí)控制點(diǎn)，間隔取700～800 m。在待測(cè)點(diǎn)布設(shè)儀器，完成電臺(tái)、接收機(jī)、手簿的連接，用GPS接收機(jī)接收定位數(shù)據(jù)，執(zhí)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換操作，確定待測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)，達(dá)到高精度測(cè)量的效果。為保證外側(cè)測(cè)量的準(zhǔn)確性，流動(dòng)站與基準(zhǔn)站間共同鎖定的衛(wèi)星數(shù)量應(yīng)不少于5顆，觀測(cè)時(shí)間可安排在GPS衛(wèi)星分布幾何因子小于3時(shí)。單個(gè)待測(cè)點(diǎn)的重復(fù)觀測(cè)次數(shù)以5次為宜，對(duì)比分析每次測(cè)量的數(shù)據(jù)，若坐標(biāo)差值在1 cm以內(nèi)，表明觀測(cè)數(shù)據(jù)具有準(zhǔn)確性與可靠性，超過(guò)1 cm時(shí)初始化流動(dòng)站，需重新安排觀測(cè)，直至單點(diǎn)連續(xù)5次觀測(cè)數(shù)據(jù)的坐標(biāo)差值在1 cm以內(nèi)為止。高斯平面坐標(biāo)可在外業(yè)測(cè)量的基礎(chǔ)上用軟件確定。

4.3 高程控制測(cè)量

GPS定位系統(tǒng)測(cè)量、公路測(cè)量獲取的高程分別為大地高、正常高，測(cè)量遵循因地制宜的原則，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)狀況設(shè)水準(zhǔn)高程聯(lián)測(cè)控制點(diǎn)，獲取高程異常變化的擬合參數(shù)。綜合靜態(tài)聯(lián)測(cè)和動(dòng)態(tài)觀測(cè)兩種方法，集各方法的優(yōu)勢(shì)于一體，確定待測(cè)點(diǎn)的大地高，再建立數(shù)學(xué)模型，根據(jù)已經(jīng)測(cè)定的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，獲得滿足公路工程施工要求的測(cè)點(diǎn)正常高。

4.4 路線控制測(cè)量

4.4.1 布網(wǎng)方案

布設(shè)E級(jí)GPS控制網(wǎng)，對(duì)F級(jí)GPS控制點(diǎn)加密。E級(jí)點(diǎn)中，每對(duì)點(diǎn)的間隔距離保持在4～5 km，布設(shè)的各點(diǎn)與道路中心線的距離保持在100～300 m，各點(diǎn)之間達(dá)到通視狀態(tài)，以便于測(cè)量的高效進(jìn)行[2]。沿路線按300～500 m的間隔依次布設(shè)F級(jí)GPS控制點(diǎn)。適當(dāng)延長(zhǎng)E級(jí)GPS控制網(wǎng)的邊長(zhǎng)，按照此方式進(jìn)行測(cè)量后，可提高控制網(wǎng)的精度。E級(jí)GPS網(wǎng)宜采用邊連式或單三角鎖的網(wǎng)形，將閉合環(huán)的邊數(shù)控制在8條以內(nèi)，布點(diǎn)安排在公路中線的兩側(cè)，遵循均勻布置的原則，F(xiàn)級(jí)GPS點(diǎn)以導(dǎo)線網(wǎng)附合至E級(jí)GPS點(diǎn)。起算數(shù)據(jù)與GPS測(cè)量數(shù)據(jù)重合的數(shù)量應(yīng)充足，實(shí)現(xiàn)GPS測(cè)量成果向地面坐標(biāo)系的有效轉(zhuǎn)化。或者也可聯(lián)測(cè)足量的地方控制點(diǎn)，以求得坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)，取得良好的應(yīng)用效果。在新布測(cè)的GPS網(wǎng)周邊均勻規(guī)劃聯(lián)測(cè)點(diǎn)。聯(lián)測(cè)點(diǎn)的頻率為每20～30 km進(jìn)行一次，需注意聯(lián)測(cè)點(diǎn)的數(shù)量無(wú)嚴(yán)苛限制，必要時(shí)可根據(jù)實(shí)際需求適當(dāng)增加聯(lián)測(cè)點(diǎn)。聯(lián)測(cè)的已知三角點(diǎn)需有較高的等級(jí)精度（超過(guò)E級(jí)GPS網(wǎng)的精度）。

4.4.2 觀測(cè)

觀測(cè)儀器采用WILD200雙頻GPS接收機(jī)，為使觀測(cè)工作順利進(jìn)行，提前制定觀測(cè)計(jì)劃，確定適宜的觀測(cè)時(shí)間以及具體的觀測(cè)作業(yè)方法，為觀測(cè)人員日常觀測(cè)工作的開展提供引導(dǎo)。接收機(jī)同步跟蹤衛(wèi)星的數(shù)量超過(guò)5顆，同步觀測(cè)時(shí)間不短于20 min，數(shù)據(jù)采集間隔為15 s。依據(jù)GPS操作手冊(cè)要求進(jìn)行觀測(cè)，完整記錄各項(xiàng)原始資料，測(cè)量手簿記錄需做到內(nèi)容完整、準(zhǔn)確可靠、不得隨意涂改。

4.4.3 數(shù)據(jù)處理

按照如下方法有序完成GPS數(shù)據(jù)處理：

（1）基線解算：采用專業(yè)基線處理軟件進(jìn)行，解算后加強(qiáng)檢驗(yàn)，保證合理性。

（2）GPS網(wǎng)平差：采用TGPPS軟件，E級(jí)GPS網(wǎng)統(tǒng)一平差，保證精度分布的均勻性，消除拼接系統(tǒng)誤差。無(wú)約束平差是基礎(chǔ)操作，用于檢查GPS控制網(wǎng)的內(nèi)符合精度，隨后做二維約束平差，確定GPS控制點(diǎn)的地方坐標(biāo)?？刂凭W(wǎng)邊長(zhǎng)中誤差、相對(duì)中誤差、點(diǎn)位中誤差、最弱點(diǎn)點(diǎn)位中誤差在經(jīng)過(guò)約束平差后分別控制在0.50 cm以內(nèi)、5.54 ppm、±1.00 cm以內(nèi)、±0.73 cm。對(duì)平差結(jié)果做對(duì)比分析可知，E級(jí)GPS網(wǎng)具有較高的精度，可行性突出，達(dá)到高等級(jí)公路控制點(diǎn)的要求。

4.5 大比例尺帶狀地形圖的測(cè)繪

公路工程建設(shè)質(zhì)量日益提高，工程測(cè)量也需逐步朝著高精度的目標(biāo)邁進(jìn)，單一采用GPS-RTK或全站儀的方法缺乏適用性。此時(shí)聯(lián)合采用兩種方法成為更具可行性的方案，確定GPS-RTK和全站儀各自的測(cè)量結(jié)果，相互驗(yàn)證，得到高精度的測(cè)量結(jié)果。在保證測(cè)量成果真實(shí)可靠的同時(shí)，還將提高控制點(diǎn)的布設(shè)效率，達(dá)到提質(zhì)增效的綜合應(yīng)用效果。

4.6 GPS-RTK技術(shù)在公路中線放樣中的應(yīng)用

在地面標(biāo)記公路中線，向GPS電子手簿輸入中樁點(diǎn)坐標(biāo)，定出放樣點(diǎn)。在GPS-RTK測(cè)量中，各點(diǎn)的測(cè)量均獨(dú)立完成，放樣精度基本一致，不存在累計(jì)誤差，可保證測(cè)量放樣的精度。

4.7 GPS-RTK技術(shù)在公路斷面測(cè)量中的應(yīng)用

在地面清晰標(biāo)記公路中線，將設(shè)計(jì)路線鍵入軟件，以便采用RTK進(jìn)行縱斷面測(cè)量，線路的坐標(biāo)與里程形成對(duì)應(yīng)關(guān)系。外業(yè)中樁測(cè)量階段，手簿自動(dòng)提示放樣點(diǎn)的位置，在控制前后、左右的偏移量后，靈活地在現(xiàn)場(chǎng)選擇地形變化點(diǎn)完成測(cè)量，全程各項(xiàng)操作的便捷性良好，測(cè)量的精度和效率均較高。

4.8 測(cè)量的具體要求以及注意事項(xiàng)

中線放樣的關(guān)鍵在于確保各放樣點(diǎn)均在設(shè)計(jì)線路上，要求工作人員嚴(yán)格依據(jù)規(guī)范操作，保證平面和高程的精度。不同等級(jí)公路對(duì)中樁平面樁位和中樁高程測(cè)量的精度要求各異，如表1、表2所示。

表1 中樁平面樁位精度

表2 中樁高程測(cè)量精度

該工程沿線地形、地勢(shì)條件復(fù)雜，放樣線路距離長(zhǎng)，測(cè)量時(shí)需加強(qiáng)細(xì)節(jié)控制，以保證測(cè)量的有效性。

（1）作業(yè)半徑的設(shè)置。數(shù)據(jù)通信狀態(tài)易受到作業(yè)半徑的影響，因此合理控制作業(yè)半徑具有必要性?；鶞?zhǔn)站電臺(tái)信號(hào)傳輸距離是影響RTK作業(yè)半徑的關(guān)鍵因素，為提高測(cè)量精度，需重點(diǎn)對(duì)傳輸距離做深入研究[3]。若測(cè)量區(qū)域內(nèi)的建（構(gòu)）筑物的數(shù)量較多或樹木較為旺盛，則不利于移動(dòng)站正常接收電臺(tái)信號(hào)。例如信號(hào)偏弱乃至失聯(lián)的問(wèn)題，即便接收到信號(hào)也難以保證高程數(shù)據(jù)的精度。為滿足測(cè)量范圍廣和測(cè)量有效性的要求，推薦RTK的作業(yè)半徑在5～10 km以內(nèi)。

（2）基準(zhǔn)站的設(shè)置。建筑物、山體等均會(huì)對(duì)RTK數(shù)據(jù)傳輸造成影響，在信號(hào)傳輸階段還有可能存在各類高頻信號(hào)源的干擾，導(dǎo)致傳輸無(wú)法正常進(jìn)行，外業(yè)精度和作業(yè)半徑均會(huì)受到影響。為保證GPS信號(hào)接收的質(zhì)量，需在測(cè)量前合理規(guī)劃基準(zhǔn)站。從實(shí)際情況出發(fā)，評(píng)價(jià)基準(zhǔn)站位置的可行性，盡可能與電磁干擾源保持相對(duì)較遠(yuǎn)的距離，主動(dòng)規(guī)避干擾；基準(zhǔn)站周邊不可存在大范圍的信號(hào)反射物，同時(shí)削弱多路徑效應(yīng)對(duì)基準(zhǔn)站運(yùn)行狀態(tài)的影響；基準(zhǔn)站電臺(tái)天線和移動(dòng)站天線之間需保持通視，盡可能減少兩者之間的高山、高層建筑物等遮擋物的數(shù)量，條件允許時(shí)天線適當(dāng)向高處設(shè)置，以便實(shí)現(xiàn)電臺(tái)信號(hào)的無(wú)阻礙傳輸。

（3）已知點(diǎn)位的選取。妥善選擇已知點(diǎn)位，以便測(cè)量的高效進(jìn)行，并從中取得較高精度的測(cè)量結(jié)果。GPSRTK屬于厘米級(jí)精度動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)差分測(cè)量，放樣精度一般對(duì)于起算點(diǎn)在±2～±3 cm之間，測(cè)點(diǎn)精度均和已知點(diǎn)發(fā)生關(guān)系。根據(jù)此特點(diǎn)，若要提高放樣精度，需加強(qiáng)日常檢核，確保各項(xiàng)數(shù)據(jù)均合理、可靠。

5 測(cè)量精度分析

5.1 中樁平面精度的分析

定線放線時(shí)，按500 m的間距依次用GPS-RTK技術(shù)測(cè)放中線控制樁，具體間隔距離可視實(shí)際情況在該值的基礎(chǔ)上做小幅度的調(diào)整。依據(jù)該方式進(jìn)行操作，共放出90個(gè)中線控制樁，并釘設(shè)方樁及標(biāo)志樁。前述工作落實(shí)到位后，與GPS控制點(diǎn)聯(lián)測(cè)，建立復(fù)合網(wǎng)。匯總設(shè)計(jì)坐標(biāo)成果和放線坐標(biāo)成果，做對(duì)比分析，評(píng)價(jià)中樁平面精度，具體如表3所示。

表3 中樁平面精度統(tǒng)計(jì)

5.2 中樁高程精度的分析

在確定GPS-RTK測(cè)量的中樁高程后，匯總?cè)緝x的三角高程和水準(zhǔn)儀的中樁高程，圍繞多項(xiàng)高程數(shù)據(jù)做對(duì)比分析，明確中樁高程的精度。具體內(nèi)容如表4所示。

表4 中樁高程精度統(tǒng)計(jì)

6 結(jié)論

綜上所述，公路勘測(cè)精度要求高，需要選擇科學(xué)的方法高效、準(zhǔn)確地完成勘測(cè)作業(yè)。同時(shí)GPS技術(shù)是公路測(cè)量中的重要技術(shù)手段，可快速建立公路勘測(cè)收集控制網(wǎng)，保證測(cè)量的準(zhǔn)確性，提高測(cè)量效率。其中，GPSRTK技術(shù)屬于公路測(cè)量領(lǐng)域極具代表性的技術(shù)革新。其深度改變了公路測(cè)量模式，因兼具高精度、高效等特點(diǎn)而在道路帶狀地形圖測(cè)繪、定線測(cè)量等領(lǐng)域取得廣泛的應(yīng)用，且隨著技術(shù)研究的深入，在公路沿線跨河水準(zhǔn)測(cè)量、水深測(cè)量等方面也嶄露頭角，發(fā)展前景廣闊。經(jīng)過(guò)該文的分析，提出GPS技術(shù)在公路勘測(cè)領(lǐng)域的技術(shù)應(yīng)用要點(diǎn)，涉及基礎(chǔ)設(shè)施的配置、測(cè)量方式、各項(xiàng)數(shù)據(jù)的采集與處理等，希望所提內(nèi)容對(duì)同仁有參考作用。