芻議GPS在公路工程測(cè)量中的應(yīng)用研究
摘要：論文首先介紹了GPS主要工作特點(diǎn)，重點(diǎn)針對(duì)公路工程的特點(diǎn)，從GPS在公路勘測(cè)中的靜態(tài)及動(dòng)態(tài)GPS相對(duì)定位的應(yīng)用兩方面分析了GPS在公路工程測(cè)量中的應(yīng)用，最后分析了GPS在公路工程中的應(yīng)用前景。
關(guān)鍵詞：GPS，公路測(cè)量，應(yīng)用
GPS技術(shù)的眾多優(yōu)點(diǎn)集中體現(xiàn)在精度高，作業(yè)時(shí)間短，不受天氣、通視條件等影響，交通便利更能提高工作效率。GPS在各行各業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。目前的高等級(jí)公路，尤其是高速公路，由于其車(chē)速高、全封閉的特點(diǎn)，對(duì)線形標(biāo)準(zhǔn)要求很高；相應(yīng)的沿線經(jīng)過(guò)的地形較為復(fù)雜而且影響通視，另外這些重點(diǎn)建設(shè)工程往往是任務(wù)重、時(shí)間緊。因此作為先期工作的基礎(chǔ)控制測(cè)量，采用GPS技術(shù)是最理想的作業(yè)方法。因此，如何更好地發(fā)揮GPS的作用，提高工作效率，從理論到實(shí)踐仍有較大的距離。公路勘測(cè)對(duì)測(cè)量不僅要求高而且有其特殊性。
1GPS的特點(diǎn)
GPS具有如下特點(diǎn)：1）不受時(shí)間、地點(diǎn)的限制。GPS衛(wèi)星能夠覆蓋全球，即在地球上任一位置、任一時(shí)間都至少能同時(shí)觀測(cè)到四顆衛(wèi)星，因此，不論白天還是黑夜、無(wú)論是海上、天空還是在陸地上均可隨時(shí)進(jìn)行定位、授時(shí)等服務(wù)。2）不受天氣限制。無(wú)論是雨雪還是風(fēng)霧的天氣均可進(jìn)行GPS定位服務(wù)，因此，在惡劣氣候環(huán)境下也能進(jìn)行GPS定位，保證用戶在惡劣氣候環(huán)境下按時(shí)順利地完成任務(wù)。3）實(shí)時(shí)定位。對(duì)導(dǎo)航用戶而言，需要實(shí)時(shí)知道自己所處的位置。利用子午衛(wèi)星系統(tǒng)要測(cè)若干段時(shí)間后才能獲得定位結(jié)果；而GPS利用實(shí)時(shí)的觀測(cè)數(shù)據(jù)獲得實(shí)時(shí)的定位結(jié)果，具有實(shí)時(shí)性。4）無(wú)需通視。對(duì)常規(guī)測(cè)量而言，點(diǎn)與點(diǎn)之間只有通視才能進(jìn)行測(cè)量，而GPS用于測(cè)量的一個(gè)顯著優(yōu)點(diǎn)就是點(diǎn)與點(diǎn)之間無(wú)需通視，只要各測(cè)量點(diǎn)能接受到衛(wèi)星信號(hào)就可進(jìn)行定位，因此，可以避免許多過(guò)渡點(diǎn)，不僅給測(cè)量工作到來(lái)許多方便、節(jié)省許多費(fèi)用，而且能夠提高測(cè)量精度。5）定位精度高、速度快、經(jīng)濟(jì)效益高在導(dǎo)航及測(cè)量領(lǐng)域，GPS與常規(guī)方法相比，具有精度高、速度快、操作簡(jiǎn)單、自動(dòng)化程度高等優(yōu)點(diǎn)，由此帶來(lái)了很好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。
2GPS在公路勘測(cè)中的應(yīng)用
2.1GPS在公路勘測(cè)中的靜態(tài)觀測(cè)
靜態(tài)觀測(cè)就是至少有兩臺(tái)接收機(jī)同時(shí)接收衛(wèi)星信號(hào)，經(jīng)過(guò)衛(wèi)星信號(hào)的處理可精確計(jì)算出兩點(diǎn)在WGS一84地心坐標(biāo)系的三維坐標(biāo)差，根據(jù)其中一點(diǎn)的坐標(biāo)可推算出另一點(diǎn)的坐標(biāo)，由于靜態(tài)相對(duì)定位精度高，因此廣泛應(yīng)用于形變監(jiān)測(cè)、大地測(cè)量、城市與工程控制領(lǐng)域。
表1.GPS控制網(wǎng)的主要技術(shù)指標(biāo)
公路GPS控制網(wǎng)一般分二級(jí)布設(shè)。首級(jí)控制網(wǎng)一般按GPS二級(jí)點(diǎn)要求布設(shè)，加密控制網(wǎng)一般按GPS四級(jí)點(diǎn)要求布設(shè)，當(dāng)然也可采用常規(guī)導(dǎo)線進(jìn)行加密。GPS控制網(wǎng)相鄰點(diǎn)間弦長(zhǎng)精度按下式計(jì)算確定，它是GPS網(wǎng)質(zhì)量檢核的重要精度指標(biāo)�！ �
式中：σ為弦長(zhǎng)標(biāo)準(zhǔn)差，a,b,d的含義同表1
1）工程概況
國(guó)道G105線（番禺段）北起洛溪大橋北引道，向南經(jīng)洛溪大橋、大石大橋，貫穿大石街城區(qū)至鐘村飄峰轉(zhuǎn)西南，經(jīng)鐘村鎮(zhèn)謝村、屏山、都那等村，接碧江大橋進(jìn)入佛山市順德區(qū)；G105國(guó)道禮村平交至飄峰段進(jìn)行擴(kuò)建，該段道路屬于非標(biāo)準(zhǔn)的3車(chē)道。擴(kuò)建工程將對(duì)這段國(guó)道沿舊路兩側(cè)擴(kuò)寬，擴(kuò)建后計(jì)劃設(shè)雙向8車(chē)道。
2）測(cè)量階段
根據(jù)本工程特點(diǎn)，為緊密配合工程設(shè)計(jì)及相關(guān)工作的順利開(kāi)展，擬采用兩階段作業(yè)：即控制網(wǎng)的布設(shè)（平面控制網(wǎng)和水準(zhǔn)控制網(wǎng)）；1：1000的地形圖測(cè)量，基本等高距1米。
3）測(cè)量?jī)?nèi)容
平面控制測(cè)量：以已知三等平面控制點(diǎn)為起算點(diǎn)，首先布設(shè)E-GPS測(cè)區(qū)首級(jí)控制網(wǎng)，平均基線邊長(zhǎng)約0.4km，新布設(shè)9點(diǎn)；再在E-GPS控制網(wǎng)的基礎(chǔ)上，沿線路方向布設(shè)一級(jí)導(dǎo)線，以供發(fā)展圖根、測(cè)圖及日后施工使用。高程控制測(cè)量：以已知二等高程控制點(diǎn)為起算，布設(shè)一個(gè)閉合環(huán)；線路全線以四等水準(zhǔn)路線貫通，布設(shè)線路長(zhǎng)6km。地形測(cè)量：測(cè)量范圍根據(jù)設(shè)計(jì)提供的邊線，測(cè)量寬度為100m，遇道路交叉口、小區(qū)門(mén)口、工廠企業(yè)門(mén)口及河涌時(shí)，碎步點(diǎn)適當(dāng)加密，測(cè)圖比例尺為1：1000。
4）E級(jí)GPS控制測(cè)量
利用測(cè)區(qū)內(nèi)已有的高等級(jí)城建控制點(diǎn)，在測(cè)區(qū)范圍內(nèi)適度加密GPS點(diǎn),以作為測(cè)區(qū)測(cè)圖和線路定測(cè)的首級(jí)控制。根據(jù)規(guī)范的要求，以城建規(guī)劃局施測(cè)的三等GPS控制點(diǎn)為起算點(diǎn)（培訓(xùn)中心,番禺地稅局），在控制區(qū)的主要道路的較開(kāi)闊以利于進(jìn)行GPS測(cè)量的位置布設(shè)一個(gè)由9個(gè)待求點(diǎn)及2個(gè)起算點(diǎn)組成的E級(jí)GPS網(wǎng)作為首級(jí)控制以滿足測(cè)圖以及今后施工需要。圖根控制點(diǎn)是地形圖要素測(cè)繪的依據(jù)，圖根控制點(diǎn)通常采用圖根導(dǎo)線加密，可在等級(jí)控制點(diǎn)的基礎(chǔ)上連續(xù)加密二級(jí)。在野外測(cè)量過(guò)程中，天線應(yīng)整平，天線基座上的圓氣泡應(yīng)居中，對(duì)中誤差應(yīng)≤3mm；天線定向標(biāo)志指向正北，定向誤差不應(yīng)超過(guò)5°；觀測(cè)時(shí)應(yīng)量取儀器高兩次，其讀數(shù)差都不大于3mm，并將中數(shù)值輸入GPS接收機(jī)中。E級(jí)GPS觀測(cè)完后，利用華測(cè)公司的GPS平差軟件進(jìn)行基線解算和平差。進(jìn)行平差前，對(duì)起算數(shù)據(jù)、橢球參數(shù)等進(jìn)行校對(duì)，確定準(zhǔn)確無(wú)誤后進(jìn)行無(wú)約束平差和二維約束平差；
2.2動(dòng)態(tài)GPS相對(duì)定位的應(yīng)用
動(dòng)態(tài)GPS相對(duì)定位就是將一臺(tái)GPS接收機(jī)置于基準(zhǔn)站不動(dòng)。而另一臺(tái)（或幾臺(tái)）GPS接收機(jī)處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，根據(jù)基準(zhǔn)站與流動(dòng)站信號(hào)的差分可解算出流動(dòng)站各時(shí)刻的位置參數(shù)。動(dòng)態(tài)GPS應(yīng)用于道路勘測(cè)在國(guó)內(nèi)才剛剛起步，國(guó)外在這方面的研究早已展開(kāi)并取得了一些成果。加拿大卡爾加里大學(xué)設(shè)計(jì)了一種動(dòng)態(tài)定位系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括一臺(tái)捷聯(lián)式慣性系統(tǒng)、兩臺(tái)GPS接收機(jī)和一臺(tái)微機(jī)，可用于道路線形的測(cè)定，為養(yǎng)路工作服務(wù)。該系統(tǒng)對(duì)行進(jìn)中的汽車(chē)的定位精度為10～15cm，測(cè)定道路坡度的精度為0.1%，平豎曲線的曲率可以每40m小于0.1。的精度求得，對(duì)于車(chē)速為每小時(shí)80km的車(chē)輛，沿路每35cm即可獲得包括坐標(biāo)、坡度、橫向坡度和平豎曲線曲率的一組數(shù)據(jù)，可取得道路竣工測(cè)量的資料，因測(cè)量迅速，對(duì)交通繁忙的道路定期復(fù)測(cè)也有了可能。奧地利研制出了一種用GPS作為測(cè)量手段之一的EMSAT測(cè)量車(chē)，可實(shí)時(shí)測(cè)定火車(chē)軌道的幾何形狀，為軌道養(yǎng)護(hù)提供數(shù)據(jù)。德國(guó)和加拿大還試驗(yàn)成功了無(wú)需航測(cè)外控點(diǎn)的航空攝影測(cè)量，只需機(jī)載GPS動(dòng)態(tài)測(cè)量，用載波相位差分發(fā)測(cè)定航片的外方位元素，大大地提高了工作效率。我國(guó)目前也正在開(kāi)展這方面的研究，并作了一些試驗(yàn)，取得了初步成果，在航測(cè)中的應(yīng)用具有良好的前景。
3GPS公路勘測(cè)一體化技術(shù)前景展望
近十多年來(lái)，由于GPS定位技術(shù)在公路勘測(cè)系統(tǒng)中的普及，測(cè)量作業(yè)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度有所減輕，但是整個(gè)野外作業(yè)步驟并沒(méi)有太大的觸動(dòng)，因而作業(yè)周期仍無(wú)顯著的縮短。進(jìn)入新世紀(jì)以來(lái)，GPSRTK技術(shù)逐漸趨于成熟，它所具有的高精度、快速度和強(qiáng)可靠性為公路勘測(cè)一體化的實(shí)現(xiàn)提供了強(qiáng)有力的保障。公路勘測(cè)一體化的構(gòu)想主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：其一，擴(kuò)大實(shí)時(shí)GPS測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域。其二，簡(jiǎn)化公路勘測(cè)的作業(yè)環(huán)節(jié)。
3.1擴(kuò)大RTK技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域
GPSRTK技術(shù)在公路勘測(cè)方面主要用于低等級(jí)控制點(diǎn)的加密、數(shù)字地面模型的數(shù)據(jù)采集、中線放樣、縱橫斷面測(cè)量等方面。
1）大比例尺帶狀地形圖測(cè)繪
采用RTK技術(shù)進(jìn)行地形圖測(cè)繪，不需要點(diǎn)間通視，減少測(cè)量層次。僅需1人背著流動(dòng)站GPS接收機(jī)在待測(cè)的地物地貌等碎部點(diǎn)上采集1分鐘左右，并通過(guò)RTK操作手簿輸入碎部點(diǎn)的特征編碼及屬性信息，即可實(shí)時(shí)地得到碎部點(diǎn)的三維坐標(biāo)。再通過(guò)內(nèi)業(yè)的數(shù)據(jù)傳輸和格式轉(zhuǎn)換，至專(zhuān)用繪圖軟件編輯成圖。由于只需要采集碎部點(diǎn)的坐標(biāo)和輸入其屬性信息，采集速度快，因此大大降低了測(cè)圖難度，既省時(shí)又省力，非常實(shí)用。
2）道路的縱、橫斷面放樣
縱斷面放樣時(shí)，先把需要放樣的數(shù)據(jù)輸入到電子手簿中（如：各變坡點(diǎn)樁號(hào)、直線正負(fù)坡度值、豎曲線半徑），生成一個(gè)施工測(cè)設(shè)放樣點(diǎn)文件，并儲(chǔ)存起來(lái)，隨時(shí)可以到現(xiàn)場(chǎng)放樣測(cè)設(shè)。橫斷面放樣時(shí)，先確定出橫斷面形式（填、挖、半填半挖），然后把橫斷面設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)輸入到電子手簿中（如邊坡坡度、路肩寬度、路幅寬度、超高、加寬、設(shè)計(jì)高），生成一個(gè)施工測(cè)設(shè)放樣點(diǎn)文件，儲(chǔ)存起來(lái)，并隨時(shí)可以到現(xiàn)場(chǎng)放樣測(cè)設(shè)。因?yàn)樗脭?shù)據(jù)都是測(cè)繪帶狀圖時(shí)采集而來(lái)的，不需要到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行縱、橫斷面測(cè)量，大大減少了外業(yè)工作。必要時(shí)也可用動(dòng)態(tài)GPS到現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)復(fù)核，這與傳統(tǒng)方法相比，既經(jīng)濟(jì)又實(shí)用，前景又廣闊。
3.2優(yōu)化公路勘測(cè)的作業(yè)環(huán)節(jié)
雖然公路勘測(cè)工作環(huán)節(jié)眾多，十分繁雜，但有了GPSRTK技術(shù)后，可以按照“靜態(tài)+動(dòng)態(tài)”作業(yè)方式，甚至可以按照“定位+放樣”作業(yè)方式，以簡(jiǎn)化作業(yè)環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)一體化勘測(cè)目標(biāo)。
實(shí)施“靜態(tài)+動(dòng)態(tài)”的一體化作業(yè)方式。該作業(yè)方式是將公路勘測(cè)工作分為靜態(tài)作業(yè)和動(dòng)態(tài)作業(yè)兩大環(huán)節(jié)。靜態(tài)作業(yè)是利用GPS技術(shù)建立全線基礎(chǔ)控制網(wǎng)，提供高精度的框架，并為動(dòng)態(tài)作業(yè)提供轉(zhuǎn)換參數(shù)；動(dòng)態(tài)作業(yè)就是利用RTK技術(shù)，分段測(cè)量放樣。要求流動(dòng)站分工明確，如有的負(fù)責(zé)測(cè)圖，有的負(fù)責(zé)放樣。其實(shí)質(zhì)在于擴(kuò)大RTK技術(shù)的應(yīng)用范圍，其關(guān)鍵在于實(shí)時(shí)GPS系統(tǒng)的數(shù)量。數(shù)量越多，勘測(cè)效率越高。
4結(jié)語(yǔ)
總之，GPS系統(tǒng)由于其具有全天候、無(wú)需通視的特點(diǎn)，GPS就倍受測(cè)量界的關(guān)注。相信隨著GPS系統(tǒng)的完善，GPS定位技術(shù)的成熟，GPS定位技術(shù)突出地顯示出其定位精度高、速度快、效益高等優(yōu)勢(shì)，GPS會(huì)更加迅速?gòu)V泛的應(yīng)用于大地測(cè)量、工程測(cè)量、工程與地殼變形觀測(cè)、地籍測(cè)量、航空攝影測(cè)量和海洋測(cè)繪等其他領(lǐng)域。
參考文獻(xiàn)：
[1]王刊生，李林.GPSRTK技術(shù)在公路放樣線中的應(yīng)用.鐵道勘察.2004年第5期
[2]交通部.《公路全球定位系統(tǒng)（GPS）測(cè)量規(guī)范》.北京：人民交通出版社.1998年7月.
[3]張孟冬，陳崇哲，陳淑玲.GPS衛(wèi)星定位技術(shù)應(yīng)用于公路中樁放樣.交通科技.2003年2月.
