淺談公路GPS測量中的質量控制

杜 新，鐘生偉，蔡 薇，張 峰

（1.湖北省航測遙感院，湖北武漢 430071；2.湖北省測繪產品質量監督檢驗站，湖北武漢 430071；3.湖北省基礎地理信息中心，湖北武漢 430071）

淺談公路GPS測量中的質量控制

杜 新1，鐘生偉2，蔡 薇1，張 峰3

（1.湖北省航測遙感院，湖北武漢 430071；2.湖北省測繪產品質量監督檢驗站，湖北武漢 430071；3.湖北省基礎地理信息中心，湖北武漢 430071）

公路測量工作是公路工程設計的基礎，控制測量又對公路測量質量的好壞起著決定性的作用。描述了公路GPS控制測量中容易出現的問題，分析了產生誤差的原因，提出了保證測量質量的具體方法，對以后公路 GPS控制測量具有一定的指導作用。

規范；坐標系統；GPS平差；質量控制與檢查

隨著測繪新技術、新方法的不斷發展，現在已有越來越多公路測量單位采用GPS完成公路基礎控制測量。這種測量方法大大減輕了測量人員的勞動強度，提高了作業效率。雖然GPS操作比傳統儀器簡單，但是設計誤差或人為誤差造成了精度不高、可靠性不強等問題，我們在實踐過程中不斷摸索，獲得了一些提高GPS控制測量質量的經驗。

1 規范的選擇

2007版《公路勘測規范》修編組根據公路勘測現狀，把原來使用的 JTJ 061-99《公路勘測規范》、JTJ 065-97《公路攝影測量規范》及JTJ/T 066-98《公路全球（GPS）測量規范》修編合并為JTC C10-2007《公路勘測規范》。我們在編寫公路測量技術設計書的時候，JTC C10-2007《公路勘測規范》作為現行的唯一行業標準，是指導公路測量工作的主要技術依據，是保證公路測量質量的基礎，其中有關精度要求、勘測規定等方面的內容，應優先于國標規范的同類要求，是必須嚴格執行的。公路測量工作中具體的作業方法、過程規定等內容主要按照JTC/T C10-2007《公路勘測細則》執行。

2 坐標系統的選擇

坐標系統對公路測量的精度以及公路里程計算影響比較大，所以JTC C10-2007《公路勘測規范》對平面控制網坐標系統的設定作了以下規定：選擇平面控制坐標系統時，應滿足投影長度變形值小于2.5 cm/km。

測量邊投影變形值有下面兩部分組成：

1）歸算到測區投影面的測量邊改正，每公里改正數公式為：

式中，Hm為觀測邊的平均高程值/km；Hn為投影面的高程值；R為地球半徑/km。

2）投影到參考橢球面上的改正，每公里的改正值為：

式中,Y為測量邊平均橫坐標值/km。

測量邊的投影變形值等于△D1和△D2的和。歸算到測區投影面的改正數既可是正值，也可為負值，當測量邊平均高程比投影面高程大時，改正數計算為負值，當測量邊的平均高程比投影面高程低時，改正數計算為正值，改正值的大小與測量邊的平均高度和投影面高度之差成正比，投影到參考橢球面上的改正數總為正值，其改正數的大小和測量邊的平均橫坐標值的平方成正比。

從上述 2個改正公式可見，長度投影的改正值大小和測量邊的平均高程、投影面高程、測量邊的平均橫坐標值相關，我們在選擇測區坐標系的時候，可以通過調整上述三者之間值的大小和相互關系，來建立一個滿足JTC C10-2007《公路勘測規范》規范要求的坐標系。例如：我們可以選擇靠近測區幾何對稱軸附近的子午線作為測區中央子午線，這樣測區最遠處的測量邊的平均橫坐標值可以調整到最小，也可以把測區平均高程作為測區的投影面,來減小測量邊的平均高程，以此來減小歸算到測區投影面的測量邊的改正值，最常用的是根據高斯投影改正數始終為正值的特點，把歸算到測區投影面的測量邊的改正值設置為負值，這樣高斯投影改正和投影面改正就可以正負相互抵償。

根據以往工作中的經驗，一般在平原地區，我們選擇公路平面控制坐標系統的時候，只要測區東西跨度不大于90 km，我們把中央子午線選擇在測區中央，把測區平均高程作為投影面，測量邊的投影變形值可以滿足JTC C10-2007《公路勘測規范》規范要求。我們還可以把抵償面的特點，把歸算到測區投影面的改正數調整為-2.5 cm/km，這樣高斯投影改正值就允許到5.0 cm/km，這樣根據公式反算出測區的東西跨度最長可以達到180km左右，基本可以滿足線路較短的公路測量。

在高山地區，我們通過公式 (1)計算得出，只要測區的最高點和最低點高差不大于318m，歸算到測區投影面的改正數就不會大于2.5 cm/km，再通過高斯投影的改正抵消部分歸化改正值，測區最大高差可以達到477m。

3 GPS網平差起算數據的可靠性檢驗

作業前對測區內部及附近區域的高等級控制點進行了搜集和查找，選擇符合等級的控制點作為GPS網的起算點，在對GPS網進行二維約束平差時，要檢驗起算點數據的可靠性，具體方法有下面幾種。

1）逐點檢查法。在進行平差解算時，不把全部起算點固定，而是至少保留至一個點當做檢查點，比較此點的平差后坐標和已知坐標，如果它們之間的差值小于規范規定，則認為此點可靠性符合要求。然后對網中其他已知點逐個計算一遍，如果全部符合方可正式平差計算。

2）方差檢驗法。在三維無約束平差時，先要方差估計，調整觀測值的權，直到驗后單位權方差和先驗權方差相容。在約束平差時，用三維無約束平差得到的驗后單位權方差當作先驗的單位權方差，逐個放入起算數據進行平差計算，同時檢查驗后的單位權方差和先驗的單位權方差間的相容性，如果發現加進某一起算數據后它們不一致，則可說明這個起算數據可能和這個網存在不兼容的問題。

3）附合路線法。從一個起算點開始，通過由多條GPS基線向量組成的導線推算到另一個起算點（一般需要采用多條附合路線），將推算出的坐標和已知坐標比較，如果它們之間的差值小于規范規定，則認為此點可靠性符合要求。然后對網中其他已知點逐個計算一遍，如果全部符合方可正式平差計算。

4）邊長比較法。先對 GPS網進行三維無約束平差，然后通過把GPS網投影到高斯投影面上，進行坐標反算，求出各起算點之間的邊長，然后用計算邊長減去已知坐標的反算邊長，如果它們之間的差值小于規范規定，則認為此點可靠性符合要求。

在以上方法中，檢查點法最簡單易用，是我們對起算數據可靠性檢查中最常用的檢查方法。

4 GPS網平差軟件的選擇

目前市場上GPS品牌眾多，一般都隨機配備有GPS解算與平差軟件，比如：美國天寶 (Trimble)的解算平差軟件TGO，瑞士徠卡（Leica）的解算平差軟件LGO，日本拓普康（Topcon）的后處理軟件Pinnacle，國內南方的GPSPRO 4.0，中海達的HDS2003，華測的Compass專業版等。還有一些專業的 GPS后處理軟件，比如：武漢大學測繪學院的科傻GPS數據處理系統，同濟大學的TGPPS數據處理系統等。這些軟件在最后平差的結果上確是基本相同，誤差只在毫米位上。軟件在功能上各有優缺點，這里不做詳細介紹，只是結合 JTC C10-2007《公路勘測規范》比較一下哪一個軟件更符合我們公路測量工作的要求。

在JTCC10-2007《公路勘測規范》中，對GPS測量主要技術要求和其他GPS測量規范有以下不同：

1）固定誤差和比列誤差系數的變化。以四等為例，在JTCC10-2007《公路勘測規范》中，固定誤差a≤5 mm，比例誤差系數b≤3 mm/km。而在其他GPS測量規范中，固定誤差和比例誤差系數均是10mm+10mm/ km。

2）同步環閉合差的不同。在JTCC10-2007《公路勘測規范》中，各級GPS網同步環閉合差如下：

式中， —標準差（mm）；n—環或附合路線的邊數。

而在CJJ73-97《全球定位系統城市測量技術規程》中，同步環閉合差則給出了固定值，如四等的坐標分量相對閉合差≤6 ppm，環線全長相對閉合差≤10 ppm。

3）異步環閉合差的不同。在JTCC10-2007《公路勘測規范》中，各級GPS網異步環閉合差如下：

式中， —標準差（mm）；n—環或附合路線的邊數。

在 CJJ73-97《全球定位系統城市測量技術規程》中，各級GPS網異步環閉合差如下：

式中， —標準差（mm）；n—環或附合路線的邊數。

在 GB/T-18314-2009《全球定位系統 GPS測量規范》中，各級GPS網異步環閉合差如下：

式中， —標準差（mm）；n—環或.附合路線的邊數。

從以上的不同之處可以看出，JTC C10-2007《公路勘測規范》對精度比其他規范要求更加嚴格，根據作者驗算，國內外大部分GPS數據處理軟件內的同步環、異步環限差是根據GB/T-18314-2001《全球定位系統GPS測量規范》和CJJ73-97《全球定位系統城市測量技術規程》里的公式設置的，可能在這些軟件中計算合格的數據，已經不能滿足我們在公路測量的需要。目前作者只發現南方GPSPRO 4.0數據處理軟件里同步環、異步環限差采用符合了JTC C10-2007《公路勘測規范》要求的公式，希望大家在生產中注意這個問題。市場上常用的主要GPS平差軟件使用規范比較表見表1。

表1 主要GPS平差軟件使用規范比較表

5外業提高GPS控制網精度方法

為了提高GPS測量的數學精度，可以通過改變觀測方案的方式來減弱甚至完全消除各種因素對衛星信號的影響。作者通過以往在外業數據采集和處理工作中的經驗，通過仔細分析和總結，可以得到如下幾點結論：

1）觀測時間的長短對于精度影響巨大。隨著時間的加長，GPS觀測精度逐漸增加。在平原地區的公路，觀測條件比較好，一般按照JTC C10-2007《公路勘測規范》規定的觀測60 min就可滿足精度要求。在一些高山區的公路，觀測條件比較差，為了提高精度，我們可以適當的延長觀測時間到90m in甚至120m in。

2）注意觀測時刻的選擇。中午太陽的照射最強烈，電離層電離度最大；對流層最不穩定，對接收到的衛星信號的影響最大。一般情況下，觀測時間選擇在上午或者下午，盡量避免中午。因為強烈的太陽照射，使電離層增加，折射影響增大。溫度升高，引起的大氣的影響巨大，降低了觀測精度。

3）盡量避免天氣不是很好的情況下觀測。盡管GPS測量是全天候的，但是衛星信號傳播受天氣變化影響巨大。在陰天，云層厚度增加，大氣濕度升高。大氣對衛星信號的折射和吸收明顯增強，接收機接收到的信號有限，即使在這種情況下，進行了長時間觀測，我們還是無法接收到足夠的衛星信號。

4）在觀測時適當增加觀測時段數。因為隨著觀測時段的增加，得到的獨立基線就會增加，而增加獨立基線數對于提高GPS網的精度和可靠性有很大的作用。

5）嚴格按照規范的要求增加重復設站數，通過重復設站，可以消除在對中、量取儀器高時人為出現的錯誤，通過重復設站也可以增加時段數。

6）盡量使每個測站有3條以上的獨立基線，因為測站所連的基線越多，點的可靠性越大。

7）布網的時候最小異步環的邊數不要超出JTCC10 -2007《公路勘測規范》的要求，例如：三等不大于 8條、四等不大于10條，這一點在帶裝的公路GPS控制網中特別要注意，因為異步環閉合差是檢查GPS基線質量的最佳方法。

8）JTCC10-2007《公路勘測規范》對四等和一級點的最短邊是有規定的，對于短邊，一定要進行同步觀測，以得到它們之間的觀測基線。例如:圖1中所示為一異步環。

圖1 異步環

點3和點7是一對通視的GPS點，相對其他基線邊相距很近，假設小于1 km，為了保證全網精度，點3和點7必須進行同步觀測。因為若點3和點7均有1 cm的點位中誤差，則3-7的邊長中誤差為2cm，3-7的相對中誤差為即3-7的相對精度很低,因此，若點3和點7不進行同步觀測，就會影響GPS網的相對精度。

9）除了聯測的起算點個數要滿足規范要求外，起算點均勻分布也是保證GPS精度的重要條件。6內業優化處理的方法

1）基線解算的過程一般是自動進行的，若自動解算不能得到固定解，人工干預處理需要注意：

①假如個別衛星觀測時間太短，可以利用軟件刪去該衛星的觀測數據，不讓不健康的數據參加基線解算，以提高基線解算的質量；②假如多個衛星在相同的時間段內發生周跳，可利用軟件剔除周跳嚴重的時間段；假如只是個別衛星發生周跳，就采用刪除個別衛星的觀測值，這樣也可以提高基線解算的質量；③對于多路徑效應造成的觀測值殘差，可以縮小編輯因子來剔除；如果還不能滿足，也可以刪除這個時間段或這個衛星的觀測數據。

2）根據公路勘測GPS控制網點位布設特點優化網形。

在公路勘測中GPS主要用于布設首級平面控制網，根據JTC C10-2007《公路勘測規范》的要求，首級平面控制點平均邊長為1 km左右，每隔5 km左右要布設一對相互通視的GPS點。這樣的布設主要是為了以后使用全站儀在每兩對GPS點之間布設附合導線。但是這樣就會出現1 km、5 km這樣懸殊較大的相鄰邊，而且由于現在GPS普及，每個單位同時參加作業的機器數目比較多，這樣懸殊較大的相鄰邊更多。這樣的邊雖然其滿足規范的要求，但是假如不加區別的把全部基線都放入網中平差，由于長基線的系統誤差比短基線的系統誤差明顯要大，因而長基線的絕對精度要比短基線低很多，長基線的誤差傳遞到短基線中，這樣就降低了短基線的精度，影響了整個GPS控制網的精度。

為了解決上述問題，筆者采用了一種有效的優化方法，較好地解決了這個問題。此法的就是先按常規解算基線和閉合環檢校，各項檢驗合格后，把GPS控制網中形成異步環的較長基線 (10 km以上)

刪除，然后再進行約束平差，此時控制網的網形為導線的形式（注意邊數不超過規范要求），但由于基線均已通過檢核，其平差結果也是可靠的。

7 結 語

本文結合公路相關規范和自己多年的野外作業經驗，詳細探討了公路GPS控制測量生產流程中容易出現影響成果質量的因素，總結了一些質量控制措施。通過把上述質量控制措施在生產中的應用，有效地減少和控制各個環節可能出現的質量問題，能夠規范生產作業過程，控制減少質量事故的產生，有效提高 GPS測量的成果精度。

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Quality ControlResearch on the Highway GPSSurvey

by DU Xin

Highway Surveyingwork is the basisof highway engineering design,control,measurementand measure their quality on the highway played a decisive role. This paper described the road when the GPS control survey prone to problems,analyzed the causeof theerror,put forward specificmeasures to ensure thequality ofmeasurements,GPScontrolsurvey of the futurehighway hasaguiding role.

standard,coordinate system,GPS adjustment，quality control and inspection （Page:116）

P228.42

B

1672-4623(2011)02-0116-04

2011-01-12

杜新, 工程師，長期從事GIS數據采集、檢查工作。