基于沈陽某公路工程測量案例的線路控制測量技術研究

摘 要:本文基于筆者多年從事工程測量的相關工作經驗，以沈陽某公路工程測量為工程背景，探討了該工程中線路控制測量的相關關鍵技術，論文首先分析了公路工程控制測量現狀，進而探討了GPS控制測量的實施步驟，在此基礎上，筆者結合具體的工程案例探討了GPS公路工程控制測量方法，全文是筆者長期工作實踐基礎上的理論升華，相信對同行能有所裨益。

關鍵詞:GPS 公路 控制測量 精度

中圖分類號:TB22文獻標識碼:A文章編號:1674-098X(2012)03(a)-0090-02

1 公路工程控制測量現狀探討

在公路工程中首先引入GPS的是公路控制測量。公路控制測量是路線勘測設計的基礎，隨著高等級道路的興建，對路線勘測提出了更高的要求，由于線路長且己知點少，因此，用常規(guī)手段不僅布網困難而且難以滿足高精度的要求，而GPS高精度的特點正好可以滿足這一要求。從上個世紀90年代中期，許多公路工程部門開始了GPS定位技術在公路控制測量中的應用和研究。如應用GPS進行了控制測量的技術并在新疆烏奎高等級公路、江蘇徐連高速公路、江蘇寧通公路、云南元磨公路進行了有益的實踐。廣東長大公路工程有限公司開展了GPS水準測量在高程控制測量中的應用研究。目前國內己逐步采用GPS技術建立線路首級高精度控制網，如在滬寧高速公路，青銀高速公路，廣惠高速公路等公路控制測量中得到廣泛應用。

此外，在隧道外控制、特大橋梁的施工，也需要高精度控制測量。GPS技術也同樣應用于特大橋梁和隧道貫通的控制測量中，由于無需通視，可構成較強的圖形結構特別是對常規(guī)測量中無檢核的支點的量測提供了方便。在江陰長江大橋的建設過程中就應用了GPS技術對常規(guī)精密邊角網進行檢測。首先用常規(guī)測量建立了高精度的邊角網，然后利用GPS技術對該網進行檢測，GPS檢測網達到了毫米級精度，與常規(guī)測量的結果符合較好，取得了較好的效果。長梁山隧道貫通的洞外控制測量采用了GPS定位技術進行施測。杭州灣大橋項目也采用了GPS定位技術。

在公路控制測量中通常采用靜態(tài)相對定位技術，也就是至少有兩臺GPS接收機同時觀測，經處理后可以精確獲得兩點的三維坐標差，根據其中一點的坐標可推算出另一點的坐標。由于靜態(tài)相對定位精度高，因此廣泛應用于大地測量、形變監(jiān)測等高精度測量領域。同樣靜態(tài)相對定位技術將在相當廣泛的范圍內逐步地取代以往的常規(guī)測量方法廣泛應用于公路控制測量中，如用于建立路線精密控制網、橋隧精密控制網等。隨著應用理論研究的深入以及作業(yè)規(guī)范的建立和完善，靜態(tài)相對定位技術將會更好的為公路工程中的控制測量服務。

2 GPS控制測量

GPS控制測量工作與經典大地測量工作相類似，按其性質可分為外業(yè)和內業(yè)兩大部分。其中:外業(yè)工作主要包括選點(即觀測站址的選擇)、建立觀測標志、野外觀測作業(yè)以及成果質量檢核等;內業(yè)工作主要包括GPS測量的技術設計、測后數據處理以及技術總結等。如果按照GPS測量實施的工作程序，則大體可分為這樣幾個階段:技術設計;選點與建立標志;外業(yè)觀測;成果檢核與處理。

作業(yè)方法:

采用兩臺(或兩臺以上)接收機，分別安置在一條(或數條)基線的端點，根據基線長度和要求的精度，按GPS測量系統(tǒng)外業(yè)的要求同步觀測四顆以上的衛(wèi)星數時段，時段長度根據測量等級確定。

定位精度:

基線測量的精度可達±(5mm＋1ppm×D)，D為基線長度，以公里計。

作業(yè)要求:

采取這種作業(yè)模式所觀測的獨立基線邊，應構成閉合圖形(如三角形、多邊形)，以利于觀測成果的檢核，增強網的強度，提高成果的可靠性和精確性。適用范圍:

建立國家大地控制網(二等或二等以下);

建立精密工程控制網，如橋梁測量、隧道測量等;

建立各種加密控制網，如城市測量、工程點測量、道路測量、勘界測量等;

觀測中至少跟蹤四顆衛(wèi)星，同時基線邊一般不要超過15km;

注意事項:所有已觀測基線應組成一系列封閉圖形，已利于外業(yè)檢核，提高成果可靠度。

GPS測量是一項技術復雜、要求嚴格、耗費較大的工作，對這項工作總的原則是，在滿足用戶要求的情況下，盡可能地減少經費、時間、和人力的消耗。因此，對其各階段的工作都要精心設計和實施。

3 工程概況與GPS點的布設實施

某公路是連接沈陽與齊齊哈爾等城市的重要通道。該公路拓寬改建工程全長18．07公里，拓寬后的道路從原先的雙向4車道改建為雙向8車道。本工程基礎平面控制采用GPS測量，按照《公路勘測規(guī)范》(JTC C10-2007)中四等網技術標準實施。以二等點“G2035、G2015”作為起算點進行布網。

設計GPS網的精度為四等，結合本工程的具體情況，沿線路走向布設GPS點，GPS網采用邊連式，組成網中的基線有一定數量的多余觀測，以增強成果的可靠，取“G2035、G2015”兩點作為四等GPS控制網的起算點，以取得了可靠的坐標轉換參數。

根據線路情況，GPS首級網擬布設成帶狀大地四邊形鎖的形式，點對點之間相互通視。平均400～500米左右布設1對GPS點。全線共布設107點四等GPS控制點。

控制點均選擇在施工紅線之外且滿足通視要求和相對穩(wěn)定。點位選設時避免了各種電磁波對GPS衛(wèi)星信號的干擾、以及因施工的影響而產生點位的變動?？刂泣c分布均勻，相鄰邊長之比小于1/2。

(1)GPS坐標系統(tǒng)及起算依據。

GPS測量采用坐標系為深圳城市坐標系(參考1954北京坐標系轉換;1954年北京坐標系為北京54橢球;

(2)四等GPS控制網的主要技術指標:

每對相鄰點的平均距離1(km);固定誤差≤5mm;比例誤差≤3ppm;

最弱相鄰點的相對中誤差為1/35000

4 GPS觀測

4.1 使用儀器

使用6臺Ashtech型靜態(tài)單頻GPS接收機(標稱精度為5mm+1ppm)進行GPS網野外數據采集。

4.2 作業(yè)時基本技術要求

衛(wèi)星截止高度角≥15°;同時觀測有效衛(wèi)星數≥4;平均重復設站數≥1.6;同時觀測有效衛(wèi)星數≥4;時段長度≥60min;數據采樣率(S)≤30s。

4.3 觀測方式

每時段觀測均量取天線高兩次，其互差不超過3mm，取平均值作為最后天線高。

4.4 外業(yè)數據檢核

(1)同一時段觀測值的數據剔除率不易大于10％;

(2)重復基線的測量差值ds;

(3)各級GPS網同步環(huán)閉合差需符合下式規(guī)定:

(4)各級GPS網異步環(huán)或符合路線坐標閉合差需符合下式規(guī)定:

(5)無約束平差中，基線分量的改正數的絕對值需符合下式規(guī)定:

式中:n-閉合環(huán)邊數，σ-儀器的標稱精度。

5 GPS內業(yè)解算

5.1 數據后處理

(1)GPS觀測數據內業(yè)編輯輸入相關點位信息后，采用接收機配備的商用軟件Ashtech solutions 2.5進行基線解算，保證每一條基線都求出整周模糊度。(2)重復基線較差和非同步環(huán)閉合差的檢核仍按外業(yè)基線檢核時的要求進行。

5.2 網平差

(1)對整網進行無約束平差并檢核GPS網的觀測質量。以所有獨立基線組成閉合圖形，以三維基線向量及相應方差協(xié)方差陣作為觀測信息，以網一點的WGS-84系三維坐標作為起算依據，進行全網無約束平差。(2)對整網進行二維約束平差。以深圳市平面控制網GPS點“G2015、2035”作為起算數據，對控制網進行二維約束平差計算。

6 GPS精度評定

6.1 環(huán)閉合差統(tǒng)計(表1)

6.2 基線殘差統(tǒng)計(表2)

6.3 平面平差基線相對精度統(tǒng)計(表3)

6.4 gps點位中誤差統(tǒng)計

100%的點位精度在1.0cm以內，其中46%精度小于0.5cm。

以上充分說明觀測數據合格，基線解算質量良好，GPS網的測量精度滿足四等要求。

7 結語

隨著城市建設規(guī)模日益擴大，今后遇到高速公路拓寬改建的項目會越來越多，在保證工程進度及精度要求下，如何將GPS技術在大型工程施工控制中靈活運用是一個只得探討的課題。通過本工程的實踐筆者得到如下一些體會。

(1)GPS觀測受到各種外界因素的影響，有可能產生粗差和各種隨機誤差，為了對GPS觀測成果進行質量檢查，保證成果的可靠并恰當地評定精度，就要求由非同步獨立觀測邊構成閉合環(huán)或符合線路。作業(yè)時不應將非獨立邊作為獨立觀測邊處理，更不能將同步閉合環(huán)當作非同步閉合環(huán)。(2)對GPS網進行圖型設計時，應使閉合環(huán)的邊數小于規(guī)范的規(guī)定，僅允許個別閉合環(huán)的邊數等于規(guī)范的邊數，為了使外業(yè)觀測有計劃的進行，避免GPS獨立邊選擇的隨意性，便于及時檢查觀測結果。宜按設計網圖選定GPS獨立邊，必要時，在經過技術負責人審議后，可根據具體情況作適當調整。

參考文獻

[1]周忠漠，易杰軍，周琪.GPS衛(wèi)星測量原理與應用.測繪出版社，北京，1995.

[2]張雨化.公路勘測設計.沈陽:人民交通出版社，1986.