GPS在公路工程測量中的應用研究

鄒平

摘 要：GPS技術在公路勘測的應用前幾年主要體現在采用靜態或快速靜態作業模式建立沿線GPS 公路控制網，近年來主要表現在操作模式是用于加密控制點，數字地圖數據收集網絡，施工放樣、截面測量和操作管理等。GPS技術用于高速公路調查有很大優勢。

關鍵詞：GPS；公路；測量；研究

中圖分類號：U412.24 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）24-0123-01

近年來，隨著國民經濟的快速發展，我國基礎設施建設投資不斷增加，高速公路建設突飛猛進的發展，特別是大量現代公路項目的建設。這些現代公路的勘測相對于之前傳統公路的勘測，具有線路更長、精度要求更高、時間要求更緊，數據要求共享等一系列特點，我們需要增加高速公路勘察設計和施工方面的科技含量，提高公路勘測的現代化水平[1]。全球定位系統（GPS）技術應用于公路勘測是公路建設中的一項重大技術革命，GPS在公路工程測量中的應用前景十分廣闊[2]。

1 GPS定位的基本理論

GPS是利用空間測距交會定點原理來進行定位的[3]。GPS接收機接收的衛星信號具有偽距離觀測值、載波相位觀測值和衛星廣播星歷，對應的定位方法可分為偽距離法和載波相位法兩種[4]。由于偽距觀測精度較低，因此主要用于測量區域的載波相位觀測值。根據接收機在固定點上的相對運動狀態，可以將其分為靜態定位和動態定位。靜態定位觀測時間長，可靠性高，定位精度高，是精確定位的基本模式。

根據GPS定位，可以分為絕對定位（單點定位）和相對定位（差定位）。絕對定位是基于一個接收機的觀測數據來確定定點的絕對位置[5]。它的特點是外部觀察和數據處理簡單，但定位精度低，不能滿足精確定位的要求[6]。相對定位是基于兩個或多個接收器的同步觀測數據來確定定點的相對位置。由于相對定位可以消除或減弱同步觀測中許多相關誤差的影響，因此在測量領域中，無論是靜態定位還是動態定位，在相對定位中都有廣泛的應用。

在現代公路測量中，主要是GPS靜態相對定位技術和實時動態差分（RTK）定位技術的應用。無論是靜態定位還是動態定位，差異定位技術（即：相對定位）始終起著非常重要的作用，主要體現在消除公眾誤差，提高定位精度。在動態差動定位中，GPS測量結果的采集方法可分為后處理模式和實時處理模式兩種。后處理方法只需要基站（也稱為參考站）接收器和漫游者（也稱用戶機架）接收器，差動操作半徑幾乎是無限的。而實時處理方式也必須有無線電通信數據鏈路，作業半徑有一定的限制，其最大的優點是可以提供實時結果和質量評價，可以滿足快速定位的需要。根據基準站傳送給流動站的數據信息類型，實時動態差分定位可分為坐標差異（位置差異，偽距差異（RTD）和載波相位差分（RTK）三種方法，前兩種方法目前只能達到3-10m位置精度，精度可以達到1-2厘米RTK模式。由于RTK測量模式能夠提供cm-level實時點坐標，因此能夠解決許多傳統方法無法解決技術問題。

2 GPS在公路工程測量中的應用

GPS技術的優點主要集中在精度高、工作時間短、天氣條件和使用條件等方面，方便了交通，提高了工作效率。目前，高速公路由于其高速和封閉特性，對測量線形標準的要求較高。相應路線的地形比較復雜，影響了一般的視野。因此，作為前期工作的基本控制手段，采用GPS技術是最理想的操作方法。

GPS靜態定位技術在公路工程測量中的應用，現代公路測量的初測階段主要使用GPS靜態定位技術取代傳統的精密導線測量技術。

2.1 公路GPS控制網的布局特點

采用GPS技術布設公路控制網，與采用傳統的控制測量方法布設公路控制網，兩者觀念區別很大，具有以下特點：（1）GPS網絡的淡化了逐步控制“分級布網、逐級控制”的原則。雖然高速公路GPS網絡劃分為四層，但不同的評級網絡有著不同的精度要求。然而，不同等級的依賴性并不明顯，而先進的網絡只在底層網絡中扮演定位和定位的角色，不再發揮整體控制作用。GPS網絡的分類更側重于地理范圍和規模，在一個小范圍內，分級網絡是沒有必要的。（2）GPS網絡的位置對圖形結構不太苛刻。由于GPS網絡中點的位置是直接確定的，而不是逐點計算，任意任意點結構和任意圖形形狀與點的位置精度關系不大。（3）GPS接收機采集的距離是衛星接收機天線和衛星星歷數據的距離，而不是傳統的測量技術，是相對觀測（如角度、距離、高程差等）觀測點的地面。因此，GPS網絡不需要任何點間通視。

2.2 公路GPS網絡投影變形的處理

公路控制網采用國家統一坐標系統的結果，常常改變控制網各條邊的真實長度，引起長度的變形，對于大規模的地形測繪和工程勘察，是非常糟糕的。為了有效地控制射影長度的變形，傳統的方法是建立局部坐標系。如果高斯投影區是限制長度變形的有效措施，那么公路GPS控制網的坐標系統的正確選擇是補償長度的綜合變形的有效方法。由于橢球面（平面）計算，根據正形投影3°，計算坐標的不再屬于國家統一坐標系統，叫做局部坐標系，有時也稱為獨立坐標系統。局部坐標系通常有以下選項。其一：選擇等值面為平面，計算在3°高斯投影平面直角坐標系。第二：選擇任意投影帶，投影面仍采用橢球面，平面直角坐標按高斯投影計算。第三：選擇平均仰角面或偏移高程表面作為投影儀，使用測量區域中心的子午線作為中央子午線，并根據高斯投影計算平面直角坐標。

3 GPS實時動態技術在公路工程測量中的應用

在現代公路勘測，定測階段和施工階段主要是利用動態實時GPS載波相位差分定位技術來完成傳統的實時動態加密圖根控制測量方法，如控制點測量，帶圖和施工放樣的調查測繪工作，并提供一個統一框架下的三維數據點信息。RTK系統主要由一個參考站、多個移動站點和一個數據通信系統組成。RTK測量可用于解決許多傳統方法無法實時解決的技術問題。在高速公路建設的實時動態規劃中，可以使測量員在加密映射和人工操作的落后情況下，逐漸脫離控制，實現自動一步的數字映射，極大地提高了勞動生產率。此外，由于流站可以直接控制參考站的過程，測量點和可靠性指標的準確性，可以避免測試后的返工問題，從而進一步縮短外部行業的觀測時間。RTK系統工作非常靈活?；静捎渺o態運行模式，可以放置在已知點上，或放置在定點上。動態運行模式可以是靜態的，也可以是動態的。但是在一個固定的點上（不一定是已知的點）對動態操作的第一個靜態初始化，可以直接在動態條件下引導，在動態環境中完成整個周期的模糊搜索解決方案。

本文通過分析比較現代的公路勘測相對于以往的傳統公路勘測，具有線路更長、精度要求更高、時間要求更緊，數據要求共享等一系列特點本，本文著重研究了在現代公路勘測中，采用GPS靜態相對定位技術，基于高精度全三維控制網絡，利用GPS實時動態定位技術和高精度實時定位技術，提出了有針對性的解決方案。針對公路GPS網投影變形超限這一普遍問題，提出了應根據公路的走向、長度等實際情況，選擇基于高斯投影的局部坐標系統解決方案；通過對公路GPS網高程擬合模型的分析，提出了動態加權擬合算法，以改善擬合精度；并對RTK測量的作業方式以及地方化轉換參數的選取進行了研究，提出了在公路工程中應靈活地選用各種作業方式，分段動態更新地方化轉換參數，并綜合運用多種檢核方法，實現RTK測量成果的全面質量控制。GPS在現代公路勘測中發揮著日益重要的作用，使得傳統的公路勘測手段和方法產生了革命性的變化，極大地提高了勘測精度和施工效率。

參考文獻

[1]李木子.淺析數字化測繪技術及其在工程測量中的應用[J].中小企業管理與科技（下旬刊），2010，（8）：134-136.

[2]陳國柱.GIS 技術和數字化測繪技術的發展及其在工程測量中的應用[J].科技創新導報，2011，（26）：333-335.

[3]沈家濤.現代測繪技術在工程測量中的應用及改進建議[J].中國高新技術企業，2011，（28）：124-126.

[4]何莉萍，袁珂珂，徐紅梅.淺議新時期地質測繪技術與發展[J].中國新技術新產品，2011，（5）：326-328.

[5]陳洪濤，賀楠.測繪新技術在工程測量中的應用初探[J].中國新技術新產品，2009，（20）：101-103.

[6]齊志國，趙軍華，李笑娜.基于現代測繪技術的地籍測量研究[J].科技資訊，2009，（14）：211-213.endprint