GNSS技術在公路勘測中的應用研究

劉永琦

摘 要全球導航衛星系統（GNSS）能為用戶提供高精度、全天候的定位和導航服務，目前在工程中的應用越來越廣泛。本文首先介紹GNSS的基本定位原理和技術優點，然后探討了GNSS技術在公路勘測中的實際應用，包括控制測量、大比例尺地形圖測繪、中線放樣及公路橫斷面測量。

關鍵詞GNSS技術;公路勘測;地形圖測繪;中線放樣;橫斷面測量

0 引言

傳統測量儀器和方法雖然可以保證測量精度，但是受外界條件影響較多，工作效率較低。隨著新科技的不斷發展，GNSS技術應運而生，如今已經非常成熟。由于GNSS測量具有高精度、全天候、測站間無須通視、低成本高效率等傳統測量不可取代的優點，因此GNSS技術已成為公路勘測中應用最廣泛的定位技術。

1 GNSS技術

GNSS即全球導航衛星系統，它包括全球性的美國的GPS、中國的北斗、俄羅斯的GLONASS以及歐盟的Galileo。此外還有區域性導航系統和增強系統。當今，GNSS系統不僅是國家安全和經濟的基礎設施，也是體現現代化大國地位和國家綜合國力的重要標志。

GPS系統包括三大部分：空間部分—GPS衛星星座;地面控制部分—地面監控系統;用戶設備部分—GPS信號接收機。[1]GPS定位是以GPS衛星和用戶接收天線之間的距離為基本觀測量，根據已知的衛星瞬時坐標，確定用戶天線所對應的位置，其實質是空間距離后方交會。[2]

2 GNSS技術的優點

（1）觀測站之間無須通視。GNSS測量與傳統測量方法和原理都不同，傳統測量需要使用光學儀器或電子儀器（經緯儀或全站儀），測量原理主要是測角、量邊，解三角形法測算待定點坐標。GNSS測量主要利用衛星與衛星之間、衛星與接收機之間、移動站接收機與基準站接收機之間的距離關系，通過空間距離后方交會原理測算待定點坐標。接收機之間通過信號進行傳播，不需要通視。

（2）定位精度高。GNSS測量利用接收到的衛星信號（測距碼）或載波相位實現距離測量。在解算過程中通過誤差改正模型、求差法等技術手段大大提高了測量精度。

（3）觀測時間短，效率高。GNSS測量時間短，對于精度要求較高、建立高等級平面控制網的情況，測量時間為1-3小時。對于碎部點采集、施工放樣等工作，可采用RTK技術進行測量，測量時間只需要幾秒鐘，大大提高了測量工作效率。

（4）提供三維坐標。GNSS測量可同時測出大地高，通過對地面控制點進行水準測量后，可得出控制點的正常高，從而計算出控制點處的高程異常值，進而可建立該區域的似大地水準面精化模型。這使得GNSS測量同時提供三維坐標，而且高程精度可以達到理想精度。

（5）操作簡便，自動化程度高。GNSS接收機都是電子儀器設備，儀器制造商已經將復雜的工作封裝起來，交給程序完成。觀測者只需掌握簡單的儀器操作即可，自動化程度非常高。

（6）成本低、經濟效益高。隨著科學技術的發展，電子產品性價比大幅度提高。測量型GNSS接收機剛問世時，1+1單星座設備大約在10-20萬之間，而如今1+1多星座設備不足4萬元，性能卻顯著提高。與傳統觀測方法相比，測量成本大大降低。

（7）全天候作業。GNSS觀測一般不受天氣、氣溫、大氣折射、晝夜與否等因素影響，可以全天候工作。

3 GNSS技術在公路勘測中的應用

3.1 GNSS技術用于公路勘測首級平面控制網的建立

控制測量為其他任何測量工作提供起算數據。公路勘測工作中，設計階段需要提供大比例尺地形圖，工程量預算需要提供公路橫斷面測量數據，確定線路位置需要進行中線放樣。這一切測量工作的開展都離不開高精度控制點，所以公路勘測首級平面控制網的建立至關重要。首級平面控制網的精度應根據工程的精度要求確定。確定好控制網精度后，根據國家規范，采用相應的施測方法。整個工作流程包括：現場踏勘、收集已有資料、技術設計書編寫、選點與埋石、外業觀測、內業解算、精度評定、成果整理、技術總結等。

3.2 GNSS技術用于大比例尺帶狀地形圖的測繪

GNSS-RTK技術用于大比例尺帶狀地形圖測量具有明顯優勢。從人力投入上看，全站儀傳統測量方法至少需要2人一組才能作業，而GNSS-RTK只需1個人即可開展測量工作。從工作效率上看，GNSS-RTK方法測圖不需要進行圖根控制測量，不需要考慮通視情況，測量點存儲時可方便給測量點編碼，方便內業成圖。從測量精度上看，GNSS-RTK方法測量精度更高，而且每個坐標點位都是獨立采集，精度均勻，避免全站儀測量誤差累積等缺點。

GNSS-RTK技術用于大比例尺帶狀地形圖測繪的作業流程如下：

（1）架設基準站：在測區選擇地勢較高、較空曠的控制點作為基準站點。對于已建立CORS站的測區，此步操作可省略。

（2）流動站設置：為了保證測量的可靠性，流動站必須在基準站有效控制范圍內進行作業。流動站設置過程中，重點關注天線高的設置和天線類型的選擇。

（3）點校正：此工作是為了建立GNSS測量坐標系與實用坐標系的聯系，也就是測量點的坐標系統轉換工作。對于已求得測區轉換參數的情況，驗證后可直接使用，不再需要點校正操作。

（4）碎部點采集：碎部點采集即按照《地形圖圖式》和國家相關規范的要求，對地物特征點、地貌特征點的三維坐標進行采集的工作。GNSS接收機使用可參照不同品牌的手簿軟件說明書進行。

3.3 GNSS技術用于公路中線放樣

為了將公路總平面設計圖上的道路中線在實地標定出來，指導道路施工作業，公路勘測中需要對公路中線進行放樣。采用經緯儀（或全站儀）傳統測量儀器進行放樣時，需要對緩和曲線和圓曲線的切線長度、弧長等進行求解，通過測角量邊放樣出曲線主點，計算和放樣操作都很復雜，如果遇到兩點間不通視的情況，放樣操作非常麻煩。這樣工作效率大幅降低，放樣精度得不到保證。與傳統中線放樣方法相比，GNSS-RTK具有以下明顯優勢：

（1）工作效率高。GNSS-RTK放樣測量時，移動站可以在基準站5公里半徑內開展工作，一個人操作儀器即可。與傳統方法放樣相比，免去了控制點布設環節，不再受控制點分布情況的限制，同時不需要“搬站”，大大提高了工作效率。

（2）放樣點精度均勻，誤差不累積。使用GNSS-RTK放樣時，每個點位都是獨立計算放樣點位置，下一個點位的放樣精度不受上一個點位影響，使得放樣點精度均勻。

（3）全天候作業。一般地，GNSS作業不受氣溫、濕度、大氣折射、光照強度等因素的影響。只要接收機上方足夠開闊，滿足接收機定位所需要的衛星數量即可工作，基本是全天候作業。

（4）GNSS-RTK手薄程序功能強大。市場在售的所有品牌GNSS設備都配備功能強大的手薄軟件。手簿軟件內集成公路中線放樣的各種工具。用戶只需要獲得圓曲線、緩和曲線的設計參數即可計算出整條線路的位置。用戶可以選擇曲線主點或者加樁點進行放樣。

⑤實時動態顯示測量成果，現場指示性好。[3]

3.4 GNSS技術用于公路橫斷面測量

公路橫斷面測量是測量與中線垂直方向各中樁處的地面起伏情況。根據設計需要，一般每隔20米或25米設置一個中樁。公路橫斷面測量數據主要用于公路設計、土石方量計算、邊坡路基施工，橋涵設計等。

傳統橫斷面測量主要采用水準儀配合皮尺方法進行。通過水準儀測量出地面點的起伏程度，通過皮尺丈量地面點距離中線的距離。此方法雖然精度較高，但是受外界影響較大，當地面起伏較大時，皮尺量距和水準儀讀數都會極不方便。如果測區植被較茂盛，采用此方法施測難度更大。

采用GNSS-RTK法進行公路橫斷面測量優勢十分明顯。此方法靈活方便、效率非常高，一個人即可作業。測量直接得到的是三維坐標成果，通過內業展點，輕松提取各點高程和偏距。隨著計算機輔助制圖的發展，我們可以通過數字化成圖軟件直接處理RTK測量數據文件，做到自動化公路橫斷面圖繪制。

4 結束語

本文介紹了GNSS技術的定位原理，總結了GNSS技術的優點，分析了在公路勘測中GNSS技術相對于傳統測量的優勢，重點介紹了利用GNSS技術進行平面控制網的建立、大比例尺帶狀地形圖的測繪、中線放樣和橫斷面測量的方法。GNSS已成為公路勘測中的重要定位技術，隨著GNSS技術不斷地發展以及廣大測繪工作者的不斷探索，GNSS技術在公路工程中的應用將會越來越廣泛，產生更多的經濟效益和社會效益。

參考文獻

[1]徐紹銓.（等）.GPS測量原理及應用（3S叢書）[M].武漢：武漢測繪科技大學出版社，1998.

[2]浦仕順.GPS在公路測量中的應用與誤差分析[J].硅谷，2009（15）：95.

[3]黃新祥.GPS及其RTK技術在公路勘測中的應用探討[J].地礦測繪，2005，21（1）：26-27.