GPS 測繪技術(shù)在鐵路工程測量中的應(yīng)用

夏旭東

（中鐵二十一局集團(tuán)第二工程有限公司，甘肅蘭州 730000）

近年來，GPS 測繪技術(shù)發(fā)展迅速，由于其自身無須通視、精度高、測繪時間短、操作便捷以及功能多等優(yōu)勢，現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用到鐵路工程測量工作中。本文就GPS 測繪技術(shù)在新建宣城至績溪高速鐵路站前工程XJZQ-4 標(biāo)段（25.326km）段的應(yīng)用進(jìn)行分析。

1 案例概況

新建宣城至績溪高速鐵路站前工程XJZQ-4 標(biāo)段（25.326km）設(shè)計速度350km/h，線路穿越崇山峻嶺，地形起伏大、地質(zhì)條件復(fù)雜。特別是全標(biāo)段長大隧道（金沙隧道：4607m、蒙山一號隧道：3662.85m）洞口施工條件差、危巖落石、人為坑洞、巖爆、高地應(yīng)力、巖溶等不良地質(zhì)顯著，圍巖圍護(hù)結(jié)構(gòu)工序復(fù)雜；由于通視條件較差，工程量大且任務(wù)艱巨，如果使用常規(guī)的測繪技術(shù)既耗時又費力，且難以滿足本工程項目的建設(shè)需求，故而使用GPS 測繪技術(shù)完成測量工作。

2 GPS 測繪技術(shù)原理

GPS 測繪技術(shù)指的是一種全球性的定位系統(tǒng)，它最早是由美國軍方研究和制造而成的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，通過該系統(tǒng)用戶可以在全球范圍內(nèi)實現(xiàn)全天候、連續(xù)性以及實時性的導(dǎo)航定位。

GPS 系統(tǒng)主要由以下三個部分組成，即：空間部分（GPS 衛(wèi)星）、地面控制部分（地面監(jiān)控系統(tǒng)）以及用戶設(shè)備部分（GPS 信號接收機(jī)）。在GPS 定位系統(tǒng)下，先由空間部分的GPS 衛(wèi)星發(fā)出測距信號，用戶再使用GPS 信號接收機(jī)接收3 顆及以上的GPS 衛(wèi)星信號，最后得出準(zhǔn)確的空間坐標(biāo)和測站點，并通過使用距離交會法計算側(cè)測量站的精確位置。GPS 測繪技術(shù)在本工程項目中的應(yīng)用可以準(zhǔn)確判斷出測量點的具體位置，提高測量數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)性和可靠性。

3 GPS 測繪技術(shù)特點

在傳統(tǒng)的測繪工作中，因人為操作和其他外界因素的影響加大了測繪數(shù)據(jù)的誤差，而GPS 測繪技術(shù)具有無須通視、精度高、操作便捷、觀測時間短以及功能多等特點，既增強(qiáng)數(shù)據(jù)信息的準(zhǔn)確性，又實現(xiàn)測繪工作的實效性。

3.1 無須通視

測量點與測量點之間的相互通視一直以來是本工程項目中需要攻克的重難點問題，GPS 測繪技術(shù)的應(yīng)用巧妙解決了這一問題。但測量點上空必須開闊，在接收衛(wèi)星信號的過程中才不會受到任何干擾。

3.2 精度高

一般情況下，雙頻GPS 信號接收機(jī)的精度為5mm+1ppm，紅外儀的精度為5mm+5pmm，而GPS 測繪技術(shù)的測量精度與雙頻信號接收與紅外儀的測量精度相當(dāng)。但是，隨著監(jiān)測距離的不斷增長，GPS 測繪技術(shù)的優(yōu)越性愈加突出。相關(guān)數(shù)據(jù)顯示：在小于50km 的鐵路基線上，GPS 測繪技術(shù)的測量精度可達(dá)1ppm，而在500～1000km 內(nèi)的鐵路基線上其精度可達(dá)0.001ppm。

3.3 操作便捷

由于GPS 測繪技術(shù)在研究和開發(fā)過程中已經(jīng)具備了超高的自動化水平，在具體應(yīng)用時只需安裝相應(yīng)的開關(guān)設(shè)備即可監(jiān)測，操作便捷，其所搜集到的數(shù)據(jù)信息全面、準(zhǔn)確且利用價值極高。比如在對本工程項目建設(shè)過程中的氣象數(shù)據(jù)采集時，系統(tǒng)中的所有設(shè)備全部處于高度監(jiān)視的工作狀態(tài)，同時與GPS 信號接收機(jī)連接于一起，保證監(jiān)測工作的自動完成。如果在同一監(jiān)測點內(nèi)連續(xù)觀測，GPS 系統(tǒng)還將采集到的氣象數(shù)據(jù)信息存儲并傳送至數(shù)據(jù)信息處理中心，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)信息采集與處理的自動化。

3.4 觀測時間短

GPS 測繪技術(shù)在本工程項目具體的測量工作中，采用的是靜態(tài)定位的方法，以其中的一條基線為標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合所需要的觀測數(shù)據(jù)完成全部測量工作，時間一般為2h 左右。如果使用快速定位法僅需要在幾分鐘內(nèi)便可以完成。當(dāng)前，隨著GPS 測繪技術(shù)的不斷發(fā)展，過去的鐵路工程測量可能需要幾天才能完成，如今幾個小時便能完成，既節(jié)省了觀測時間，又提高了監(jiān)測工作人員的工作效率。比如，升級后的GPS 測繪系統(tǒng)可在20km 范圍內(nèi)達(dá)到靜態(tài)定位，且僅需要16～20min 就能完成全部測量工作。

3.5 應(yīng)用領(lǐng)域廣

GPS 測繪技術(shù)可以為各行業(yè)領(lǐng)域提供連續(xù)性和實時性的三維位置和時間信息，因此它不僅可以用于測量工作，還能完成測速和測時。目前，在GPS 測繪技術(shù)不斷發(fā)展的大背景下，其應(yīng)用領(lǐng)域也不斷擴(kuò)張，比如運動目標(biāo)監(jiān)測與管理方面均取得理想的成績。

4 鐵路工程測量中GPS 測繪技術(shù)的可行性

大量實踐證明：GPS 測繪技術(shù)在鐵路鐵路工程測量中的應(yīng)用已足夠體現(xiàn)出其自身的可行性，這也足以說明GPS 測繪技術(shù)在鐵路工程測量中有著十分廣闊的發(fā)展前景。運用GPS 測繪技術(shù)即縮短了人工測量的時間，又提高了人力資源的利用效率，且提高了工程項目測量的準(zhǔn)確性。GPS 測繪技術(shù)在本工程項目中的應(yīng)用幫助設(shè)計人員快速完成基礎(chǔ)設(shè)計工作，進(jìn)而改善傳統(tǒng)設(shè)計工作中的缺陷，增強(qiáng)測繪的效果并提高質(zhì)量。

GPS 測繪技術(shù)與傳統(tǒng)的測繪技術(shù)相比較，具有速度快、效率高、成本低等優(yōu)勢。從目前的情況來看，GPS 測繪技術(shù)已在鐵路工程項目中得到迅速的推廣和應(yīng)用，逐漸發(fā)展成為具有多用途、多功效以及多領(lǐng)域的高新技術(shù)。另外，GPS 測繪技術(shù)也在本工程項目中取得了良好的效果，不僅有效解決了點和位之間的通視難題，更實現(xiàn)了靈活選點、無須坐標(biāo)以及外施作業(yè)不受任何天氣影響等目標(biāo)。

5 GPS 測繪技術(shù)在鐵路工程測量中的應(yīng)用實踐

5.1 動態(tài)定位模式測量

動態(tài)定位模式測量是GPS 測繪技術(shù)發(fā)展至今的一個全新突破，動態(tài)定位（RTK）系統(tǒng)主要由基準(zhǔn)站和移動站兩個部分組成。其中，移動站是實時動態(tài)定位模式測量的根本保證，原理是將精度較高的取位點作為基準(zhǔn)點，并安裝一臺GPS 信號接收機(jī)作為參考站，對不同衛(wèi)星實施連續(xù)性的觀測，當(dāng)移動站上的GPS 信號接收機(jī)在接收到衛(wèi)星信號時，再通過無線電傳輸設(shè)備觀測所接收到的數(shù)據(jù)信息，通過計算機(jī)計算和顯示移動站中的三維坐標(biāo)。基于以上分析，GPS 測繪技術(shù)在本工程項目中的應(yīng)用，項目主要負(fù)責(zé)人可以完成對測試點的數(shù)據(jù)觀測，確定觀測時間，減少沉冗觀測，進(jìn)而提高監(jiān)測效率。但在使用動態(tài)定位模式測量之前需對其進(jìn)行初始化工作，并靜止觀測控制點數(shù)分鐘以上，此時移動站即可按照預(yù)定的采樣目標(biāo)并連同基準(zhǔn)站實現(xiàn)同步數(shù)據(jù)觀測，以此確定空間位置，目前動態(tài)定位模式測量的精確度已達(dá)到厘米級。由于其高效、精準(zhǔn)、干擾小的優(yōu)點，目前動態(tài)定位測量被廣泛運用于鐵路工程地形圖測繪、土石方復(fù)測、施工過程構(gòu)筑物放樣等方面。

5.2 快速靜態(tài)測量模式

運用快速靜態(tài)測量可以實現(xiàn)對鐵路工程項目控制網(wǎng)的測量，而在本工程項目中，控制網(wǎng)主要用來控制線路的走向，為下一步測量提供方便，是目前等級較高的控制網(wǎng)。但是，由于目前國家三角點毀損情況較為嚴(yán)重，如果僅僅使用全站儀測量，在30km范圍之內(nèi)基本找不到三角點實現(xiàn)聯(lián)測。因此，需要在國家三角點上完成加密測量，進(jìn)而完成對鐵路控制網(wǎng)的測量，這對于鐵路工程項目的蓬勃發(fā)展來說是十分有必要的。

在具體的測量過程中，每一移動站上的GPS 信號接收機(jī)在靜止觀測狀態(tài)下可以同時接收到基準(zhǔn)站和移動站發(fā)出的數(shù)據(jù)信息，迅速幫助用戶計算出三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)。快速靜態(tài)測量模式在本工程項目中的應(yīng)用可以很快得到準(zhǔn)確又可靠的數(shù)據(jù)，加快本工程項目的建設(shè)進(jìn)程。目前，鐵路工程施工中常用的靜態(tài)測量有CP I、CP II 控制網(wǎng)復(fù)測、加密控制網(wǎng)復(fù)測、CP Ⅲ控制網(wǎng)復(fù)測、橋梁墩臺身監(jiān)測、路基沉降及位移監(jiān)測等方面。

6 GPS 測繪技術(shù)應(yīng)用的注意事項

6.1 注重加強(qiáng)高程問題

GPS 測繪技術(shù)在本工程項目中的應(yīng)用，高程問題是最關(guān)鍵和最重要的問題之一，因此如何處理和解決好高程問題尤為重要。一旦高程問題得到根本性的解決，能為本工程項目創(chuàng)造巨大的經(jīng)濟(jì)效益。但實際的高程問題在解決過程中有一定難度，需要相關(guān)人員結(jié)合工程項目的實際情況靈活選擇和應(yīng)用不同的方法。比如在對本項目隧道洞外測量工作中，高程問題的解決可通過重力測量方法和重力異常圖解決，以此提高測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，提高監(jiān)測效率。

6.2 綜合考慮項目特點

在鐵路工程測量工作中，由于測量的位置不同、天氣不同等因素影響，其所選擇的轉(zhuǎn)化參數(shù)也不盡相同，同一個轉(zhuǎn)換參數(shù)不得同時運用到不同的監(jiān)測位置上。基于這一情況，GPS 測繪技術(shù)在本工程項目中的應(yīng)用，應(yīng)充分考慮自身的特點科學(xué)合理地選擇參數(shù)，充分發(fā)揮GPS 測繪技術(shù)中的優(yōu)勢和作用，這也是鐵路工程測量事業(yè)開展的目的所在。否則，GPS 測繪技術(shù)在鐵路工程項目中應(yīng)用便失去了應(yīng)有的意義。為了使GPS 測繪技術(shù)更好地服務(wù)于鐵路工程項目的測量工作中，還需要在考慮自身特點的基礎(chǔ)上不斷優(yōu)化和完善GPS 測繪技術(shù)，這也是鐵路工程測量事業(yè)需要重視的內(nèi)容之一。

7 結(jié)束語

2020 年，隨著我國北斗3 號的全球組網(wǎng)，GPS 技術(shù)必將深度融入國民經(jīng)濟(jì)和人民生活的各個領(lǐng)域，對國家產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型、數(shù)字中國的建設(shè)中做出重要貢獻(xiàn)，同時也給鐵路工程測量帶來了日新月異的變化。GPS 測繪技術(shù)作為一項新形勢下應(yīng)用廣泛的測量手段，較其他傳統(tǒng)測量技術(shù)相比具有無法比擬的優(yōu)勢，既幫助施工企業(yè)節(jié)約了大量的人力、財力和物力資源，又提高了測量工作的效率，是現(xiàn)代鐵路工程測量中的一次重大革命。