GPS在高等級公路工程中的實踐應(yīng)用分析

傅立新

（江西省交通設(shè)計研究院有限責(zé)任公司，江西南昌330052）

1 全球定位系統(tǒng)（GPS）的特點

GPS 通常是由空間衛(wèi)星群、地面控制系統(tǒng)和衛(wèi)星接收設(shè)備三大部分組成。因其具有全球覆蓋、世界通用、用戶不受限制、全天候作業(yè)、精確三維坐標定位、觀測時間短、準確定時、操作簡便、自動化程度高、測站間無須通視、靜動態(tài)定位等諸多優(yōu)勢，能夠?qū)崟r地向所有的用戶提供全天候、連續(xù)的三維坐標等精確的參數(shù)，直接服務(wù)于公路工程測量系統(tǒng)，為公路測量提供最佳的定位技術(shù)。目前GPS 接收器已經(jīng)小型化，操作也很簡便。觀測者只需對準、平整天線，通過連續(xù)高開天線，在任何時間、任何地點自動觀測，利用數(shù)據(jù)處理軟件，可以獲得觀測點的三維灰度，準確確定觀測站的平面位置，從而準確確定觀測站的大地高度。因此，近年來，GPS 技術(shù)在公路工程測量中得到了廣泛推廣。

傳統(tǒng)的公路工程測量方法主要是利用一些精密的測量儀器進行人工測量，但在使用傳統(tǒng)儀器進行測量的過程中，受天氣、地形等條件的影響，測量范圍較大，地形復(fù)雜，測量難度大，往往需要大量的人力、物力、財力以及測量時間。同時，在勘測過程中，整個工程的造價會增加，嚴重影響施工企業(yè)的經(jīng)濟效益和社會效益。GPS 技術(shù)的應(yīng)用有效地克服了傳統(tǒng)測量方法的缺點：在測量中，減少了外界對測量工作的影響，在惡劣天氣條件下也能很好地進行測量工作；測量精度高，可以在降低測量總成本的同時提高測量精度。利用GPS 技術(shù)測量，可對測量數(shù)據(jù)進行及時統(tǒng)計，整體測量精度可達厘米級，能很直觀地反映測量結(jié)果，對公路工程建設(shè)具有重要的價值和意義[1]。

2 GPS 在公路工程控制測量中的應(yīng)用

隨著現(xiàn)代交通事業(yè)的發(fā)展，公路項目日益增多且等級在不斷提高，對測量勘測技術(shù)以及施工質(zhì)量都有了更高的要求。但是由于路線長、構(gòu)造物多而復(fù)雜，加上時間緊，任務(wù)重，傳統(tǒng)測量技術(shù)不僅布網(wǎng)困難，作業(yè)強度大，作業(yè)效率不高，且難以滿足高精度的要求，無法滿足現(xiàn)代交通行業(yè)的發(fā)展需要。公路工程測量工作需要對施工路段進行全面的了解，因此，迫切需要GPS 技術(shù)這種高精度、高速率、成本低，且不受地形通視條件限制的測量方法，對相關(guān)的、全路段的實際地形地貌等信息進行全面的收集，同時實時地監(jiān)測可能存在的自然災(zāi)害等問題。GPS 技術(shù)在道路工程中的應(yīng)用主要是，建立各種道路工程控制網(wǎng)及測定航測外控點等，即沿路線縱向每隔500～1000m 布設(shè)一個GPS 點，相鄰GPS 點間相互通視，為公路項目制定合理的施工方案提供精度高的三維坐標以及時間信息等參數(shù)依據(jù)。例如，在滬寧、滬杭高速上海段等項目中，主要就是通過GPS 技術(shù)的應(yīng)用，建立首級控制網(wǎng)，然后結(jié)合常規(guī)測量手段開展導(dǎo)線的布設(shè)和加密，使得控制網(wǎng)具備建設(shè)的基礎(chǔ)，有效地保障了項目建設(shè)的整體質(zhì)量（見圖1）。

圖1 施工測量圖

2.1 GPS 在公路測量中的實施

在公路測量實踐中，對于GPS 技術(shù)的應(yīng)用，主要是靜態(tài)功能和動態(tài)功能。其中，前者是利用衛(wèi)星定位進行地面某點的三維坐標的確定，而后者主要是通過衛(wèi)星系統(tǒng)對已知的三維信息開展實時觀測，通過無線電傳輸?shù)皆O(shè)備上，計算和顯示移動臺的三維坐標。通過反復(fù)的測量驗證，GPS 技術(shù)的線形精度能夠有效地滿足高等級公路施工設(shè)計和施工的要求。利用GPS技術(shù)進行控制測量時，由于其平面定位精度較高，高程定位精度不如水準測量精度高，因此利用GPS 技術(shù)在測區(qū)建立相應(yīng)水準的平面控制網(wǎng)是可行的[2]。

根據(jù)公路及特殊橋梁、隧道構(gòu)造物的特點以及不同要求，GPS 系統(tǒng)的控制網(wǎng)可分一級、二級、三級、四級共四個等級。與其他測量模式一樣，GPS 網(wǎng)技術(shù)設(shè)計是一項基礎(chǔ)工作，應(yīng)根據(jù)網(wǎng)絡(luò)用途和用戶需求進行。在公路測量中，GPS 控制網(wǎng)的布設(shè)應(yīng)根據(jù)公路等級、沿線地形地物、作業(yè)時的衛(wèi)星狀況、精度要求等因素進行綜合設(shè)計，并編制技術(shù)設(shè)計書（或大綱）。根據(jù)GPS 網(wǎng)的用途，通過設(shè)計明確精度指標和GPS 網(wǎng)的圖形。

2.2 GPS 測量的數(shù)據(jù)處理

GPS 接收機采集的是接收機天線相位中心至衛(wèi)星發(fā)射中心的偽距、載波相位和衛(wèi)星星歷等數(shù)據(jù)，而不是常規(guī)測量技術(shù)所測的地面點間的相對位置關(guān)系量（如邊長、角度、高差等）。因而要想得到有實用意義的測量定位成果，需對采集的數(shù)據(jù)進行一系列處理。

GPS 測量數(shù)據(jù)處理是指從外業(yè)采集的原始觀測數(shù)據(jù)到最終獲得測量定位成果的全過程，大致可以分為數(shù)據(jù)的粗加工、數(shù)據(jù)的預(yù)處理、基線向量解算、GPS 基線向量網(wǎng)平差或與地面網(wǎng)聯(lián)合平差等幾個階段。第一步數(shù)據(jù)采集和實時定位在外業(yè)測量過程中完成；數(shù)據(jù)的粗加工至基線向量解算一般用隨機軟件將接收機記錄的數(shù)據(jù)傳輸至計算機，進行預(yù)處理和基線向量解算；GPS 網(wǎng)平差可采用隨機軟件進行，也可采用國內(nèi)外高校或科研機構(gòu)開發(fā)的專用軟件包來完成，如基線處理軟件SKI 是徠卡公司研制的GPS 后處理軟件系統(tǒng)[3]。

3 GPS 控制測量應(yīng)用的實例

近年來，我國高等級公路建設(shè)取得了顯著的成效，有效地滿足了社會對交通的需求。由于國內(nèi)高速公路建設(shè)具有規(guī)模大、施工周期長的特點，而且本身具有彎曲性和變化性，特別在公路工程逐漸向高山丘陵地區(qū)發(fā)展的背景下，使得傳統(tǒng)的測量方法不能充分發(fā)揮其應(yīng)用功能，甚至不能滿足現(xiàn)代公路建設(shè)比較標準的要求。GPS 技術(shù)的應(yīng)用可以有效地彌補傳統(tǒng)技術(shù)的不足，合理解決網(wǎng)絡(luò)布局的困難，滿足實時性、高精度的要求。通過遠距離監(jiān)測和校正，以其高精度、高密度的特點，實現(xiàn)對于高速公路基線的實時監(jiān)護，有效保障施工建設(shè)的整體質(zhì)量。下面以國道310 線鄭汴高速連接線控制測量為例，對GPS 控制測量的相關(guān)內(nèi)容進行探討分析。

3.1 建立布網(wǎng)方案

在公路工程的測量過程中，通常需要結(jié)合公路工程的實際地理情況，參考不同的區(qū)域，結(jié)合不同的地形狀況，進行合理的規(guī)劃和全面布網(wǎng)。該項目由于地形地貌特征較為復(fù)雜，而且項目區(qū)域內(nèi)通視條件十分有限，在測區(qū)內(nèi)原有控制點2 個，要嚴格依照國家的相關(guān)規(guī)范進行作業(yè)，結(jié)合公路工程具體測量標準，在附近基線增加控制點，確保點位穩(wěn)定，觀測條件良好，以便于測量，提高其準確性[4]。

3.2 大地測量法

該方法主要采用大地測量儀器進行測量作業(yè)，如經(jīng)緯儀、全站儀、測距儀等設(shè)備，與公路控制網(wǎng)相融合，實現(xiàn)對三角高程的測量目標。該工程連接線控制網(wǎng)主要采用邊測網(wǎng)，高程采用測距三角高程測量，同時根據(jù)工程實際情況，按照相關(guān)觀測要求進行測量，然后精確測量空間地面上某一點的位置，同時采用觀測方法從GPS 信號中獲取三維定位的準確信息。

3.3 GPS 靜態(tài)測量法

GPS 靜態(tài)測量主要根據(jù)工程實際情況，采用模糊快速逼近技術(shù)和數(shù)據(jù)信息計算系統(tǒng)，制定合理的觀測方案，滿足當前公路工程測量的需要。該項目的主要目的是在該地區(qū)預(yù)先根據(jù)相關(guān)計劃確定的合理位置安裝3 臺天寶接收設(shè)備，同時在該位置接收衛(wèi)星信號，以消除潛在的操作安全風(fēng)險，直至觀測完全回路，最終進行數(shù)據(jù)處理。

3.4 兩種方法結(jié)果比較

對大地測量法與GPS 靜態(tài)測量法的結(jié)果進行比較，發(fā)現(xiàn)兩種方法得到的結(jié)果存在差異，主要原因是測量過程中的作業(yè)方法造成的誤差，以及平差計算中觀測權(quán)重的配置等。因此，結(jié)合實際情況，對三維坐標測量結(jié)果的差異進行了二次審查，最終得出該工程實際三維坐標差在規(guī)定范圍內(nèi)（小于±10mm），可以滿足該工程的精度要求。

4 結(jié)語

隨著當前社會發(fā)展，高等級公路建設(shè)規(guī)模和數(shù)量不斷增加。以此同時，科學(xué)技術(shù)不斷創(chuàng)新發(fā)展，GPS技術(shù)已廣泛滲透到工程建設(shè)的諸多領(lǐng)域。與傳統(tǒng)測量方法相比，GPS 技術(shù)借助計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、微電子技術(shù)等先進技術(shù)進行測量控制，具有很強的實用性，給交通的建設(shè)管理帶來了無限生機的同時也提升了公路的建設(shè)效益。今后，GPS 技術(shù)在高等級公路的廣泛應(yīng)用必將具有良好的發(fā)展前景。