GNSS技術(shù)在320國道建德楊村橋至?xí)衫锒胃慕üこ虘?yīng)用實(shí)踐

邱陽

（杭州市交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江杭州 310000）

0 引言

在工程改建的測繪技術(shù)中經(jīng)反復(fù)實(shí)踐，發(fā)現(xiàn)常規(guī)定位技術(shù)具有局限性，如無法對三維坐標(biāo)進(jìn)行精準(zhǔn)確定、易受觀測氣候條件的影響、系統(tǒng)誤差大、地心坐標(biāo)參照系難以建立的諸多問題，影響了工程改建工作的有序進(jìn)行。為滿足新時(shí)代、新形勢下要求，GNSS 技術(shù)以全球?yàn)榻y(tǒng)一坐標(biāo),包括全球的、區(qū)域的和增強(qiáng)的以及相關(guān)的增強(qiáng)系統(tǒng)，是具有無限時(shí)性、無地域性，且操作簡單的高精準(zhǔn)定位技術(shù)，進(jìn)而在工程測繪中得到廣泛應(yīng)用。結(jié)合320 國道建德楊村橋至?xí)衫锒胃慕üこ蹋治鯣NSS 控制測量平面技術(shù)的應(yīng)用實(shí)踐情況。

1 GNSS 導(dǎo)航系統(tǒng)概述

GNSS 導(dǎo)航系統(tǒng)是目前定位系統(tǒng)中較為成熟的全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，普遍應(yīng)用于軍事、農(nóng)業(yè)、地質(zhì)勘查等行業(yè)中。目前在我國測繪工程中，GNSS 技術(shù)的引用，逐漸形成了以GNSS 控制測量平面技術(shù)為主要測繪手段的高科技技術(shù)。GNSS 控制測量平面技術(shù)的原理就是通過GPS 導(dǎo)航系統(tǒng)，確定已知衛(wèi)星與用戶接收機(jī)之間的距離，并將測量得出的數(shù)據(jù)與多衛(wèi)星勘測的數(shù)據(jù)進(jìn)行整合，就可以獲得用戶接收機(jī)的準(zhǔn)確位置。在整個(gè)全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)中，僅需要兩大模塊，即空間衛(wèi)星系統(tǒng)和地面監(jiān)控系統(tǒng)，以及一個(gè)接收裝置，即為使用者提供衛(wèi)星信號接收的裝置[1]。

2 工程項(xiàng)目概況

2.1 項(xiàng)目來源

杭州市交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院（簡稱甲方）承擔(dān)了此次對320 國道建德楊村橋至?xí)衫锒胃慕üこ痰募夹g(shù)設(shè)計(jì)工作項(xiàng)目。該路段主線全長58.28km（含利用段4.70km），另設(shè)更樓連接線4.23km，沿中心線兩邊各200m（ 詳細(xì)按甲方提供的范圍線），總面積約33.3km2，通過1∶2000 比例尺帶狀地形圖測量，并結(jié)合沿線的平高控制測設(shè)工作。

2.2 測區(qū)概況

測區(qū)位于東經(jīng)119°09′～119°27′、北緯29°12′～29°34′。測區(qū)屬山地地形，其中中部舊嶺隧道和洪宅隧道部分屬高山地形，高差比較大，路線設(shè)計(jì)高程在39～200m 之間運(yùn)行。因此，此次320 國道建德楊村橋至?xí)衫锒胃慕üこ痰臏y繪工作面臨諸多問題：

其一，該路段山勢陡峭，植被茂密，以杉樹、灌木為主，通行、通視困難，沿中心線附近沒有道路可以直接通行，均需繞行較遠(yuǎn)路線方可通行，交通極為不便。

其二，在測區(qū)南面約15km 沿現(xiàn)有320 國道通行，村鎮(zhèn)居民地多集中在道路兩側(cè)，基本上為集團(tuán)式，人工地物、地貌復(fù)雜，且道路上人車通行頻繁。這就意味著，此次測繪工作具有較大安全隱患，且工程受地勢、人員流動(dòng)、原有320 國道情況等嚴(yán)重影響該項(xiàng)目的測繪工作的開展。為此，該項(xiàng)目利用GNSS 技術(shù)，通過“分段投影、逐段拼接”的新方式設(shè)計(jì)，作為此次測繪工作的主導(dǎo)技術(shù)依據(jù)。

3 基準(zhǔn)選取

該項(xiàng)目主線自北向南前行，連接線呈東西走向。設(shè)計(jì)線位于東經(jīng)119°09′～119°27′，設(shè)計(jì)路線縱坡在高程39～200m 之間運(yùn)行。建德地區(qū)的高程異常值km 約12m，曲率半徑RA 為6378137m，該測區(qū)線路運(yùn)行平均高程按工可設(shè)計(jì)縱坡選取。

選用2000 國家大地坐標(biāo)系，中央子午線為119°30′00″，投影面為參考橢球面，線路投影變形除K343+000—K359+600 段外，均可以滿足《公路勘測規(guī)范》（JTG C10—2007）4.1.1 中“選擇路線平面控制測量坐標(biāo)系時(shí)，應(yīng)使測區(qū)內(nèi)投影長度變形值不大于2.5cm/km，大型構(gòu)造物平面控制測量坐標(biāo)系，其投影長度變形值應(yīng)不大于1.0cm/km”的要求。

在K343+000—K359+600 段中，舊嶺隧道長約4.3km、洪宅隧道長約3.1km，且沿線有多座中小橋梁。該段應(yīng)滿足《公路勘測規(guī)范》(JTG C10—2007)4.1.1 中“選擇路線平面控制測量坐標(biāo)系時(shí)，大型構(gòu)造物平面控制測量坐標(biāo)系，其投影長度變形值應(yīng)不大于1.0cm/km”的要求，故將該段投影在130m 高程投影面，進(jìn)行投影變形補(bǔ)償，其投影變形計(jì)算見表1。

表1 隧道部分投影變形計(jì)算

可見，選用2000 國家大地坐標(biāo)系，中央子午線為119°30′00″。在對K343+000—K359+600 段設(shè)置高程投影面進(jìn)行補(bǔ)償后，線路的平、高投影變形可以滿足規(guī)范要求，在后期的設(shè)計(jì)和施工中無需再進(jìn)行投影面的測算和修改。但如按照常規(guī)方法進(jìn)行投影，該段地形圖投影后，與其他兩段地形圖會產(chǎn)生平面錯(cuò)位，無法直接對接。為方便工程后期設(shè)計(jì)和施工使用，同時(shí)滿足《公路勘測規(guī)范》（JTG C10—2007）中對投影變形的要求，特做如下設(shè)計(jì)。

3.1 分段投影

項(xiàng)目前期控制點(diǎn)和地形圖測量，中央子午線統(tǒng)一為L=119°30′00″。測量完成后，將地形圖和控制點(diǎn)為三段，起點(diǎn)至K343+000 為一段，投影面為參考橢球面；K343+000—K359+600 為一段，投影面為130m 高程面；K359+600 至終點(diǎn)為一段，投影面為參考橢球面。將K343+000—K359+600 段中央子午線為119°30′00″參考橢球面上的圖（含控制點(diǎn)）投影到130m 高程面上，其投影公式為

式（1）中：D 為投影到選擇高程面上的邊長；D0為參考橢球面上的邊長。按此伸縮比例把該段地形圖（含控制點(diǎn)）縮放即投影完成。

3.2 逐段拼接

通過以上投影，使投影變形值滿足《公路勘測規(guī)范》（JTG C10—2007）要求，但把整個(gè)路段分成了三段相對獨(dú)立的圖件及控制系統(tǒng)。為了設(shè)計(jì)及施工方便，把三段相對獨(dú)立的圖件及控制系統(tǒng)通過旋轉(zhuǎn)平移的技術(shù)手段，重新拼接成一個(gè)系統(tǒng)一致的圖件。首先固定經(jīng)過投影改正后起點(diǎn)至K343+000，然后將經(jīng)過投影改正后K343+000—K359+600 段在保持方向不變的情況下平移，與起始段拼接，使投影變形值延后順推。用同樣的方法拼接完成第三段。路線中間不會有投影差，地形圖不會產(chǎn)生錯(cuò)位。

3.3 控制點(diǎn)成果的銜接

與地形圖拼接方法一樣，將涉及各段地形圖和控制點(diǎn)依據(jù)前文要求進(jìn)行拼接至與地形圖一致。故該工程起點(diǎn)至K343+000 平面采用2000 國家大地坐標(biāo)系，L=119°30′00″，投影面為參考橢球面；K343+000—K359+600 段由于進(jìn)行了平移拼接，其坐標(biāo)與直接投影會發(fā)生變化，采用2000 國家大地坐標(biāo)系，中央子午線為119°30′00″，投影面為130m 高程投影面（近似）；K359+600 至終點(diǎn)段也進(jìn)行了平移拼接，采用的平面系統(tǒng)為2000 國家大地坐標(biāo)系，L=119°30′00″，投影面為參考橢球面（近似）。

4 GNSS 導(dǎo)航系統(tǒng)的應(yīng)用實(shí)踐

在現(xiàn)代化先進(jìn)技術(shù)的快速發(fā)展影響下，320 國道建德楊村橋至?xí)衫锒胃慕üこ虦y繪工作的項(xiàng)目中，充分利用了互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、3S（GIS/RS/GNSS）技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)、航空與航天技術(shù)等獲取準(zhǔn)確的地理信息。通過航空攝影、全球定位系統(tǒng)、全站儀、RTK 等先進(jìn)空間數(shù)據(jù)采集手段，基于數(shù)字測繪技術(shù)進(jìn)行外業(yè)數(shù)字地面測量和內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)編輯。

該項(xiàng)目東西長約27.5km，南北寬約39.8km。為滿足設(shè)計(jì)和施工需要，此次控制網(wǎng)先布設(shè)四等GNSS控制點(diǎn)，采用GNSS 靜態(tài)進(jìn)行測量。收集的3 個(gè)國家C 級點(diǎn)均勻分布在測區(qū)的起點(diǎn)、中間和終點(diǎn)，四等控制網(wǎng)布設(shè)成由3 個(gè)已知點(diǎn)和49 個(gè)四等點(diǎn)組成的控制網(wǎng)，新布四等點(diǎn)點(diǎn)號為GD01～GD49。在四等控制網(wǎng)下再布設(shè)110 個(gè)一級GNSS 控制點(diǎn)，新布一級點(diǎn)點(diǎn)號為E001～E110。

4.1 四等GNSS 控制網(wǎng)觀測

4.1.1 滿足四等GNSS 控制網(wǎng)觀測需要具備以下條件：第一，GNSS 控制網(wǎng)采用邊連式布網(wǎng)，非同步觀測邊構(gòu)成多邊形閉合環(huán)或附合路線其邊數(shù)不超過10條。第二，GNSS 網(wǎng)同時(shí)觀測有效觀測衛(wèi)星數(shù)不少于4顆，觀測有效觀測衛(wèi)星總數(shù)不少于6 顆，觀測時(shí)間靜態(tài)定位；四等GNSS 不少于60min，采樣間隔10～30s。第三，此次GNSS 控制網(wǎng)的外業(yè)觀測采用5 臺中海達(dá)雙頻接收機(jī)以靜態(tài)模式進(jìn)行觀測。第四，每時(shí)段開機(jī)前，作業(yè)人員量取天線高，并記入手簿中。觀測中保證接收機(jī)工作正常，時(shí)段中間不得隨意關(guān)機(jī)，對講機(jī)使用時(shí)遠(yuǎn)離天線10m 以外。數(shù)據(jù)記錄正確，每日觀測結(jié)束后，及時(shí)將數(shù)據(jù)傳至計(jì)算機(jī)硬、軟盤上，確保觀測數(shù)據(jù)不丟失。第五，天線高的量取，應(yīng)在測前、測后進(jìn)行。二次量取天線高的較差應(yīng)小于3mm，儀器高量取應(yīng)垂直于地面控制點(diǎn)，不應(yīng)傾斜量測。第六，外業(yè)觀測方案應(yīng)按照方便、可靠、保證必要基線同時(shí)觀測的原則，制定并落實(shí)到人，并及時(shí)檢查，保證觀測數(shù)據(jù)有效可靠[2]。

4.1.2 GNSS 數(shù)據(jù)處理。GNSS 數(shù)據(jù)處理中基線解算應(yīng)采用雙差相位觀測值，同一時(shí)段觀測值的數(shù)據(jù)剔除率不宜大于10%。具體計(jì)算方式見表2。

表2 測算變形量應(yīng)滿足的公式要求

4.2 一級GNSS 控制測設(shè)

為提高工作效率，一級點(diǎn)以此次布設(shè)的四等GNSS 控制點(diǎn)為起算，采用ZJCORS 雙基站雙測法進(jìn)行測定。保證四次獨(dú)立觀測，分兩個(gè)時(shí)段進(jìn)行。外業(yè)測量完成后，利用該測區(qū)施測的四等控制點(diǎn)成果，將控制點(diǎn)數(shù)據(jù)通過中海達(dá)儀器公司提供的隨機(jī)軟件求取坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)，再用轉(zhuǎn)換參數(shù)進(jìn)行平面坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，求得測區(qū)需要的相應(yīng)坐標(biāo)系坐標(biāo)。RTK 高程測量一般與RTK 平面控制點(diǎn)同步進(jìn)行，大地高應(yīng)取每次測量的大地高中數(shù)作為最終結(jié)果。RTK 控制點(diǎn)高程測量的測定，通過流動(dòng)站測得的大地高減去流動(dòng)站的高程異常獲得[3]。

針對一級GNSS-RTK 點(diǎn)的檢測，該測區(qū)采用衛(wèi)星定位靜態(tài)和全站儀測量邊長和高差相結(jié)合的檢測方法。檢測點(diǎn)應(yīng)均勻分布在測區(qū)，靜態(tài)網(wǎng)測量符合《全球定位系統(tǒng)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測量（RTK）技術(shù)規(guī)范》（CH/T 2009—2010）中一級GNSS 控制點(diǎn)靜態(tài)測量要求，檢測網(wǎng)布設(shè)成由3 個(gè)四等點(diǎn)GD19、GD22、GD23 和4 個(gè)一級點(diǎn)E41、E42、E49、E50 組成的靜態(tài)網(wǎng)。邊長檢測方法按《公路勘測細(xì)則》（JTG C10—2007）離測量中一級邊觀測方法進(jìn)行。本測區(qū)布設(shè)4 條檢測邊E14～E15、E25～E26、E39～E40、E92～GD37[4]。最后，將檢測結(jié)果與RTK 測量一級GNSS 控制點(diǎn)成果進(jìn)行比較，比較結(jié)果應(yīng)滿足要求，如不能滿足要求，應(yīng)采取其他精度較高的測量方法對一級GNSS 控制點(diǎn)進(jìn)行重新測量[5]。

5 結(jié)語

綜上所述，GNSS 技術(shù)在320 國道建德楊村橋至?xí)衫锒胃慕üこ讨校闷淙旌颉⒏呔珳?zhǔn)度、操作簡便快捷等優(yōu)勢，通過“分段投影、逐段拼接”的新方式，為工程測繪提供高效、準(zhǔn)確的技術(shù)依據(jù)，有效提高了設(shè)計(jì)施工的工作效率。為此，在320 國道建德楊村橋至?xí)衫锒胃慕üこ痰膽?yīng)用和實(shí)踐中，GNSS 發(fā)揮了至關(guān)重要的作用，是測繪工程中最具價(jià)值的現(xiàn)代化、高科技技術(shù)手段之一。