GPS在公路測量中的應(yīng)用

1 GPS 測量簡介

全球定位系統(tǒng)(GPS) 是美國國防部主要為滿足軍事部門對海上、陸地和空中設(shè)施進(jìn)行高精度導(dǎo)航和定位的要求而建立的。該系統(tǒng)從本世紀(jì)70 年代初開始設(shè)計(jì)、研制。GPS 具有全天候提供高精度的連續(xù)實(shí)時(shí)三維導(dǎo)航、定位能力。自1980 年第一臺(tái)商用GPS 接收機(jī)問世以來,隨著GPS 工作衛(wèi)星的不斷入軌和GPS 接收機(jī)性能的不斷提高和改進(jìn),GPS測量技術(shù)已廣泛應(yīng)用于我國國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)的各個(gè)部門。

實(shí)時(shí)GPS系統(tǒng)由以下3部分組成.

(1) GPS信號接收系統(tǒng). 從理論上講,雙頻接收機(jī)與單頻接收機(jī)均可用于實(shí)時(shí)GPS測量. 但是,單頻機(jī)進(jìn)行整周未知數(shù)的初始化需要較長的時(shí)間,此乃實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測量所不允許的;加之單頻機(jī)在實(shí)際作業(yè)時(shí)容易夫鎖,夫鎖后的重新初始化要占去許多時(shí)間,因此,實(shí)際做作業(yè)中一般應(yīng)采用雙頻機(jī).

(2)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸系統(tǒng). 為把基準(zhǔn)站的信息及觀測數(shù)據(jù)一起實(shí)時(shí)傳輸?shù)搅鲃?dòng)站,并與流動(dòng)站的觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理,必須配置高質(zhì)量的無線通訊設(shè)備(包括無線信號調(diào)制解調(diào)器). 由于數(shù)據(jù)信息量大,必須采用較高的傳輸速度,波特率通常要在9600以上. 利用數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸系統(tǒng),流動(dòng)站可以隨時(shí)調(diào)閱基準(zhǔn)站的工作狀態(tài)和設(shè)站信息. 這對于保證成果質(zhì)量的排除

觀測中出現(xiàn)的問題十分有利.

(3)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理系統(tǒng). 基準(zhǔn)站將自身信息與觀測數(shù)據(jù),通過數(shù)據(jù)鏈傳輸至流動(dòng)站,流動(dòng)站將從基準(zhǔn)站接收到的信息與自身采集的觀測數(shù)據(jù)組成差分觀測值. 在整周未知數(shù)解算出臺(tái)后,即可進(jìn)行每個(gè)歷元的實(shí)時(shí)處理. 只要保持鎖定四顆以上的衛(wèi)星,并具有足夠的幾何圖形強(qiáng)度,就能隨時(shí)給出厘米級的點(diǎn)位精度. 因此,必須具備功能很強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng). 目前該系統(tǒng)已發(fā)展成為多功能的完整系統(tǒng),所以能成功地用于實(shí)際作業(yè)中.

由于公路建設(shè)無論是在測量原則,還是在測量精度和作業(yè)方法等方面有自己的特點(diǎn)。公路路線一般處在一條帶狀走廊內(nèi)。其平面控制測量往往采用導(dǎo)線形式,這包括附合導(dǎo)線、閉合導(dǎo)線、結(jié)點(diǎn)導(dǎo)線等導(dǎo)線網(wǎng)形式。目前GPS 測量技術(shù)在公路測設(shè)中主要用于建立公路工程測量控制網(wǎng)及動(dòng)態(tài)RTK 測量。下面結(jié)合GPS 使用情況對公路GPS 控制測量作一簡要介紹。

2 GPS測量的特點(diǎn)

相對于經(jīng)典測量學(xué)來說, GPS測量主要有以下特點(diǎn)：

(1)測站之間無需通視。測站間相互通視一直是測量學(xué)的難題, GPS這一特點(diǎn), 使得選點(diǎn)更加靈活方便,但測站上空必須開闊, 以使接收GPS衛(wèi)星信號不受干擾。

(2)定位精度高。一般雙頻GPS接收機(jī)基線解精度為5mm+1ppm, 隨著距離的增長, GPS測量優(yōu)越性愈加突出。

(3)觀測時(shí)間短。采用GPS布設(shè)一般等級的控制網(wǎng)時(shí), 在每個(gè)測站上的觀測時(shí)間一般在1-2小時(shí)左右, 采用快速靜態(tài)定位的方法, 觀測時(shí)間更短。

(4)提供三維坐標(biāo)。GPS測量在精確測定觀測站平面位置的同時(shí), 可以精確測定觀測站的大地高程。

(5)操作簡便。GPS測量的自動(dòng)化程度很高, 在觀測中測量員的主要任務(wù)是安裝并開關(guān)儀器、量取儀器高和監(jiān)視儀器的工作狀態(tài), 而其它觀測工作如衛(wèi)星的捕獲, 跟蹤觀測等均由儀器自動(dòng)完成。

(6)全天候作業(yè)。GPS觀測可在任何地點(diǎn), 任何時(shí)間連續(xù)地進(jìn)行, 一般不受天氣狀況的影響。

3 GPS在公路測量中的應(yīng)用

3.1 靜態(tài)GPS 測量技術(shù)在公路測量中的應(yīng)用

靜態(tài)GPS 測量技術(shù)主要用于建立公路首級控制網(wǎng),之后再利用其它測量方法進(jìn)行加密的附合導(dǎo)線測量。控制網(wǎng)的建立過程如下:

第一步:路線、GPS 點(diǎn)選址的初步勘察

接到外業(yè)測量任務(wù)后,組織人員對路線的走向進(jìn)行初步勘察,查看沿線可選作GPS 點(diǎn)的位置情況。調(diào)察路線附近高等級GPS 點(diǎn)以便進(jìn)行聯(lián)測。

第二步: GPS 點(diǎn)控制網(wǎng)的設(shè)計(jì)

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(shí)衛(wèi)星狀況、精度要求等因素進(jìn)行綜合設(shè)計(jì)。因?yàn)镚PS 控制網(wǎng)作為公路首級控制網(wǎng)時(shí),需采用其他測量方法進(jìn)行加密。故沿路線兩側(cè)每隔5-10km 布設(shè)一對相互通視的GPS 點(diǎn)。理論上GPS點(diǎn)觀測時(shí)只須在3 個(gè)GPS 點(diǎn)上架設(shè)GPS 儀同時(shí)觀測即可確定這3 個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)?？紤]到公路測量本身的特點(diǎn)采用4 臺(tái)GPS 儀同時(shí)觀測4 個(gè)GPS 點(diǎn),這樣可大大加快全線的測量速度。

第三步: GPS 選點(diǎn)、埋石

選點(diǎn)應(yīng)按技術(shù)設(shè)計(jì)要求有利于采用其他測量方法擴(kuò)展和聯(lián)測。

第四步:架設(shè)GPS 儀觀測

4 個(gè)GPS 點(diǎn)觀測的共同時(shí)間、有效觀測衛(wèi)星總數(shù)等應(yīng)滿足規(guī)范要求。我們在外業(yè)的觀測中規(guī)定觀測時(shí)間不得少于0.5h ,有效觀測衛(wèi)星數(shù)不少于4個(gè)。

第五步: GPS 觀測數(shù)據(jù)的處理

外業(yè)觀測結(jié)束后將GPS 中的數(shù)據(jù)傳入計(jì)算機(jī)中,采用南方公司的軟件(包括采集器與計(jì)算機(jī)通訊軟件、基線向量處理軟件、網(wǎng)平差及坐標(biāo)轉(zhuǎn)換軟件),及時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和質(zhì)量分析。過程可分為基線解算與檢核、GPS 控制網(wǎng)平差計(jì)算兩個(gè)步驟。

第六步: GPS 控制網(wǎng)進(jìn)行加密。

利用全站儀測量附合導(dǎo)線的方法進(jìn)行首級GPS 控制網(wǎng)的加密作業(yè)。將路線按GPS 的分布分成若干段,每一段單獨(dú)進(jìn)行附合導(dǎo)線的測量,保證每一段附合導(dǎo)線起始于GPS 點(diǎn),終止于GPS 點(diǎn)。

第七步:導(dǎo)線點(diǎn)座標(biāo)及平差計(jì)算

將每段附合導(dǎo)線測量數(shù)據(jù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中進(jìn)行角度、距離平差得到最后結(jié)果。

3.2 RTK技術(shù)在公路測量中的應(yīng)用

實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)(RTK)定位技術(shù)是以載波相位觀測值為根據(jù)的實(shí)時(shí)差分GPS (RTDGPS)技術(shù),它是GPS測量技術(shù)發(fā)展的一個(gè)新突破,在公路工程中有廣闊的應(yīng)用前景. GPS靜態(tài)定位、準(zhǔn)動(dòng)態(tài)定位等定位模式,由于數(shù)據(jù)處理滯后,所以無法實(shí)時(shí)解算出定位結(jié)果,同時(shí)無法及時(shí)對觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行檢核,這就難以保證觀測數(shù)據(jù)的質(zhì)量,在實(shí)際工作中經(jīng)常需要返工來重測由于粗差造成的不合格觀測成果. 解決這一問題可通過延長觀測時(shí)間來保證測量數(shù)據(jù)的可靠性,但這樣一來則降低了GPS測量的工作效率. 實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位(RTK)系統(tǒng)由基準(zhǔn)站和流動(dòng)站組成,建立無線數(shù)據(jù)通訊是實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測量的保證,其原理是取點(diǎn)位精度較高的首級控制點(diǎn)作為基準(zhǔn)點(diǎn),安置一臺(tái)接收機(jī)作為參考站,對衛(wèi)星進(jìn)行連續(xù)觀測,流動(dòng)站上的接收機(jī)在接收衛(wèi)星信號的同時(shí),通過無線電傳輸設(shè)備接收基準(zhǔn)站上的觀測數(shù)據(jù),隨機(jī)計(jì)算機(jī)根據(jù)相對定位的原理實(shí)時(shí)計(jì)算顯示出流動(dòng)站的三維坐標(biāo)和測量精度. 這樣我們使用者就可以實(shí)時(shí)監(jiān)測待測點(diǎn)的數(shù)據(jù)觀測質(zhì)量和基線解算結(jié)果的收斂情況,根據(jù)待測點(diǎn)的精度指標(biāo),確定觀測時(shí)間,從而減少沉余觀測,提高工作效率.

動(dòng)態(tài)定位在公路中的應(yīng)用可以覆蓋公路勘測、施工放樣、監(jiān)理和GIS前端數(shù)據(jù)采集. 測量前需要在一控制點(diǎn)上靜止觀測數(shù)據(jù),實(shí)時(shí)確定采樣點(diǎn)的空間位置. 目前,其定位精度可以達(dá)到厘米級.

動(dòng)態(tài)定位模式在公路勘測階段有著廣闊的應(yīng)用前景,可以完成地形測繪、中樁測量、橫斷面測量、縱斷面地面線測量等工作. 整個(gè)測量過程在不需通視的條件下,測量1～3 s,精度就可以達(dá)到10～30mm,有著常規(guī)測量儀器(如全站儀)不可比擬的優(yōu)點(diǎn). RTK技術(shù)具有很大的優(yōu)點(diǎn):實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示經(jīng)可靠性檢驗(yàn)的厘米級精度的測量成果(包括高程) ;徹底擺脫了由于粗差造成的返工,從而提高了GPS作業(yè)效率;作業(yè)效率高,每個(gè)放樣點(diǎn)只需要停留1～2s,流動(dòng)站小組作業(yè)(1～3人)可完成中線測量5～10km. 若用其進(jìn)行地形測量,每小組每天完成0.8～1. 5(km)3 的地形測繪,其精度和效率是常規(guī)測量所無法比擬的;在中線放樣的同時(shí)完成中樁抄平工作;應(yīng)用范圍廣—可以函蓋公路測量(包括平、縱、橫) ,施工放樣,監(jiān)理,竣工測量, GIS前端數(shù)據(jù)采集諸多方面;如輔助相應(yīng)的軟件, RTK可與全站儀聯(lián)合作業(yè),充分發(fā)揮RTK與全站儀各自的優(yōu)勢.

對于我們工程單位來講, GPS靜態(tài)定位和動(dòng)態(tài)技術(shù)相結(jié)合的方法可以高效、高精度地完成公路平面控制測量. 生產(chǎn)過程中采用常規(guī)方法和GPS技術(shù)相結(jié)合生產(chǎn)流程可以極大的提高生產(chǎn)效率.隨著GPS技術(shù)特點(diǎn)是RTK技術(shù)的發(fā)展,其初始化時(shí)間越來越斷,跟蹤能力也越來越強(qiáng),精度越來越高,可靠性越來越強(qiáng),有著良好的性價(jià)比.

3.3 公路控制網(wǎng)的建立

按GPS勘測規(guī)程要求,每0. 5～1km間設(shè)一控制點(diǎn),其等級依公路等級而定. 現(xiàn)以高速公路和500～100m特大橋及1000～2000m中長隧道為說明GPS網(wǎng)的建立方法.

根據(jù)規(guī)范,高速公路要求的控制等級為一級小三角或一級導(dǎo)線. 因此,做等級控制時(shí)必須使首級控制點(diǎn)交子這一等級,而首級控制必須做到四等以上. 為此,在搜集資料時(shí)必須把測區(qū)內(nèi)的國家三、四等控制點(diǎn)資料搜集齊全. 同時(shí),在布設(shè)首級控制網(wǎng)時(shí)應(yīng)在5～10km內(nèi)布設(shè)一首級控制點(diǎn),以便發(fā)展加密控制.

在確立布網(wǎng)等級和方案后,可按以下步驟建立公路控制網(wǎng). (1)選點(diǎn). 以選線及控制人員為主,選擇便于工作及以后應(yīng)用的點(diǎn)位. (2)埋石. 按勘測規(guī)范要求,埋選標(biāo)石,并現(xiàn)場做好點(diǎn)記. (3)實(shí)測. 根據(jù)所使用的儀器標(biāo)稱精度和規(guī)范的相關(guān)要求進(jìn)行實(shí)測. (4)進(jìn)行平差及精度評定. 根據(jù)實(shí)測結(jié)果進(jìn)行平差計(jì)算,并進(jìn)行精度評級. 精度滿足所需等級要求即告完成.

這樣,就可建立起高速公路GPS控制網(wǎng).

3.4 GPS控制網(wǎng)的應(yīng)用

　   建立公路GPS控制網(wǎng)后,共主要用途可體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:

(1)公路航測成圖時(shí)要有相應(yīng)的控制依據(jù),可用GPS控制網(wǎng)控制航向和區(qū)域?qū)挾? (2)在用其他方法測圖時(shí), GPS控制網(wǎng)可選用首級控制和圖根控制來應(yīng)用. (3)在公路勘測階段,可以GPS控制網(wǎng)為基礎(chǔ)進(jìn)行放線及構(gòu)造物的施放,可大大提高測設(shè)精度及原始數(shù)據(jù)的提取精度. (4)在施工階段,根據(jù)設(shè)計(jì)要求可以GPS控制網(wǎng)進(jìn)行實(shí)地放線及構(gòu)造物的放樣. (5)在改造公路時(shí),利用GPS控制網(wǎng)可以對公路進(jìn)行有效的改造.

3.5 公路中線測量

設(shè)計(jì)人員在大比例帶狀地形圖上定線后,需將公路中線在地面上標(biāo)定出來. 采用實(shí)時(shí)GPS測量,只需將中線樁點(diǎn)的坐標(biāo)輸入GPS接收機(jī)中,系統(tǒng)就會(huì)定出放樣的點(diǎn)位;由于每個(gè)點(diǎn)的測量都是獨(dú)立完成的,不會(huì)產(chǎn)生累積誤差,各點(diǎn)放樣精度趨于一致.

3.6 公路縱、橫斷面測量

　   公路中線確定后,利用中線樁的點(diǎn)坐標(biāo),通過繪圖軟件,可繪出沿線縱斷面和各樁點(diǎn)的橫斷面,所用數(shù)據(jù)都是測繪地形圖時(shí)采集來的,不需再到現(xiàn)場進(jìn)行縱、橫斷面測量,大大減少了外業(yè)工作.

3.7 施工測量

實(shí)時(shí)GPS系統(tǒng)既有良好的硬件,也有極為豐富的軟件可供選擇,施工中點(diǎn)、線、面以及坡度等放樣均很方便、快捷. 精度可達(dá)厘米級.

4 小結(jié)：

本文作者創(chuàng)新點(diǎn)是從GPS測量中,得出如下體會(huì):

(1) GPS作業(yè)有著極高的精度. 它的作業(yè)不受距離限制,非常適合國家大地點(diǎn)破壞嚴(yán)重區(qū)、地形條件困難地區(qū)、局部重點(diǎn)工程地區(qū)等. (2) GPS測量可以大大提高工作及成果質(zhì)量. 它不受人為因素的影響. 整個(gè)作業(yè)過程由徽電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)控制,自動(dòng)記錄、自動(dòng)數(shù)據(jù)預(yù)處理、自動(dòng)平差計(jì)算. (3) RTK技術(shù)將徹底改變公路測量模式. RTK能實(shí)時(shí)地得出所在位置空間三維坐標(biāo). 這種技術(shù)非常適合路線、橋、隧道勘察. 它可以直接進(jìn)行實(shí)地實(shí)時(shí)放樣、中樁測量、點(diǎn)位測量等. ( 4) GPS測量可以極大地降低勞動(dòng)作業(yè)強(qiáng)度,減少野外砍伐工作量,提高作業(yè)效率. 一般GPS測量作業(yè)效率為常規(guī)測量方法的3倍以上. (5) GPS高精度測量同高精度的平面測量一樣,是GPS測量應(yīng)用的重要領(lǐng)域. 特別是在當(dāng)前高等級公路逐漸向山嶺重丘區(qū)發(fā)展的形勢下,往往由于這些地區(qū)地形條件的限制,實(shí)施常規(guī)的幾何水準(zhǔn)測量有困難, GPS高程測量無凝是一種有效的手段.