道路勘測階段控制測量方法的研究

侯曉真，于瑞鵬

（1．中國礦業大學 環境與測繪學院，江蘇 徐州221008；2．山東省第一地質礦產勘查院，山東 濟南250014）

道路勘測階段控制測量方法的研究

侯曉真1，于瑞鵬2

（1．中國礦業大學 環境與測繪學院，江蘇 徐州221008；2．山東省第一地質礦產勘查院，山東 濟南250014）

道路勘測控制測量作為線路施工放樣的依據，必須建立具備一定精度的控制網，測量儀器及施工方法對工程質量將會產生很大影響。結合張承高速公路二期工程所處測區概況，并結合現代測量工具，從而提出該路段控制測量的最佳施測方法；通過對實測數據進行處理及分析，驗證該方法的可行性。

道路測量；控制測量；GPS

隨著時代的發展，現代公路建設呈現出新的特點，傳統的測量工具、測量手段很難滿足現代道路工程高精度、高效率、低勞動強度的要求，需探索適應新要求的勘測手段。道路勘測控制測量是線路施工放樣的依據，是道路建設的重要階段。

控制測量階段最重要的是要控制誤差在一定范圍內，使測量數據滿足施工要求。誤差包括儀器誤差、觀測誤差、外界條件引起的誤差。測量誤差不可避免，但可以通過使用先進的測量儀器和測量方法、提高作業人員的業務素養等手段減小誤差。隨著電子技術的不斷發展，測量儀器呈現出自動化程度高、精度高、穩定性好，對外界條件的要求逐漸降低等新的特點，降低了勞動強度，提高了作業效率。因此，電子測量儀器在施工過程中得到廣泛應用。在研究當代測繪儀器及方法的基礎上，基于測區概況提出了該區段測量的最佳方法，即：平面控制測量采用GPS兩級控制，首級選取四等GPS測量，下一級采用一級GPS測量；高程控制測量采用四等水準測量和GPS擬合高程相結合的測量方法。實際數據結果表明該方法的有效性。

1 實例應用

1．1 測區概況

張承二期高速公路（張家口段）位于張家口市崇禮縣、張北縣、沽源縣境內，多為山區，晝夜溫差大，線路穿過大馬群山進入壩上草原。測區最高處約2 050 m，最低處約1 290 m，高差達到760 m。線路經過242省道、345省道、406縣道、404縣道、403縣道、241省道。路線位于東經115°17′～115°58′和北緯40°00′～40°34′。線路主線 AK 全長101．8 km，比較線 A1長23．18 km、A2長10．1 km、A3長6．976 km，線位終點向東延長2 km，共計144 km，其中丘陵段22 km，山區段122 km。

1．2 測量方案的選取

現代施工過程中常用的控制測量方法有：全站儀導線測量、全站儀三角高程測量、水準測量、GPS測量［1］。從測區所處環境可見測區范圍較大，路線長度較長，且地形起伏變化比較大，同時結合各種測量方法的特點，為有效的控制誤差，提高工作效率，降低勞動強度，平面控制測量采用GPS靜態相對定位的方法，高程控制測量采用電子水準測量與GPS擬合高程測量相結合的方法。

1．2．1 平面控制測量

依據公路勘測規范JTG／T－C10－2007，高速公路控制網應采用一級GPS測量，但綜合考慮該測區范圍比較大、儀器數量有限及儀器誤差、操作誤差等因素影響，為使測量數據盡可能滿足精度要求，減少誤差積累，平面控制測量采用兩級控制［2］，首級選取四等GPS測量，下一級采用一級GPS測量。四等GPS控制網布設為大地四邊形，三角點雙邊聯測控制網；一級控制網采用邊連式或點連式布網，控制網的兩端與四等GPS點聯結，做到不隔點聯結。

1．2．2 高程控制測量

根據已知點的現有資料情況，為方便計算，高程系統采用1985國家高程基準。由于測區山地地段較多，在保證測量精度的前提下，為滿足工期、節省財力、人力、物力等條件，不同地段采用不同的作業方法。

依據公路勘測規范JTG／T－C10－2007，高速公路高程控制網應滿足四等測量的精度要求。本測區高程控制測量平緩地段采用聯測四等水準，為加快觀測速度，提高觀測精度，四等水準使用電子水準儀銦瓦水準尺采用單程雙轉點方法；山區路線相鄰高程控制點間的距離不超過1．5 km的區段采用GPS擬合高程［3－4］，這種方法在應用過程中應注意以下幾點：

1）高程異常變化平緩的地區可使用GPS方法施測高程控制測量，數據采集應采用靜態相對定位的方法，時間應大于相應等級的平面控制測量所需的時間。

2）當采用擬合的方法求解高程值時，應在測區周圍和測區內聯測高一級的水準點。丘陵或山地不宜少于10個點。未知點較多時，聯測點宜大于未知點點數的1／5或聯測點間的距離不應大于5km。聯測的水準點應均勻分布于網中，外圍水準點連成的多邊形應包含整個測區。

1．3 測量儀器的選取

依據公路勘測規范JTG／T－C10－2007，GPS測量的主要技術要求應滿足表1。

表1 GPS測量的主要技術指標

依據上述技術要求，結合本單位現有測量儀器，同時考慮到儀器攜帶、運輸費用及使用情況，四等GPS測量、一級GPS測量和GPS擬合高程測量均使用4臺TRIMBLE SPS780雙頻GPS接收機（標稱精度5 mm＋1 ppm×D）；4臺 NAVOCAM 3010S雙頻GPS接收機（標稱精度5 mm＋1 ppm×D）。四等水準測量使用3臺Trimble Di－Ni電子水準儀（標稱精度±0．3 mm／Km），1臺 DL－111C（標稱精度±0．3 mm／Km），3 m條形碼銦瓦水準標尺和鑄鐵尺墊。

1．4 坐標系的選取

在GPS測量內業數據處理過程中，為了將GPS數據轉換到1954北京坐標系中，需利用2至3個平面已知點進行二維約束平差，求出控制點在高斯平面上的坐標［5］。由于這一處理過程中存在不同程度的高斯投影變形，致使GPS點間有坐標反算的邊長與實測值之間存在差異，給后續工程施工放樣帶來不便，因此，要保證測區內投影長度變形值不大于2．5cm／km，若投影變形超限可采用抵償高程面的方法［6］，其中長度綜合變形按式（1）計算。

式中：RA為長度所在方向的橢球曲率半徑；H為長度所在高程面相對于橢球面的高差；SH為實地測量長度；R為測區平均曲率半徑；S為規劃到橢球面的長度；ym為邊長兩端點橫坐標的平均值。

當δ≥2．5 cm／km，應按式（2）計算抵償高程面的高程。

此次工程施工現場高差變化比較大，距離中央子午線比較遠，為保證投影變形在限差內及為充分利用現有數據資料，此次施工坐標系采用1980西安坐標系參考橢球，抵償高程面上的高斯正形投影任意帶平面直角坐標系。本次工程中全線共劃分三個平面坐標系，具體劃分如下：

1）第一坐標系中央子午線115°30′，處于線路AK62＋078m—AK83＋700m，投影面高程1 420 m，投影變形值最大為24．4 mm／km；

2）第二坐標系中央子午線115°30′，處于線路AK83＋700m—AK110，投影面高程1 680 m，投影變形值最大為22．0 mm／km；

3）第三坐標系中央子午線115°30′，處于線路AK110—AK163＋885m，投影面高程1 450 m，投影變形值最大為20．4 mm／km。

2 數據處理

路線控制網是公路控制測量的主控制網，主控制網宜全線貫通，統一平差［7］。本實驗中采用華測COMPASS軟件進行平差。

2．1 平面控制測量數據

各GPS控制點的點位中誤差、邊長相對中誤差、各主要精度指標統計如下：

1）四等GPS控制網最弱邊邊長574．902 7 m，相對中誤差為1／78784。

2）四等GPS控制點點位中誤差一般在0～0．90 cm之間，如表2所示。

誤差區間／cm 0～0．5 0．5～0．9 0．9以上個數6 52 0

其中點位中誤差：最大值為±0．85 cm；最小值為±0．35 cm。

3）四等GPS控制點閉合環誤差一般在0～10 ppm之間，如表3所示。

表3 四等GPS控制點閉合環誤差精度統計

其中相對閉合差：最大值為9．98 ppm；最小值為0．02 ppm。

4）一級GPS控制網最弱邊邊長427．597 5 m，相對中誤差為1／64809。

5）一級GPS控制點點位中誤差一般在0～1．0 cm之間，如表4所示。

表4 一級GPS控制點點位中誤差精度統計

其中點位中誤差：最大值為±0．62 cm；最小值為±0．02 cm。

6）一級GPS控制點閉合環誤差一般在0～13 ppm之間，如表5所示。

表5 一級GPS控制點閉合環誤差精度統計

其中相對閉合差：最大值為12．71 ppm；最小值為0．01 ppm。

依據公路勘測細則JTG／T－C10－2007，其相應精度要求為：四等GPS網最弱點點位中誤差不超過±5 cm，最弱相鄰點邊長相對中誤差小于1／35 000；一級GPS網最弱點點位中誤差不超過±5 cm，最弱相鄰點邊長相對中誤差小于1／20 000。

通過以上數據不難看出：控制點點位誤差及閉合環相對閉合差較小，均滿足精度要求且分布集中，觀測精度比較高。

2．2 高程控制測量數據

在完成整個測區水準線路后，全網統一平差，其精度統計如表6所示。

表6 四等水準測量高差閉合差精度統計表

由閉合差計算的觀測值精度統計：如表7所示，每公里高程測量的高差中誤差：±9．54 mm；高差中數全中誤差：±5．75 mm。

表7 GPS高程擬合精度統計表 m

續表7

依據公路勘測細則JTG／T－C10－2007精度要求應滿足：四等水準測量附和路線閉合差不大于±25■L mm，如表8所示。

表8 四等水準測量的技術要求［8］

通過上述數據精度統計，可見上述兩種測量手段均滿足相應規范的精度要求，此外大部分GPS高程點的點位誤差達到毫米級，最大誤差為2．8 cm，如表9所示。

表9 GPS擬合高程控制測量技術要求

3 結 論

1）通過對比現代常用的控制測量方法并結合本測區概況，提出了該測區控制測量的最佳施測方法，該研究對類似工程具有一定的指導意義。

2）為滿足平面控制測量的數據精度要求，同時考慮到儀器數量有限，該路段采用GPS兩級控制，首級采用四等GPS測量，下一級采用一級GPS測量。

3）為滿足高程控制測量的精度及工期的要求，經研究該區段高程控制測量采用GPS擬合高程測量與電子水準測量相結合的方法：即本測區平緩地段采用電子水準儀單程雙轉點的方法，山區路線相鄰高程控制點間的距離不超過1．5 km的區段采用GPS擬合高程的方法。

4）由于此次工程施工現場高差變化比較大，距離中央子午線比較遠，為保證投影變形在限差內并充分利用現有數據資料，此次施工坐標系采用1980西安坐標系參考橢球，抵償高程面上的高斯正形投影任意帶平面直角坐標系。

5）通過對實測數據的處理，得出了一些數據處理的規律。研究表明本文提出的方法均滿足相應規范的精度要求，同時說明現代測量方法對于降低勞動強度、提高數據精度、提高工作效率等方面具有無可比擬的優勢，具有廣泛的應用前景。

［1］孔祥元．控制測量（上·下）［M］．武漢：武漢大學出版社，2006．

［2］劉躍武．道路勘測中使用GPS技術的方法［J］．北方交通，2009（5）：45－46．

［3］尚保興．GPS擬合高程在測量中的運用［J］．山西科技，2008（6）：143－144．

［4］薛明．線路測量中GPS擬合高程的應用研究［J］．山西建筑，2010，36（29）：350－352．

［5］徐紹栓．GPS測量原理及應用［M］．武漢：武漢大學出版社，2004．

［6］潘正風．數字測圖原理與方法［M］．武漢：武漢大學出版社，2004．

［7］中交第一公路勘測設計研究院．JTG／TC 10－2007公路勘測細則［S］．北京：人民交通出版社，2007．

［8］國家測繪局測繪標準化研究所．GB 12898－91國家三、四等水準測量規范［S］．北京：人民交通出版社，2009．

The method about the control survey of road

HOU Xiao－zhen1，YU Rui－peng2
（1．School of Environmental Science and Spatial Informatics，China University of Mining and Technology，Xuzhou 221008，China；2．The First Geology and Mining Exploration Institution of Shandong，Jinan 250014，China）

The control survey is the foundation of staking，thus we must establish the control network with a certain precision．The equipment and the measuring method contribute a lot to the project’s quality．I will put forward the best control method by combining the second phase of Zhang Cheng Highway with the modern equipment；and through the measurement data processing and analysis，the feasibility of this method was verified．

road survey；control survey；GPS

P221

A

1006－7949（2012）04－0070－04

2011－11－16

侯曉真（1988－），女，碩士研究生．

［責任編輯張德福］