GPS控制測量在汕湛高速公路勘測定界中的應用研究

彭亞軍李國洋

（1.廣東省國土資源測繪院，廣東 廣州 510500；2.東莞市測繪院，廣東 東莞 523129）

GPS控制測量在汕湛高速公路勘測定界中的應用研究

彭亞軍1李國洋2

（1.廣東省國土資源測繪院，廣東 廣州 510500；2.東莞市測繪院，廣東 東莞 523129）

如何在實際工程中提高GPS測量的精度是目前GPS發展亟需研究的目標之一。本文基于汕湛高速公路勘測定界工程實例，深入剖析了GPS控制測量在實際應用中出現的問題，并提出了建設性的改進方法，對以后的工程應用具有參考價值和實用價值。

GPS；精度；控制測量；工程應用

汕湛高速公路汕頭至揭西段項目是《廣東省高速公路網規劃》（2004～2030年）二橫線的起點段，是廣東省“十二·五”期間實施的重點建設項目。該測區地處汕頭市與揭陽市，地勢自西向東傾斜，低山高丘與谷地平原交錯相間，分布不均，西北部和西南部多為丘陵、山地，中部、南部和東南部都是廣闊肥沃的榕江沖積平原和濱海沉積平原。

GPS即全球定位技術，具有測量精度高、全天候連續作業、測站之間無需通視等優點［1］。在測繪行業中，被廣泛應用于建立高精度的測量控制網、海洋測繪、軍事測量、航測遙感、工程測量等［2］［3］。本文主要針對GPS控制測量在汕湛高速公路勘測定界中應用情況進行探討研究。

1　GPS特點

GPS具備的特點，可以保障工程項目的順利進行［4］［5］，其中主要的特點如下：

①任意測站不需要具備通視條件。相鄰測站之間是否能夠互相通視是傳統測量中的一大關鍵問題，GPS測量時，任意測站不需要具備通視條件即可進行觀測，不僅選點方便靈活，更加快了作業效率；

②GPS定位精度較高。雙頻GPS接收機基線解精度為5mm+1ppm，而紅外儀標稱精度為5mm+5ppm，經過工程實例研究證明，50km以內的基線測量，GPS相對定位精度能夠達到，而在100～500km范圍內的的基線測量精度可；

③觀測周期短，有效節約了時間成本。通過GPS布設控制網，一個測站上的觀測時間只需要30～40min；采用快速靜態定位方法，大大加快了工作效率，有效縮短了觀測時間；

④能夠實時提供觀測點的三維坐標。利用GPS進行測量，在觀測平面坐標的同時，即可實時同步得到觀測點的大地高程坐標；

⑤操作使用簡單快捷。隨著GPS使用度的廣泛增加，其自動化程度更是得到了飛速的發展，觀測人員只需要對其進行簡單的開機、對中、整平即可自動追蹤衛星信號，進行自動觀測；

⑥全天候作業。GPS在開闊地區可進行連續作業，天氣狀況對其影響極小。

2　GPS控制測量在工程中的應用

2.1儀器設備及使用的軟件

本項目作業使用了3臺某品牌500系列接收機，2臺某品牌GPS 1200系列接收機和2臺某品牌GPS接收機，所有儀器設備均經相關測繪器具部門檢定合格，并在檢驗合格有效期內使用。

數據預處理采用隨機軟件Leica Geo Office和衛星定位技術應用中心的NETRTK數據處理軟件，TGO1.63版本軟件用于導出數據。

2.2工作的具體實施

2.2.1控制點的布設及埋石

本測區全線共布設了34個GPS-E級點，沿公路紅線兩側加密GPS一級點340個。

2.2.1.1本測區控制點位滿足以下要求［6］［7］：

①周圍便于安置接收機、便于操作、視野開闊；

②遠離大功率無線電發射源（如電視臺、電臺、微波站等），其距離大于200m；遠離高壓輸電線，其距離大于50m；

③附近沒有強烈干擾衛星信號的物件（如大型建筑物、水面等）；

④交通方便，有利于其他測量手段擴展和聯測；

⑤地面基礎穩定，易于點的保存；

2.2.1.2GPS-E級點之記的內容均在現場詳細記錄，最終格式為電子文本；

2.2.1.3GPS-E級點或GPS一級點間至少有一個或一個以上通視方向，保證點位既能滿足GPS的觀測條件，又方便于常規控制測量的使用；

2.2.1.4各等級控制點標石規格和標石整飾：

①GPS-E級點統一尺寸規格為上底12cm×12cm，下底為20cm×20cm，高60cm（也可以現場澆灌），且在中心位置打入直徑為10mm，長60mm帶十字螺絲帽的螺絲釘；

GPS-E級控制點標石面整飾如圖1所示：

圖1　GPS-E級控制點標石面整飾

②GPS一級點尺寸規格上底為12cm×12cm，下底為20cm×20cm，高60cm。在水泥地面上時，其鑿石規格為20cm×20cm，深0.5cm的方框，且在中心位置打入直徑為10mm，長60mm帶十字螺絲帽的螺絲釘；

GPS一級點控制點標石面整飾如圖2所示：

③GPS-E級點的點名用到了山名、地名、單位名等，取名準確、明了。

④GPS-E級點編號從E001開始，按順序編號；GPS一級點編號從I001開始，按順序編號。

圖2　GPS一級點控制點標石面整飾

2.2.2平面控制網施測

2.2.2.1GPS外業觀測

本項目GPS-E級控制網精度符合以下要求：

a：為固定誤差（mm），對于GPS-E級點取10mm；

b：為比例誤差系數，對于GPS-E級點取5×10-6m；

d：為相鄰點間的距離，以公里為單位；

復測基線的長度較差滿足下公式的規定：

GPS網外業基線處理結果，其獨立閉合環或附和路線坐標閉合差WS和各坐標分量閉合差（WX、WY、WZ）滿足下公式規定：

式中：n——閉合差邊數σ——基線測量中誤差，

2.2.2.2GPS-E級網測量數據處理

基線解算采用廠家提供的隨機軟件在微機上進行?；€解算采用選擇獨立基線按多基線處理模式統一解算?；€解算合理的選擇剔除基線，同一時間段觀測基線的數據剔除率小于10%，解算的基線以已知的GDCORS基準站的WGS-84坐標系坐標作為基線解算的起算數據，采用雙差固定解作為基線解算的最終結果。

GPS-E級網的內業平差、坐標轉換均由廣東省國土資源測繪院衛星定位技術應用中心完成。

2.2.2.3 GPS一級點觀測

GPS一級點觀測方法是采用網絡RTK模式進行。

①兩次初始化，一次初始化觀測兩次，每次采集100個歷元，采樣間隔1秒。

②量取儀器高兩次，兩次讀數不大于3毫米，取中數輸入GPS接收機中。數據采集過程中填寫《實時定位觀測記錄表》。

③對兩次初始化采集的最后一個歷元的空間坐標進行比對，比對較差依照《廣東省國土資源測繪院網絡RTK作業指導規程（試行）》里規定的精度標準執行。

④觀測結束后，將數據從GPS接收機傳輸到計算機上，采用隨機軟件Leica Geo Office、TGO 1.63版本對數據進行格式轉換。

⑤采用衛星定位技術應用中心編制的NETRTK數據處理軟件對進行格式轉換后的數據進行檢查、預處理及其精度統計。

⑥數據預處理完成后把相關數據發回衛星定位技術應用中心進行坐標轉換、高程計算和精度統計。

GPS一級點的數據預處理由本項目人員完成，坐標轉換由廣東省國土資源測繪院衛星定位技術應用中心完成。

2.2.2.4控制銜接

本測區控制起算點為GDCORS基準站，所求控制點坐標必須與甲方提供的控制點相銜接。故本測區以GDCORS為起算，測得21個甲方控制點，再利用NETRTK軟件求出甲方使用的1954北京坐標本項目1980西安坐標之間的轉換參數（精度為±1.98m厘米），對甲方坐標進行轉換，達到兩套坐標系統一致。

3　數據處理及精度統計

本項目GPS-E級控制點的數據采集采用靜態布網模式，GPS一級點的數據采集是采用網絡RTK模式進行。按照技術設計書的要求，對每天采集的控制點數據進行傳輸備份、格式轉換、數據預處理和精度統計。

3.1GPS-E級網的平差計算及精度

本項目GPS-E級點控制測量采用靜態布網模式進行數據采集的34個E級控制點，平差計算由衛星定位技術應用中心完成，現將精度統計如下：

①WGS-84坐標系三維無約束平差

在WGS-84大地坐標系下進行無約束平差時，首先以GDCORS基準站為基準，進行無約束平差計算，以檢查控制網觀測質量的內符合精度。WGS-84坐標系的三維無約束平差其結果相對中誤差最弱邊為1/72516.316（E002-STGT，邊長：385.11米），點位中誤差最大值為1.68 cm（點號：E021）。無約束平差中，基線向量的改正數絕對值小于3σ（σ=1.80cm）。

②WGS-84坐標系三維約束平差

經檢查整網無粗差后，以測區內周邊的GDCORS基準站為約束條件進行WGS-84大地坐標系約束平差計算。WGS-84坐標系的三維約束平差結果相對中誤差最弱邊為1/67750.678 E002-STGT，邊長：385.11米），點位中誤差最大值為1.90 cm（點號：E021）。約束平差中，基線向量的改正數與無約束平差結果的同名基線相應改正數的較差小于2σ（σ=1.80cm）。

1980西安坐標系的平面直角坐標成果，是由經過約束平差的WGS-84空間坐標，按動態七參數轉換得到1980西安坐標系的空間坐標，再將其轉換為大地坐標后按選定的中央子午線進行高斯投影轉換得到。

3.2GPS一級點數據處理及精度

本項目340個GPS一級點的測量是采用網絡RTK模式進行的，對所獲得的控制點成果，在數據處理過程中將平面和高程方向的限差均設置為±5 cm，測量成果的精度能滿足本項目控制點測量的要求。

①利用網絡RTK所獲得的控制點的1980西安坐標系平面直角坐標成果由是由經過約束平差的WGS-84空間直角坐標，按動態七參數轉換得到1980西安坐標系的空間直角坐標，再將其轉換為大地坐標后按中央子午線（116°20′）進行高斯投影轉換得到。

3.3高程計算及精度

本項目的GPS-E級網控制測量計算中，控制點的正常高是通過廣東省似大地水準面模型內插獲取。利用動態七參數轉換，各點轉換精度的平均值為0.018891米，其中最大值為0.0322米（E013、E011、E008）；最小值為0.0056米（E029）。

本項目利用網絡RTK所測的GPS一級點的正常高是通過廣東省似大地水準面模型內插獲取，廣東省似大地水準面模型高程外符合中誤差±0.048 m。

4　轉換參數求取及精度

表1　參數精度及顯著性檢驗t（α/2）

單位權中誤差為：m0=0.01436m

本項目中均勻選取了10個甲方原有的控制點用作重合點，利用NETRTK軟件，根據其1980西安坐標系（中央子午線116°20′）和甲方提供的1954北京坐標系（中央子午線116°20′）成果（表2）進行坐標二維轉換參數（四參數）的求取。利用NETRTK軟件，進行坐標二維轉換，即四參數的求取。得出轉換參數。

在完成GPS控制測量及平差之后，所求得1980西安坐標（中央子午線116°20′）成果作為本項目的勘測定界的控制成果；

甲方提供的界樁坐標成果為1954北京坐標（中央子午線116°20′），利用所求得的轉換參數將本項目控制成果進行坐標轉換后，可得出與甲方提供的界樁坐標成果相一致的控制點成果。

表2　轉換精度

5　結論

針對GPS控制測量在汕湛高速公路勘測定界中的應用研究，本文重要研究內容總結如下：

5.1甲方提供的控制資料和地形圖資料均采用的是1954北京坐標系，本項目勘測定界是為了國土報批等而采用的是1980西安坐標系，這就需要在本測區內將這兩套坐標系建立聯系（轉換參數），本文具體處理方法如下：

①選取重合點并測出其1980西安坐標，（本項目中共選取21個重合點）；

②利用NETRTK軟件求取重合點1954北京與1980西安坐標系之間的轉換參數；

③檢查轉換精度，（將所測得的重合點的1980西安坐標利用NETRTK軟件和求得的轉換參數求出其1954北京坐標），經比對，精度滿足本項目要求。

5.2由于測區圖形為帶狀圖，且基本上為林地與灌木，地形復雜，通行、通視相當困難，給選點埋石及測量工作帶來了很大的不便，本文具體處理方法：控制點盡量選在山頂上，保持網形美觀實用，通視條件差的地方砍掉部分遮擋的樹木，保證控制點間的通視；

5.3測區內部分地區網絡信號比較差，給觀測帶來很大不便，本文具體處理方法：盡量利用早上6點至10點這段時間進行觀測（此時間段網絡信號強）；

5.4本文采用的武漢大學PowerNet軟件在三維坐標系下進行無約束和約束平差處理，1980西安坐標系的平面直角坐標成果是經過約束平差的WGS-84空間坐標，按動態七參數轉換得到1980西安坐標系的空間坐標，再將按其轉換為大地坐標后按選定的中央子午線（116020＇）進行高斯投影轉換得到；

5.5本文采用1980西安坐標系的平面直角坐標成果，是由WGS-84坐標系的空間直角坐標，按GDCORS的動態七參數轉換得到1980西安坐標系的空間坐標，再將其轉換為大地坐標后按選定的中央子午線（116020＇）進行高斯投影轉換得到，該方法體現了GDCORS帶來的方便性和高效性。

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Application of GPS Control Survey in Shantou to Zhanjiang Expressway Boundary Survey

Peng Yajun1Li Guoyang2
（1.Guangdong Institute of Surveying and Mapping of land and Resource，Guangzhou Guangdong510500；2.Dongguan Institute of Surveying and Mapping，Dongguan Guangdong 523129）

How to improve the accuracy of GPS measurements in the actual project development is one of the objectives currently GPS urgent research.Based on the survey and demarcation Shan Zhan Expressway project example，indepth analysis of the GPS control survey appear in the practical application problems，and put forward constructive improved method for future engineering applications with a reference value and practical value.

GPS；accuracy；control measurement；engineering applications

P228.4

A

1003-5168（2015）12-0088-4

2015-11-27

彭亞軍（1982-），男，本科，測繪工程師，研究方向：GPS測量，地形圖測繪，線路工程勘測等；李國洋（1989-），男，碩士，助理工程師，研究方向：數字化城市建設、國土資源信息化研究、工程測量、GIS應用與開發等。