深山峽谷中GPS平面控制網快速復測技術的研討

楊元林，崔同菊

(中國水利水電第十四工程局有限公司， 云南 昆明 650041)

0 前 言

GPS作為最新型的定位技術正在廣泛地應用于軍事、科學、工程及生活中， GPS使很多事情變得更加精準，工作效率也大大提高。隨著科技的發展，GPS技術逐步用于復雜環境的工程測量中。目前，我國西部許多建設的高速公路，地處深山峽谷，高程起伏大，高速公路線型復雜，并且任務重、工期緊，采用GPS快速測量技術，相比傳統的測量方法，節約了大量的人力、物力。GPS控制測量方便，受地形地貌影響小，觀測解算一體化，工作效率高，已成為目前工程施工測量的主要方法。本文通過對GPS測量從外業觀測到內業解算的全過程研究，總結出了一套快速、可靠的測量方法。

1 工程概述

本工程屬于宜賓至昭通高速公路云南段的一期項目，路線起于K144+910 m，止于K237+600 m，路線全長92.72 km，設計速度80 km/h，設計標準為雙向四車道，路基寬24.5 m。起點為彝良縣海子鄉，終點為昭通市北閘鎮，設置北閘立交與麻昭高速公路銜接。項目建成后將成為通往云南省昆明市、貴州省貴陽市、四川省瀘州市、重慶市四省市的省際快速通道。接G85渝昆高速通往云南省會昆明；接在建的昭瀘高速(彝良至鎮雄段)、G56杭瑞高速通往貴州省會貴陽；接G93成渝高速通往重慶。遠期宜昭高速(彝良至宜賓段)建成后，可接G85渝昆、G76夏蓉高速前往成都。

2 控制點平面坐標

采用“宜昭高速抵償坐標系”，類似“國家54坐標系”。

本工程路線在測區內總體呈東北～西南走向，地理經度范圍103°45′～104°20′，地理緯度范圍27°25′～27°38′，沿線地形起伏較大為山嶺重丘區地形。測區高程約在870～2 200 m之間。為了保證全線成果的統一性，滿足規范和線路設計要求，減少接邊誤差，根據高斯投影理論以及本條線路的實際情況，須保證本測區投影長度變形值小于2.5 cm/km及橋遂等大型構造物投影長度變形值小于1.0 cm/km，以抵消投影變形。抵償坐標系如表1所示。

表1 宜昭高速抵償坐標系匯總

3 設計方案

3.1 選點埋石

(1)通過現場踏勘，原有控制點被破壞的，若施工則需重新埋點，由于線路調整，部分距施工區域較遠的控制點可以舍棄，點密度不滿足施工需求的地方需要加密控制點。

(2)埋石要求如下：埋設的控制點標石，其規格為150 mm×300 mm×600 mm的水泥混凝土樁，樁中埋設一根長300 mm的Φ12鋼筋以便固定，并在樁頂露出5 mm且做“十”字絲刻劃。埋設時，基坑用水泥砂漿、石塊回填夯實，在上部用水泥砂漿“戴帽”固結，如圖1所示。點位埋設后及時做好點之記記錄。

圖1 埋石斷面及正面示意

(3)控制點沿設計路線兩側布設，點距離設計路線中線50～300 m；控制點間盡量保持前后通視，困難地區至少保證兩點相互通視。

(4)控制點應埋設在地質條件穩定，易于長期保存的地方，同時還應該兼顧施測方便。

(5)控制點周圍環境應該滿足規范對GPS外業觀測和水準觀測的要求；遠離強震、強磁場、強反射區、高壓電線等不良環境。

(6)一般情況下，平面、高程控制點共用，在施測水準困難的地方，可以適當增設單獨的高程控制點。

3.2 平面控制測量

3.2.1 GPS控制測量技術要求

GPS靜態測量基本技術要求見表2。

表2 GPS靜態測量基本技術要求

平面控制網最弱點相對于起算點的點位中誤差不得超過±5.0 cm，相鄰點相對于起算點的點位中誤差不得大于±3.0 cm，三等GPS平面控制網最弱相鄰點邊長相對中誤差不得大于1/70 000。四等GPS平面控制網最弱相鄰點邊長相對中誤差不得大于1/35 000。

3.2.2 GPS控制測量方法

(1)本次測量采用14臺中海達V90雙頻接收機按邊連式推進方式構網進行野外數據采集，接收機標稱精度為±(5 mm+1 ppm·D)，D為觀測基線長度，單位為km。

(2)GPS平面控制采用四等、獨立三等網，網形為邊連方式。

3.2.3 GPS控制測量作業要求

(1)觀測人員應嚴格遵守觀測計劃和調度命令,按規定的時間進行同步觀測作業，測站之間密切配合。

(2)到達點位以后，作業人員均應按要求架設好接收機天線，做到精確對中、嚴格整平，并做好儀器、天線、電源的正確連接。

(3)接收機開始記錄數據后，觀測員要經常查看測站信息及其變化情況，做到發現異常情況及時通報給現場調度員。

(4)觀測人員應操作細心，在觀測期間，防止接收設備震動、移動和其它物品碰動天線或阻擋信號。

(5)觀測時段結束后應認真進行檢查，當測量記錄項目齊全，并符合要求后報告調度員才可遷站。

(6)天線高量取兩次，高差值小于3 mm時取平均值，取位到1 mm。

(7)雨霧天氣觀測時，需用塑料袋包好主機，回到駐地后擦拭并晾干。

3.2.4 GPS數據處理技術要求

外業數據采集完成后，立即進行基線向量的解算，重復基線的驗算，然后進行同步環、異步環、PDOP值、有效衛星個數的檢驗工作，當以上工作各項限差滿足規定要求后，采用中海達HGO軟件進行基線解算，基線解算完畢并檢查合格后，將基線向量輸出，分別采用HGO/COSA GPS進行平差計算。數據處理應滿足以下要求：

(1)同一時段觀測值基線處理中，數據采用率不宜低于80%。

(3)同步環各坐標分量及全長閉合差均滿足：

式中，n為同步環的邊數；σ為相鄰點間弦長精度，根據相應等級精度要求取環平均邊長計算。

(4)異步環的坐標分量及全長閉合差均滿足：

式中，n為獨立環中的邊數;σ為相鄰點間弦長精度，根據相應等級精度要求計算；V為環閉合差。

無論采用單基線模式或多基線模式解算基線，都應在整個GPS網中選取一組完全的獨立基線構成獨立觀測環，其異步環的坐標分量閉合差和全長閉合差應符合規定。

3.2.5 GPS網平差技術要求

GPS網的平差計算，按基線向量網的三維無約束平差，三維基線向量網向二維基線向量網的約束平差步驟進行。

(1)三維基線向量網的無約束平差在WGS-84坐標系中進行。

(2)二維約束平差在橢球面上進行，進行二維約束平差以前，首先應對首級控制點的相容性進行檢查，采用相容性較好的控制點作為二維約束平差的起算點。

(3)二維約束平差計算后的成果作為目標坐標系，可直接用于施工測量。

(4)獨立隧道GPS平面控制網，應采用觀測質量較好的一個點作為起算點，以這個點和位于隧道另外一端的、處于隧道軸線方向一個點的方位角作為起算方位角進行平差計算。當獨立控制網的中檢核點與路線控制測量中橫坐標差異較大時，應對構造物平面控制網進行旋轉，最終成果中檢核點在兩個網中的坐標差值不應大于40 mm。

4 測量方案

4.1 GPS控制測量作業流程(見圖2)

圖2 GPS控制測量作業流程示意

4.2 野外數據采集

4.2.1 GPS接收機的使用

采用14臺中海達V90雙頻接收機按邊連式推進方式構網進行野外數據采集，接收機標稱精度為±(5 mm+1 ppm·D)，D為觀測基線長度，單位為：km。

4.2.2 天線安置與對中精度

天線架設高于地面1 m以上，嚴格整平天線，使用經檢校后，對中精度大于1 mm的光學對中器對中。

4.2.3 天線高的測量

天線高量至毫米，天線高測量在觀測前后按斜高方式各量測一次，較差都小于3 mm，然后取用平均值記錄在手簿上，最后用該值作為軟件平差采用的天線高。觀測質量控制見表3。

表3 觀測質量控制

4.3 GPS網的數據處理

GPS平面控制網數據處理流程見圖3。

圖3 GPS平面控制網數據處理流程示意

4.3.1 數據處理軟件的選用

數據傳輸采用中海達HGO軟件解算基線，共解算出664條合格基線，同一時段觀測值的數據剔除率0.9%。利用HGO進行網平差，并統計重復基線數、同步環和異步環數。

4.3.2 復測基線檢查

共有復測基線15條，計算后最大相對誤差為14 ppm，見表4。

表4 重復基線觀測值

經檢查，最大復測基線長度較差滿足《公路勘測規范》(JTG C10-2007) 4.1.5-1的要求。

4.3.3 環閉合差檢查

由664條合格基線共組成1 643個同步環，計算后平面最大同步環閉合差相對誤差為7.07 ppm。經檢查，最大同步時段中同步環的坐標閉合差滿足《公路勘測規范》(JTG C10-2007)中4.1.5-2的要求。

由此可以看出GPS野外數據采集質量良好，觀測時段長度合理，基線解算精度情況優良，可以進行下一步網平差。

4.3.4 GPS網基線向量平差

GPS網空間向量網在WGS-84坐標系下的三維無約束平差， GPS空間向量網的無約束平差，進行無(最小)約束平差。平差結束后，四等網無約束平相對誤差最大值為1/67 645，三等網無約束平相對誤差最大值為1/45 510。三等網主要原因為峽谷山區，GPS接收機靜態數據質量差。

經檢查，無約束平差基線改正量絕對值最大值均滿足《公路勘測規范》(JTG C10-2007)4.1.5-4的要求。三維無約束平差后的點位誤差及最弱邊相對中誤差最大值見表5。

從各項精度指標可看出：三維無約束平差后的點位誤差及最弱邊相對中誤差最大值均達到《公路勘測規范》(JTG C10-2007)、《技術設計書》的要求,三、四等GPS網在WGS-84坐標系下的三維無約束平差后精度優良，說明三、四等GPS網布設合理，基線組網方式合理，數據采集質量可靠，該網內符合精度較高。

GPS網空間向量網在各坐標系成果進行二維約束平差，平差結束后，四等網二維約束平相對誤差最大值為1/55 499，三等網二維約束平相對誤差最大值為1/127 161。二維約束平差后的點位誤差及最弱邊相對中誤差最大值見表6。

表5 三維無約束平差后的點位誤差及最弱邊相對中誤差最大值

表6 二維約束平差后的點位誤差及最弱邊相對中誤差最大值

經檢查，點位誤差均能達到《公路勘測規范》(JTG C10-2007)、《技術設計書》要求,從各項精度指標可看出三、四等GPS網精度較好，達到三、四等精度要求。

5 結 語

高速公路施工由于地形復雜、高差大、受氣候條件影響等原因，長期以來，使用常規的測量方法布設高精度的測量控制網，主要依賴于高精度的測距儀、經緯儀或者全站儀，常規的邊、角控制網測量要求各控制點間必須通視，給網形的布設帶來了很大的限制。該方法工作量大，作業時間較長，給常規測量工作帶來了一定的困難。本文論述的在宜昭高速一期項目中采用GPS控制測量技術，僅用1周的時間就完成了任務，大大節省了人力、物力，極大程度地提高了工作效率，顯示出 GPS技術相對于常規測量方式有著不可比擬的優越性。