GPS在高等級(jí)公路工程中的實(shí)踐應(yīng)用分析

傅立新

（江西省交通設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，江西南昌330052）

1 全球定位系統(tǒng)（GPS）的特點(diǎn)

GPS 通常是由空間衛(wèi)星群、地面控制系統(tǒng)和衛(wèi)星接收設(shè)備三大部分組成。因其具有全球覆蓋、世界通用、用戶(hù)不受限制、全天候作業(yè)、精確三維坐標(biāo)定位、觀(guān)測(cè)時(shí)間短、準(zhǔn)確定時(shí)、操作簡(jiǎn)便、自動(dòng)化程度高、測(cè)站間無(wú)須通視、靜動(dòng)態(tài)定位等諸多優(yōu)勢(shì)，能夠?qū)崟r(shí)地向所有的用戶(hù)提供全天候、連續(xù)的三維坐標(biāo)等精確的參數(shù)，直接服務(wù)于公路工程測(cè)量系統(tǒng)，為公路測(cè)量提供最佳的定位技術(shù)。目前GPS 接收器已經(jīng)小型化，操作也很簡(jiǎn)便。觀(guān)測(cè)者只需對(duì)準(zhǔn)、平整天線(xiàn)，通過(guò)連續(xù)高開(kāi)天線(xiàn)，在任何時(shí)間、任何地點(diǎn)自動(dòng)觀(guān)測(cè)，利用數(shù)據(jù)處理軟件，可以獲得觀(guān)測(cè)點(diǎn)的三維灰度，準(zhǔn)確確定觀(guān)測(cè)站的平面位置，從而準(zhǔn)確確定觀(guān)測(cè)站的大地高度。因此，近年來(lái)，GPS 技術(shù)在公路工程測(cè)量中得到了廣泛推廣。

傳統(tǒng)的公路工程測(cè)量方法主要是利用一些精密的測(cè)量?jī)x器進(jìn)行人工測(cè)量，但在使用傳統(tǒng)儀器進(jìn)行測(cè)量的過(guò)程中，受天氣、地形等條件的影響，測(cè)量范圍較大，地形復(fù)雜，測(cè)量難度大，往往需要大量的人力、物力、財(cái)力以及測(cè)量時(shí)間。同時(shí)，在勘測(cè)過(guò)程中，整個(gè)工程的造價(jià)會(huì)增加，嚴(yán)重影響施工企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。GPS 技術(shù)的應(yīng)用有效地克服了傳統(tǒng)測(cè)量方法的缺點(diǎn)：在測(cè)量中，減少了外界對(duì)測(cè)量工作的影響，在惡劣天氣條件下也能很好地進(jìn)行測(cè)量工作；測(cè)量精度高，可以在降低測(cè)量總成本的同時(shí)提高測(cè)量精度。利用GPS 技術(shù)測(cè)量，可對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行及時(shí)統(tǒng)計(jì)，整體測(cè)量精度可達(dá)厘米級(jí)，能很直觀(guān)地反映測(cè)量結(jié)果，對(duì)公路工程建設(shè)具有重要的價(jià)值和意義[1]。

2 GPS 在公路工程控制測(cè)量中的應(yīng)用

隨著現(xiàn)代交通事業(yè)的發(fā)展，公路項(xiàng)目日益增多且等級(jí)在不斷提高，對(duì)測(cè)量勘測(cè)技術(shù)以及施工質(zhì)量都有了更高的要求。但是由于路線(xiàn)長(zhǎng)、構(gòu)造物多而復(fù)雜，加上時(shí)間緊，任務(wù)重，傳統(tǒng)測(cè)量技術(shù)不僅布網(wǎng)困難，作業(yè)強(qiáng)度大，作業(yè)效率不高，且難以滿(mǎn)足高精度的要求，無(wú)法滿(mǎn)足現(xiàn)代交通行業(yè)的發(fā)展需要。公路工程測(cè)量工作需要對(duì)施工路段進(jìn)行全面的了解，因此，迫切需要GPS 技術(shù)這種高精度、高速率、成本低，且不受地形通視條件限制的測(cè)量方法，對(duì)相關(guān)的、全路段的實(shí)際地形地貌等信息進(jìn)行全面的收集，同時(shí)實(shí)時(shí)地監(jiān)測(cè)可能存在的自然災(zāi)害等問(wèn)題。GPS 技術(shù)在道路工程中的應(yīng)用主要是，建立各種道路工程控制網(wǎng)及測(cè)定航測(cè)外控點(diǎn)等，即沿路線(xiàn)縱向每隔500～1000m 布設(shè)一個(gè)GPS 點(diǎn)，相鄰GPS 點(diǎn)間相互通視，為公路項(xiàng)目制定合理的施工方案提供精度高的三維坐標(biāo)以及時(shí)間信息等參數(shù)依據(jù)。例如，在滬寧、滬杭高速上海段等項(xiàng)目中，主要就是通過(guò)GPS 技術(shù)的應(yīng)用，建立首級(jí)控制網(wǎng)，然后結(jié)合常規(guī)測(cè)量手段開(kāi)展導(dǎo)線(xiàn)的布設(shè)和加密，使得控制網(wǎng)具備建設(shè)的基礎(chǔ)，有效地保障了項(xiàng)目建設(shè)的整體質(zhì)量（見(jiàn)圖1）。

圖1 施工測(cè)量圖

2.1 GPS 在公路測(cè)量中的實(shí)施

在公路測(cè)量實(shí)踐中，對(duì)于GPS 技術(shù)的應(yīng)用，主要是靜態(tài)功能和動(dòng)態(tài)功能。其中，前者是利用衛(wèi)星定位進(jìn)行地面某點(diǎn)的三維坐標(biāo)的確定，而后者主要是通過(guò)衛(wèi)星系統(tǒng)對(duì)已知的三維信息開(kāi)展實(shí)時(shí)觀(guān)測(cè)，通過(guò)無(wú)線(xiàn)電傳輸?shù)皆O(shè)備上，計(jì)算和顯示移動(dòng)臺(tái)的三維坐標(biāo)。通過(guò)反復(fù)的測(cè)量驗(yàn)證，GPS 技術(shù)的線(xiàn)形精度能夠有效地滿(mǎn)足高等級(jí)公路施工設(shè)計(jì)和施工的要求。利用GPS技術(shù)進(jìn)行控制測(cè)量時(shí)，由于其平面定位精度較高，高程定位精度不如水準(zhǔn)測(cè)量精度高，因此利用GPS 技術(shù)在測(cè)區(qū)建立相應(yīng)水準(zhǔn)的平面控制網(wǎng)是可行的[2]。

根據(jù)公路及特殊橋梁、隧道構(gòu)造物的特點(diǎn)以及不同要求，GPS 系統(tǒng)的控制網(wǎng)可分一級(jí)、二級(jí)、三級(jí)、四級(jí)共四個(gè)等級(jí)。與其他測(cè)量模式一樣，GPS 網(wǎng)技術(shù)設(shè)計(jì)是一項(xiàng)基礎(chǔ)工作，應(yīng)根據(jù)網(wǎng)絡(luò)用途和用戶(hù)需求進(jìn)行。在公路測(cè)量中，GPS 控制網(wǎng)的布設(shè)應(yīng)根據(jù)公路等級(jí)、沿線(xiàn)地形地物、作業(yè)時(shí)的衛(wèi)星狀況、精度要求等因素進(jìn)行綜合設(shè)計(jì)，并編制技術(shù)設(shè)計(jì)書(shū)（或大綱）。根據(jù)GPS 網(wǎng)的用途，通過(guò)設(shè)計(jì)明確精度指標(biāo)和GPS 網(wǎng)的圖形。

2.2 GPS 測(cè)量的數(shù)據(jù)處理

GPS 接收機(jī)采集的是接收機(jī)天線(xiàn)相位中心至衛(wèi)星發(fā)射中心的偽距、載波相位和衛(wèi)星星歷等數(shù)據(jù)，而不是常規(guī)測(cè)量技術(shù)所測(cè)的地面點(diǎn)間的相對(duì)位置關(guān)系量（如邊長(zhǎng)、角度、高差等）。因而要想得到有實(shí)用意義的測(cè)量定位成果，需對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行一系列處理。

GPS 測(cè)量數(shù)據(jù)處理是指從外業(yè)采集的原始觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)到最終獲得測(cè)量定位成果的全過(guò)程，大致可以分為數(shù)據(jù)的粗加工、數(shù)據(jù)的預(yù)處理、基線(xiàn)向量解算、GPS 基線(xiàn)向量網(wǎng)平差或與地面網(wǎng)聯(lián)合平差等幾個(gè)階段。第一步數(shù)據(jù)采集和實(shí)時(shí)定位在外業(yè)測(cè)量過(guò)程中完成；數(shù)據(jù)的粗加工至基線(xiàn)向量解算一般用隨機(jī)軟件將接收機(jī)記錄的數(shù)據(jù)傳輸至計(jì)算機(jī)，進(jìn)行預(yù)處理和基線(xiàn)向量解算；GPS 網(wǎng)平差可采用隨機(jī)軟件進(jìn)行，也可采用國(guó)內(nèi)外高校或科研機(jī)構(gòu)開(kāi)發(fā)的專(zhuān)用軟件包來(lái)完成，如基線(xiàn)處理軟件SKI 是徠卡公司研制的GPS 后處理軟件系統(tǒng)[3]。

3 GPS 控制測(cè)量應(yīng)用的實(shí)例

近年來(lái)，我國(guó)高等級(jí)公路建設(shè)取得了顯著的成效，有效地滿(mǎn)足了社會(huì)對(duì)交通的需求。由于國(guó)內(nèi)高速公路建設(shè)具有規(guī)模大、施工周期長(zhǎng)的特點(diǎn)，而且本身具有彎曲性和變化性，特別在公路工程逐漸向高山丘陵地區(qū)發(fā)展的背景下，使得傳統(tǒng)的測(cè)量方法不能充分發(fā)揮其應(yīng)用功能，甚至不能滿(mǎn)足現(xiàn)代公路建設(shè)比較標(biāo)準(zhǔn)的要求。GPS 技術(shù)的應(yīng)用可以有效地彌補(bǔ)傳統(tǒng)技術(shù)的不足，合理解決網(wǎng)絡(luò)布局的困難，滿(mǎn)足實(shí)時(shí)性、高精度的要求。通過(guò)遠(yuǎn)距離監(jiān)測(cè)和校正，以其高精度、高密度的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)于高速公路基線(xiàn)的實(shí)時(shí)監(jiān)護(hù)，有效保障施工建設(shè)的整體質(zhì)量。下面以國(guó)道310 線(xiàn)鄭汴高速連接線(xiàn)控制測(cè)量為例，對(duì)GPS 控制測(cè)量的相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行探討分析。

3.1 建立布網(wǎng)方案

在公路工程的測(cè)量過(guò)程中，通常需要結(jié)合公路工程的實(shí)際地理情況，參考不同的區(qū)域，結(jié)合不同的地形狀況，進(jìn)行合理的規(guī)劃和全面布網(wǎng)。該項(xiàng)目由于地形地貌特征較為復(fù)雜，而且項(xiàng)目區(qū)域內(nèi)通視條件十分有限，在測(cè)區(qū)內(nèi)原有控制點(diǎn)2 個(gè)，要嚴(yán)格依照國(guó)家的相關(guān)規(guī)范進(jìn)行作業(yè)，結(jié)合公路工程具體測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)，在附近基線(xiàn)增加控制點(diǎn)，確保點(diǎn)位穩(wěn)定，觀(guān)測(cè)條件良好，以便于測(cè)量，提高其準(zhǔn)確性[4]。

3.2 大地測(cè)量法

該方法主要采用大地測(cè)量?jī)x器進(jìn)行測(cè)量作業(yè)，如經(jīng)緯儀、全站儀、測(cè)距儀等設(shè)備，與公路控制網(wǎng)相融合，實(shí)現(xiàn)對(duì)三角高程的測(cè)量目標(biāo)。該工程連接線(xiàn)控制網(wǎng)主要采用邊測(cè)網(wǎng)，高程采用測(cè)距三角高程測(cè)量，同時(shí)根據(jù)工程實(shí)際情況，按照相關(guān)觀(guān)測(cè)要求進(jìn)行測(cè)量，然后精確測(cè)量空間地面上某一點(diǎn)的位置，同時(shí)采用觀(guān)測(cè)方法從GPS 信號(hào)中獲取三維定位的準(zhǔn)確信息。

3.3 GPS 靜態(tài)測(cè)量法

GPS 靜態(tài)測(cè)量主要根據(jù)工程實(shí)際情況，采用模糊快速逼近技術(shù)和數(shù)據(jù)信息計(jì)算系統(tǒng)，制定合理的觀(guān)測(cè)方案，滿(mǎn)足當(dāng)前公路工程測(cè)量的需要。該項(xiàng)目的主要目的是在該地區(qū)預(yù)先根據(jù)相關(guān)計(jì)劃確定的合理位置安裝3 臺(tái)天寶接收設(shè)備，同時(shí)在該位置接收衛(wèi)星信號(hào)，以消除潛在的操作安全風(fēng)險(xiǎn)，直至觀(guān)測(cè)完全回路，最終進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

3.4 兩種方法結(jié)果比較

對(duì)大地測(cè)量法與GPS 靜態(tài)測(cè)量法的結(jié)果進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)兩種方法得到的結(jié)果存在差異，主要原因是測(cè)量過(guò)程中的作業(yè)方法造成的誤差，以及平差計(jì)算中觀(guān)測(cè)權(quán)重的配置等。因此，結(jié)合實(shí)際情況，對(duì)三維坐標(biāo)測(cè)量結(jié)果的差異進(jìn)行了二次審查，最終得出該工程實(shí)際三維坐標(biāo)差在規(guī)定范圍內(nèi)（小于±10mm），可以滿(mǎn)足該工程的精度要求。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著當(dāng)前社會(huì)發(fā)展，高等級(jí)公路建設(shè)規(guī)模和數(shù)量不斷增加。以此同時(shí)，科學(xué)技術(shù)不斷創(chuàng)新發(fā)展，GPS技術(shù)已廣泛滲透到工程建設(shè)的諸多領(lǐng)域。與傳統(tǒng)測(cè)量方法相比，GPS 技術(shù)借助計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、微電子技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)進(jìn)行測(cè)量控制，具有很強(qiáng)的實(shí)用性，給交通的建設(shè)管理帶來(lái)了無(wú)限生機(jī)的同時(shí)也提升了公路的建設(shè)效益。今后，GPS 技術(shù)在高等級(jí)公路的廣泛應(yīng)用必將具有良好的發(fā)展前景。