探討公路勘測中GPS的具體應用

陳慧敏

（忻州市交通建設中心,山西 忻州 034000）

0 引言

公路建設質量要求日益提高，配套施工技術的升級勢在必行。公路勘測技術多樣，包含測距、測角及水準測量等常規地面測量技術，不同技術的應用特性各異。相較而言，GPS技術具有精度高、速度快、全天候等優勢，深受工程技術人員的青睞。在該行業技術發展趨勢下，需加強技術探索，明確GPS技術的應用原理及要點，發揮GPS技術的應用優勢，為公路建設提供支持。

1 GPS技術概述

全球定位系統GPS具有全球性、實時性、連續性、全天候的定位能力及三維導航能力，在很多行業得到了廣泛應用。同時GPS技術提供的三維坐標、速度和時間數據精確，利用價值極高。單點導航定位和相對測地定位是GPS的兩種常見應用方式，覆蓋至地形測量、工程測量及地形測量等領域。

2 工程概況

某高速公路全長約45 km，設計速度100 km/h。沿線以丘陵地貌居多，地形起伏大，加之封山育林，不利于工程建設活動的開展，同時對工程測量提出較高的要求。為兼顧中線放樣測量、橫斷面測量、水文測量等各項測量項目的高精度、高效率要求，均采用GPS技術。

3 GPS技術的應用原理及坐標轉換

3.1 靜態相對定位原理

選定某已知的或假定的基準站，在該處配置GPS接收機，與被測站同步觀測衛星，采集載波相位測量數據并加以處理，確定基線矢量并明確被測站相對基準站的坐標，以達到高精度測量的效果。

3.2 GPS-RTK實時動態定位原理

基準站將衛星信息經由無線電通信系統傳至流動站，流動站接收基準站傳遞的衛星數據，在獲取一系列數據后，流動站初始化，差分處理載波觀測信號，確定待測點的坐標。

常規GPS靜態定位、快速靜態定位等方法雖然取得廣泛應用，但在便捷性、效率等方面存在局限性。不同的是GPS-RTK技術可集多項技術核心于一體，具有數據處理效率、定位效率均較高的優勢。可全面檢核數據，及時剔除不達標的數據，以免影響測量成果的可靠性[1]。

3.3 坐標系統轉換

公路工程控制網應用中存在坐標系與WGS-84坐標系的轉換問題，根據GPS測量的要求，需確定施測點的真實坐標數據，并進行準確的坐標轉換。GPS測量精度易受坐標轉換參數的影響，可采取以下措施：

（1）安排靜態測量，確定WGS-84坐標，匯總在完成平差處理后的控制坐標，綜合多項坐標數據進行校正，確定坐標轉換參數。

（2）取沿線的多點進行，生成多種匹配方案，保證轉換參數的可靠性。

（3）轉換參數的可行性檢驗根據平面或高程校正殘差進行。

4 GPS在公路勘測中的應用

4.1 首級平面控制網的布設

以路線的基本走向為準，布設控制點，根據此類控制點完成帶狀地形圖的繪制、測量放樣等后續工作。GPS靜態技術布設首級平面控制網涵蓋的作業環節包括：外業觀測、基線解算與檢核、網平差、坐標轉換等。為保證工作成果的有效性，需階段性推進工作進程，首先做好技術設計，明確測量的具體方式以及注意事項，再由專員依據設計方案規范操作。加強GPS偏心觀測、內業平差等細部的管控，在做好前述各項工作后，可保證幾十千米內的點位誤差約為2 cm，有較高的觀測精度。

4.2 首級平面控制網的加密

首級平面控制網建成后，設二級控制點，間隔取700～800 m。在待測點布設儀器，完成電臺、接收機、手簿的連接，用GPS接收機接收定位數據，執行坐標轉換操作，確定待測點的坐標，達到高精度測量的效果。為保證外側測量的準確性，流動站與基準站間共同鎖定的衛星數量應不少于5顆，觀測時間可安排在GPS衛星分布幾何因子小于3時。單個待測點的重復觀測次數以5次為宜，對比分析每次測量的數據，若坐標差值在1 cm以內，表明觀測數據具有準確性與可靠性，超過1 cm時初始化流動站，需重新安排觀測，直至單點連續5次觀測數據的坐標差值在1 cm以內為止。高斯平面坐標可在外業測量的基礎上用軟件確定。

4.3 高程控制測量

GPS定位系統測量、公路測量獲取的高程分別為大地高、正常高，測量遵循因地制宜的原則，結合現場狀況設水準高程聯測控制點，獲取高程異常變化的擬合參數。綜合靜態聯測和動態觀測兩種方法，集各方法的優勢于一體，確定待測點的大地高，再建立數學模型，根據已經測定的數據進行計算，獲得滿足公路工程施工要求的測點正常高。

4.4 路線控制測量

4.4.1 布網方案

布設E級GPS控制網，對F級GPS控制點加密。E級點中，每對點的間隔距離保持在4～5 km，布設的各點與道路中心線的距離保持在100～300 m，各點之間達到通視狀態，以便于測量的高效進行[2]。沿路線按300～500 m的間隔依次布設F級GPS控制點。適當延長E級GPS控制網的邊長，按照此方式進行測量后，可提高控制網的精度。E級GPS網宜采用邊連式或單三角鎖的網形，將閉合環的邊數控制在8條以內，布點安排在公路中線的兩側，遵循均勻布置的原則，F級GPS點以導線網附合至E級GPS點。起算數據與GPS測量數據重合的數量應充足，實現GPS測量成果向地面坐標系的有效轉化。或者也可聯測足量的地方控制點，以求得坐標轉換參數，取得良好的應用效果。在新布測的GPS網周邊均勻規劃聯測點。聯測點的頻率為每20～30 km進行一次，需注意聯測點的數量無嚴苛限制，必要時可根據實際需求適當增加聯測點。聯測的已知三角點需有較高的等級精度（超過E級GPS網的精度）。

4.4.2 觀測

觀測儀器采用WILD200雙頻GPS接收機，為使觀測工作順利進行，提前制定觀測計劃，確定適宜的觀測時間以及具體的觀測作業方法，為觀測人員日常觀測工作的開展提供引導。接收機同步跟蹤衛星的數量超過5顆，同步觀測時間不短于20 min，數據采集間隔為15 s。依據GPS操作手冊要求進行觀測，完整記錄各項原始資料，測量手簿記錄需做到內容完整、準確可靠、不得隨意涂改。

4.4.3 數據處理

按照如下方法有序完成GPS數據處理：

（1）基線解算：采用專業基線處理軟件進行，解算后加強檢驗，保證合理性。

（2）GPS網平差：采用TGPPS軟件，E級GPS網統一平差，保證精度分布的均勻性，消除拼接系統誤差。無約束平差是基礎操作，用于檢查GPS控制網的內符合精度，隨后做二維約束平差，確定GPS控制點的地方坐標。控制網邊長中誤差、相對中誤差、點位中誤差、最弱點點位中誤差在經過約束平差后分別控制在0.50 cm以內、5.54 ppm、±1.00 cm以內、±0.73 cm。對平差結果做對比分析可知，E級GPS網具有較高的精度，可行性突出，達到高等級公路控制點的要求。

4.5 大比例尺帶狀地形圖的測繪

公路工程建設質量日益提高，工程測量也需逐步朝著高精度的目標邁進，單一采用GPS-RTK或全站儀的方法缺乏適用性。此時聯合采用兩種方法成為更具可行性的方案，確定GPS-RTK和全站儀各自的測量結果，相互驗證，得到高精度的測量結果。在保證測量成果真實可靠的同時，還將提高控制點的布設效率，達到提質增效的綜合應用效果。

4.6 GPS-RTK技術在公路中線放樣中的應用

在地面標記公路中線，向GPS電子手簿輸入中樁點坐標，定出放樣點。在GPS-RTK測量中，各點的測量均獨立完成，放樣精度基本一致，不存在累計誤差，可保證測量放樣的精度。

4.7 GPS-RTK技術在公路斷面測量中的應用

在地面清晰標記公路中線，將設計路線鍵入軟件，以便采用RTK進行縱斷面測量，線路的坐標與里程形成對應關系。外業中樁測量階段，手簿自動提示放樣點的位置，在控制前后、左右的偏移量后，靈活地在現場選擇地形變化點完成測量，全程各項操作的便捷性良好，測量的精度和效率均較高。

4.8 測量的具體要求以及注意事項

中線放樣的關鍵在于確保各放樣點均在設計線路上，要求工作人員嚴格依據規范操作，保證平面和高程的精度。不同等級公路對中樁平面樁位和中樁高程測量的精度要求各異，如表1、表2所示。

表1 中樁平面樁位精度

表2 中樁高程測量精度

該工程沿線地形、地勢條件復雜，放樣線路距離長，測量時需加強細節控制，以保證測量的有效性。

（1）作業半徑的設置。數據通信狀態易受到作業半徑的影響，因此合理控制作業半徑具有必要性。基準站電臺信號傳輸距離是影響RTK作業半徑的關鍵因素，為提高測量精度，需重點對傳輸距離做深入研究[3]。若測量區域內的建（構）筑物的數量較多或樹木較為旺盛，則不利于移動站正常接收電臺信號。例如信號偏弱乃至失聯的問題，即便接收到信號也難以保證高程數據的精度。為滿足測量范圍廣和測量有效性的要求，推薦RTK的作業半徑在5～10 km以內。

（2）基準站的設置。建筑物、山體等均會對RTK數據傳輸造成影響，在信號傳輸階段還有可能存在各類高頻信號源的干擾，導致傳輸無法正常進行，外業精度和作業半徑均會受到影響。為保證GPS信號接收的質量，需在測量前合理規劃基準站。從實際情況出發，評價基準站位置的可行性，盡可能與電磁干擾源保持相對較遠的距離，主動規避干擾；基準站周邊不可存在大范圍的信號反射物，同時削弱多路徑效應對基準站運行狀態的影響；基準站電臺天線和移動站天線之間需保持通視，盡可能減少兩者之間的高山、高層建筑物等遮擋物的數量，條件允許時天線適當向高處設置，以便實現電臺信號的無阻礙傳輸。

（3）已知點位的選取。妥善選擇已知點位，以便測量的高效進行，并從中取得較高精度的測量結果。GPSRTK屬于厘米級精度動態實時差分測量，放樣精度一般對于起算點在±2～±3 cm之間，測點精度均和已知點發生關系。根據此特點，若要提高放樣精度，需加強日常檢核，確保各項數據均合理、可靠。

5 測量精度分析

5.1 中樁平面精度的分析

定線放線時，按500 m的間距依次用GPS-RTK技術測放中線控制樁，具體間隔距離可視實際情況在該值的基礎上做小幅度的調整。依據該方式進行操作，共放出90個中線控制樁，并釘設方樁及標志樁。前述工作落實到位后，與GPS控制點聯測，建立復合網。匯總設計坐標成果和放線坐標成果，做對比分析，評價中樁平面精度，具體如表3所示。

表3 中樁平面精度統計

5.2 中樁高程精度的分析

在確定GPS-RTK測量的中樁高程后，匯總全站儀的三角高程和水準儀的中樁高程，圍繞多項高程數據做對比分析，明確中樁高程的精度。具體內容如表4所示。

表4 中樁高程精度統計

6 結論

綜上所述，公路勘測精度要求高，需要選擇科學的方法高效、準確地完成勘測作業。同時GPS技術是公路測量中的重要技術手段，可快速建立公路勘測收集控制網，保證測量的準確性，提高測量效率。其中，GPSRTK技術屬于公路測量領域極具代表性的技術革新。其深度改變了公路測量模式，因兼具高精度、高效等特點而在道路帶狀地形圖測繪、定線測量等領域取得廣泛的應用，且隨著技術研究的深入，在公路沿線跨河水準測量、水深測量等方面也嶄露頭角，發展前景廣闊。經過該文的分析，提出GPS技術在公路勘測領域的技術應用要點，涉及基礎設施的配置、測量方式、各項數據的采集與處理等，希望所提內容對同仁有參考作用。