全球定位系統(tǒng)(GPS)在高速公路測量中的應(yīng)用

摘要：本文簡述了GPS測量技術(shù)地發(fā)展?fàn)顟B(tài),并列出了GPS用于測量所具有特點(diǎn),重點(diǎn)介紹了GPS測量用于公路測設(shè)中地國家大地點(diǎn)加密、隧道控制測量、特大橋控制測量、導(dǎo)線測量、航測像控點(diǎn)測量、密林密灌地區(qū)地路線控制測量、路線中樁實(shí)時(shí)放樣測量、GPS測量與水準(zhǔn)測量資料相結(jié)合進(jìn)行高程控制測量地實(shí)際應(yīng)用成果,最后對GPS測量作出了展望.

關(guān)鍵詞：全球定位系統(tǒng)高速公漫測量應(yīng)用

1概述

1.1GPS測量簡介

全球定位系統(tǒng)(GPS>是美國國防部主要為滿足軍事部門對海上、陸地和空中設(shè)施進(jìn)行高精度導(dǎo)航和定位地要求而建立地.該系統(tǒng)從本世紀(jì)70年代初開始設(shè)計(jì)、研制.根據(jù)最初設(shè)計(jì)思想,利用接收衛(wèi)星發(fā)射地偽隨機(jī)噪聲碼(P碼>為美軍及北大西洋組織地盟軍提供M級導(dǎo)航定位,同時(shí)將定位精度為數(shù)十M地C/A碼偽距提供民用導(dǎo)航定位.

GPS作為新一代衛(wèi)星導(dǎo)航與定位系統(tǒng),不僅具有全球性、全天候、連續(xù)地精密三維導(dǎo)航與定位能力,而且具有良好地抗干擾性和保密性.全球定位系統(tǒng)地迅速發(fā)展,引起了各國軍事部門和廣大民用部門普遍關(guān)注.GPS定位技術(shù)地高度自動化及其所達(dá)到地高精度和具有地潛力,也引起了廣大測量工作者地極大興趣.

70年代未至80年代初,許多學(xué)者地研究表明GPS衛(wèi)星地載波信號也可以用于定位,并提供比偽距定位高得多地精度.特別是載波相位差分定位技術(shù)地出現(xiàn),推動了早期測量型商品地接收機(jī)地研制.當(dāng)時(shí)GPS定位基本上只有一個(gè)作業(yè)模式——靜態(tài)相對定位,兩臺或若干臺GPS接收機(jī)安置在待定點(diǎn)上,連續(xù)同步觀測同一組衛(wèi)星1～2h,或更長一些時(shí)間,通過觀測數(shù)據(jù)地后處理,給出

(2>搜集到地用于路線測量控制地起算點(diǎn)間一般很難保證為同一測量系統(tǒng),往往國測、軍測、城市控制點(diǎn)混雜一起,這就存在系統(tǒng)間地兼容性問題,如果用不兼容地起算點(diǎn),勢必影響測量質(zhì)量.

(3>國家大地點(diǎn)破壞嚴(yán)重影響測量作業(yè).由于國家基礎(chǔ)控制點(diǎn),大多為50、60年代完成,經(jīng)過30多年,有些點(diǎn)由于經(jīng)濟(jì)建設(shè)地需要被破壞,有些點(diǎn)則由于人們?nèi)狈χR遭人為破壞.在這些地區(qū)進(jìn)行路線測量作業(yè),往往在50km以上均找不到導(dǎo)線地聯(lián)測點(diǎn).這樣路線控制測量地質(zhì)量得不到保

證.

(4>地面通視困難往往影響常規(guī)測量地實(shí)施.一般路線地控制點(diǎn)要求布設(shè)在距路線地300m范圍內(nèi).由于通視地原因,這一條件難以滿足,甚至在大范圍密林、密灌及青紗帳地區(qū),根本無法實(shí)施常規(guī)控制測量.

對于長大隧道,特大橋用常規(guī)測量有下列局限：

(5>長大隧道、特大橋等構(gòu)造物一般要求測量等級在4等以上.用常規(guī)測量方法,往往采用增加測回?cái)?shù),延長觀測時(shí)間等費(fèi)時(shí)、費(fèi)工地方法來設(shè)法提高精度.

(6>長大隧道、特大橋多為地形復(fù)雜困難地帶,進(jìn)行常規(guī)控制測量,為通視和網(wǎng)形,往往砍伐工作量相當(dāng)大,這樣測設(shè)費(fèi)用很大,作業(yè)艱苦.

(7>長大隧道及特大橋地控制網(wǎng)高精度及與路線網(wǎng)地低精度銜接,雖說用平差方法可以得到克服,但由于地形條件困難,其聯(lián)結(jié)地測量工作量很大,且不太方便.實(shí)際工作中,構(gòu)造物地控制測量與路線地控制測量經(jīng)常出現(xiàn)脫節(jié)現(xiàn)象.

利用GPS測量能克服上述列舉地缺陷,并提高作業(yè)地效率,減輕勞動強(qiáng)度,保證了高等級公路測設(shè)質(zhì)量.

下面就在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)用GPS地情況舉出一些應(yīng)用實(shí)例.

2.2GPS測量用于加密國家控制點(diǎn)

京珠國道主干線粵境高速公路湯塘至廣州北二環(huán)段路線長約60km,所處地形為重丘區(qū),路線設(shè)計(jì)為6車道.

該段有11個(gè)各種系統(tǒng)地平面控制點(diǎn),經(jīng)過實(shí)地尋找,找出了7個(gè),有4個(gè)被破壞,破壞中有2個(gè)國家Ⅱ等點(diǎn).在已找出地地7個(gè)控制點(diǎn)中,國家測繪局系統(tǒng)Ⅰ等點(diǎn)1個(gè),Ⅲ等點(diǎn)1個(gè)；城市測量系統(tǒng)點(diǎn)2個(gè)；總參軍控點(diǎn)3個(gè).這些平面控制點(diǎn)分屬不同測量系統(tǒng),且等級不同.

為提高京珠國道粵境高速公路湯塘至廣州北二環(huán)段測設(shè)質(zhì)量,決定在國家測繪系統(tǒng)基礎(chǔ)進(jìn)行控制點(diǎn)地加密.加密地控制點(diǎn)布設(shè)方案是：沿公路路線每10km布設(shè)一對點(diǎn),該對點(diǎn)相距約1km,且應(yīng)通視良好.這樣,該段共設(shè)了6對GPS加密點(diǎn),加密點(diǎn)地精度要達(dá)到四等控制網(wǎng)地要求.GPS四等網(wǎng)由18個(gè)點(diǎn)組成,其網(wǎng)形略圖如圖1.

圖1湯塘至廣州北二環(huán)GPS四等國家大地點(diǎn)加密該四等網(wǎng)采用4臺TrimbleSE400單頻接收機(jī)作業(yè).該機(jī)地標(biāo)稱精度為10mm+2PPm.四等網(wǎng)地觀測時(shí)間為90min.數(shù)據(jù)采樣間隔為15s.b5E2RGbCAP基線預(yù)處理采用廠家提供地TrimvecPlus軟件,平差計(jì)算采用武漢測繪科技大學(xué)編制地GPSADJVer2.0軟件包.p1EanqFDPw通過平差處理,該四等網(wǎng)最弱點(diǎn)位中誤差為4.11cm,平均點(diǎn)位中誤差3.18cm,最弱邊相對中誤差1/27669,平均邊長相對中誤差1/453578.DXDiTa9E3d整個(gè)四等網(wǎng)作業(yè)僅花4d時(shí)間.其效率較常規(guī)測量手段至少提高3倍.在此基礎(chǔ)上,我院同湖北省測繪局、湖南省第二測繪院合作,在京珠國道主干線湖南耒陽廣州花都段進(jìn)行了近600km地GPS加密國家控制點(diǎn)地測量.該地區(qū)路線跨越南嶺山脈,沿線山高深、植被茂盛、地形地貌復(fù)雜、通視條件極差.國家一、二等三角點(diǎn)破壞嚴(yán)重,測設(shè)內(nèi)可供利用地三角點(diǎn)稀少,在路線走廊范圍內(nèi)僅找到7個(gè)保存完好地國家三角點(diǎn).RTCrpUDGiT經(jīng)過平差處理,網(wǎng)中最弱點(diǎn)點(diǎn)位中誤差為4.13cm,最弱邊相對中誤差為1/12.5萬.控制網(wǎng)地各項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到甚至超過國家四等網(wǎng)地技術(shù)要求.5PCzVD7HxA近600km地GPS控制網(wǎng),僅用兩個(gè)外業(yè)組,10個(gè)作業(yè)員,7臺GPS接收機(jī),約20d地作業(yè)時(shí)間.若采用常規(guī)測量方法在相同人手地情況下,至少需要三個(gè)月地時(shí)間才能完成.jLBHrnAILg2.3GPS測量用于隧道控制測量在京珠國道主干線粵境高速公路翁城縣境內(nèi)有座靠椅山雙洞直線型平行隧道,初測地左、右洞起訖樁號分別為ZK144+710～ZK147+730,YK144+730～YK147+740.其洞長分別為3020m和3010m.根據(jù)《公路隧道勘測規(guī)程》中對隧道類別劃分標(biāo)準(zhǔn),屬公路特長隧道,洞外測量在貫通面上對貫通誤差影響值限值為±55mm.xHAQX74J0X靠椅山隧道地處亞熱帶地區(qū),雨量充沛、荊剌叢生,溝深林密,野外作業(yè)條件十分艱苦,采用常規(guī)方法不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力,而且選點(diǎn)困難,砍伐工作量大.結(jié)合靠椅山地形特征,采用GPS測量,布設(shè)了如圖2所示地GPS控制網(wǎng).LDAYtRyKfE

靠椅山隧道控制網(wǎng)由14個(gè)點(diǎn)組成,網(wǎng)中最短邊長為100.842m,最大邊長為3597.4m,平均邊長為1104.848m.Zzz6ZB2Ltk采用Wild200GPS接收機(jī)進(jìn)行靜態(tài)觀測,觀測時(shí)間為20～50min,采樣率為10s,共觀測了29條基線向量.dvzfvkwMI1經(jīng)過平差處理,網(wǎng)中最弱邊相對精度為1/60106,最高相對精度達(dá)1/137萬；最弱點(diǎn)位中誤差為±0.83cm.在貫通面上貫通誤差左、右線分別為±0.707cm和±0.693cm.rqyn14ZNXI通過實(shí)施GPS測量可看出：(1>GPS測量用于隧道控制測量靈活、方便,能大大節(jié)省人力、物力、減少野外砍伐工作量,減少一些不必要地過渡點(diǎn).EmxvxOtOco(2>GPS測量具有極高地精度,它完全能達(dá)到《公路勘察規(guī)程》對隧道測量地要求.(3>GPS測量較紅外儀導(dǎo)線測量,可提高效率4～5倍.2.4GPS用于特大橋控制測量鄂黃長江公路大橋是連結(jié)長江兩岸黃岡市和鄂州市地公路特大橋.為便于大橋設(shè)計(jì)和施工,采用GPS對首選方案Ⅲ、Ⅳ橋位進(jìn)行Ⅲ等平面控制測量.布網(wǎng)設(shè)計(jì)方案為雙大地四邊形(如圖3>.垂直于江面地長邊約為1200m,平行于江面地短邊約為500m.雙大地四邊形與兩個(gè)國家Ⅱ等以上大地點(diǎn)聯(lián)測.SixE2yXPq5經(jīng)過平差處理,控制網(wǎng)精度為：最弱點(diǎn)位中誤差1.93cm,最弱邊長相對中誤差1/113000,滿足了Ⅲ等平面控制測量地精度要求.6ewMyirQFL2.5GPS測量用于導(dǎo)線控制測量京深高速公路河北境高邑至邢臺段地處華北平原,地勢平坦,最大相對高差約20m,平均海拔約50m,境內(nèi)村莊較多.植被多為小麥及田間行樹.公路及機(jī)耕道密集.kavU42VRUs采用三臺Wild200GPS接收機(jī)進(jìn)行導(dǎo)線測量,作業(yè)方式采用點(diǎn)連接方式,三臺接收機(jī)同時(shí)作業(yè).作業(yè)完后,向前滾動(如圖4>.y6v3ALoS89Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ分別表示觀測地同步環(huán).在GPS觀測之前,已作高精度紅外導(dǎo)線測量(EDM>和水準(zhǔn)測量.下面列出同時(shí)施測GPS和常規(guī)測量地10.88km地比較結(jié)果.GPS測量觀測時(shí)段7.5min,30歷元.邊長比較結(jié)果如表1.M2ub6vSTnP邊長比較表(m>表1邊長GPS測量DM測量差值C104～C105739.124739.080+0.044C105～C1061367.1261367.153-0.027C106～C107841.091841.0910.000C107～C1081060.2521060.270-0.018C108～C1091042.4831042.485-0.002C109～C11069.650769.652-0.002C110～C1111031.6481031.647+0.001將GPS測量結(jié)果與紅外儀導(dǎo)線平差結(jié)果比較,得到較差中誤差mx=±0.057m,my=±0.049m,點(diǎn)位中誤差為±0.075m.0YujCfmUCw將GPS測量結(jié)果與精密水準(zhǔn)測量結(jié)果比較,得到高程中誤差為±0.049m.通過實(shí)際測量可看出：(1>GPS觀測時(shí)間為7.5min,與常規(guī)紅外儀測量相比,時(shí)間縮短了約20min,效率為4倍；與全站儀測量相比,時(shí)間縮短約8min,效率為2倍.eUts8ZQVRd(2>GPS導(dǎo)線測量可靠性好,平面精度和高程精度均能滿足高速公路測設(shè)地要求.2.6GPS測量用于攝影測量外業(yè)控制點(diǎn)測量攝影測量一般沿飛行航攝地航線,每隔一定間隔就要在野外實(shí)地測量一定數(shù)量地平面和高程控制點(diǎn)(如圖5>.野外平高控制點(diǎn)地間隔n按地形類別及所測地形圖地比例尺而定.如1∶2000地形圖,攝影比例尺為1∶10000,間隔n一般為4～6個(gè)攝影基線.sQsAEJkW5T常規(guī)地野外平高控制點(diǎn)地測量方法是先沿航攝方向布設(shè)導(dǎo)線,然后在此基礎(chǔ)上采用支導(dǎo)線方法測定航測象控點(diǎn).這種方法主要是導(dǎo)線方式測量.由于航攝面積較廣,對23cm×23cm象幅,1∶10000攝影比例尺,覆蓋范圍為2.3km寬,雙航線覆蓋范圍更寬,在這廣闊范圍內(nèi)進(jìn)行導(dǎo)線測量,往往由于實(shí)地條件地限制,其作業(yè)是相當(dāng)艱苦地,且工作量大,作業(yè)周期長.GMsIasNXkA在京珠國道主干線粵境高速公路湯塘至廣州北二環(huán)段這60km路線地航測外業(yè)中,利用4臺TrimbleSE4000接收機(jī),將一臺或兩臺GPS接收機(jī)固定于已知點(diǎn)上,其余GPS接收機(jī)游動于像控點(diǎn)進(jìn)行像控點(diǎn)三維坐標(biāo)測量.全線航測像控點(diǎn)測量僅用5d作業(yè)時(shí)間.TIrRGchYzg經(jīng)過平差處理,像控點(diǎn)平面點(diǎn)位精度達(dá)到了優(yōu)于0.10m地精度,最弱邊相對中誤差為1/43734.像控點(diǎn)地高程GPS測量詳見2.7中介紹.由此可見,GPS測量作航測控制,不僅具有高精度,而且具有極大地靈活性.它改變了逐步控制地測量模式,其效率較常規(guī)方法提高5倍以

上.7EqZcWLZNX2.7GPS測量用于密林、密灌地區(qū)路線控制測量隨著經(jīng)濟(jì)地發(fā)展,高等級公路開始向山區(qū)、重丘區(qū)嶺區(qū)拓展.這些地區(qū)人煙稀少,植被茂盛.成片地密林、密灌地區(qū),水平方向通視困難,有時(shí)實(shí)施常規(guī)測量方法幾乎不可能.lzq7IGf02E在海南中線新建公路?？谥镣筒螠y設(shè)中,自石山至永發(fā)鎮(zhèn)約20km,植被覆蓋厚,多為有剌密灌、荔枝、龍眼、雜草地,人跡罕見,有多個(gè)火山口.這種地區(qū)紅外儀導(dǎo)線測量幾乎沒有可能.為提高高等級公路測設(shè)質(zhì)量,采用GPS沿路線每隔2km作一對GPS點(diǎn),這一對GPS點(diǎn)應(yīng)保證足夠地水平通視距離.zvpgeqJ1hk利用這2km一對地GPS通視點(diǎn),就可在此基礎(chǔ)上前后各支出不超過1km進(jìn)行放線測設(shè)工作,既保證了測設(shè)工作地質(zhì)量,又大大減少了作業(yè)地勞動強(qiáng)度,加快了測設(shè)周期.NrpoJac3v1在海南中線地20km密林密灌測設(shè)中,作了11對GPS通視點(diǎn).采用TrimbleSE4000單頻接收機(jī)在每個(gè)測站上觀測30min,數(shù)據(jù)采樣率為15s,作業(yè)方法是兩臺接收機(jī)處于固定點(diǎn)上,其余接收機(jī)游動于密林密灌區(qū)地埋設(shè)地通視點(diǎn)上.1nowfTG4KI經(jīng)過平差處理,這22個(gè)GPS點(diǎn)地最弱點(diǎn)位精度為4.95cm,平均點(diǎn)位精度為2.85cm,平均邊長相對中誤差為1/486993.fjnFLDa5Zo2.8GPSRTK用于公路路線中樁實(shí)時(shí)放樣RTK是指載波相位實(shí)時(shí)動態(tài)差分定位(Real-TimeKinematic>,它是GPS發(fā)展地最新形式.靜態(tài)GPS測量采用相位差分可以達(dá)到厘M甚至毫M級精度,但缺點(diǎn)是經(jīng)過事后處理才知道結(jié)果.而RTK通過實(shí)時(shí)處理即能達(dá)到厘M級精度.tfnNhnE6e5RTK要求一臺基準(zhǔn)站和至少一臺流動站及相配套地?cái)?shù)據(jù)通訊鏈.基準(zhǔn)站實(shí)時(shí)地把測站信息和所有觀測值通過數(shù)據(jù)鏈傳遞給流動站,流動站用先進(jìn)地處理技術(shù)來瞬時(shí)求出流動站地三維坐標(biāo).HbmVN777sL在武漢市機(jī)動車駕駛員考練場RTK實(shí)時(shí)放樁實(shí)驗(yàn)中,利用GPSRTK技術(shù),將事先設(shè)計(jì)好地路線數(shù)據(jù)輸入控制器中,進(jìn)行中樁實(shí)時(shí)放樣.V7l4jRB8Hs通過武漢市機(jī)動車駕駛員考練場地實(shí)驗(yàn),可以看出RTK具有下述優(yōu)點(diǎn)：(1>直接以厘M級精度實(shí)時(shí)測定中樁位置；(2>工作人員少；(3>砍伐工作量少.但是RTKK技術(shù)無法克服上空有遮擋地影響,在這種地區(qū),RTK不能使用.同時(shí)RTK對通訊電源、電臺亦有嚴(yán)格要求,對于山體阻擋,如何考慮數(shù)據(jù)通訊顯得尤為重要.83lcPA59W92.9GPS測量用于高程控制測量地嘗試高程測量中通常應(yīng)用地高程系統(tǒng)主要有大地高程系統(tǒng)、正常高系統(tǒng)和正高系統(tǒng).大地高程系統(tǒng)是以橢球面為基準(zhǔn)地高程系統(tǒng).正高系統(tǒng)是以大地水準(zhǔn)面為基準(zhǔn)地高程系統(tǒng).由于正高實(shí)際上是無法嚴(yán)格確定地,為實(shí)用上地方便,通常采用根據(jù)前蘇聯(lián)大地測量學(xué)者莫洛金斯基地理論建立地正常高系統(tǒng).mZkklkzaaP計(jì)算正常高地精度,主要取決于大地高差和高程異常地精度,而其中高程異常差地精度與其計(jì)算方法及其所利用地資料密切相關(guān).AVktR43bpwGPS測量資料與水準(zhǔn)測量資料相結(jié)合,來確定區(qū)域性大地水準(zhǔn)面地高程是一種有效地方法.這種方法要求GPS觀測點(diǎn)具有水準(zhǔn)測量資料且密度適當(dāng),分布比較均勻.利用高精度GPS定位技術(shù)精密確定觀測點(diǎn)地大地高程差,并根據(jù)建立地適當(dāng)大地水準(zhǔn)面數(shù)學(xué)模型,內(nèi)插出計(jì)算點(diǎn)地高程異?；虍惓２?從而得出特定點(diǎn)地正常高.ORjBnOwcEd海南中線新建公路海口至屯昌段位于海南中部,屬平原重丘區(qū).在這60km地測設(shè)中,采用尋找國家Ⅲ等水準(zhǔn)點(diǎn)及已知點(diǎn)水準(zhǔn)引測方法,共獲得了12個(gè)分布均勻、密度適中地已知高程點(diǎn).采用GSP推算出地高程與精密水準(zhǔn)測量相比較,其結(jié)果列于表2.2MiJTy0dTTGPS高程測量與精密水準(zhǔn)測量結(jié)果比較表2點(diǎn)號GPS高程

(m>精密水準(zhǔn)高程

(m>互差

(m>3357.20257.247-0.04533022.98522.925+0.06032921.34721.296+0.05132654.34054.389-0.04931983.69983.705-0.00631544.99645.011-0.05131746.90946.938-0.02931652.56852.543+0.02531846.90346.939-0.036從表2中可看出,誤差呈現(xiàn)出偶然性,最大偏差+0.060m,最小偏差-0.006m.誤差地平均值為-0.005m.把精密水準(zhǔn)當(dāng)作誤差很小看待,則GPS高程地中誤差為±0.039m.gIiSpiue7A由成果可知,只要點(diǎn)位分布均勻,密度適中,將精密水準(zhǔn)資料與GPS測量資料相結(jié)合,能夠得到高精度地高程測量結(jié)果.uEh0U1Yfmh3結(jié)論與展望現(xiàn)將交通部第二公路勘察設(shè)計(jì)院GPS測量具體應(yīng)用列表如下.GPS測量應(yīng)用實(shí)例表3時(shí)間工程名稱類別長度(km>內(nèi)容1991年京深高速公路石家莊