GPS控制测量在汕湛高速公路勘测定界中的应用研究

彭亚军李国洋

（1.广东省国土资源测绘院，广东 广州 510500；2.东莞市测绘院，广东 东莞 523129）

GPS控制测量在汕湛高速公路勘测定界中的应用研究

彭亚军1李国洋2

（1.广东省国土资源测绘院，广东 广州 510500；2.东莞市测绘院，广东 东莞 523129）

如何在实际工程中提高GPS测量的精度是目前GPS发展亟需研究的目标之一。本文基于汕湛高速公路勘测定界工程实例，深入剖析了GPS控制测量在实际应用中出现的问题，并提出了建设性的改进方法，对以后的工程应用具有参考价值和实用价值。

GPS；精度；控制测量；工程应用

汕湛高速公路汕头至揭西段项目是《广东省高速公路网规划》（2004～2030年）二横线的起点段，是广东省“十二·五”期间实施的重点建设项目。该测区地处汕头市与揭阳市，地势自西向东倾斜，低山高丘与谷地平原交错相间，分布不均，西北部和西南部多为丘陵、山地，中部、南部和东南部都是广阔肥沃的榕江冲积平原和滨海沉积平原。

GPS即全球定位技术，具有测量精度高、全天候连续作业、测站之间无需通视等优点［1］。在测绘行业中，被广泛应用于建立高精度的测量控制网、海洋测绘、军事测量、航测遥感、工程测量等［2］［3］。本文主要针对GPS控制测量在汕湛高速公路勘测定界中应用情况进行探讨研究。

1　GPS特点

GPS具备的特点，可以保障工程项目的顺利进行［4］［5］，其中主要的特点如下：

①任意测站不需要具备通视条件。相邻测站之间是否能够互相通视是传统测量中的一大关键问题，GPS测量时，任意测站不需要具备通视条件即可进行观测，不仅选点方便灵活，更加快了作业效率；

②GPS定位精度较高。双频GPS接收机基线解精度为5mm+1ppm，而红外仪标称精度为5mm+5ppm，经过工程实例研究证明，50km以内的基线测量，GPS相对定位精度能够达到，而在100～500km范围内的的基线测量精度可；

③观测周期短，有效节约了时间成本。通过GPS布设控制网，一个测站上的观测时间只需要30～40min；采用快速静态定位方法，大大加快了工作效率，有效缩短了观测时间；

④能够实时提供观测点的三维坐标。利用GPS进行测量，在观测平面坐标的同时，即可实时同步得到观测点的大地高程坐标；

⑤操作使用简单快捷。随着GPS使用度的广泛增加，其自动化程度更是得到了飞速的发展，观测人员只需要对其进行简单的开机、对中、整平即可自动追踪卫星信号，进行自动观测；

⑥全天候作业。GPS在开阔地区可进行连续作业，天气状况对其影响极小。

2　GPS控制测量在工程中的应用

2.1仪器设备及使用的软件

本项目作业使用了3台某品牌500系列接收机，2台某品牌GPS 1200系列接收机和2台某品牌GPS接收机，所有仪器设备均经相关测绘器具部门检定合格，并在检验合格有效期内使用。

数据预处理采用随机软件Leica Geo Office和卫星定位技术应用中心的NETRTK数据处理软件，TGO1.63版本软件用于导出数据。

2.2工作的具体实施

2.2.1控制点的布设及埋石

本测区全线共布设了34个GPS-E级点，沿公路红线两侧加密GPS一级点340个。

2.2.1.1本测区控制点位满足以下要求［6］［7］：

①周围便于安置接收机、便于操作、视野开阔；

②远离大功率无线电发射源（如电视台、电台、微波站等），其距离大于200m；远离高压输电线，其距离大于50m；

③附近没有强烈干扰卫星信号的物件（如大型建筑物、水面等）；

④交通方便，有利于其他测量手段扩展和联测；

⑤地面基础稳定，易于点的保存；

2.2.1.2GPS-E级点之记的内容均在现场详细记录，最终格式为电子文本；

2.2.1.3GPS-E级点或GPS一级点间至少有一个或一个以上通视方向，保证点位既能满足GPS的观测条件，又方便于常规控制测量的使用；

2.2.1.4各等级控制点标石规格和标石整饰：

①GPS-E级点统一尺寸规格为上底12cm×12cm，下底为20cm×20cm，高60cm（也可以现场浇灌），且在中心位置打入直径为10mm，长60mm带十字螺丝帽的螺丝钉；

GPS-E级控制点标石面整饰如图1所示：

图1　GPS-E级控制点标石面整饰

②GPS一级点尺寸规格上底为12cm×12cm，下底为20cm×20cm，高60cm。在水泥地面上时，其凿石规格为20cm×20cm，深0.5cm的方框，且在中心位置打入直径为10mm，长60mm带十字螺丝帽的螺丝钉；

GPS一级点控制点标石面整饰如图2所示：

③GPS-E级点的点名用到了山名、地名、单位名等，取名准确、明了。

④GPS-E级点编号从E001开始，按顺序编号；GPS一级点编号从I001开始，按顺序编号。

图2　GPS一级点控制点标石面整饰

2.2.2平面控制网施测

2.2.2.1GPS外业观测

本项目GPS-E级控制网精度符合以下要求：

a：为固定误差（mm），对于GPS-E级点取10mm；

b：为比例误差系数，对于GPS-E级点取5×10-6m；

d：为相邻点间的距离，以公里为单位；

复测基线的长度较差满足下公式的规定：

GPS网外业基线处理结果，其独立闭合环或附和路线坐标闭合差WS和各坐标分量闭合差（WX、WY、WZ）满足下公式规定：

式中：n——闭合差边数σ——基线测量中误差，

2.2.2.2GPS-E级网测量数据处理

基线解算采用厂家提供的随机软件在微机上进行。基线解算采用选择独立基线按多基线处理模式统一解算。基线解算合理的选择剔除基线，同一时间段观测基线的数据剔除率小于10%，解算的基线以已知的GDCORS基准站的WGS-84坐标系坐标作为基线解算的起算数据，采用双差固定解作为基线解算的最终结果。

GPS-E级网的内业平差、坐标转换均由广东省国土资源测绘院卫星定位技术应用中心完成。

2.2.2.3 GPS一级点观测

GPS一级点观测方法是采用网络RTK模式进行。

①两次初始化，一次初始化观测两次，每次采集100个历元，采样间隔1秒。

②量取仪器高两次，两次读数不大于3毫米，取中数输入GPS接收机中。数据采集过程中填写《实时定位观测记录表》。

③对两次初始化采集的最后一个历元的空间坐标进行比对，比对较差依照《广东省国土资源测绘院网络RTK作业指导规程（试行）》里规定的精度标准执行。

④观测结束后，将数据从GPS接收机传输到计算机上，采用随机软件Leica Geo Office、TGO 1.63版本对数据进行格式转换。

⑤采用卫星定位技术应用中心编制的NETRTK数据处理软件对进行格式转换后的数据进行检查、预处理及其精度统计。

⑥数据预处理完成后把相关数据发回卫星定位技术应用中心进行坐标转换、高程计算和精度统计。

GPS一级点的数据预处理由本项目人员完成，坐标转换由广东省国土资源测绘院卫星定位技术应用中心完成。

2.2.2.4控制衔接

本测区控制起算点为GDCORS基准站，所求控制点坐标必须与甲方提供的控制点相衔接。故本测区以GDCORS为起算，测得21个甲方控制点，再利用NETRTK软件求出甲方使用的1954北京坐标本项目1980西安坐标之间的转换参数（精度为±1.98m厘米），对甲方坐标进行转换，达到两套坐标系统一致。

3　数据处理及精度统计

本项目GPS-E级控制点的数据采集采用静态布网模式，GPS一级点的数据采集是采用网络RTK模式进行。按照技术设计书的要求，对每天采集的控制点数据进行传输备份、格式转换、数据预处理和精度统计。

3.1GPS-E级网的平差计算及精度

本项目GPS-E级点控制测量采用静态布网模式进行数据采集的34个E级控制点，平差计算由卫星定位技术应用中心完成，现将精度统计如下：

①WGS-84坐标系三维无约束平差

在WGS-84大地坐标系下进行无约束平差时，首先以GDCORS基准站为基准，进行无约束平差计算，以检查控制网观测质量的内符合精度。WGS-84坐标系的三维无约束平差其结果相对中误差最弱边为1/72516.316（E002-STGT，边长：385.11米），点位中误差最大值为1.68 cm（点号：E021）。无约束平差中，基线向量的改正数绝对值小于3σ（σ=1.80cm）。

②WGS-84坐标系三维约束平差

经检查整网无粗差后，以测区内周边的GDCORS基准站为约束条件进行WGS-84大地坐标系约束平差计算。WGS-84坐标系的三维约束平差结果相对中误差最弱边为1/67750.678 E002-STGT，边长：385.11米），点位中误差最大值为1.90 cm（点号：E021）。约束平差中，基线向量的改正数与无约束平差结果的同名基线相应改正数的较差小于2σ（σ=1.80cm）。

1980西安坐标系的平面直角坐标成果，是由经过约束平差的WGS-84空间坐标，按动态七参数转换得到1980西安坐标系的空间坐标，再将其转换为大地坐标后按选定的中央子午线进行高斯投影转换得到。

3.2GPS一级点数据处理及精度

本项目340个GPS一级点的测量是采用网络RTK模式进行的，对所获得的控制点成果，在数据处理过程中将平面和高程方向的限差均设置为±5 cm，测量成果的精度能满足本项目控制点测量的要求。

①利用网络RTK所获得的控制点的1980西安坐标系平面直角坐标成果由是由经过约束平差的WGS-84空间直角坐标，按动态七参数转换得到1980西安坐标系的空间直角坐标，再将其转换为大地坐标后按中央子午线（116°20′）进行高斯投影转换得到。

3.3高程计算及精度

本项目的GPS-E级网控制测量计算中，控制点的正常高是通过广东省似大地水准面模型内插获取。利用动态七参数转换，各点转换精度的平均值为0.018891米，其中最大值为0.0322米（E013、E011、E008）；最小值为0.0056米（E029）。

本项目利用网络RTK所测的GPS一级点的正常高是通过广东省似大地水准面模型内插获取，广东省似大地水准面模型高程外符合中误差±0.048 m。

4　转换参数求取及精度

表1　参数精度及显著性检验t（α/2）

单位权中误差为：m0=0.01436m

本项目中均匀选取了10个甲方原有的控制点用作重合点，利用NETRTK软件，根据其1980西安坐标系（中央子午线116°20′）和甲方提供的1954北京坐标系（中央子午线116°20′）成果（表2）进行坐标二维转换参数（四参数）的求取。利用NETRTK软件，进行坐标二维转换，即四参数的求取。得出转换参数。

在完成GPS控制测量及平差之后，所求得1980西安坐标（中央子午线116°20′）成果作为本项目的勘测定界的控制成果；

甲方提供的界桩坐标成果为1954北京坐标（中央子午线116°20′），利用所求得的转换参数将本项目控制成果进行坐标转换后，可得出与甲方提供的界桩坐标成果相一致的控制点成果。

表2　转换精度

5　结论

针对GPS控制测量在汕湛高速公路勘测定界中的应用研究，本文重要研究内容总结如下：

5.1甲方提供的控制资料和地形图资料均采用的是1954北京坐标系，本项目勘测定界是为了国土报批等而采用的是1980西安坐标系，这就需要在本测区内将这两套坐标系建立联系（转换参数），本文具体处理方法如下：

①选取重合点并测出其1980西安坐标，（本项目中共选取21个重合点）；

②利用NETRTK软件求取重合点1954北京与1980西安坐标系之间的转换参数；

③检查转换精度，（将所测得的重合点的1980西安坐标利用NETRTK软件和求得的转换参数求出其1954北京坐标），经比对，精度满足本项目要求。

5.2由于测区图形为带状图，且基本上为林地与灌木，地形复杂，通行、通视相当困难，给选点埋石及测量工作带来了很大的不便，本文具体处理方法：控制点尽量选在山顶上，保持网形美观实用，通视条件差的地方砍掉部分遮挡的树木，保证控制点间的通视；

5.3测区内部分地区网络信号比较差，给观测带来很大不便，本文具体处理方法：尽量利用早上6点至10点这段时间进行观测（此时间段网络信号强）；

5.4本文采用的武汉大学PowerNet软件在三维坐标系下进行无约束和约束平差处理，1980西安坐标系的平面直角坐标成果是经过约束平差的WGS-84空间坐标，按动态七参数转换得到1980西安坐标系的空间坐标，再将按其转换为大地坐标后按选定的中央子午线（116020＇）进行高斯投影转换得到；

5.5本文采用1980西安坐标系的平面直角坐标成果，是由WGS-84坐标系的空间直角坐标，按GDCORS的动态七参数转换得到1980西安坐标系的空间坐标，再将其转换为大地坐标后按选定的中央子午线（116020＇）进行高斯投影转换得到，该方法体现了GDCORS带来的方便性和高效性。

［1］王小俊，周宗华.浅析GPS控制测量在城镇土地调查中的应用［J］.科技创业月刊，2012，08：190-191.

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［3］顾民贵，徐桂花.GPS在工程施工控制测量中的应用［J］.科技信息，2008，36：130-131.

［1］董学刚，杨凤栋，宋玉敏，左传翠，马骁.GPS技术在黄河下游防洪工程测量中的应用［J］.测绘通报，2013，S1：20-22.

［5］付恒友，杨松林.高速铁路超长越岭隧道GPS洞外控制测量方案研究［J］.测绘科学，2009，05：166-167.

［6］苏志华，周春柏，刘晚霞.工程测量中GPS控制测量平面与高程精度分析［J］.测绘通报，2012，03：56-58+62.

［7］雷斌，许成功.大区域GPS控制测量的方法与实践［J］.测绘通报，2010，04：31-35.

［8］马琴.数字辽宁GPS网的施测方案与数据处理方法的探讨［J］.测绘通报，2013，08：55-57.

［9］马琴.“数字贵州”B、C、E级GPS控制网数据处理与分析［J］.测绘通报，2012，S1：87-89.

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

彭亚军（1982-），男，本科，测绘工程师，研究方向：GPS测量，地形图测绘，线路工程勘测等；李国洋（1989-），男，硕士，助理工程师，研究方向：数字化城市建设、国土资源信息化研究、工程测量、GIS应用与开发等。