GPS高程在桥梁工程中的应用

李志福

(广州市市政工程设计研究院,广东 广州 510006)

GPS高程在桥梁工程中的应用

李志福

(广州市市政工程设计研究院,广东 广州 510006)

摘要：本文结合实际的桥梁工程采用6种模型进行高程异常拟合,并进行结果分析比较,结果显示:本例中多面函数拟合和移动曲面拟合表现出一定的优势,当拟合片区地势较平坦时,GPS高程拟合精度可以达到四等精度。

关键词：GPS;高程异常;桥梁工程

doi:10.13442/j.gnss.1008-9268.2015.03.014

中图分类号：P228.4

文献标志码：A

文章编号：号： 1008-9268(2015)03-0058-03

收稿日期：2015-04-08

作者简介

Abstract:In this paper, combined with the actual bridge engineering by using 6 kinds of model fitting height anomaly, analysis and comparison is made. Results showed that moving curved surface fitting and the polyhedral function fitting got better precision in the case. When the terrain is relatively flat, GPS elevation fitting precision can achieve four accuracy.

0引言

桥梁是道路的重要组成部分,在交通发展中起着关键作用。在传统大型桥梁工程控制网的建立过程中,由于技术条件限制,多采用经纬仪、测距仪、全站仪等设备。这些常规控制测量手段工作量大,作业时间长,而且误差积累显著[1]。随着各种大型桥梁、特大型桥梁的涌现,GPS技术在桥梁工程中得到了广泛应用[2-4]。众所周知,GPS的平面精度很高,常用来做平面控制网,但GPS的高程精度一直是测绘学者讨论的热点。GPS测量得到的是大地高,需要施加高程异常改正,转换成正常高之后,才能应用于工程中。本文利用MATLAB语言编制了高程异常拟合系统,结合特大桥梁工程,对GPS拟合高程精度进行分析。

1GPS高程拟合原理

GPS高程拟合是利用在范围不大的区域中,点位的高程异常与其坐标具有一定的几何相关性这一原理进行拟合。以水准高程为基准,把同时具有GPS大地高和水准高程的点作为控制点,根据两者的高差值,即高程异常,建立数学模型拟合出似大地水准面。再根据待求点Ai的坐标(xi,yi),内插出高程异常ζi.因其是一种纯几何的方法,一般仅适用于高程异常变化较为平缓的地区(如平原地区),其拟合的精度可达到厘米级。对于高程异常变化剧烈的地区(如山区),这种方法的精度较差,这主要是因为在这些地区,已知点很难将高程异常的全部特征表示出来。

若GPS测得大地高为H,则其正常高H正常=H-ζ.高程异常拟合模型有很多,例如多项式曲线拟合、样条曲线拟合、AKIMA法曲线拟合、曲面拟合、MLS曲面拟合、多面函数拟合等[5-9]。不同拟合方法具有不同的适用范围,拟合精度也不同。

2高程异常拟合系统的设计

本高程异常拟合系统采用荷兰巴尔达教授提出的数据探测方法[10]进行粗差检验。它能够有效地探测粗差。高程异常拟合系统设计，如图1所示。

图1　高程异常拟合系统设计

3GPS 高程在桥梁工程中的应用

某特大桥梁工程线路走向大致为东西向,全线共设置桥梁2座,桥梁长度2.62 km,道路(含引道)长度约1.57 km.测量场区道路路面交通繁忙,安全隐患大,路面设施繁多,地物密集;居民房屋不规则,通视影响因素多,测量作业困难。布设一个四等水准结点网,两处河段采用三等跨河水准测量并各自平差计算跨河水准基点间高差,参与四等水准网平差计算。控制点的分布如图2所示,根据GPS测量出的大地高和水准测量获得的正常高,得到高程异常,共22个点,如表1所示。利用高程异常拟合系统进行高程异常拟合,并与水准高程进行比较。

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联系人： 李志福 E-mail: 756514342@qq.com

图2　某桥梁工程的控制点分布图

点名北坐标/m东坐标/m高程异常/m点名北坐标/m东坐标/m高程异常/mE222616079.2461978.965.063HJ102614229.5459081.754.98E232613250.3461195.275.083HJ122613359.2458935.554.99HJ052614820.5464658.55.193HJ132616577.8462733.415.084HJ062614375.5464443.675.193JD012614075.5462446.325.117HJ072615334.5465028.755.199HJ012614074.9460593.125.044HJ092616035.9465117.135.189HJ022613723.5460412.575.043HJ112613726.6458997.134.986HJ032614293.8462840.915.129HJ142615661.5462092.65.075HJ042614016.3463068.495.144JD022613761.3462591.165.129HJ082615761.3465314.785.202JD032613913.2461632.735.088LX042614227.6463988.265.173JD042613729.8461646.85.092LX052614305.5463590.25.159

考虑到该工程点成面状分布,选择平面、多次曲面、MLS曲面[11]、多面函数、移动曲面和切比雪夫6种模型进行拟合,选择图2中的深色点为建模数据,浅色点为拟合点。结果如表2所示。

表2　不同模型的拟合高程比较

表2示出了不同模型的拟合精度,在本例中多面函数拟合和移动曲面拟合表现出一定的优势,根据《城市测量规范CJJ-2011》5.5.2条规定,上述拟合精度均能达到四等高程控制网的精度。

GPS高程的拟合精度受很多方面的因素影响,拟合时需要注意几个方面:

1) 选取建模点位时一定要遵循“全局、均匀”原则,且尽量选取地形的特征点;

2) 一般GPS高程拟合不适宜外推;

3) 要保证拟合精度,要获得高精度的大地高数据;

4) 尽量选择足够多的点位进行检验,确保拟合精度的稳定性;

5) 当高程异常变化较大时,应适当增加建模数据。

4结束语

GPS技术的发展给桥梁工程测量带来了技术革命,显著提高了工作效率。当地势较平坦时,GPS高程可以代替四等水准测量,甚至达到三等水准的精度。实际工程中,应通过尝试,选取合适的拟合模型。编制高程异常拟合系统,可以智能选取最佳拟合模型,提高拟合效率。

参考文献

[1] 来丽芳. GPS在大兴桥梁工程控制测量中的应用研究 [D].杭州:浙江大学,2005.

[2] 王胜强.GPS高程测量及其在桥梁工程中的应用[J].测绘与空间地理信息,2012,35(7):115-118.

[3] 温德华,周克清.城市高架桥梁GPS控制网的建立实践与分析[J].全球定位系统,2013，38(1):28-31.

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[6] 王明华,李浩.GPS高程拟合的模型优选[C]//空间技术应用于长三角经济发展专题论坛,2005.

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[9] 于小平,张廷玉,骆元家,等.区域高程异常内插方法研究[J].世界地质,2008,27(4):422-426.

[10]武汉大学测绘学院,测量平差学科组. 误差理论与测量平差基础[M].武汉：武汉大学出版社,2003.

[11]程玉民,彭妙娟,李九红.复变量移动最小二乘法及其应用[J].力学学报,2005,37(6):719-723.

李志福(1986-),男,助理工程师,主要从事市政工程方面的测量工作。

Application of GPS Elevation in Bridge Engineering

LI Zhifu

(GuangzhouMunicipalEngineeringDesignResearchInstitute,Guangzhou510006,China)

Key words: GPS; height anomaly; bridge engineering