高速公路水准测量应用与精度分析研究

陈强++肖远焕

摘 要：本文基于笔者多年从事高速公路测量的相关工作经验，以面向高速公路沉降变形监测的水准测量技术为研究对象，探讨了在某高速公路沉降变形监测中的应用思路，全文是笔者长期实践基础上的理论升华，相信对从事相关工作的同行能有所裨益。

关键词：GPS 沉降 变形监测 公路

中图分類号：TB22 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）10（a）-0018-02

1 工程概述

某高速公路全线采用双向四车道全封闭高速公路标准建设，设计行车时速100～120km/h。笔者选取其中10km作为GPS沉降变形监测的工程项目，所处地形为平原和丘陵连接地带，设计路基宽度26m。路线设计为四车道，该段有11个各种系统的平面控制点，经过实地寻找，找出了5个。

在已找出的5个控制点中，国家测绘局系统一等点2个，二等点1个，城市测量系统点2个，这些平面控制点分属不同测量系统，且等级不同。

2010年9月，笔者对其中10km路段进行了测定，采用了 GPS技术进行高程测量，并与用二等水准测量的高程数据进行比较和分析，在测量过程中有意识对GPS的高程进行了检验。

2 工程实施过程

（1）观测使用AshtechZ-X双频GPS接收机5台，二等水准采用NAZ+GPM3型水准仪。并对两种方法测量的成果进行分析，同时用全站仪检验了GPS点的坐标。

（2）GPS网采用静态模式观测，网形采用边连式。观测时最少卫星数5颗，存储的限差：水平为±5mm，垂直为±10mm；水准测量参照二等水准的精度指标。

（3）在测区内l0km范围内有GPS基准点7个，布设14个变形监测点，每个点监测1～2h。

3 精度分析

3.1 测区GPS沉降变形监测网的精度分析

下面结合某高速公路的其中10km路段的变形监测网，对GPS基准网和监测网的精度进行分析，该路段沉降变形监测网，由7个基准点（JZ03、JZ06、JZ08、JZ09、JZ10、JZ18和JZ21）组成了GPS基准网；由14个监测点（BJ01、BJ02、BJ04、BJ05、BJ07、BJ11、BJ12、BJ13、BJ14、BJ15、BJ16、BJ17、BJ19、BJ20）组成了GPS监测网。通过长时间的精密水准观测和基准分析，认定JGO3点是稳定的，把JZO3作为基准起算点，解算整个GPS网，GPS沉降变形监测网采用边连接形式布设，见图1。

表1给出了GPS基准网基线解算的边长中误差。从表1中可以看出，GPS基准网的基线解算精度达到了毫米级。最大的基线边长中误差为5.7mm，最小的基线边长中误差为0.lmm。GPS基准网是在WGS-84坐标系下进行整体平差。平差时，固定具有精密WGS-84坐标的JG03点，以提高整个基准网的位置精度。平差后获得其他基准点在WGS-84坐标系下的空间直角坐标、大地坐标和高斯平面直角坐标及相关精度信息。监测网的平差也在WGS-84坐标系下进行。经过平差后获得监测点在WGS-84坐标系下的空间直角坐标、大地坐标及相关的精度信息；然后固定JGO3点和方向，在WGS-84坐标系的高斯平面上进行平差。平差后获得变形监测点的高斯平面直角坐标、监测点间的平面边长及其相关信息。

从GPS基准点和变形监测点的中误差统计可以发现（见表2），高程分量的精度虽然不如南北和东西方向分量的精度，但也没有超过6mm的，除了个别点因为周围观测条件的影响（特别是多路径效应的影响）以及城区观测环境的因素外，大多数都在4mm左右，是可以满足沉降变形监测的需要。当然，如果在观测过程中，采取更多的措施，比如，采集数据前，精确检验每个天线的相位中心位置，特别是垂直方向的差值；观测时段增加到10h以上，同时拥有更多的同步观测站点等，精度会更高，也是值得进一步考虑的。

3.2 沉降监测及与精密水准的一致性分析

通过表3比较GPS与全站仪2种方法的测量结果可以看出：在2种方法下测得的同一坐标之差的最大值分别为：△Xmax=4.0mm，△Ymax=5.0mm。

因此，GPS测量成果是精确可靠的，从下面定位精度一致性检验结果来看，GPS技术测量的点位精度可达毫米级，与全站仪测定结果符合得较好，可以较好地满足公路变形监测的精度要求。

使用GPS测出变形监测点的高程，然后将GPS高程与水准高程进行比较，其比较结果具有很高的参考价值，表4是工程中的一部分数据。

可以看出，GPS高程与水准高程最大差值不超过5mm。GPS高程能满足公路变形监测的精度要求。GPS的数据处理结果表明，在水平方向上的监测精度能达到毫米级，在竖直方向上的精度也能达到毫米级。完全符合公路沉降变形监测的精度要求。下面表格中的数据是从工程实例中抽取具有代表性的公路GPS沉降变形监测点，并以此数据为例，对数据进行分析。

对五个观测周期的数据进行分析，结果显示不同周期的数据有所变化，相邻观测周期之间的高程变化不大，到了监测后期变化甚小，趋于平稳状态。也就是说，在公路刚刚进入运营阶段，是最容易发生沉降变形的，因此，刚刚投入使用的公路，前期的维护和保养是相当关键的。

参考文献

[1] 邱斌，朱建军，贺跃光.GPS在大地及工程变形观测中的应用[J].矿冶工程，2002（2）：16-19.

[2] 王显奇，郭双仁，胡赛花，等.GPS在冷水江滑坡变形观测中的应用研究[J].国土资源导刊，2009（3）：70-73.

[3] 张华海，王爱生.GPS变形监测网的动态数据处理[J].测绘学院学报，1999（1）：13-16.endprint