GPS在公路工程测量中的应用研究

邹平

摘 要：GPS技术在公路勘测的应用前几年主要体现在采用静态或快速静态作业模式建立沿线GPS 公路控制网，近年来主要表现在操作模式是用于加密控制点，数字地图数据收集网络，施工放样、截面测量和操作管理等。GPS技术用于高速公路调查有很大优势。

关键词：GPS；公路；测量；研究

中图分类号：U412.24 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2017）24-0123-01

近年来，随着国民经济的快速发展，我国基础设施建设投资不断增加，高速公路建设突飞猛进的发展，特别是大量现代公路项目的建设。这些现代公路的勘测相对于之前传统公路的勘测，具有线路更长、精度要求更高、時间要求更紧，数据要求共享等一系列特点，我们需要增加高速公路勘察设计和施工方面的科技含量，提高公路勘测的现代化水平[1]。全球定位系统（GPS）技术应用于公路勘测是公路建设中的一项重大技术革命，GPS在公路工程测量中的应用前景十分广阔[2]。

1 GPS定位的基本理论

GPS是利用空间测距交会定点原理来进行定位的[3]。GPS接收机接收的卫星信号具有伪距离观测值、载波相位观测值和卫星广播星历，对应的定位方法可分为伪距离法和载波相位法两种[4]。由于伪距观测精度较低，因此主要用于测量区域的载波相位观测值。根据接收机在固定点上的相对运动状态，可以将其分为静态定位和动态定位。静态定位观测时间长，可靠性高，定位精度高，是精确定位的基本模式。

根据GPS定位，可以分为绝对定位（单点定位）和相对定位（差定位）。绝对定位是基于一个接收机的观测数据来确定定点的绝对位置[5]。它的特点是外部观察和数据处理简单，但定位精度低，不能满足精确定位的要求[6]。相对定位是基于两个或多个接收器的同步观测数据来确定定点的相对位置。由于相对定位可以消除或减弱同步观测中许多相关误差的影响，因此在测量领域中，无论是静态定位还是动态定位，在相对定位中都有广泛的应用。

在现代公路测量中，主要是GPS静态相对定位技术和实时动态差分（RTK）定位技术的应用。无论是静态定位还是动态定位，差异定位技术（即：相对定位）始终起着非常重要的作用，主要体现在消除公众误差，提高定位精度。在动态差动定位中，GPS测量结果的采集方法可分为后处理模式和实时处理模式两种。后处理方法只需要基站（也称为参考站）接收器和漫游者（也称用户机架）接收器，差动操作半径几乎是无限的。而实时处理方式也必须有无线电通信数据链路，作业半径有一定的限制，其最大的优点是可以提供实时结果和质量评价，可以满足快速定位的需要。根据基准站传送给流动站的数据信息类型，实时动态差分定位可分为坐标差异（位置差异，伪距差异（RTD）和载波相位差分（RTK）三种方法，前两种方法目前只能达到3-10m位置精度，精度可以达到1-2厘米RTK模式。由于RTK测量模式能够提供cm-level实时点坐标，因此能够解决许多传统方法无法解决技术问题。

2 GPS在公路工程测量中的应用

GPS技术的优点主要集中在精度高、工作时间短、天气条件和使用条件等方面，方便了交通，提高了工作效率。目前，高速公路由于其高速和封闭特性，对测量线形标准的要求较高。相应路线的地形比较复杂，影响了一般的视野。因此，作为前期工作的基本控制手段，采用GPS技术是最理想的操作方法。

GPS静态定位技术在公路工程测量中的应用，现代公路测量的初测阶段主要使用GPS静态定位技术取代传统的精密导线测量技术。

2.1 公路GPS控制网的布局特点

采用GPS技术布设公路控制网，与采用传统的控制测量方法布设公路控制网，两者观念区别很大，具有以下特点：（1）GPS网络的淡化了逐步控制“分级布网、逐级控制”的原则。虽然高速公路GPS网络划分为四层，但不同的评级网络有着不同的精度要求。然而，不同等级的依赖性并不明显，而先进的网络只在底层网络中扮演定位和定位的角色，不再发挥整体控制作用。GPS网络的分类更侧重于地理范围和规模，在一个小范围内，分级网络是没有必要的。（2）GPS网络的位置对图形结构不太苛刻。由于GPS网络中点的位置是直接确定的，而不是逐点计算，任意任意点结构和任意图形形状与点的位置精度关系不大。（3）GPS接收机采集的距离是卫星接收机天线和卫星星历数据的距离，而不是传统的测量技术，是相对观测（如角度、距离、高程差等）观测点的地面。因此，GPS网络不需要任何点间通视。

2.2 公路GPS网络投影变形的处理

公路控制网采用国家统一坐标系统的结果，常常改变控制网各条边的真实长度，引起长度的变形，对于大规模的地形测绘和工程勘察，是非常糟糕的。为了有效地控制射影长度的变形，传统的方法是建立局部坐标系。如果高斯投影区是限制长度变形的有效措施，那么公路GPS控制网的坐标系统的正确选择是补偿长度的综合变形的有效方法。由于椭球面（平面）计算，根据正形投影3°，计算坐标的不再属于国家统一坐标系统，叫做局部坐标系，有时也称为独立坐标系统。局部坐标系通常有以下选项。其一：选择等值面为平面，计算在3°高斯投影平面直角坐标系。第二：选择任意投影带，投影面仍采用椭球面，平面直角坐标按高斯投影计算。第三：选择平均仰角面或偏移高程表面作为投影仪，使用测量区域中心的子午线作为中央子午线，并根据高斯投影计算平面直角坐标。

3 GPS实时动态技术在公路工程测量中的应用

在现代公路勘测，定测阶段和施工阶段主要是利用动态实时GPS载波相位差分定位技术来完成传统的实时动态加密图根控制测量方法，如控制点测量，带图和施工放样的调查测绘工作，并提供一个统一框架下的三维数据点信息。RTK系统主要由一个参考站、多个移动站点和一个数据通信系统组成。RTK测量可用于解决许多传统方法无法实时解决的技术问题。在高速公路建设的实时动态规划中，可以使测量员在加密映射和人工操作的落后情况下，逐渐脱离控制，实现自动一步的数字映射，极大地提高了劳动生产率。此外，由于流站可以直接控制参考站的过程，测量点和可靠性指标的准确性，可以避免测试后的返工问题，从而进一步缩短外部行业的观测时间。RTK系统工作非常灵活。基站采用静态运行模式，可以放置在已知点上，或放置在定点上。动态运行模式可以是静态的，也可以是动态的。但是在一个固定的点上（不一定是已知的点）对动态操作的第一个静态初始化，可以直接在动态条件下引导，在动态环境中完成整个周期的模糊搜索解决方案。

本文通过分析比较现代的公路勘测相对于以往的传统公路勘测，具有线路更长、精度要求更高、时间要求更紧，数据要求共享等一系列特点本，本文着重研究了在现代公路勘测中，采用GPS静态相对定位技术，基于高精度全三维控制网络，利用GPS实时动态定位技术和高精度实时定位技术，提出了有针对性的解决方案。针对公路GPS网投影变形超限这一普遍问题，提出了应根据公路的走向、长度等实际情况，选择基于高斯投影的局部坐标系统解决方案；通过对公路GPS网高程拟合模型的分析，提出了动态加权拟合算法，以改善拟合精度；并对RTK测量的作业方式以及地方化转换参数的选取进行了研究，提出了在公路工程中应灵活地选用各种作业方式，分段动态更新地方化转换参数，并综合运用多种检核方法，实现RTK测量成果的全面质量控制。GPS在现代公路勘测中发挥着日益重要的作用，使得传统的公路勘测手段和方法产生了革命性的变化，极大地提高了勘测精度和施工效率。

参考文献

[1]李木子.浅析数字化测绘技术及其在工程测量中的应用[J].中小企业管理与科技（下旬刊），2010，（8）：134-136.

[2]陈国柱.GIS 技术和数字化测绘技术的发展及其在工程测量中的应用[J].科技创新导报，2011，（26）：333-335.

[3]沈家涛.现代测绘技术在工程测量中的应用及改进建议[J].中国高新技术企业，2011，（28）：124-126.

[4]何莉萍，袁珂珂，徐红梅.浅议新时期地质测绘技术与发展[J].中国新技术新产品，2011，（5）：326-328.

[5]陈洪涛，贺楠.测绘新技术在工程测量中的应用初探[J].中国新技术新产品，2009，（20）：101-103.

[6]齐志国，赵军华，李笑娜.基于现代测绘技术的地籍测量研究[J].科技资讯，2009，（14）：211-213.endprint