深山峡谷中GPS平面控制网快速复测技术的研讨

杨元林，崔同菊

(中国水利水电第十四工程局有限公司， 云南 昆明 650041)

0 前 言

GPS作为最新型的定位技术正在广泛地应用于军事、科学、工程及生活中， GPS使很多事情变得更加精准，工作效率也大大提高。随着科技的发展，GPS技术逐步用于复杂环境的工程测量中。目前，我国西部许多建设的高速公路，地处深山峡谷，高程起伏大，高速公路线型复杂，并且任务重、工期紧，采用GPS快速测量技术，相比传统的测量方法，节约了大量的人力、物力。GPS控制测量方便，受地形地貌影响小，观测解算一体化，工作效率高，已成为目前工程施工测量的主要方法。本文通过对GPS测量从外业观测到内业解算的全过程研究，总结出了一套快速、可靠的测量方法。

1 工程概述

本工程属于宜宾至昭通高速公路云南段的一期项目，路线起于K144+910 m，止于K237+600 m，路线全长92.72 km，设计速度80 km/h，设计标准为双向四车道，路基宽24.5 m。起点为彝良县海子乡，终点为昭通市北闸镇，设置北闸立交与麻昭高速公路衔接。项目建成后将成为通往云南省昆明市、贵州省贵阳市、四川省泸州市、重庆市四省市的省际快速通道。接G85渝昆高速通往云南省会昆明；接在建的昭泸高速(彝良至镇雄段)、G56杭瑞高速通往贵州省会贵阳；接G93成渝高速通往重庆。远期宜昭高速(彝良至宜宾段)建成后，可接G85渝昆、G76夏蓉高速前往成都。

2 控制点平面坐标

采用“宜昭高速抵偿坐标系”，类似“国家54坐标系”。

本工程路线在测区内总体呈东北～西南走向，地理经度范围103°45′～104°20′，地理纬度范围27°25′～27°38′，沿线地形起伏较大为山岭重丘区地形。测区高程约在870～2 200 m之间。为了保证全线成果的统一性，满足规范和线路设计要求，减少接边误差，根据高斯投影理论以及本条线路的实际情况，须保证本测区投影长度变形值小于2.5 cm/km及桥遂等大型构造物投影长度变形值小于1.0 cm/km，以抵消投影变形。抵偿坐标系如表1所示。

表1 宜昭高速抵偿坐标系汇总

3 设计方案

3.1 选点埋石

(1)通过现场踏勘，原有控制点被破坏的，若施工则需重新埋点，由于线路调整，部分距施工区域较远的控制点可以舍弃，点密度不满足施工需求的地方需要加密控制点。

(2)埋石要求如下：埋设的控制点标石，其规格为150 mm×300 mm×600 mm的水泥混凝土桩，桩中埋设一根长300 mm的Φ12钢筋以便固定，并在桩顶露出5 mm且做“十”字丝刻划。埋设时，基坑用水泥砂浆、石块回填夯实，在上部用水泥砂浆“戴帽”固结，如图1所示。点位埋设后及时做好点之记记录。

图1 埋石断面及正面示意

(3)控制点沿设计路线两侧布设，点距离设计路线中线50～300 m；控制点间尽量保持前后通视，困难地区至少保证两点相互通视。

(4)控制点应埋设在地质条件稳定，易于长期保存的地方，同时还应该兼顾施测方便。

(5)控制点周围环境应该满足规范对GPS外业观测和水准观测的要求；远离强震、强磁场、强反射区、高压电线等不良环境。

(6)一般情况下，平面、高程控制点共用，在施测水准困难的地方，可以适当增设单独的高程控制点。

3.2 平面控制测量

3.2.1 GPS控制测量技术要求

GPS静态测量基本技术要求见表2。

表2 GPS静态测量基本技术要求

平面控制网最弱点相对于起算点的点位中误差不得超过±5.0 cm，相邻点相对于起算点的点位中误差不得大于±3.0 cm，三等GPS平面控制网最弱相邻点边长相对中误差不得大于1/70 000。四等GPS平面控制网最弱相邻点边长相对中误差不得大于1/35 000。

3.2.2 GPS控制测量方法

(1)本次测量采用14台中海达V90双频接收机按边连式推进方式构网进行野外数据采集，接收机标称精度为±(5 mm+1 ppm·D)，D为观测基线长度，单位为km。

(2)GPS平面控制采用四等、独立三等网，网形为边连方式。

3.2.3 GPS控制测量作业要求

(1)观测人员应严格遵守观测计划和调度命令,按规定的时间进行同步观测作业，测站之间密切配合。

(2)到达点位以后，作业人员均应按要求架设好接收机天线，做到精确对中、严格整平，并做好仪器、天线、电源的正确连接。

(3)接收机开始记录数据后，观测员要经常查看测站信息及其变化情况，做到发现异常情况及时通报给现场调度员。

(4)观测人员应操作细心，在观测期间，防止接收设备震动、移动和其它物品碰动天线或阻挡信号。

(5)观测时段结束后应认真进行检查，当测量记录项目齐全，并符合要求后报告调度员才可迁站。

(6)天线高量取两次，高差值小于3 mm时取平均值，取位到1 mm。

(7)雨雾天气观测时，需用塑料袋包好主机，回到驻地后擦拭并晾干。

3.2.4 GPS数据处理技术要求

外业数据采集完成后，立即进行基线向量的解算，重复基线的验算，然后进行同步环、异步环、PDOP值、有效卫星个数的检验工作，当以上工作各项限差满足规定要求后，采用中海达HGO软件进行基线解算，基线解算完毕并检查合格后，将基线向量输出，分别采用HGO/COSA GPS进行平差计算。数据处理应满足以下要求：

(1)同一时段观测值基线处理中，数据采用率不宜低于80%。

(3)同步环各坐标分量及全长闭合差均满足：

式中，n为同步环的边数；σ为相邻点间弦长精度，根据相应等级精度要求取环平均边长计算。

(4)异步环的坐标分量及全长闭合差均满足：

式中，n为独立环中的边数;σ为相邻点间弦长精度，根据相应等级精度要求计算；V为环闭合差。

无论采用单基线模式或多基线模式解算基线，都应在整个GPS网中选取一组完全的独立基线构成独立观测环，其异步环的坐标分量闭合差和全长闭合差应符合规定。

3.2.5 GPS网平差技术要求

GPS网的平差计算，按基线向量网的三维无约束平差，三维基线向量网向二维基线向量网的约束平差步骤进行。

(1)三维基线向量网的无约束平差在WGS-84坐标系中进行。

(2)二维约束平差在椭球面上进行，进行二维约束平差以前，首先应对首级控制点的相容性进行检查，采用相容性较好的控制点作为二维约束平差的起算点。

(3)二维约束平差计算后的成果作为目标坐标系，可直接用于施工测量。

(4)独立隧道GPS平面控制网，应采用观测质量较好的一个点作为起算点，以这个点和位于隧道另外一端的、处于隧道轴线方向一个点的方位角作为起算方位角进行平差计算。当独立控制网的中检核点与路线控制测量中横坐标差异较大时，应对构造物平面控制网进行旋转，最终成果中检核点在两个网中的坐标差值不应大于40 mm。

4 测量方案

4.1 GPS控制测量作业流程(见图2)

图2 GPS控制测量作业流程示意

4.2 野外数据采集

4.2.1 GPS接收机的使用

采用14台中海达V90双频接收机按边连式推进方式构网进行野外数据采集，接收机标称精度为±(5 mm+1 ppm·D)，D为观测基线长度，单位为：km。

4.2.2 天线安置与对中精度

天线架设高于地面1 m以上，严格整平天线，使用经检校后，对中精度大于1 mm的光学对中器对中。

4.2.3 天线高的测量

天线高量至毫米，天线高测量在观测前后按斜高方式各量测一次，较差都小于3 mm，然后取用平均值记录在手簿上，最后用该值作为软件平差采用的天线高。观测质量控制见表3。

表3 观测质量控制

4.3 GPS网的数据处理

GPS平面控制网数据处理流程见图3。

图3 GPS平面控制网数据处理流程示意

4.3.1 数据处理软件的选用

数据传输采用中海达HGO软件解算基线，共解算出664条合格基线，同一时段观测值的数据剔除率0.9%。利用HGO进行网平差，并统计重复基线数、同步环和异步环数。

4.3.2 复测基线检查

共有复测基线15条，计算后最大相对误差为14 ppm，见表4。

表4 重复基线观测值

经检查，最大复测基线长度较差满足《公路勘测规范》(JTG C10-2007) 4.1.5-1的要求。

4.3.3 环闭合差检查

由664条合格基线共组成1 643个同步环，计算后平面最大同步环闭合差相对误差为7.07 ppm。经检查，最大同步时段中同步环的坐标闭合差满足《公路勘测规范》(JTG C10-2007)中4.1.5-2的要求。

由此可以看出GPS野外数据采集质量良好，观测时段长度合理，基线解算精度情况优良，可以进行下一步网平差。

4.3.4 GPS网基线向量平差

GPS网空间向量网在WGS-84坐标系下的三维无约束平差， GPS空间向量网的无约束平差，进行无(最小)约束平差。平差结束后，四等网无约束平相对误差最大值为1/67 645，三等网无约束平相对误差最大值为1/45 510。三等网主要原因为峡谷山区，GPS接收机静态数据质量差。

经检查，无约束平差基线改正量绝对值最大值均满足《公路勘测规范》(JTG C10-2007)4.1.5-4的要求。三维无约束平差后的点位误差及最弱边相对中误差最大值见表5。

从各项精度指标可看出：三维无约束平差后的点位误差及最弱边相对中误差最大值均达到《公路勘测规范》(JTG C10-2007)、《技术设计书》的要求,三、四等GPS网在WGS-84坐标系下的三维无约束平差后精度优良，说明三、四等GPS网布设合理，基线组网方式合理，数据采集质量可靠，该网内符合精度较高。

GPS网空间向量网在各坐标系成果进行二维约束平差，平差结束后，四等网二维约束平相对误差最大值为1/55 499，三等网二维约束平相对误差最大值为1/127 161。二维约束平差后的点位误差及最弱边相对中误差最大值见表6。

表5 三维无约束平差后的点位误差及最弱边相对中误差最大值

表6 二维约束平差后的点位误差及最弱边相对中误差最大值

经检查，点位误差均能达到《公路勘测规范》(JTG C10-2007)、《技术设计书》要求,从各项精度指标可看出三、四等GPS网精度较好，达到三、四等精度要求。

5 结 语

高速公路施工由于地形复杂、高差大、受气候条件影响等原因，长期以来，使用常规的测量方法布设高精度的测量控制网，主要依赖于高精度的测距仪、经纬仪或者全站仪，常规的边、角控制网测量要求各控制点间必须通视，给网形的布设带来了很大的限制。该方法工作量大，作业时间较长，给常规测量工作带来了一定的困难。本文论述的在宜昭高速一期项目中采用GPS控制测量技术，仅用1周的时间就完成了任务，大大节省了人力、物力，极大程度地提高了工作效率，显示出 GPS技术相对于常规测量方式有着不可比拟的优越性。