1、GPS 在公路勘测中的应用【摘 要】：随着我国科技水平的不断提高，高科技手段在公路工程中的应用也不断增多。目前，GPS 全球定位系统在公路勘测中的应用已经日趋成熟。本文简要介绍了 GPS 的工作原理，重点说明了 GPS 在公路勘测中的几点应用。 【关键词】：GPS 技术；公路勘测；应用 中图分类号：X734 文献标识码：A 文章编号： 引言 为了保障公路的设计和施工，公路勘测工作显得极为重要。长期以来，我们一直使用测距、测角、测水准等为主体的常规地面测量技术，随着 GPS 技术在公路测量中的应用，常规测量技术也正在逐步被 GPS 技术代替。GPS 测量有许多经典测量所不可取代的优点，例如：精度
2、高、全天候、速度快、不需要点间通视等，因此，它在公路勘测中的地位日益重要，相关的技术知识也发展很快。目前，GPS 测量正向数字化勘测技术转化。 一、GPS 的工作原理 GPS 是英文 Global Positioning System（全球定位系统）的简称。GPS 定位的基本原理是根据高速运动的卫星瞬间位置作为已知的起算数据，采用空间距离后方交会的方法，确定待测点的位置。通常在 GPS 测量中采用空间固定的坐标系统和地固坐标系统，但是我们在公路勘测中经常使用地固坐标系统。在实际的使用过程中需要进行坐标系统的变换，来求出使用坐标系统的坐标。 二、GPS 在公路勘测中的应用 1、静态 GPS 测量
3、技术 目前，静态 GPS 测量技术主要用于建立较大规模的公路勘测首级控制网，相对精度较高，作业速度比较快，经济效益相对可观，用静态 GPS建立公路勘测首级控制网的费用只有常规方法的 1/4 左右。下面介绍静态 GPS 建立首级控制网的过程。 （1）初步勘察 接到测量任务后，可以组织相关人员初步勘察路线的走向，主要调查当地的水系分布情况、交通情况、控制点分布情况、植被情况、居民点分布情况以及墓地、水井等，通过调查确定哪些位置可选作 GPS 点，同时可调查路线附近高等级 GPS 点以便进行联测。 （2）控制网的设计 GPS 控制网的布设需要根据公路的等级要求、作业时卫星状况、沿线地形地物、精度要求
4、等众多因素进行综合设计。实际工程中考虑到线路测量自身的特点，利用 GPS 接收机同步观测以边连、点连以及混合方式连续构成整体网，这样构网便于组成较多的异步环、同步环及复测基线，具有较强的几何强度和多余观测。GPS 网形实际实质上就是将不同时间段GPS 同步观测图形连成一定的网形。如下图用三台 GPS 接收机进行多个时段观测的 GPS 网形结构。 图一 用三台 GPS 接收机进行多个时段观测的 GPS 网形结构 （a）点连接；（b）边连接；（c）边点混合连接 （3）选点、埋石 选点要按照设计图纸要求且结合 GPS 测量中选点要求，以及当地的自然地理情况来确定，其点位应满足如下要求:第一、点位便于
5、埋设、交通方便和长期保存，便于安置接收设备，也要便于设备的操作；第二、仰角 15以上的没有障碍物；第三、点位 200m 范围内，无大功率无线电发射源或高压输电线通过，点位应避开大面积水域和高大建筑物及对电磁波接收有强烈干扰的物体；第四、要注意 GPS 控制点之间的间距，不同等级有不同要求，如四级 GPS 的平均距离为 0.5 千米。如果受地形等条件限制，最小距离应该不小于平均距离的 1/2，最大距离不能大于平均距离的 2 倍；第五、点位应利于公路勘测放样与施工放样，且距离路线中心线不宜小于 50 米，并且不大于 300 米；第六、同时要考虑以后用常规方法进一步加密的需要。最后在所有 GPS 点
6、的埋石处应设置明显的指向标志，并现场绘制交通略图，填写点之记。 （4）架设 GPS 仪观测 作业过程可大致分为安置天线、操作接收机和观测记录。在进行外业观测之前要对所选定的接收设备进行严格的检验，必须保证天线的妥善安置，这样才能实现精密定位。安置内容主要包括：对中、整平、定向，量取天线高。特别值得注意的是天线高，因为它对 GPS 的高程有很大的影响.每时段观测应该在测前和测后量取天线高，且不能大于 3mm，并取平均值为天线高。目前 GPS 接收机的自动化程度相当高，一般仅需按动若干功能键，就能顺利地自动完成测量工作；并且每做一步工作，显示屏上均有提示，做到实时记录，减少外业操作量。以四级 GP
7、S 控制网为例：要求有效观测卫星数不少于 4 个，GDOP 值不得超过 6，并且观测时间不得少于 45 分钟等。重复测量的基线不小于 5 条，时段数要大于1。 （5）观测数据的处理 该过程可分为基线解算与检核、GPS 控制网平差计算两个步骤。例如，对内业基线解算和控制网平差采用 HD2003 专业软件，在软件中调入 GPS原始观测数据（码和相位观测值） ，对全部基线进行自动解算，根据卫星和接收机之间的整周未知数（模糊度）的解算成功与否来确定基线计算是否正确，对不能解整周未知解的基线，可通过人工定位基准星，删除坏星和不好时段的数据或重新设置采样卫星高度角等方法单独重解这些基线。再对 GPS 网进
8、行预处理，剔除含粗差的基线向量，但基线剔除率要小于百分之十。计算同步环，重复基线，异步环闭合差，确保各项指标没有超限，然后自动选择独立基线与 GPS 网平差。如果对自动构网不满意时可进行手工预处理，手工构网。构网成功后对网进行三维无约束平差，以剔除网内粗差基线的改正方差因子。对重新调整后的 GPS 网进行二维约束平差，带入一个或多个已知的高精度国家控制点坐标，将 GPS观测的三维基线向量转换到用户选项定的坐标系。值得注意的是进行约束平差的已知点最好在测区均匀分布防止控制网发生漂移。 （6）GPS 高程 GPS 测量中直接得到的是 WGS-84 坐标系统下的大地高，而我们用的是以大地水准面为基准
9、的正常高，二者之间存在高程异常，要求得正常高就必须联测一定数量的水准点（一般平原最少为三个，山区最少为六个点） 。通过拟合计算，求出待定点的高程异常值，从而求出待定点高程。由于 GPS 测量高程不存在累计误差，作业速度快等特点，所以我尝试在地势较为平坦的小区域用 GPS 静态定位技术拟合水准高程代替四等水准测量，实践证明是可行的。在山区的高程测量采用常规仪器不易实现的，可以均匀连测一定数量的水准点来拟合待定点的高程。但是由于高程异常值随测区的地形和重力加速度的不同而变化，这就要求测区水准点分布合理，能反映出测区高程异常的水平，在实际工作中很难达到。因此用 GPS 静态定位技术拟合水准高程，可以
10、做为检验其他高程测量的一种方法，在实际工程中一般还是采用常规的方法进行高程控制测量。 2、动态 RTK 技术 由于 GPS 静态定位定位模式数据处理滞后，存在很多方面有弊端，很难保证观测数据的质量，经常需要返工。虽然可以解决这些问题，但需要延长观测时间，这样容易降低测量的工作效率。RTK 定位技术就是基于载波相位观测值的实时动态定位技术，它能够实时地提供测站点在指定坐标系中的三维定位结果，并达到厘米级精度。在 RTK 作业模式下，基准站通过数据链将其观测值和测站坐标信息一起传送给流动站。流动站不仅通过数据链接收来自基准站的数据，还要采集 GPS 观测数据，并在系统内组成差分观测值进行实时处理，
11、同时给出厘米级定位结果，历时不到几秒钟。影响 RTK 技术精度的原因有很多，必须同时符合以下要求： 1：基准站与流动站要始终保持同步锁定 5 颗以上卫星，GDOP 值应小于 6，流动站至基准站的距离小于 5KM。 2：求解转换参数的高等级控制点大于等于 3 个，并且包含整个作业区间，均匀分布于作业区域的周围，流动站至最近的高等级控制点应小于 2KM。 因此，在测量时选择有利的测量位置，避免干扰源干扰，同时根据任务要求、测区大小使用不同的方法，提高工作效率，降低环境及人为因素影响。 动态定位模式在公路测量阶段有着十分广阔的前景，实践证明，在5 平方公里的测区内，RTK 的平面精度可达到 2-4c
12、m，高程一般在 5cm 以内。可以完成中桩测量、地形测绘、纵断面地面线测量、横断面测量等工作。整个测量过程可以不需要通视，测量时间短，精度高，有着许多常规测量仪器无法超越的优点。RTK 技术具有很大的优点，实时动态显示可靠且精度高的测量成果，从而可以彻底摆脱了测量粗差影响，提高了GPS 作业效率。另外动态 RTK 技术，其应用范围可以包含公路的纵、横断面测量，施工放样，监理，竣工测量等许多方面，甚至 GIS 前端数据采集等方面。 3、需要注意的 （1）在 GPS 公路勘测中要特别注意中央子午线的选择，因为不同经度的中央子午线可能导致不同投影带的出现，当测区距离变形值大于2.5cm/km 时，就
13、必须建立公路抵偿坐标系。如果我们合理的选择中央子午线的位置，使长度投影到该投影带所产生的变形恰好能够抵偿这一长度投影到椭球面上产生的变形，那么高斯平面上的长度也能够和实际长度保持一致，避免长度变形。处理工程投影变形的常规方法是以测区平均子午线为中央子午线，将平面已知点进行换带计算，然后进行二维约束平差。如果东西方向线路过长，可以将整个线路分为多个投影带。在分带附近布设一对相互通视的 GPS 点，为使采用其他测量方法进行加密时两分带在该处的坐标能统一和唯一。 （2）除了特殊需要，一般 GPS 基线长度相差不要过大，这样可以使GPS 测量的精度分布均匀。 （3）GPS 网不要有开放式的网型结构，应
14、构成封闭式闭合环和子环路。 结束语 当前，我国经济不断的发展，公路的修建工作以及 GPS 技术的应用也趋向成熟。因此，这种技术在公路勘测设计中已得到了不断的加深与推广应用，特别是实时动态（RTK）定位技术将在公路勘测与施工以及后期养护、管理方面的应用，在公路勘测设计领域中也是具有良好的前景和广泛的应用价值。 参考文献： 1张炳哲.GPS 全球定位系统在公路勘测设计中的应用J.交通标准化.2008(1) 2邵珠福，朱国强等.GPS 技术在公路测量中的应用前景探讨.山西建筑.2007(22). 3黄坦，陈群利，王兴旺.GPS 在公路勘测设计中的应用J.企业标准化.2004(8). 4沙强.GPS 技术在公路工程勘测设计中的应用J.山西建筑.2007(34). 5 JTG C102007 公路勘测规范s.人民交通出版社， 2007.
