浅析GPS技术在公路项目测量中的应用

摘要：gps技术在公路工程测量中的应用，在最近的两年得到了迅速推广，由于GPS测量有传统测量不可取代的优点，GPS测量在工程测量中的地位日益重要。文中围绕GPS技术对公路的控制测量进行分析。

关键词：GPS测量；公路；应用

中图分类号：P228.4 文献标识码：A

1.公路控制测量概述

1.1 公路控制测量

公路的最大特点是呈带状延伸，其纵向长度从数十公里到数千公里不等，此类工程的勘测、设计、施工一般要分段进行，而作为公路工程的整体最后必须按要求贯通起来；大型公路工程还要和沿线城市的相关设施正确衔接；另外，建立的公路控制网又将是沿线其他工程的测量控制基础。因此公路控制测量是十分重要的，是保证公路工程质量的基础技术工作。

1.2 GPS应用于公路控制测量的优势

GPS定位技术的高度自动化和所达到的定位精度在公路测量中得到广泛的应用，使公路控制测量的效率和精度得到很大的提高。相对于传统的测量技术，GPS的出现，弥补了传统测量方法的缺陷，具有其它方法无法比拟的优势。

（1）观测站之间无需通视。

（2）定位精度高。

（3）观测时间短，效率高。

（4）提供三维坐标。

（5）操作简便，自动化程度高。

（6）全天候作业。

（7）成本低、经济效益高。

1.3 公路测量长度变形问题处理

公路测量是在地面上进行的，而大地计算是在参考椭球面上进行，因此，必须把地面上的观测值换算到椭球参考面上。如果要得到平面坐标系，就必须把椭球面上的坐标换算到高斯平面上。经过两次的变换，其长度变形较大，需要加以改正椭球面上大地线经过高斯平面投影计算而产生的变形主要由两部分组成。

基线平均高程与大地水准面之间的高差所引起的变形：

基线由椭球面投影到高斯平面所引起的投影变形:

因此，长度综合变形可以表示为：

2.GPS在公路控制测量中的应用

2.1 GPS在平面控制测量中的应用

为适应公路工程的要求，需要建立一定精度和密度的平面控制网。首先，选定已知坐标及精度满足要求的地面控制点与GPS点，应用GP S静态定位方法进行观测，建立测区首级平面控制网，然后，应用GPS动态定位技术对平面控制网进行加密测量。

(1)GPS首级平面控制网的布设。

1）精度要求。

GPS网的精度要求，主要取决于公路等级控制网的要求。精度指标通常均以网中相邻点之间的弧长精度来表示，其形式为：

式中：σ为标准差（mm）；a为固定误差（mm）；b为例误差系数（pp m）；d为相邻点间距离（km）。

GPS测量按其精度划分为二等、三等、四等和城市一级二级五个级别，工程测量中一般采用二等、三等、四等三个级别。各个等级卫星定位测量控制网的主要技术指标应符合表1的规定。

2）GPS网形设计。

根据不同的用途，GPS网的图形布设通常有点连式、边连式、网连式、及边点混合连接四种基本方式。也有布设成星形连接、复合导线连接、三角锁形连接等。而边连式在公路测量中应用的比较多。

3）选点与埋石。

选点工作开始之前应搜集测区有关资料，如地形图、行政区划图和已有的测绘成果；了解和研究测区的情况，如交通、通讯、供电、气象以及原有控制点情况。野外选设的点位应符合下述要求。

①周围应便于安装接受设备、视野开阔，视场内障碍物的高度角应小于10°～15°，以减弱对流层折射影响。

②远离大功率无线发射源（如:电台、微波站等），其距离不小于4 0 0 m；远离高压输电线，其距离不小得小于2 0 0 m，以避免周围磁场对GP S卫星信号的干扰。

③附近不应有强烈干扰卫星信号接受的物体，尽量避开大面积水域，以减弱多路径误差的影响。

④点位应选在地基稳固、交通方便的地方，以利于点位保存、利于用其他测量手段联测或扩展。点位选定后，应按照《规范》规定的规格埋设中心标石。

4）外业观测。

外业观测的主要任务是捕获GPS卫星信号，并对其进行跟踪、处理、量测，以获得所需要的定位信息和观测数据。在联测点和待测GPS点安置接收机，按设计时段进行观测，接通接收机至电源、天线、控制器的连接电缆，并经过预热和静置，即可启动接收机进行观测。

GPS外业观测是利用接收机接收来自GP S卫星发出的无线电信号，它是外业的核心工作。

5）数据预处理。

数据预处理主要是对数据进行平滑滤波检验，剔除粗差，删除无效数据以及统一数据文件格式，将各类接收机的数据文件加工成彼此兼容的标准化文件。

6）基线向量解算与检核。

基线解算是GP S网观测数据处理过程的重要环节，基线解算质量的好坏直接关系到各条基线的观测精度，从而影响整个控制网的精度。因此基线解算质量控制以及基线解算过程中数据的处理方法是整个控制网数据处理的关键点。在进行基线解算前，对外业采集的数据，包括测站名、天线高输入是否正确、卫星信号是否正常、有效观测时段是否满足等均进行了全面检查。

利用GPS 相对定位技术，所确定的是控制点间相对位置关系。这种相对位置关系是用WGS-84世界大地坐标系的三维直角坐标来表示的，我们称这种点间的相对位置量为基线向量。

求解基线向量一般均采用差分模型。其中在接收机和卫星间求二次差的模型是多数GPS基线向量处理软件中的必选模型。在GPS定位数据采集过程中，每天采集的数据应及时输入计算机，并进行基线解算，根据基线解算结果进行各项检核。

7）基线向量网平差。

通过基线向量解算，得到了同步观测的基线向量。通常GP S定位网是由多个异步网构成的，他们之间往往形成多个异步环闭合条件。所以基线网平差的目的，其一是将各观测时段所确定的基线向量视作观测值，以其方差阵之逆阵为权，进行平差计算，清除环中闭合差；其二是建立网的基准(位置基准、方向和尺度基准)，求出各GP S点在规定坐标系中的坐标值，并评定定位精度。在平差过程中，应实现坐标的转换，把WGS-84坐标转换成所需坐标。

(2)GPS首级平面控制网的加密。

根据《公路勘测规范》规定以及现场勘测条件，在建立首级平面控制网后，设置二级控制点，应用GPS动态定位技术进行加密测量。并且，为了便于应用全站仪进行路线放样和数据采集，考虑控制点之间的通视条件，确定加密点的个数及位置。使用动态加密的主要步骤是建立基准站和设置流动站。

2.2 G PS在公路高程控制测量中的应用

(1)高程控制网的布设。

在应用GPS定位系统布设平面控制网的同时联测满足四等以上水准精度的水准点。联测水准控制点的几何图形及水准点的个数都对高程精度有影响。一般来说，在一个适当的测区范围内，我们可以根据测区的实际情况，选取分布适宜、数量适中的水准高程联测控制点。通过静态观测，得到水准高程联测点的大地高，再利用已知水准控制点的水准高程，我们就可以通过多种方法计算出反映测区高程异常的拟合参数。

拟合参数确定后，利用静态联测或动态观测的方法测得待测点的大地高，就可以计算出待测点的正常高。

大地高与正常高的转换公式如下： H=Hg+hg，式中：H为大地高; Hg为正高; hg为大地水准面与椭球面之间的距离。

（2）公路中GPS高程异常拟合的几种常用方法。

为了通过GPS求出各GPS点的正常高，必须求出各点的高程异常。高程异常一般要通过重力测量获得。由于重力资料的缺乏，求出的高程异常精度较低，不能满足测量的需要。为此通常采用拟合的方法，即使部分GPS点与水准点重合，或通过水准联测使部分GPS点具有水准高程，这样这些重合点既有GPS大地高、又具有水准高，从而求出这些点的高程异常，根据这些点的分布与高程异常建立该区域的高程异常面，从而可以内插出所有GP S点的水准高程。公路中常用的高程异常拟合方法。

①多项式曲线拟合法。

高等级的公路GPS网具有带状直伸形的特点，我们可以根据已知点的平面坐标和高程异常，采用多项式曲线拟合法，拟合出线路方向上的似大地水准面曲线，再内插出待求点的高程异常，从而求出点的正常高。

②三次样条曲线拟合法。

当侧线长，已知点多，ζ变化大时，按ΣRi=m i n解求的ai误差会增大，故通常采取分段计算。这样使曲线在分段点上不连续，也影响拟合精度。为此，采用三次样条法来拟合。

③曲面拟合。

当GPS点布设成一定区域而时，可以应用数学曲面拟合法求定待定点的正常高。其原理是：根据测区中己知点的平面坐标（x，y），或大地坐标（B，L）和高程异常值，用数值拟合法，拟合出测区似大地水准面，再内插出待求点的高程异常值，从而求出待求点的正常高。目前，工程测量应用比较多的数学模型有以下几种形式，即平面拟合、二次曲面拟合及三次曲面拟合等形式。

3.小结

通过以上实施GPS测量可看出，GPS 测量技术是建立公路控制网的有效手段，在公路测量中，采用GPS测量，不仅精度高，提供的成果可靠，而且方便快捷，经济实用，大大地降低了劳动作业强度，提高了工作效率。以后随着GPS 技术广泛应用，GPS技术将彻底改变公路测量模式。

参考文献

[1]初东.GPS在公路工程中的应用研究[D].西安:长安大学,2005,5.

[2]李正中.现代路线工程测量[M].教育科学出版社,2000,2.

[3]刘晓峰.GPS定位技术应用在公路控制测量[D].大连:大连理工大学,2002.