GPS在公路勘测设计中的应用

摘要：高等级公路的迅速发展对勘测技术提出了更高的要求，由于线路长、已知点少，地面通视困难等等，往往影响常规测量的实施。本文主要介绍gps定位技术及数字地面模型技术其在公路勘测中的用。

关键词： GPS定位；数模技术；勘测设计；技术应用

1. GPS 定位技术

长期以来使用测角、测距、测水准为主体的常规地面定位技术，正在逐步被以一次性确定三维坐标的、高速度、高精度的GPS技术所代替，同时定位范围已从陆地和近海扩展到海洋和宇宙空间；定位方法已从静态扩展到动态；定位服务领域已从导航和测绘领域扩展到国民经济建设的广阔领域。

由于GPS测量有许多经典测量所不可取代的优点，GPS测量在工程测量中的地位日益重要，相关的技术知识也发展很快。随着传统测绘技术向数字化测绘技术转化，工程测量发展趋势和方向是测量数据采集和处理的自动化、实时化与数字化、测量数据管理的科学化、标准化与信息化；测显数据传播与应用的网络化、多样化、社会化。GPS 技术、RS(遥感)技术、GIS(地理信息系统)技术等数字测绘技术正广泛地应用于工程测量中，并发挥主要作用。

利用GPS技术进行定位的基本原理，就是测量中典型的空间距离后方交会。测量学中从已知点A、B向待测点P测量边长AP和BP，以计算待定点P的坐标，被称作测边交会或测距交会。在GPS定位中，把空中“运行”的卫星视作控制点，在已知其瞬时坐标(可根据卫星轨道参数计算)的条件下，以GPS卫星和用户接收机天线之间距离为观测量，进行空间距离后方交会，从而确定用户接收机天线所处的位置。

测站(接收机天线)和卫星间的距离作为CPS的基本观测量，是通过观测GPS卫星获得的某种直接观测量来实现的。GPS卫星向用户发送的信号L1和L2均是一调波， 其调制波是卫星导航电文D码和伪随机噪声码P码、C/A码。载波信号L1 上调制有P码、C/A码和D码， 而载波信号L2上只调制P码和D码，GPS卫星的这些信号包括有很多定位信息，根据不同的要求，可以获得不同的观测量。

2.􀀁数模技术

随着计算机技术和空间技术的发展, 数字地面模型( D ig ita l Terra inM ode,l 简称DTM ) 的理论和方法日趋成熟和完善。顾及地形特征的数字地面模型, 作为自然地表的数字化表现形式, 在公路路线优化设计和动态全景透视图制作中有着无法替代的作用。

数字地面模型就是一种易于被计算机处理的、以数字化地形资料来表示地形的方法。在公路勘测设计一体化的工作中, 数字地面模型作为路线CAD系统的基础, 可以快速、准确地为路线优化设计提供所需的一切地形资料, 是联接野外勘测和内业设计的桥梁, 是实现公路勘测设计自动化的前提和保证。

公路CAD技术经历了从数据计算分析、批处理计算绘图以及现在广泛使用的交互式计算绘图几个阶段, 但这基本上是一个2维的世界。近几年来,GIS、MDT及多媒体等技术的发展, 使公路设计开始迈向一个3维、视听、动态的世界, 其中发展比较快的是3维动态全景透视图的制作与应用。1996年我国新颁布的公路工程设计文件编制办法中规定, 要求对公路的复杂地形段特别是山区高等级公路应绘制3维全景透视图。另外, 随着市场竞争的日趋激烈, 3维全景透视图(动态、静态)也是方案比选、工程招标的重要参考。通过建立数字地面模型,生成公路3维模型, 是制作其3维全景透视图非常关键的一步。

3.GPS和数模技术在公路勘测中的设计应用

3.1 GPS技术在公路勘测中的应用

3.1.1测量中长度投影变形由于长大线路在公路工程的各部分距离中央子午线距离不同，引起投影变形误差不同，造成在这样线路中不同标段控制点点位精度不均匀;原则上，对这样的工程应该进行投影变形误差分析。但对经线跨度不大的一般工程，这种变形所引起的误差在工程所要求的限差之内，可以忽略。可对于经线跨度较大的公路GPS 控制网而言，其线路总长可达数十甚至几百公里，工程各部分的投影变形差别很大，必须对这种投影变形所引起的控制点点位误差进行分析，并找出解决这种问题的办法，使公路勘测控制网各部分的点位精度满足现代公路勘测与施工的要求。

GPS所测的基线长度实际上为地面上两点的斜距，而内业计算是在投影平面上进行的(我国一般采用高斯投影)。从地面上的数据到投影面上的数据有两步转换： 将地面上的观测数据归算到参考椭球面；把椭球面上的数据投影到高斯平面，椭球面数据改化成平面数据。

3.1.2 GPS外业测量工作

1）测区踏勘。接受下达任务或签定GPS测量合同后，就可依据施工设计图踏勘。调查工作，主要调查当地的交通情况、水系分布情况、植被情况、控制点分布情况、居民点分布情况以及坟地、水井、当地的风俗民情等。

2）收集资料。根据踏勘的情况，收集各类资料，包括测区的各类图件，比如1：1 万-1：10万比例尺地形图，各类控制点成果以及与之有关的地质、交通、气象、通信等方面的资料。

3）拟定观测计划。观测计划的主要内容包括编制GPS 卫星的可见性预报图、选择卫星的几何图形强度、选择最佳的观测时段、观测区域的设计与划分、编排作业调度表、设计GPS网与地面的联测方案。

4）GPS接收机的选型与检验。GPS接收机的类型的选择是完成测量任务的关键。如双频机性能精度都好于单频机，但其价格昂贵，应视其级别和测区情况而定。一般小于20公里点位情况良好，宜采用单频接收机，反之，选用双频接收机。

选用的接收机性能必须经过全面的检验合格方可使用，包括一般检验、通电检验和实测检验。一般检验主要检查接收机设备各部件及其附件是否完好，紧固部分是否松动与脱落，使用手册及资料是否齐全等。通电检验就是检验接收机通电后有关信号灯、按键、显示系统和仪表的工作情况，实测检验是接收机检验的主要内容。其检验方法有：用标准基线检验；已知坐标边长检验；零基线检验、相位中心偏移量检验。

3.2􀀁 数模技术在公路路线优化设计CAD中的应用

在道路数字地面模型建立的基础上, 只需把选定的平面线起讫点、交点的平面坐标及平曲线要素输入CAD系统, 计算机便可自动从数模中内插出路线设计所需的地形数据以及为绘制路线平面图所需的地形等高线串状数据, 配合路线优化及辅助设计程序就可快速完成路线设计的各项内业工作, 并输出各项成果设计文件。数模与航测、路线CAD相结合, 将形成覆盖数据采集与处理、路线设计与计算及设计图表输出的设计全过程的路线设计一体化系统, 这是公路测设现代化的发展方向

3.3􀀁 数模技术在制作公路全景透视图中的应用

􀀁通过路线CAD系统提供的路线平面逐桩坐标,在数模上插值出路线纵断面地面线、横断面地面线。

路线CAD系统利用插值出的地面线进行路线纵断面、横断面设计, 生成路线纵断面、横断面设计线数据。通过路线CAD系统建立路基3维模型(设计曲面模型) , 通过道路数字地面模型子系统生成地形3维模型(地表曲面模型) , 设计曲面模型和地表曲面模型在AutoCAD 2000中经叠合、消影, 生成静态3维全景透视图。然后借助3DSMAX 做渲染和动画,生成公路动态全景透视图。

4􀀁 结语

随着我国经济的发展，以及高级公路的快速修建和GPS技术、路线CAD技术的发展应用研究的逐步深人, GPS技术、道路数字地面模型的优势也将愈加明显。其在道路工程和交通运输中的应用也会更加广泛和深入，并发挥出更大的作用。特别是在城镇房屋密集和河道，道路纵横交错及互不通视的地方作勘测设计，GPS将会发挥其优越的作用，这是其他任何仪器及测设手段不能比拟的。随着GPS性能的不断改进，它将会扩展到各工程项目的测设应用，将会为各种勘测设计服务。

参考文献:

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［2］邵珠福，朱国强，满新杰.GPS 技术在公路测量中的应用前景探讨.山西建筑.2007(22).

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