GPS技术在现代公路测量中的应用研究

摘要：论文简要介绍了GPS技术的发展、现代公路测量的技术特点以及GPS技术在公路工程中的应用现状；全面地研究了GPS技术在公路测量中的应用，对RTK测量的基本原理、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。

关键词：GPS技术，公路测量，坐标系，坐标转换，质量控制

Abstract：The paper briefly introduced the development of GPS technology, modern highway measurement technology characteristic and GPS technology in the present situation of the application of highway engineering; The comprehensive research on the GPS technique in highway in the measurement of the application of RTK survey of the basic principle, mode of operation and localization transformation parameters selection are studied, put forward the highway engineering should be agilely choose all kinds of operation modes and block dynamic update localization transformation parameters, and the integrated use of a variety of check method, realize RTK survey results of the total quality control.

Keywords: GPS technology, Highway Survey, Coordinate system, Coordinate Transformation, Quality Control

中图分类号：P215 文献标识码：A 文章编号：

1前言

近几年来，随着国民经济的快速增长，我国基础设施建设不断加大投入，公路建设得到突飞猛进的发展，尤其是大批的现代高等级公路建设项目陆续上马。这些现代的高等级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、时间要求更紧等一系列特点，需要我们加大公路勘测设计和施工建设方面的科技含量，提高公路作业的现代化水平。GPS技术应用于公路勘测是公路建设领域的一项重大技术革命，其应用前景十分广阔。GPS 定位技术的应用，可以使公路勘测摆脱繁重的外业工作，加快作业进度，提高测量精度，是公路勘测的现代化手段之一。相对于经典测量来说，GPS测量主要有以下特点：测站之间无需通视；定位精度高；观测时间短；提供三维坐标；操作简便；全天候作业。

2 GPS技术在公路工程中的应用现状

GPS技术自从代替了传统的全站仪后，先后发展静态GPS、常规动态RTK、城市CORS系统等模式。GPS技术是利用空间测距交会定点原理来进行定位的。根据待定点上的接收机相对于地球的运动状态，可以分为静态定位和动态定位。在现代公路勘测中，主要是应用GPS静态相对定位技术和实时动态差分定位(RTK)技术，来完成传统测量方法中的线路控制、中线放样等一系列工作。GPS定位的主要误差可分为三个部分：与卫星有关的误差、接收机的误差以及电波信号传播路径带来的误差。公路工程一般包括新建公路、改建公路及扩建公路等。这些工程特别是高等级公路工程投资巨大、内容复杂、工程量大，需要进行大量的勘测设计和施工建设等工作，而其中的测量工作一直贯穿于公路建设的始终，占有极其重要的地位。测量中常用坐标系及其转换是测绘工作的重点，现代公路测量中常用坐标系统：WGS-84坐标系，1954北京坐标系，1980西安大地坐标系，2000国家坐标系，地方独立坐标系。所谓坐标转换就是在不同的坐标表示形式间进行转换，基准转换是指在不同的参考基准间进行转换。测量主要涉及踏勘选线、公路初测、公路定测、施工放样以及运营后的变形监测。

动态GPS的应用前景主要有以下两个方面：采用GPS辅助航测成图及建立模型和GPS RTK技术与全站仪相结合

3 GPS技术在公路测量中应用的关键技术研究

GPS 测量具有高精度、高效率的优点,在控制测量领域得到了广泛的应用。随着GPS接收机性能和数据处理技术逐渐完善,GPS 应用领域也不断拓宽。实时GPS测量在公路工程中可以完成多种工作：绘制大比例地形图、工程控制测量、公路中线测设、公路纵横断面测量、施工测量、变形观测。在现代公路勘测中，初测阶段主要是利用 GPS 静态定位技术代替传统的精密导线测量技术进行全线高精度的首级控制测量和加密控制测量，作为测绘带状地形图、线路定测和施工放样的重要基础。下面就在现代公路勘测应用中存在的几个关键问题进行探讨与研究，以期更好地发挥GPS技术的优势。

3.1公路 GPS控制网的布设特点

公路 GPS 网的等级选择：按照交通部JTJ/T 066—98《公路全球定位系统（GPS）测量规范》中的规定要求，公路GPS控制网依其精度分为一级、二级、三级、四级共四个等级。公路GPS控制网一般分二级布设。首级控制网一般按GPS二级点要求布设，加密控制网一般按GPS四级点要求布设，当然也可采用常规导线进行加密。GPS控制网相邻点间弦长精度按公式计算确定，它是GPS网质量检核的重要精度指标。

公路 GPS 网的布设特点：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： GPS网淡化了“分级布网、逐级控制”的布设原则；GPS网对点的位置和图形结构没有过苛要求；GPS接收机采集的是接收机天线至卫星的距离和卫星星历等数据，而不是常规测量技术所观测的地面点间相对观测量(如角度、距离、高差等)。因此，GPS 网不强求点间通视。

3.2公路GPS网投影变形的处理

《公路全球定位系统（GPS）测量规范》中规定，GPS的 WGS84坐标系统转换到所选的国家或地方坐标系统时，应使测区内投影长度变形值不大于2.5cm/km（相对变形为1：40000）。也即当测区偏离中央子午线大于45km时，必须考虑长度投影变形的影响。因此在GPS数据处理时，为使后续使用方便必须设法消去高斯投影变形对最后坐标成果的影响。这对公路特别是东西向延伸的特长公路，其首级GPS网的建立显得尤为重要。

3.2.1. 常规处理高斯投影变形的方法

为了有效地控制投影长度变形，常规处理方法其实质就是建立局部坐标系统。

（1）长度变形的产生

我们知道，将实地测量的真实长度归化到国家统一的椭球面上时，应加如下改正数： ，式中表示长度所在方向的椭球曲率半径；表示长度所在高程面对于椭球面的高差；S表示实地测量的水平距离。然后再将椭球面上的长度投影至高斯平面，加入如下改正数：，式中，表示测区中心的横坐标，R表示长度所在方向的椭球曲率半径，S表示实地测量的水平距离。

这样，地面上的一段距离，经过上列2次改正计算，被改变了真实长度。这种高斯投影平面上的长度与地面长度之差，称为长度综合变形，其计算公式为

。上式表明，采用国家统一坐标系统所产生的长度综合变形，与测区所处投影带内的位置和测区平均高程有关。

(2) 局部坐标系统的选择

局部坐标系统通常有以下几种可选方案。

其一：选择抵偿高程面作为投影面，按高斯投影3°带计算平面直角坐标。

其二：选择任意投影带，投影面仍采用国家椭球面，按高斯投影计算平面直角坐标。

其三：选择平均高程面或抵偿高程面作为投影面，以通过测区中心的子午线作为中央子午线，按高斯投影计算平面直角坐标。

(3) 局部坐标系统的局限性

上述第一种方法是通过改变投影面来抵偿长度综合变形的，具有换算简便、概念直观等优点，且换算后的新坐标与原国家统一坐标系坐标十分接近，有利于测区内外之间的联系，但适用区域有限。第二种方法是通过改变中央子午线、选择任意投影带来抵偿长度综合变形的，同样具有概念清晰、换算简便等优点，但是换算后的新坐标与在原国家统一坐标系坐标差异较大。第三种方法是用既改变投影面、又改变投影带来抵偿长度综合变形的，这种既换面又换带的方法不够简便、不易施行，同时换算后的新坐标与原国家统一坐标系的坐标差异较大，不利于和国家统一坐标系之间的联系。对于特长东西向的公路GPS控制网，为了保证精度，只能采取分段高斯投影而迁就使用上的不便。

（4） 采用兰勃特投影处理长度变形

公路GPS控制网的高精度是确保公路优质建设的基础之一。目前，在公路控制网的建立上基本都采用高斯投影的形式，这种形式对于南北向或近南北向公路是适宜的。当公路呈现东西走向或近东西走向时，采用高斯投影的缺陷就会明显地显露出来，表现为投影带边缘变形过大。这严重影响了投影带边缘附近公路施工放样的精度及带状图测绘精度。

公路 GPS 网投影变形的解决方案：公路GPS网出现投影变形超限是十分普遍的，必须妥善解决。本文中的研究表明：解决投影变形超限应根据公路的走向、长度等实际情况，采取相应的处理方法。

（1）对于不太长的公路（100km以内），不论其走向如何，均可采用基于高斯投影的局部坐标系统选择方案。

（2）对于较长的公路（100km以上）或特长公路，如果是南北向或南北向，采用高斯投影方案；如果是东西向或近东西向，可以采用双标准纬线兰勃特投影方案；对于±45°左右方位的公路，可以灵活选用各种方案。

建议在进行长大东西向或近东西向公路建设中采用双标准纬线兰勃特正形圆锥投影。

3.3 RTK 技术应用中相关问题解决方案

在工程建设中，GPS RTK 技术已经得到了广泛的应用。国内很多单位都配置了双频或单频带 RTK 功能的 GPS 仪器，公路勘测部门更是充分发挥 RTK 测量的技术优势，用于图根控制、像片控制、施工放样及带状图测绘等诸多方面，取得了很好的经济效益。相对于 GPS 静态或快速静态测量，RTK 的实时性也给测量人员提出了更高的要求。由于 RTK 测量缺少必要的检核条件，作业时如果操作失误或某些技术问题处理不当，都将会给测量成果带来严重影响。因此，必须通过对 RTK 测量成果进行质量控制，才能确保实际观测的 RTK 成果正确可靠，一旦发现问题，可以及时采取相应的措施进行处理。通过对 RTK 技术特点的分析，研究了影响 RTK 测量成果精度和可靠性的关键技术因素，结合RTK 设备的特点提出了质量控制的实用方法。

影响RTK精度的关键技术因素：RTK 的误差来源 ，整周模糊值，数据链，

RTK测量成果的质量控制方法：已知点检核比较法，快速静态比较法，复测比较法，穿线比较法，电台变频法。

4结论与展望

GPS是目前世界上应用最广泛的卫星导航系统，将在公路工程测量中有更大的作用。随着GPS系统的完善，定位技术的成熟，GPS定位技术应用于公路测量的研究系统的某些方面需要进一步的研究。主要有以下几个方面：公路 GPS 网的高程转换问题的研究；GPS在GIS前端数据采集中的应用研究；公路勘测一体化是现代公路勘测的发展方向，也是建立公路勘测、设计、施工、后期管理一体化的重要基础，与此相关的一系列技术问题还有待后续进一步的研究。

参考文献

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