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刍议GPS在公路工程测量中的应用研究

 刍议GPS在公路工程测量中的应用研究

  摘要:论文首先介绍了GPS主要工作特点,重点针对公路工程的特点,从GPS在公路勘测中的静态及动态GPS相对定位的应用两方面分析了GPS在公路工程测量中的应用,最后分析了GPS在公路工程中的应用前景。

  关键词:GPS,公路测量,应用  

  GPS技术的众多优点集中体现在精度高,作业时间短,不受天气、通视条件等影响,交通便利更能提高工作效率。GPS在各行各业得到了广泛的应用。目前的高等级公路,尤其是高速公路,由于其车速高、全封闭的特点,对线形标准要求很高;相应的沿线经过的地形较为复杂而且影响通视,另外这些重点建设工程往往是任务重、时间紧。因此作为先期工作的基础控制测量,采用GPS技术是最理想的作业方法。因此,如何更好地发挥GPS的作用,提高工作效率,从理论到实践仍有较大的距离。公路勘测对测量不仅要求高而且有其特殊性。

  1GPS的特点

  GPS具有如下特点:1)不受时间、地点的限制。GPS卫星能够覆盖全球,即在地球上任一位置、任一时间都至少能同时观测到四颗卫星,因此,不论白天还是黑夜、无论是海上、天空还是在陆地上均可随时进行定位、授时等服务。2)不受天气限制。无论是雨雪还是风雾的天气均可进行GPS定位服务,因此,在恶劣气候环境下也能进行GPS定位,保证用户在恶劣气候环境下按时顺利地完成任务。3)实时定位。对导航用户而言,需要实时知道自己所处的位置。利用子午卫星系统要测若干段时间后才能获得定位结果;而GPS利用实时的观测数据获得实时的定位结果,具有实时性。4)无需通视。对常规测量而言,点与点之间只有通视才能进行测量,而GPS用于测量的一个显著优点就是点与点之间无需通视,只要各测量点能接受到卫星信号就可进行定位,因此,可以避免许多过渡点,不仅给测量工作到来许多方便、节省许多费用,而且能够提高测量精度。5)定位精度高、速度快、经济效益高在导航及测量领域,GPS与常规方法相比,具有精度高、速度快、操作简单、自动化程度高等优点,由此带来了很好的经济和社会效益。

  2GPS在公路勘测中的应用

  2.1GPS在公路勘测中的静态观测

  静态观测就是至少有两台接收机同时接收卫星信号,经过卫星信号的处理可精确计算出两点在WGS一84地心坐标系的三维坐标差,根据其中一点的坐标可推算出另一点的坐标,由于静态相对定位精度高,因此广泛应用于形变监测、大地测量、城市与工程控制领域。

  表1.GPS控制网的主要技术指标                      

  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下式计算确定,它是GPS网质量检核的重要精度指标。                                       

  式中:σ为弦长标准差,a,b,d的含义同表1

  1)工程概况

  国道G105线(番禺段)北起洛溪大桥北引道,向南经洛溪大桥、大石大桥,贯穿大石街城区至钟村飘峰转西南,经钟村镇谢村、屏山、都那等村,接碧江大桥进入佛山市顺德区;G105国道礼村平交至飘峰段进行扩建,该段道路属于非标准的3车道。扩建工程将对这段国道沿旧路两侧扩宽,扩建后计划设双向8车道。

  2)测量阶段

  根据本工程特点,为紧密配合工程设计及相关工作的顺利开展,拟采用两阶段作业:即控制网的布设(平面控制网和水准控制网);1:1000的地形图测量,基本等高距1米。

  3)测量内容

  平面控制测量:以已知三等平面控制点为起算点,首先布设E-GPS测区首级控制网,平均基线边长约0.4km,新布设9点;再在E-GPS控制网的基础上,沿线路方向布设一级导线,以供发展图根、测图及日后施工使用。高程控制测量:以已知二等高程控制点为起算,布设一个闭合环;线路全线以四等水准路线贯通,布设线路长6km。地形测量:测量范围根据设计提供的边线,测量宽度为100m,遇道路交叉口、小区门口、工厂企业门口及河涌时,碎步点适当加密,测图比例尺为1:1000。

  4)E级GPS控制测量

  利用测区内已有的高等级城建控制点,在测区范围内适度加密GPS点,以作为测区测图和线路定测的首级控制。根据规范的要求,以城建规划局施测的三等GPS控制点为起算点(培训中心,番禺地税局),在控制区的主要道路的较开阔以利于进行GPS测量的位置布设一个由9个待求点及2个起算点组成的E级GPS网作为首级控制以满足测图以及今后施工需要。图根控制点是地形图要素测绘的依据,图根控制点通常采用图根导线加密,可在等级控制点的基础上连续加密二级。在野外测量过程中,天线应整平,天线基座上的圆气泡应居中,对中误差应≤3mm;天线定向标志指向正北,定向误差不应超过5°;观测时应量取仪器高两次,其读数差都不大于3mm,并将中数值输入GPS接收机中。E级GPS观测完后,利用华测公司的GPS平差软件进行基线解算和平差。进行平差前,对起算数据、椭球参数等进行校对,确定准确无误后进行无约束平差和二维约束平差;

  2.2动态GPS相对定位的应用

  动态GPS相对定位就是将一台GPS接收机置于基准站不动。而另一台(或几台)GPS接收机处于运动状态,根据基准站与流动站信号的差分可解算出流动站各时刻的位置参数。动态GPS应用于道路勘测在国内才刚刚起步,国外在这方面的研究早已展开并取得了一些成果。加拿大卡尔加里大学设计了一种动态定位系统,该系统包括一台捷联式惯性系统、两台GPS接收机和一台微机,可用于道路线形的测定,为养路工作服务。该系统对行进中的汽车的定位精度为10~15cm,测定道路坡度的精度为0.1%,平竖曲线的曲率可以每40m小于0.1。的精度求得,对于车速为每小时80km的车辆,沿路每35cm即可获得包括坐标、坡度、横向坡度和平竖曲线曲率的一组数据,可取得道路竣工测量的资料,因测量迅速,对交通繁忙的道路定期复测也有了可能。奥地利研制出了一种用GPS作为测量手段之一的EMSAT测量车,可实时测定火车轨道的几何形状,为轨道养护提供数据。德国和加拿大还试验成功了无需航测外控点的航空摄影测量,只需机载GPS动态测量,用载波相位差分发测定航片的外方位元素,大大地提高了工作效率。我国目前也正在开展这方面的研究,并作了一些试验,取得了初步成果,在航测中的应用具有良好的前景。

  3GPS公路勘测一体化技术前景展望

  近十多年来,由于GPS定位技术在公路勘测系统中的普及,测量作业人员的劳动强度有所减轻,但是整个野外作业步骤并没有太大的触动,因而作业周期仍无显著的缩短。进入新世纪以来,GPSRTK技术逐渐趋于成熟,它所具有的高精度、快速度和强可靠性为公路勘测一体化的实现提供了强有力的保障。公路勘测一体化的构想主要体现在两个方面:其一,扩大实时GPS测量技术的应用领域。其二,简化公路勘测的作业环节。

  3.1扩大RTK技术的应用领域

  GPSRTK技术在公路勘测方面主要用于低等级控制点的加密、数字地面模型的数据采集、中线放样、纵横断面测量等方面。

  1)大比例尺带状地形图测绘

  采用RTK技术进行地形图测绘,不需要点间通视,减少测量层次。仅需1人背着流动站GPS接收机在待测的地物地貌等碎部点上采集1分钟左右,并通过RTK操作手簿输入碎部点的特征编码及属性信息,即可实时地得到碎部点的三维坐标。再通过内业的数据传输和格式转换,至专用绘图软件编辑成图。由于只需要采集碎部点的坐标和输入其属性信息,采集速度快,因此大大降低了测图难度,既省时又省力,非常实用。

  2)道路的纵、横断面放样

  纵断面放样时,先把需要放样的数据输入到电子手簿中(如:各变坡点桩号、直线正负坡度值、竖曲线半径),生成一个施工测设放样点文件,并储存起来,随时可以到现场放样测设。横断面放样时,先确定出横断面形式(填、挖、半填半挖),然后把横断面设计数据输入到电子手簿中(如边坡坡度、路肩宽度、路幅宽度、超高、加宽、设计高),生成一个施工测设放样点文件,储存起来,并随时可以到现场放样测设。因为所用数据都是测绘带状图时采集而来的,不需要到现场进行纵、横断面测量,大大减少了外业工作。必要时也可用动态GPS到现场检测复核,这与传统方法相比,既经济又实用,前景又广阔。

  3.2优化公路勘测的作业环节

  虽然公路勘测工作环节众多,十分繁杂,但有了GPSRTK技术后,可以按照“静态+动态”作业方式,甚至可以按照“定位+放样”作业方式,以简化作业环节,实现一体化勘测目标。

  实施“静态+动态”的一体化作业方式。该作业方式是将公路勘测工作分为静态作业和动态作业两大环节。静态作业是利用GPS技术建立全线基础控制网,提供高精度的框架,并为动态作业提供转换参数;动态作业就是利用RTK技术,分段测量放样。要求流动站分工明确,如有的负责测图,有的负责放样。其实质在于扩大RTK技术的应用范围,其关键在于实时GPS系统的数量。数量越多,勘测效率越高。

  4结语

  总之,GPS系统由于其具有全天候、无需通视的特点,GPS就倍受测量界的关注。相信随着GPS系统的完善,GPS定位技术的成熟,GPS定位技术突出地显示出其定位精度高、速度快、效益高等优势,GPS会更加迅速广泛的应用于大地测量、工程测量、工程与地壳变形观测、地籍测量、航空摄影测量和海洋测绘等其他领域。

  参考文献:

  [1]王刊生,李林.GPSRTK技术在公路放样线中的应用.铁道勘察.2004年第5期

  [2]交通部.《公路全球定位系统(GPS)测量规范》.北京:人民交通出版社.1998年7月.

  [3]张孟冬,陈崇哲,陈淑玲.GPS卫星定位技术应用于公路中桩放样.交通科技.2003年2月.  

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