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.