GPS技术在公路工程测量中的应用研究

摘　要：一直以来，传统公路工程测量都是采用水准仪、全站仪等设备实现，由于公路工程测量测区大、线路长、沿线地形复杂多样，所以传统测量方法虽精度高，但劳动强度大，周期长、效率低，同时成本较高。随着GPS测量技术精度水平的不断提高以及研究的不断深入，近年来，利用GPS实时动态定位技术进行高精度的实时定位与快速放样等一整套关键技术逐渐成熟，并在实际工作中得到较好应用和检验。

关键词：GPS技术；公路勘测；测量
1.引言
　　一直以来，传统公路工程测量都是采用水准仪、全站仪等设备实现，由于公路工程测量测区大、线路长、沿线地形复杂多样，所以传统测量方法虽精度高，但劳动强度大，周期长、效率低，同时成本较高。随着GPS测量技术精度水平的不断提高以及研究的不断深入，近年来，利用GPS实时动态定位技术进行高精度的实时定位与快速放样等一整套关键技术逐渐成熟，并在实际工作中得到较好应用和检验。
技术相关理论概述
　　2.1 GPS测量技术特点分析
　　与传统的测量方式相比，GPS测量技术具有更高效、更便捷以及降低工作量、工程成本等特点，GPS 定位技术已经使经典的测量技术经历了一场深刻的变革，从而进入了一个崭新的时代，具体体现在：
　　(1)测站之间无需通视。传统的测量方式，相邻测站之间必须无遮挡，保证通视，而GPS测量测站间无需通视，有效提高了测量的效率。同时，GPS测量一般不受观测时间、地点、天气情况等因素的影响，可以提供全天候、全时段、任意位置测量工作。
　　(2)定位精度高。实验显示，GPS距离测量精度可达到5mm+1ppm，与测距与的测量精度相对，在大范围、长距离测量时，GPS测量精度的可靠性更高，性能优点更突出。
　　（3）操作便捷，测量效率高。随着近年来研究的不断深入以及应用需求的扩展，GPS接收机的体积更小、自动化程度更高、重量更轻、操作更便捷，极大的提高了测量工作的效率，降低了测量工作者工作紧张程度和劳动强度。
　　 (4)提供全面的测量参数。GPS测量在精确测定观测站平面位置的同时，可以精确测定观测站的大地高程。
　　2.2 GPS技术在公路工程测量中的应用
　　GPS在公路勘测中的应用开始于公路控制测量，由于公路建设等级提升对测量精度的要求的提高、公路经过区域已知控制点信息较少以及越来越多的公路建设工程对工期的要求严格，为GPS技术在公路勘测控制测量中的应用推广起到推动作用。在公路控制测量中使用的主要是GPS静态相对定位技术，其定位精度较高，逐步取代常规传统测量方法在路线精密控制网、桥隧精密控制网测设等领域广泛使用。
　　随着GPS定位精度提高以及拟合算法研究的不断深入，GPS技术逐渐在公路水准测量、工程施工放样、中线测设公路附属的桥梁、隧道工程的变形监测中得到推广应用，实验研究数据表明，其精度水平完全能够满足设计精度要求，效率、工期得到很好的提升，工程量和成本有效降低。
静态相对定位技术在公路控制测量中的应用
　　3.1 GPS静态相对定位技术原理
　　GPS静态相对定位技术就是采用两台以上接收机，静态同步观测4颗以上GPS卫星，测定未知测站相对基准站的坐标增量。采用载波相位观测量，定位精度高。一般用户采集l-3小时数据，边长相对精度可达10一6-10一7，甚至更高，点位误差可达毫米级。相对定位的基线长度，可以由几十米到几百公里，甚至上千公里。
　　3.2 公路 GPS 网等级选择与布设
　　按照《公路全球定位系统（GPS）测量规范》要求，公路GPS控制网按照精度要求主要分为四个等级，公路一级GPS控制网控制点间平均距离4㎞，固定误差≤10㎜，比例误差≤2ppm，最弱相邻点点位中误差≤50㎜；公路四级GPS控制网控制点间平均距离0.5㎞，固定误差≤10㎜，比例误差≤20ppm，最弱相邻点点位中误差≤50㎜。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。
　　采用GPS静态相对定位技术布设GPS控制网与采用传统的全站仪测量方式进行公路控制网布设在技术和观念上均存在着很大区别：首先，GPS 网淡化了“分级布网、逐级控制”的布设原则，不同等级的GPS控制网之间的依存关系并不明显；其次，GPS 控制网对点的位置和图形结构没有过苛要求，GPS控制网中点的位置、均匀度、对称度与整个控制网的中点的精度关系不大；最后,GPS控制网中相邻点不要求相互通视。
　　3.3 公路 GPS 控制网布设特点
　　与城市GPS控制网布设、区域地形测量GPS控制网布设等不同，公路GPS 控制网具有以下特点：首先，公路GPS 控制网是带状控制网，为减少横向测量误差，在控制网布设时必须联测不少于 3 个高等级控制点，当条带线路很长时，应增加联测的高等级控制点个数；其次，当测区投影长度变形大于2.5cm/km时，在投影计算式应采用路线中央经度线作为中央子午线以减少投影变形；第三，为保证GPS控制点在施工测量中的可用性，在点位的选择上，应尽量选择在施工影响范围外，以便长期保存；最后，为保证公路GPS 控制网可靠性，应将控制网设计为公共边毗连的多个闭合环，以增加检核条件。
实时动态定位技术在公路工程测量中的应用
　　4.1 GPS实时动态定位技术原理分析
　　GPS实时动态定位（RTK）是一种使用载波相位观测量的实时相对定位技术，其原理是将一台接收机固定安置在基准站上，另一台接收机流动观测，通过两台接收机同步观测，采用拟合算法实时结算的方式消除相关性的误差，提高定位精度。根据基准站发送信息方式的不同，GPS动态相对定位可分为三类:位置差分、伪距差分和相位差分。GPS动态定位技术的精度较静态相对定位技术的精度要低，但效率更高，更方便快捷。常规的GPS实时动态相对定位技术的作用半径小于二十公里。
　　4.2 GPS动态定位技术在公路工程测量中的应用
　　目前，GPS RTK技术随着精度的提高和设备可操作性的增强，在公路勘察设计中得到了广泛的应用。首先，在大比例尺带状地形图测绘中得到应用。高等级公路选线需要利用大比例尺带状地形图，传统测量方式费时费力，RTK技术不需要点间通视，减少测量层次，同时测量效率大大提高，工作量大大降低，内外业周期缩短。其次，在公路选线与中线放样中得到推广应用采用RTK技术进行选线作业，作业方式简单，采用基准站加车载流动站的方式，省时省力 ，精度高。中线放样可采用先计算中桩坐标，然后输入到GPS 控制手簿，利用RTK 系统中的实时放样功能，也可采用RTK 系统可机内固有的放样模式(Stake Out)直接放样，操作灵活，方便快捷；最后，在道路的纵、横断面放样中RTK技术的应用也较为成熟。
5.结论
　　GPS技术近几十年得到了长足的发展，随着卫星轨道和钟差的精度不断提高，精密单点定位技术静态定位精度可达到 mm-cm 级，动态定位精度可达到 cm-dm 级，精度的提高使得应用推广速度不断加快。本文通过对GPS技术静态定位技术和动态定位技术基本原理的分析，结合公路勘测实际，分析了GPS技术在公路勘测控制网布设，选线测量、中线测量、施工放样中的应用，其结果对推动GPS 技术在公路工程测量中的应用具有一定的指导意义。
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