在公路工程中首先引入GPS的是公路控制测量。公路控制测量是路线勘测设计的基础, 随着高等级道路的兴建, 对路线勘测提出了更高的要求, 由于线路长且己知点少, 因此, 用常规手段不仅布网困难而且难以满足高精度的要求, 而GPS高精度的特点正好可以满足这一要求。从20世纪90年代中期, 许多公路工程部门开始了GPS定位技术在公路控制测量中的应用和研究。如应用GPS进行了控制测量的技术并在新疆乌奎高等级公路、江苏徐连高速公路、江苏宁通公路、云南元磨公路进行了有益的实践。广东长大公路工程有限公司开展了GPS水准测量在高程控制测量中的应用研究。目前国内己逐步采用GPS技术建立线路首级高精度控制网, 如在沪宁高速公路, 青银高速公路, 广惠高速公路等公路控制测量中得到广泛应用。
此外, 在隧道外控制、特大桥梁的施工, 也需要高精度控制测量。GPS技术也同样应用于特大桥梁和隧道贯通的控制测量中, 由于无需通视, 可构成较强的图形结构特别是对常规测量中无检核的支点的量测提供了方便。在江阴长江大桥的建设过程中就应用了GPS技术对常规精密边角网进行检测。首先用常规测量建立了高精度的边角网, 然后利用GPS技术对该网进行检测, GPS检测网达到了毫米级精度, 与常规测量的结果符合较好, 取得了较好的效果。长梁山隧道贯通的洞外控制测量采用了GPS定位技术进行施测。杭州湾大桥项目也采用了GPS定位技术。
在公路控制测量中通常采用静态相对定位技术, 也就是至少有两台GPS接收机同时观测, 经处理后可以精确获得两点的三维坐标差, 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, 因此广泛应用于大地测量、形变监测等高精度测量领域。同样静态相对定位技术将在相当广泛的范围内逐步地取代以往的常规测量方法广泛应用于公路控制测量中, 如用于建立路线精密控制网、桥隧精密控制网等。随着应用理论研究的深入以及作业规范的建立和完善, 静态相对定位技术将会更好的为公路工程中的控制测量服务。
GPS控制测量工作与经典大地测量工作相类似, 按其性质可分为外业和内业两大部分。其中:外业工作主要包括选点 (即观测站址的选择) 、建立观测标志、野外观测作业以及成果质量检核等;内业工作主要包括GPS测量的技术设计、测后数据处理以及技术总结等。如果按照GPS测量实施的工作程序, 则大体可分为这样几个阶段:技术设计;选点与建立标志;外业观测;成果检核与处理。
作业方法:采用两台 (或两台以上) 接收机, 分别安置在一条 (或数条) 基线的端点, 根据基线长度和要求的精度, 按GPS测量系统外业的要求同步观测四颗以上的卫星数时段, 时段长度根据测量等级确定。
定位精度:基线测量的精度可达± (5mm+1ppm×D) , D为基线长度, 以公里计。
作业要求:采取这种作业模式所观测的独立基线边, 应构成闭合图形 (如三角形、多边形) , 以利于观测成果的检核, 增强网的强度, 提高成果的可靠性和精确性。适用范围。
建立国家大地控制网 (二等或二等以下) 。
建立精密工程控制网, 如桥梁测量、隧道测量等;建立各种加密控制网, 如城市测量、工程点测量、道路测量、勘界测量等;观测中至少跟踪四颗卫星, 同时基线边一般不要超过15km。
注意事项:所有已观测基线应组成一系列封闭图形, 已利于外业检核, 提高成果可靠度。
GPS测量是一项技术复杂、要求严格、耗费较大的工作, 对这项工作总的原则是, 在满足用户要求的情况下, 尽可能地减少经费、时间、和人力的消耗。因此, 对其各阶段的工作都要精心设计和实施。GPS测量的工作程序见图1。
某公路是连接南宁与桂林等城市的重要通道。该公路拓宽改建工程全长18.07km, 拓宽后的道路从原先的双向4车道改建为双向8车道。本工程基础平面控制采用GPS测量, 按照《公路勘测规范》 (JTCC10-2007) 中四等网技术标准实施。以二等点“G2035、G2015”作为起算点进行布网。设计GPS网的精度为四等, 结合本工程的具体情况, 沿线路走向布设GPS点, GPS网采用边连式, 组成网中的基线有一定数量的多余观测, 以增强成果的可靠, 取“G2035、G2015”两点作为四等GPS控制网的起算点, 以取得了可靠的坐标转换参数。根据线路情况, GPS首级网拟布设成带状大地四边形锁的形式, 点对点之间相互通视。平均400~500m左右布设1对GPS点。全线共布设107点四等GPS控制点。
控制点均选择在施工红线之外且满足通视要求和相对稳定。点位选设时避免了各种电磁波对GPS卫星信号的干扰、以及因施工的影响而产生点位的变动。控制点分布均匀, 相邻边长之比小于1/2。
(1) GPS坐标系统及起算依据。
GPS测量采用坐标系为深圳城市坐标系 (参考1954北京坐标系转换) ;1954年北京坐标系为北京54椭球。
(2) 四等GPS控制网的主要技术指标。
每对相邻点的平均距离 (km) ;固定误差≤5mm;比例误差≤3ppm;最弱相邻点的相对中误差为1/35000。
使用6台Ashtech型静态单频GPS接收机 (标称精度为5mm+1ppm) 进行GPS网野外数据采集。
卫星截止高度角, ≥15°;同时观测有效卫星数, ≥4;平均重复设站数, ≥1.6;同时观测有效卫星数≥4;时段长度, ≥60min;数据采样率 (S) , ≤30s。
每时段观测均量取天线高两次, 其互差不超过3mm, 取平均值作为最后天线高。
GPS观测数据内业编辑输入相关点位信息后, 采用接收机配备的商用软件Ashte chsolutions2.5进行基线解算, 保证每一条基线都求出整周模糊度。重复基线较差和非同步环闭合差的检核仍按外业基线检核时的要求进行。
对整网进行无约束平差并检核GPS网的观测质量。以所有独立基线组成闭合图形, 以三维基线向量及相应方差协方差阵作为观测信息, 以网一点的WGS-84系三维坐标作为起算依据, 进行全网无约束平差。对整网进行二维约束平差。以深圳市平面控制网GPS点“G2015、2035”作为起算数据, 对控制网进行二维约束平差计算。
6.1 环闭合差统计 (如表1)
6.2 基线残差统计 (如表2)
6.3 平面平差基线相对精度统计 (如表3)
6.4 gps点位中误差统计
100%的点位精度在1.0c m以内, 其中46%精度小于0.5cm。以上充分说明观测数据合格, 基线解算质量良好, GPS网的测量精度满足四等要求。
随着城市建设规模日益扩大, 今后遇到高速公路拓宽改建的项目会越来越多, 在保证工程进度及精度要求下, 如何将GPS技术在大型工程施工控制中灵活运用是一个只得探讨的课题。通过本工程的实践笔者得到如下一些体会。
(1) GPS观测受到各种外界因素的影响有可能产生粗差和各种随机误差, 为了对GPS观测成果进行质量检查, 保证成果的可靠并恰当地评定精度, 就要求由非同步独立观测边构成闭合环或符合线路。作业时不应将非独立边作为独立观测边处理, 更不能将同步闭合环当作非同步闭合环。 (2) 对GPS网进行图型设计时, 应使闭合环的边数小于规范的规定, 仅允许个别闭合环的边数等于规范的边数, 为了使外业观测有计划的进行, 避免GPS独立边选择的随意性, 便于及时检查观测结果。宜按设计网图选定GPS独立边, 必要时, 在经过技术负责人审议后, 可根据具体情况作适当调整。
摘要：本文基于笔者多年从事工程测量的相关工作经验, 以南宁某公路工程测量为工程背景, 探讨了该工程中线路控制测量的相关关键技术, 论文首先分析了公路工程控制测量现状, 进而探讨了GPS控制测量的实施步骤, 在此基础上, 笔者结合具体的工程案例探讨了GPS公路工程控制测量方法, 全文是笔者长期工作实践基础上的理论升华, 相信对同行能有所裨益。
关键词：GPS,公路,控制测量,精度
[1] 周忠漠, 易杰军, 周琪.GPS卫星测量原理与应用[M].北京:测绘出版社, 1995.
[2] 张雨化.公路勘测设计[M].南宁:人民交通出版社, 1986.
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