西宁某高速公路全线采用双向四车道全封闭高速公路标准建设, 设计行车时速100公里/小时~120公里/小时。本人选取其中10km作为GPS沉降变形监测的工程项目, 所处地形为平原和丘陵连接地带, 设计路基宽度26m。路线设计为四车道该段有11个各种系统的平面控制点, 经过实地寻找, 找出了5个。
在已找出的5个控制点中, 国家测绘局系统一等点2个, 二等点1个, 城市测量系统点2个, 这些平面控制点分属不同测量系统, 且等级不同。2010年9月, 本人对其中10km路段进行了测定, 采用了GPS技术进行高程测量, 并与用二等水准测量的高程数据进行比较和分析, 在测量过程中有意识对GPS的高程进行了检验。
(1) 观测使用AshtechZ-X双频GPS接收机5台, 二等水准采用NAZ+GPM3型水准仪。并对两种方法测量的成果进行分析, 同时用全站仪检验了GPS点的坐标。
(2) GPS网采用静态模式观测, 网形采用边连式。观测时最少卫星数5颗, 存储的限差:水平为±5mm, 垂直为±10mm;水准测量参照二等水准的精度指标。
(3) 在测区内l0km范围内有GPS基准点7个, 布设14个变形监测点, 每个点监测1h~2h。
下面结合某高速公路的其中10km路段的变形监测网, 对GPS基准网和监测网的精度进行分析, 该路段沉降变形监测网, 由7个基准点 (JZ03、JZ06、JZ08、JZ09、JZ10、JZ18和JZ21) 组成了GPS基准网;由14个监测点 (BJ01、BJ02、BJ04、BJ05、BJ07、BJ11、BJ12、BJ13、BJ14、BJ15、BJ16、BJ17、BJ19、BJ20) 组成了GPS监测网。通过长时间的精密水准观测和基准分析, 认定JGO3点是稳定的, 把JZO3作为基准起算点, 解算整个GP S网, GPS沉降变形监测网采用边连接形式布设。
表1给出了GPS基准网基线解算的边长中误差。从表1中可以看出, GPS基准网的基线解算精度达到了毫米级。最大的基线边长中误差为5.7mm, 最小的基线边长中误差为0.lmm。GPS基准网是在WGS-84坐标系下进行整体平差。平差时, 固定具有精密WGS-84坐标的JG03点, 以提高整个基准网的位置精度。平差后获得其它基准点在WGS-84坐标系下的空间直角坐标、大地坐标和高斯平面直角坐标及相关精度信息。监测网的平差也在WGS-84坐标系下进行。经过平差后获得监测点在WGS-84坐标系下的空间直角坐标、大地坐标及相关的精度信息;然后固定JGO3点和方向, 在WGS-84坐标系的高斯平面上进行平差。平差后获得变形监测点的高斯平面直角坐标、监测点间的平面边长及其相关信息。
从GPS基准点和变形监测点的中误差统计可以发现, 高程分量的精度虽然不如南北和东西方向分量的精度, 但也没有超过6mm的, 除了个别点因为周围观测条件的影响 (特别是多路径效应的影响) 以及城区观测环境的因素外, 大多数都在4mm左右, 是可以满足沉降变形监测的需要。当然, 如果在观测过程中, 采取更多的措施比如, 采集数据前, 精确检验每个天线的相位中心位置, 特别是垂直方向的差值;观测时段增加到10h以上, 同时拥有更多的同步观测站点等, 精度会更高, 也是值得进一步考虑的 (表2) 。
比较GPS与全站仪2种方法的测量结果可以看出:在2种方法下测得的同一坐标之差的最大值分别为:△Xma x=4.0mm△Ymax=5.0mm。
因此, GPS测量成果是精确可靠的, 从表3不同时期高程统计表下面定位精度一致性检验结果来看, GPS技术测量的点位精度可达毫米级, 与全站仪测定结果符合得较好, 可以较好地满足公路变形监测的精度要求。
使用GPS测出变形监测点的高程, 然后将GPS高程与水准高程进行比较, 其比较结果具有很高的参考价值据。
计算得出, GPS高程与水准高程最大差值不超过5mm。GPS高程能满足公路变形监测的精度要求。GPS的数据处理结果表明, 在水平方向上的监测精度能达到毫米级, 在竖直方向上的精也能达到毫米级。完全符合公路沉降变形监测的精度要求。下面表格中的数据是从工程实例中抽取具有代表性的公路GPS沉降变形监测点, 并以此数据为例, 对数据进行分析。
表3中仅列出了五个观测周期的数据进行分析, 从中可以看出, 不同周期的数据有所变化, 相邻观测周期之间的高程变化不大, 到了监测后期变化甚小, 趋于平稳状态。也就是说, 在公路刚刚进入运营阶段是最容易发生沉降变形的, 因此, 刚刚投入使用的公路, 前期的维护和保养是相当关键的。
在此基础上, 笔者选择工程中的部分变形监测点, 绘制在公路使用过程中的高程变化趋势图。由于选取的变形监测点是随机的, 因此, 该图形可以代表该高速公路的其中10km路段的整体变化情况, 可以清楚的看到, 在公路使用前期, 监测点随时间呈下沉趋势, 而且下沉比较明显。到了沉降监测后期, 由于前期在沉降变形过程中, 对公路进行了科学的维护和保养, 路面结构稳定, 强度较高, 在后期的运营过程中, 高程变化很小, 相邻观测周期之间的高差趋于零。也就是说, 通过工程实践, 可以认定铁朝高速公路是稳定的。
摘要：本文基于笔者多年从事工程测量的相关工作经验, 以GPS在公路沉降测量中的应用为研究对象, 论文首先概述了该工程的现状, 进而探讨了GPS测量的实施步骤, 在此基础上, 进行了精度分析, 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
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