摘要：論文簡要介紹了GPS技術(shù)的發(fā)展、現(xiàn)代公路測量的技術(shù)特點以及GPS技術(shù)在公路工程中的應(yīng)用現(xiàn)狀;全面地研究了GPS技術(shù)在公路測量中的應(yīng)用，對RTK測量的基本原理、作業(yè)方式以及地方化轉(zhuǎn)換參數(shù)的選取進行了研究，提出了在公路工程中應(yīng)靈活地選用各種作業(yè)方式，分段動態(tài)更新地方化轉(zhuǎn)換參數(shù)，并綜合運用多種檢核方法，實現(xiàn)RTK測量成果的全面質(zhì)量控制。

　　關(guān)鍵詞：GPS技術(shù),公路測量,坐標(biāo)系,坐標(biāo)轉(zhuǎn)換,質(zhì)量控制

　　1前言

　　近幾年來，隨著國民經(jīng)濟的快速增長，我國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)不斷加大投入，公路建設(shè)得到突飛猛進的發(fā)展，尤其是大批的現(xiàn)代高等級公路建設(shè)項目陸續(xù)上馬。這些現(xiàn)代的高等級公路勘測相對于以往的傳統(tǒng)公路勘測，具有線路更長、精度要求更高、時間要求更緊等一系列特點，需要我們加大公路勘測設(shè)計和施工建設(shè)方面的科技含量，提高公路作業(yè)的現(xiàn)代化水平。GPS技術(shù)應(yīng)用于公路勘測是公路建設(shè)領(lǐng)域的一項重大技術(shù)革命，其應(yīng)用前景十分廣闊。GPS 定位技術(shù)的應(yīng)用，可以使公路勘測擺脫繁重的外業(yè)工作，加快作業(yè)進度，提高測量精度，是公路勘測的現(xiàn)代化手段之一。相對于經(jīng)典測量來說，GPS測量主要有以下特點：測站之間無需通視;定位精度高;觀測時間短;提供三維坐標(biāo);操作簡便;全天候作業(yè)。

　　2 GPS技術(shù)在公路工程中的應(yīng)用現(xiàn)狀

　　GPS技術(shù)自從代替了傳統(tǒng)的全站儀后，先后發(fā)展靜態(tài)GPS、常規(guī)動態(tài)RTK、城市CORS系統(tǒng)等模式。GPS技術(shù)是利用空間測距交會定點原理來進行定位的。根據(jù)待定點上的接收機相對于地球的運動狀態(tài)，可以分為靜態(tài)定位和動態(tài)定位。在現(xiàn)代公路勘測中，主要是應(yīng)用GPS靜態(tài)相對定位技術(shù)和實時動態(tài)差分定位(RTK)技術(shù)，來完成傳統(tǒng)測量方法中的線路控制、中線放樣等一系列工作。GPS定位的主要誤差可分為三個部分：與衛(wèi)星有關(guān)的誤差、接收機的誤差以及電波信號傳播路徑帶來的誤差。公路工程一般包括新建公路、改建公路及擴建公路等。這些工程特別是高等級公路工程投資巨大、內(nèi)容復(fù)雜、工程量大，需要進行大量的勘測設(shè)計和施工建設(shè)等工作，而其中的測量工作一直貫穿于公路建設(shè)的始終，占有極其重要的地位。測量中常用坐標(biāo)系及其轉(zhuǎn)換是測繪工作的重點，現(xiàn)代公路測量中常用坐標(biāo)系統(tǒng)：WGS-84坐標(biāo)系，1954北京坐標(biāo)系，1980西安大地坐標(biāo)系，2000國家坐標(biāo)系，地方獨立坐標(biāo)系。所謂坐標(biāo)轉(zhuǎn)換就是在不同的坐標(biāo)表示形式間進行轉(zhuǎn)換，基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換是指在不同的參考基準(zhǔn)間進行轉(zhuǎn)換。測量主要涉及踏勘選線、公路初測、公路定測、施工放樣以及運營后的變形監(jiān)測。

　　動態(tài)GPS的應(yīng)用前景主要有以下兩個方面：采用GPS輔助航測成圖及建立模型和GPS RTK技術(shù)與全站儀相結(jié)合

　　3 GPS技術(shù)在公路測量中應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)研究

　　GPS 測量具有高精度、高效率的優(yōu)點,在控制測量領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。隨著GPS接收機性能和數(shù)據(jù)處理技術(shù)逐漸完善,GPS 應(yīng)用領(lǐng)域也不斷拓寬。實時GPS測量在公路工程中可以完成多種工作：繪制大比例地形圖、工程控制測量、公路中線測設(shè)、公路縱橫斷面測量、施工測量、變形觀測。在現(xiàn)代公路勘測中，初測階段主要是利用 GPS 靜態(tài)定位技術(shù)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的精密導(dǎo)線測量技術(shù)進行全線高精度的首級控制測量和加密控制測量，作為測繪帶狀地形圖、線路定測和施工放樣的重要基礎(chǔ)。下面就在現(xiàn)代公路勘測應(yīng)用中存在的幾個關(guān)鍵問題進行探討與研究，以期更好地發(fā)揮GPS技術(shù)的優(yōu)勢。

　　3.1公路 GPS控制網(wǎng)的布設(shè)特點

　　公路 GPS 網(wǎng)的等級選擇：按照交通部JTJ/T 066—98《公路全球定位系統(tǒng)(GPS)測量規(guī)范》中的規(guī)定要求，公路GPS控制網(wǎng)依其精度分為一級、二級、三級、四級共四個等級。公路GPS控制網(wǎng)一般分二級布設(shè)。首級控制網(wǎng)一般按GPS二級點要求布設(shè)，加密控制網(wǎng)一般按GPS四級點要求布設(shè)，當(dāng)然也可采用常規(guī)導(dǎo)線進行加密。GPS控制網(wǎng)相鄰點間弦長精度按公式計算確定，它是GPS網(wǎng)質(zhì)量檢核的重要精度指標(biāo)。

　　公路 GPS 網(wǎng)的布設(shè)特點：采用GPS技術(shù)布設(shè)公路控制網(wǎng)，與采用傳統(tǒng)的控制測量方法布設(shè)公路控制網(wǎng)，兩者觀念區(qū)別很大，具有以下特點： GPS網(wǎng)淡化了“分級布網(wǎng)、逐級控制”的布設(shè)原則;GPS網(wǎng)對點的位置和圖形結(jié)構(gòu)沒有過苛要求;GPS接收機采集的是接收機天線至衛(wèi)星的距離和衛(wèi)星星歷等數(shù)據(jù)，而不是常規(guī)測量技術(shù)所觀測的地面點間相對觀測量(如角度、距離、高差等)。因此，GPS 網(wǎng)不強求點間通視。

　　3.2公路GPS網(wǎng)投影變形的處理

　　《公路全球定位系統(tǒng)(GPS)測量規(guī)范》中規(guī)定，GPS的 WGS84坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換到所選的國家或地方坐標(biāo)系統(tǒng)時，應(yīng)使測區(qū)內(nèi)投影長度變形值不大于2.5cm/km(相對變形為1：40000)。也即當(dāng)測區(qū)偏離中央子午線大于45km時，必須考慮長度投影變形的影響。因此在GPS數(shù)據(jù)處理時，為使后續(xù)使用方便必須設(shè)法消去高斯投影變形對最后坐標(biāo)成果的影響。這對公路特別是東西向延伸的特長公路，其首級GPS網(wǎng)的建立顯得尤為重要。

　　3.2.1. 常規(guī)處理高斯投影變形的方法

　　為了有效地控制投影長度變形，常規(guī)處理方法其實質(zhì)就是建立局部坐標(biāo)系統(tǒng)。

　　(1)長度變形的產(chǎn)生

　　我們知道，將實地測量的真實長度歸化到國家統(tǒng)一的橢球面上時，應(yīng)加如下改正數(shù)：表示長度所在方向的橢球曲率半徑;表示長度所在高程面對于橢球面的高差;S表示實地測量的水平距離。然后再將橢球面上的長度投影至高斯平面，加入如下改正數(shù)式中，表示測區(qū)中心的橫坐標(biāo)，R表示長度所在方向的橢球曲率半徑，S表示實地測量的水平距離。

　　這樣，地面上的一段距離，經(jīng)過上列2次改正計算，被改變了真實長度。這種高斯投影平面上的長度與地面長度之差，稱為長度綜合變形，其計算公式為上式表明，采用國家統(tǒng)一坐標(biāo)系統(tǒng)所產(chǎn)生的長度綜合變形，與測區(qū)所處投影帶內(nèi)的位置和測區(qū)平均高程有關(guān)。

　　(2) 局部坐標(biāo)系統(tǒng)的選擇

　　局部坐標(biāo)系統(tǒng)通常有以下幾種可選方案。

　　其一：選擇抵償高程面作為投影面，按高斯投影3°帶計算平面直角坐標(biāo)。

　　其二：選擇任意投影帶，投影面仍采用國家橢球面，按高斯投影計算平面直角坐標(biāo)。

　　其三：選擇平均高程面或抵償高程面作為投影面，以通過測區(qū)中心的子午線作為中央子午線，按高斯投影計算平面直角坐標(biāo)。

　　(3) 局部坐標(biāo)系統(tǒng)的局限性

　　上述第一種方法是通過改變投影面來抵償長度綜合變形的，具有換算簡便、概念直觀等優(yōu)點，且換算后的新坐標(biāo)與原國家統(tǒng)一坐標(biāo)系坐標(biāo)十分接近，有利于測區(qū)內(nèi)外之間的聯(lián)系，但適用區(qū)域有限。第二種方法是通過改變中央子午線、選擇任意投影帶來抵償長度綜合變形的，同樣具有概念清晰、換算簡便等優(yōu)點，但是換算后的新坐標(biāo)與在原國家統(tǒng)一坐標(biāo)系坐標(biāo)差異較大。第三種方法是用既改變投影面、又改變投影帶來抵償長度綜合變形的，這種既換面又換帶的方法不夠簡便、不易施行，同時換算后的新坐標(biāo)與原國家統(tǒng)一坐標(biāo)系的坐標(biāo)差異較大，不利于和國家統(tǒng)一坐標(biāo)系之間的聯(lián)系。對于特長東西向的公路GPS控制網(wǎng)，為了保證精度，只能采取分段高斯投影而遷就使用上的不便。

　　(4) 采用蘭勃特投影處理長度變形

　　公路GPS控制網(wǎng)的高精度是確保公路優(yōu)質(zhì)建設(shè)的基礎(chǔ)之一。目前，在公路控制網(wǎng)的建立上基本都采用高斯投影的形式，這種形式對于南北向或近南北向公路是適宜的。當(dāng)公路呈現(xiàn)東西走向或近東西走向時，采用高斯投影的缺陷就會明顯地顯露出來，表現(xiàn)為投影帶邊緣變形過大。這嚴重影響了投影帶邊緣附近公路施工放樣的精度及帶狀圖測繪精度。

　　公路 GPS 網(wǎng)投影變形的解決方案：公路GPS網(wǎng)出現(xiàn)投影變形超限是十分普遍的，必須妥善解決。本文中的研究表明：解決投影變形超限應(yīng)根據(jù)公路的走向、長度等實際情況，采取相應(yīng)的處理方法。

　　(1)對于不太長的公路(100km以內(nèi))，不論其走向如何，均可采用基于高斯投影的局部坐標(biāo)系統(tǒng)選擇方案。

　　(2)對于較長的公路(100km以上)或特長公路，如果是南北向或南北向，采用高斯投影方案;如果是東西向或近東西向，可以采用雙標(biāo)準(zhǔn)緯線蘭勃特投影方案;對于±45°左右方位的公路，可以靈活選用各種方案。

　　建議在進行長大東西向或近東西向公路建設(shè)中采用雙標(biāo)準(zhǔn)緯線蘭勃特正形圓錐投影。

　　3.3 RTK 技術(shù)應(yīng)用中相關(guān)問題解決方案

　　在工程建設(shè)中，GPS RTK 技術(shù)已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。國內(nèi)很多單位都配置了雙頻或單頻帶 RTK 功能的 GPS 儀器，公路勘測部門更是充分發(fā)揮 RTK 測量的技術(shù)優(yōu)勢，用于圖根控制、像片控制、施工放樣及帶狀圖測繪等諸多方面，取得了很好的經(jīng)濟效益。相對于 GPS 靜態(tài)或快速靜態(tài)測量，RTK 的實時性也給測量人員提出了更高的要求。由于 RTK 測量缺少必要的檢核條件，作業(yè)時如果操作失誤或某些技術(shù)問題處理不當(dāng)，都將會給測量成果帶來嚴重影響。因此，必須通過對 RTK 測量成果進行質(zhì)量控制，才能確保實際觀測的 RTK 成果正確可靠，一旦發(fā)現(xiàn)問題，可以及時采取相應(yīng)的措施進行處理。通過對 RTK 技術(shù)特點的分析，研究了影響 RTK 測量成果精度和可靠性的關(guān)鍵技術(shù)因素，結(jié)合RTK 設(shè)備的特點提出了質(zhì)量控制的實用方法。

　　影響RTK精度的關(guān)鍵技術(shù)因素：RTK 的誤差來源 ，整周模糊值，數(shù)據(jù)鏈，

　　RTK測量成果的質(zhì)量控制方法：已知點檢核比較法，快速靜態(tài)比較法，復(fù)測比較法，穿線比較法，電臺變頻法。

　　4結(jié)論與展望

　　GPS是目前世界上應(yīng)用最廣泛的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，將在公路工程測量中有更大的作用。隨著GPS系統(tǒng)的完善，定位技術(shù)的成熟，GPS定位技術(shù)應(yīng)用于公路測量的研究系統(tǒng)的某些方面需要進一步的研究。主要有以下幾個方面：公路 GPS 網(wǎng)的高程轉(zhuǎn)換問題的研究;GPS在GIS前端數(shù)據(jù)采集中的應(yīng)用研究;公路勘測一體化是現(xiàn)代公路勘測的發(fā)展方向，也是建立公路勘測、設(shè)計、施工、后期管理一體化的重要基礎(chǔ)，與此相關(guān)的一系列技術(shù)問題還有待后續(xù)進一步的研究。

　　參考文獻

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