摘要：論文簡(jiǎn)要介紹了GPS技術(shù)的發(fā)展、現(xiàn)代公路測(cè)量的技術(shù)特點(diǎn)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(cè)量中的應(yīng)用，對(duì)RTK測(cè)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(jìn)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(dòng)態(tài)更新地方化轉(zhuǎn)換參數(shù)，并綜合運(yùn)用多種檢核方法，實(shí)現(xiàn)RTK測(cè)量成果的全面質(zhì)量控制。

　　關(guān)鍵詞：GPS技術(shù),公路測(cè)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(jì)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(jìn)的發(fā)展，尤其是大批的現(xiàn)代高等級(jí)公路建設(shè)項(xiàng)目陸續(xù)上馬。這些現(xiàn)代的高等級(jí)公路勘測(cè)相對(duì)于以往的傳統(tǒng)公路勘測(cè)，具有線路更長、精度要求更高、時(shí)間要求更緊等一系列特點(diǎn)，需要我們加大公路勘測(cè)設(shè)計(jì)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(cè)是公路建設(shè)領(lǐng)域的一項(xiàng)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(cè)擺脫繁重的外業(yè)工作，加快作業(yè)進(jìn)度，提高測(cè)量精度，是公路勘測(cè)的現(xiàn)代化手段之一。相對(duì)于經(jīng)典測(cè)量來說，GPS測(cè)量主要有以下特點(diǎn)：測(cè)站之間無需通視;定位精度高;觀測(cè)時(shí)間短;提供三維坐標(biāo);操作簡(jiǎn)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(dòng)態(tài)RTK、城市CORS系統(tǒng)等模式。GPS技術(shù)是利用空間測(cè)距交會(huì)定點(diǎn)原理來進(jìn)行定位的。根據(jù)待定點(diǎn)上的接收機(jī)相對(duì)于地球的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，可以分為靜態(tài)定位和動(dòng)態(tài)定位。在現(xiàn)代公路勘測(cè)中，主要是應(yīng)用GPS靜態(tài)相對(duì)定位技術(shù)和實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)差分定位(RTK)技術(shù)，來完成傳統(tǒng)測(cè)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(gè)部分：與衛(wèi)星有關(guān)的誤差、接收機(jī)的誤差以及電波信號(hào)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(kuò)建公路等。這些工程特別是高等級(jí)公路工程投資巨大、內(nèi)容復(fù)雜、工程量大，需要進(jìn)行大量的勘測(cè)設(shè)計(jì)和施工建設(shè)等工作，而其中的測(cè)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(cè)量中常用坐標(biāo)系及其轉(zhuǎn)換是測(cè)繪工作的重點(diǎn)，現(xiàn)代公路測(cè)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(dú)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(jìn)行轉(zhuǎn)換，基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換是指在不同的參考基準(zhǔn)間進(jìn)行轉(zhuǎn)換。測(cè)量主要涉及踏勘選線、公路初測(cè)、公路定測(cè)、施工放樣以及運(yùn)營后的變形監(jiān)測(cè)。

　　動(dòng)態(tài)GPS的應(yīng)用前景主要有以下兩個(gè)方面：采用GPS輔助航測(cè)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(cè)量中應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)研究

　　GPS 測(cè)量具有高精度、高效率的優(yōu)點(diǎn),在控制測(cè)量領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。隨著GPS接收機(jī)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(shí)時(shí)GPS測(cè)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(cè)量、公路中線測(cè)設(shè)、公路縱橫斷面測(cè)量、施工測(cè)量、變形觀測(cè)。在現(xiàn)代公路勘測(cè)中，初測(cè)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(cè)量技術(shù)進(jìn)行全線高精度的首級(jí)控制測(cè)量和加密控制測(cè)量，作為測(cè)繪帶狀地形圖、線路定測(cè)和施工放樣的重要基礎(chǔ)。下面就在現(xiàn)代公路勘測(cè)應(yīng)用中存在的幾個(gè)關(guān)鍵問題進(jìn)行探討與研究，以期更好地發(fā)揮GPS技術(shù)的優(yōu)勢(shì)。

　　3.1公路 GPS控制網(wǎng)的布設(shè)特點(diǎn)

　　公路 GPS 網(wǎng)的等級(jí)選擇：按照交通部JTJ/T 066—98《公路全球定位系統(tǒng)(GPS)測(cè)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(jí)、二級(jí)、三級(jí)、四級(jí)共四個(gè)等級(jí)。公路GPS控制網(wǎng)一般分二級(jí)布設(shè)。首級(jí)控制網(wǎng)一般按GPS二級(jí)點(diǎn)要求布設(shè)，加密控制網(wǎng)一般按GPS四級(jí)點(diǎn)要求布設(shè)，當(dāng)然也可采用常規(guī)導(dǎo)線進(jìn)行加密。GPS控制網(wǎng)相鄰點(diǎn)間弦長精度按公式計(jì)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(diǎn)：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(cè)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(diǎn)： GPS網(wǎng)淡化了“分級(jí)布網(wǎng)、逐級(jí)控制”的布設(shè)原則;GPS網(wǎng)對(duì)點(diǎn)的位置和圖形結(jié)構(gòu)沒有過苛要求;GPS接收機(jī)采集的是接收機(jī)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(cè)量技術(shù)所觀測(cè)的地面點(diǎn)間相對(duì)觀測(cè)量(如角度、距離、高差等)。因此，GPS 網(wǎng)不強(qiáng)求點(diǎn)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(cè)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(shí)，應(yīng)使測(cè)區(qū)內(nèi)投影長度變形值不大于2.5cm/km(相對(duì)變形為1：40000)。也即當(dāng)測(cè)區(qū)偏離中央子午線大于45km時(shí)，必須考慮長度投影變形的影響。因此在GPS數(shù)據(jù)處理時(shí)，為使后續(xù)使用方便必須設(shè)法消去高斯投影變形對(duì)最后坐標(biāo)成果的影響。這對(duì)公路特別是東西向延伸的特長公路，其首級(jí)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(shí)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(shí)地測(cè)量的真實(shí)長度歸化到國家統(tǒng)一的橢球面上時(shí)，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(duì)于橢球面的高差;S表示實(shí)地測(cè)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(cè)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(shí)地測(cè)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(jì)算，被改變了真實(shí)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(jì)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(cè)區(qū)所處投影帶內(nèi)的位置和測(cè)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(jì)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(jì)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(cè)區(qū)中心的子午線作為中央子午線，按高斯投影計(jì)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(jiǎn)便、概念直觀等優(yōu)點(diǎn)，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(cè)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(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)，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(jiǎn)便、不易施行，同時(shí)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(duì)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(duì)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(shí)，采用高斯投影的缺陷就會(huì)明顯地顯露出來，表現(xiàn)為投影帶邊緣變形過大。這嚴(yán)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(cè)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(shí)際情況，采取相應(yīng)的處理方法。

　　(1)對(duì)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(duì)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(duì)于±45°左右方位的公路，可以靈活選用各種方案。

　　建議在進(jìn)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(cè)部門更是充分發(fā)揮 RTK 測(cè)量的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，用于圖根控制、像片控制、施工放樣及帶狀圖測(cè)繪等諸多方面，取得了很好的經(jīng)濟(jì)效益。相對(duì)于 GPS 靜態(tài)或快速靜態(tài)測(cè)量，RTK 的實(shí)時(shí)性也給測(cè)量人員提出了更高的要求。由于 RTK 測(cè)量缺少必要的檢核條件，作業(yè)時(shí)如果操作失誤或某些技術(shù)問題處理不當(dāng)，都將會(huì)給測(cè)量成果帶來嚴(yán)重影響。因此，必須通過對(duì) RTK 測(cè)量成果進(jìn)行質(zhì)量控制，才能確保實(shí)際觀測(cè)的 RTK 成果正確可靠，一旦發(fā)現(xiàn)問題，可以及時(shí)采取相應(yīng)的措施進(jìn)行處理。通過對(duì) RTK 技術(shù)特點(diǎn)的分析，研究了影響 RTK 測(cè)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(diǎn)提出了質(zhì)量控制的實(shí)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(cè)量成果的質(zhì)量控制方法：已知點(diǎn)檢核比較法，快速靜態(tài)比較法，復(fù)測(cè)比較法，穿線比較法，電臺(tái)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(cè)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(cè)量的研究系統(tǒng)的某些方面需要進(jìn)一步的研究。主要有以下幾個(gè)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(cè)一體化是現(xiàn)代公路勘測(cè)的發(fā)展方向，也是建立公路勘測(cè)、設(shè)計(jì)、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(jìn)一步的研究。

　　參考文獻(xiàn)

　　[1] 徐紹銓,張華海,楊志強(qiáng),王澤民. GPS測(cè)量原理及應(yīng)用[M].武漢：武漢大學(xué)出版社，2001.

　　[2] 伍學(xué)祥. 實(shí)時(shí)GPS測(cè)量在公路放樣中的應(yīng)用研究[J]. 測(cè)繪通報(bào),1999，12(1)：21-25.

　　[3] 夏冬君，姬玉華，蔡鋒. GPS RTK技術(shù)在高等級(jí)公路施工中的應(yīng)用[J].東北測(cè)繪，2003，1(26):1-6.