劉貴洲

（江蘇交通咨詢監(jiān)理有限公司,江蘇 南京 210000）

基于公路工程測(cè)量中GPS的應(yīng)用研究

劉貴洲

（江蘇交通咨詢監(jiān)理有限公司,江蘇 南京 210000）

GPS技術(shù)的不斷發(fā)展已在我國(guó)公路工程測(cè)量中得到普遍應(yīng)用，但是如何更好地發(fā)揮GPS技術(shù)及實(shí)現(xiàn)公路工程中的較好示范應(yīng)用作用，從理論到實(shí)踐還有較大差距?；诖?，在分析了公路工程測(cè)量中使用GPS技術(shù)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，對(duì)路橋變形檢測(cè)雙頻GPS有關(guān)推算做一闡述，文章最后，根據(jù)作者的工作所得，對(duì)GPS的應(yīng)用前景作了論述。

公路工程；測(cè)量；GPS；靜態(tài)定位；動(dòng)態(tài)定位

時(shí)下，GPS技術(shù)的不斷發(fā)展已在我國(guó)公路工程測(cè)量中得到普遍應(yīng)用，但是如何更好地發(fā)揮GPS技術(shù)及實(shí)現(xiàn)公路工程中的較好示范應(yīng)用作用，提高其工作效率，從理論到實(shí)踐仍有較大差距。鑒于此，根據(jù)實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)得出：GPS技術(shù)的諸多優(yōu)點(diǎn)多數(shù)集中體現(xiàn)在精度高,不受天氣、通視條件等影響。就目前的高等級(jí)公路,尤其對(duì)高速公路來(lái)說(shuō),由于其車(chē)速高、全封閉的特點(diǎn),對(duì)線形標(biāo)準(zhǔn)要求很高，相應(yīng)的沿線經(jīng)過(guò)的地形較為復(fù)雜而且影響通視,同時(shí)，這些重點(diǎn)工程往往是任務(wù)重、時(shí)間緊，質(zhì)量要求高。因此作為先期工作的基礎(chǔ)控制測(cè)量,采用GPS技術(shù)是理想的作業(yè)方法。下面先就GPS技術(shù)的特點(diǎn)做一闡述。

1.公路工程測(cè)量中使用GPS技術(shù)特點(diǎn)

根據(jù)筆者多年的工作所得，具體來(lái)說(shuō)公路工程測(cè)量中使用GPS技術(shù)主要具有以下幾方面的特點(diǎn):（1)實(shí)時(shí)定位，準(zhǔn)確。對(duì)導(dǎo)航用戶而言,需要實(shí)時(shí)知道自己所處的位置。利用子午衛(wèi)星系統(tǒng)要測(cè)若干段時(shí)間后才能獲得定位結(jié)果;而GPS技術(shù)利用實(shí)時(shí)的觀測(cè)數(shù)據(jù)獲得實(shí)時(shí)的定位結(jié)果,具有實(shí)時(shí)性。（2)定位精度高、速度快。在導(dǎo)航及測(cè)量領(lǐng)域,GPS與常規(guī)方法相比,具有精度高、速度快、操作簡(jiǎn)單、自動(dòng)化程度高等優(yōu)點(diǎn),由此帶來(lái)了很好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。（3)無(wú)需通視。對(duì)常規(guī)測(cè)量而言,點(diǎn)與點(diǎn)之間只有通視才能進(jìn)行測(cè)量,而GPS用于測(cè)量的一個(gè)顯著優(yōu)點(diǎn)就是點(diǎn)與點(diǎn)之間無(wú)需通視,只要各測(cè)量點(diǎn)能接受到衛(wèi)星信號(hào)就可進(jìn)行定位,因此,可以避免許多過(guò)渡點(diǎn),不僅給測(cè)量工作到來(lái)許多方便、節(jié)省許多費(fèi)用,而且能夠提高測(cè)量精度。（4)不受天氣限制。無(wú)論是雨雪還是風(fēng)霧的天氣均可進(jìn)行GPS定位服務(wù),因此,在惡劣氣候環(huán)境下也能進(jìn)行GPS定位,保證用戶在惡劣氣候環(huán)境下按時(shí)順利地完成任務(wù)。（5)操作簡(jiǎn)便。GPS測(cè)量的自動(dòng)化程度很高。目前GPS接收機(jī)已趨小型化和操作傻瓜化，觀測(cè)人員只需將天線對(duì)中、整平，量取天線高打開(kāi)電源即可進(jìn)行自動(dòng)觀測(cè)，利用數(shù)據(jù)處理軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理即求得測(cè)點(diǎn)三維坐標(biāo)。而其它觀測(cè)工作如衛(wèi)星的捕獲，跟蹤觀測(cè)等均由儀器自動(dòng)完成。（6）提供三維坐標(biāo)。GPS技術(shù)測(cè)量在精確測(cè)定觀測(cè)站平面位置的同時(shí)，可以精確測(cè)定觀測(cè)站的大地高程。

2.公路工程測(cè)量中路橋變形檢測(cè)雙頻GPS有關(guān)推算

綜合上面的論述和筆者工作經(jīng)驗(yàn)不難看出，目前GPS測(cè)量技術(shù)，尤其是路橋等的各類(lèi)變形監(jiān)測(cè)中處于應(yīng)用的最前沿，對(duì)于路橋的變形檢測(cè)主要是實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)工程建筑物的動(dòng)態(tài)變形。這種測(cè)量的特點(diǎn)具有采樣密度高。下面就公路工程測(cè)量中GPS技術(shù)的雙頻P碼偽距法做一推算。供同行參考。

我們就拿4顆衛(wèi)星組成搜索空間這個(gè)事例來(lái)說(shuō)，首先讓這4顆衛(wèi)星滿足以下要求：（1）高度角大于 13°；（2）它們構(gòu)成的 DDOC 最小，DDOC的定義如公式所示：DDOC=trace（ATA）-1，式中A是不同的衛(wèi)星的相位雙差所對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)矩陣。為了形成這樣的雙差，選擇一顆高度角大且兩測(cè)站都有相位觀測(cè)值的衛(wèi)星作為參考衛(wèi)星。

第二，測(cè)量推算獲得這4顆衛(wèi)星寬波組成雙差觀的測(cè)值，根據(jù)此計(jì)算寬波模糊度初值，以此初值的±1周組成對(duì)應(yīng)的模糊度空間，再對(duì)組合空間進(jìn)行雙差迭代解算，形成候選坐標(biāo)組合。

第三，通過(guò)第二步的計(jì)算，已經(jīng)獲得了待定點(diǎn)可能的位置精度，這個(gè)時(shí)候可以計(jì)算同一歷元其他寬波相位雙差觀測(cè)整周模糊度。對(duì)于每一組模糊度組合，列出寬波相位值已知情況下的雙差"固定解"的觀測(cè)函數(shù)，用最小二乘法迭代求解待定點(diǎn)的坐標(biāo)值，并據(jù)此估算單位權(quán)中誤差值大小。最后我們選擇具有最小誤差值的解為最佳的答案，并執(zhí)行分辨率值的驗(yàn)算。

3.GPS技術(shù)在公路工程測(cè)量中應(yīng)用

經(jīng)過(guò)筆者的多次實(shí)踐驗(yàn)證，在我國(guó)的公路工程測(cè)量工作中主要應(yīng)用了GPS技術(shù)的靜態(tài)功能和動(dòng)態(tài)功能這兩大功能應(yīng)用。這兩種功能應(yīng)用完全可以滿足公路勘察設(shè)計(jì)和公路建設(shè)的精度要求。

3.1 GPS技術(shù)在公路工程測(cè)量中的靜態(tài)功能應(yīng)用

所謂靜態(tài)功能應(yīng)用，是通過(guò)接收到的衛(wèi)星信息，確定地面某點(diǎn)的三維坐標(biāo)；它是至少有兩臺(tái)接收機(jī)同時(shí)接收衛(wèi)星信號(hào)，經(jīng)過(guò)衛(wèi)星信號(hào)的處理可精確計(jì)算出兩點(diǎn)在WGS一84地心坐標(biāo)系的三維坐標(biāo)差，根據(jù)其中一點(diǎn)的坐標(biāo)可推算出另一點(diǎn)的坐標(biāo)，由于靜態(tài)相對(duì)定位精度高，可廣泛應(yīng)用于形變監(jiān)測(cè)、大地測(cè)量、城市與工程控制等多領(lǐng)域。

3.2 GPS技術(shù)在公路工程測(cè)量中的動(dòng)態(tài)功能應(yīng)用

所謂動(dòng)態(tài)功能應(yīng)用，是通過(guò)衛(wèi)星系統(tǒng)，把已知的三維坐標(biāo)點(diǎn)位，實(shí)地放樣地面上。具體來(lái)說(shuō)，就是將一臺(tái)GPS接收機(jī)置于基準(zhǔn)站不動(dòng)。而另一臺(tái)（或幾臺(tái)）GPS接收機(jī)處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，根據(jù)基準(zhǔn)站與流動(dòng)站信號(hào)的差分可解算出流動(dòng)站各時(shí)刻的位置參數(shù)。

4.GPS技術(shù)在公路工程測(cè)量中發(fā)展趨勢(shì)

筆者認(rèn)為，進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，GPS的動(dòng)態(tài)測(cè)量技術(shù)日漸趨于成熟，它所具有的高精度、快速度和強(qiáng)可靠性為我國(guó)的公路工程測(cè)量一體化的實(shí)現(xiàn)提供了強(qiáng)有力的保障措施。在本章節(jié)筆者單就GPS的動(dòng)態(tài)測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用前景做一闡述。

4.1 可以大比例尺帶狀地形圖測(cè)繪。在實(shí)際的公路測(cè)量中，采用GPS的動(dòng)態(tài)測(cè)量技術(shù)進(jìn)行地形圖測(cè)繪,不需要點(diǎn)間通視,減少測(cè)量層次。只需要1個(gè)人拿著流動(dòng)站GPS接收機(jī)在待測(cè)的地物地貌等碎部點(diǎn)上采集1分鐘的時(shí)間,并通過(guò)動(dòng)態(tài)測(cè)量技術(shù)操作手簿輸入碎部點(diǎn)的特征編碼及屬性信息，這樣，就可以得到碎部點(diǎn)的三維坐標(biāo)。其次，再通過(guò)內(nèi)業(yè)的數(shù)據(jù)傳輸和格式轉(zhuǎn)換,至專用繪圖軟件編輯成圖。由于只需要采集碎部點(diǎn)的坐標(biāo)和輸入其屬性信息,采集速度快,因此大大降低了測(cè)圖難度,既省時(shí)又省力。

4.2 可以優(yōu)化公路勘測(cè)作業(yè)步驟。就目前的公路測(cè)量工作的環(huán)節(jié)來(lái)說(shuō)，比較繁雜。如果我們采用GPS的動(dòng)態(tài)測(cè)量技術(shù)，就可以按照"靜態(tài)與動(dòng)態(tài)"的作業(yè)方式實(shí)現(xiàn)一體化勘測(cè)目標(biāo)。這種作業(yè)方式是將公路勘測(cè)工作分為靜態(tài)作業(yè)和動(dòng)態(tài)作業(yè)兩大環(huán)節(jié)。靜態(tài)作業(yè)是利用GPS技術(shù)建立全線基礎(chǔ)控制網(wǎng),提供高精度的框架,并為動(dòng)態(tài)作業(yè)提供轉(zhuǎn)換參數(shù);動(dòng)態(tài)作業(yè)就是利用RTK技術(shù),分段測(cè)量放樣。它要求流動(dòng)站分工明確,如有的負(fù)責(zé)測(cè)圖,有的負(fù)責(zé)放樣。其實(shí)質(zhì)在于擴(kuò)大RTK技術(shù)的應(yīng)用范圍,其關(guān)鍵在于實(shí)時(shí)GPS系統(tǒng)的數(shù)量。

4.3 可以實(shí)現(xiàn)道路斷面放樣工作?？v斷面放樣時(shí),先把需要放樣的數(shù)據(jù)輸入到電子手簿中，生成一個(gè)施工測(cè)設(shè)放樣點(diǎn)文件,并儲(chǔ)存起來(lái),隨時(shí)可以到現(xiàn)場(chǎng)放樣測(cè)設(shè)。橫斷面放樣時(shí),先確定出橫斷面形式，然后把橫斷面設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)輸入到電子手簿中(如邊坡坡度、路肩寬度、路幅寬度、超高、加寬、設(shè)計(jì)高),生成一個(gè)施工測(cè)設(shè)放樣點(diǎn)文件,儲(chǔ)存起來(lái),并隨時(shí)可以到現(xiàn)場(chǎng)放樣測(cè)設(shè)。因?yàn)樗脭?shù)據(jù)都是測(cè)繪帶狀圖時(shí)采集而來(lái)的,不需要到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行縱、橫斷面測(cè)量,大大減少了外業(yè)工作。必要時(shí)也可用動(dòng)態(tài)GPS到現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)復(fù)核,這與傳統(tǒng)方法相比,既經(jīng)濟(jì)又實(shí)用,前景又廣闊。

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[3]鄒應(yīng)華.GPS RTK技術(shù)在公路測(cè)量中的應(yīng)用[J].科技廣場(chǎng)，2009，（3）.

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