李凱

（華設(shè)設(shè)計(jì)集團(tuán)股份有限公司，江蘇南京 210014）

0 引言

近年來，隨著我國(guó)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的不斷推進(jìn)，各地區(qū)的路橋設(shè)計(jì)工作也在不斷展開，同時(shí)，各行各業(yè)對(duì)路橋設(shè)計(jì)工作水平也有了更高的要求，為達(dá)到這些要求，引入先進(jìn)技術(shù)參與路橋設(shè)計(jì)工作則至關(guān)重要。由此，GPS 技術(shù)的應(yīng)用比例開始穩(wěn)步提升，由于其自身的優(yōu)勢(shì)更加突出，實(shí)現(xiàn)了助推路橋設(shè)計(jì)質(zhì)量穩(wěn)步提升的目的。

當(dāng)然，這項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用仍處于發(fā)展階段，應(yīng)對(duì)其做進(jìn)一步的探討研究。

1 GPS 技術(shù)概述

GPS 技術(shù)主要基于同步衛(wèi)星的支持加以實(shí)現(xiàn)。由于太空中的各個(gè)同步衛(wèi)星設(shè)備相對(duì)于地面的位置固定，且各個(gè)衛(wèi)星之間的距離和交互角度也基本為定值，因此高空控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性尤為突出，對(duì)于確保測(cè)量準(zhǔn)確度而言極為有利。除了高空部分外，地面部分也配有主控站、注入站和監(jiān)測(cè)站等機(jī)構(gòu)，并將相關(guān)信號(hào)傳輸?shù)紾PS 技術(shù)的應(yīng)用終端上，實(shí)現(xiàn)GPS 技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用[1，2]。

具體來看，在實(shí)際工作中，應(yīng)用GPS 技術(shù)的首要步驟是，獲取每顆衛(wèi)星與測(cè)量人員接收終端之間的距離，而后通過多個(gè)距離數(shù)據(jù)，來計(jì)算測(cè)量人員的具體位置。為獲取較為準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，技術(shù)人員通常預(yù)先查詢衛(wèi)星星歷。

當(dāng)GPS 衛(wèi)星在工作狀態(tài)時(shí)，會(huì)不斷發(fā)射導(dǎo)航電文，這些電文均以二進(jìn)制數(shù)格式發(fā)出，當(dāng)測(cè)量人員接收到這些電文時(shí)，通過對(duì)比衛(wèi)星時(shí)間和自己的時(shí)鐘，再排除大氣電離層的干擾因素后，即可得到相對(duì)較為準(zhǔn)確的位置數(shù)據(jù)信息[3，4]。

2 GPS 技術(shù)在路橋設(shè)計(jì)中的主要應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

2.1 不受時(shí)間和地點(diǎn)的限制

由于GPS 技術(shù)基于高空的同步衛(wèi)星加以實(shí)現(xiàn)，因此其不會(huì)受到時(shí)間和地點(diǎn)的限制，在任何位置和任何時(shí)間均可進(jìn)行觀測(cè)，有效克服了傳統(tǒng)測(cè)量技術(shù)受地形影響的局限，在全球任何位置均可進(jìn)行較為準(zhǔn)確的定位，即使是其中有大量障礙物的存在，也不會(huì)對(duì)定位造成明顯的影響[5]。

2.2 不受天氣因素影響

相較于常規(guī)的測(cè)量技術(shù)方法，GPS 技術(shù)幾乎不會(huì)受到天氣因素的限制，即便是一些能見度極低的暴雨、大霧等惡劣天氣下，GPS 定位服務(wù)的功能仍然能夠正常進(jìn)行，技術(shù)人員仍可在這些不利情況下順利完成定位、測(cè)量和監(jiān)測(cè)等工作。

2.3 定位的實(shí)時(shí)性更強(qiáng)

在以往的衛(wèi)星定位測(cè)量環(huán)節(jié)中，其通常需要預(yù)先測(cè)量多個(gè)時(shí)間段的時(shí)間后才能得到最終的測(cè)量結(jié)果，這就導(dǎo)致定位環(huán)節(jié)存在一定的滯后性，對(duì)于精確度的影響較為明顯。而GPS 技術(shù)應(yīng)用后，以上問題就得到了有效解決。其通過實(shí)時(shí)獲取數(shù)據(jù)信息來實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)定位，對(duì)于需要準(zhǔn)確導(dǎo)航的用戶而言，其具有方便、快捷和準(zhǔn)確等諸多優(yōu)點(diǎn)。

2.4 無需通視

在傳統(tǒng)的測(cè)量技術(shù)方法中，為測(cè)量?jī)牲c(diǎn)之間的距離，通常需要做到兩點(diǎn)之間的“通視”后才能實(shí)現(xiàn)測(cè)量環(huán)節(jié)，一旦測(cè)量區(qū)域地形較為復(fù)雜，則以上步驟難以完成。而GPS 技術(shù)的引入，使得這一缺陷得到顯著彌補(bǔ)。在GPS 技術(shù)視域下，傳統(tǒng)測(cè)量需要的光學(xué)信號(hào)被衛(wèi)星信號(hào)取而代之，當(dāng)測(cè)量點(diǎn)接收到衛(wèi)星傳輸?shù)姆祷匦盘?hào)后，即可確定測(cè)量點(diǎn)位置坐標(biāo)，以及兩點(diǎn)之間距離的自動(dòng)計(jì)算。

2.5 有效降低測(cè)量難度

GPS 技術(shù)是近年來新興的一項(xiàng)測(cè)量技術(shù)，其相關(guān)理念、方法和軟硬件設(shè)備等均處于不斷發(fā)展、更新和完善的過程之中。當(dāng)前，在“互聯(lián)網(wǎng)+”的時(shí)代背景之下，GPS 技術(shù)的自動(dòng)化和智能化發(fā)展趨勢(shì)也更為突出，在應(yīng)用這些先進(jìn)裝備的過程中，只需布置好儀器，GPS 設(shè)備就能夠自動(dòng)完成一系列測(cè)量工作，并自動(dòng)記錄測(cè)量結(jié)果。在測(cè)量結(jié)束后，工作人員僅需切斷電源和整理好器材，即可完成最后的收尾工作。另外，隨著微電子器件等的發(fā)展，當(dāng)前GPS 設(shè)備的小型化趨勢(shì)也已較為突出，更具機(jī)動(dòng)靈活性。工作人員不再需要反復(fù)在各個(gè)測(cè)量點(diǎn)之間奔波即可完成任務(wù)，有效提高了任務(wù)效率[6]。

3 當(dāng)前路橋設(shè)計(jì)工作中主要應(yīng)用的GPS技術(shù)

3.1 靜態(tài)定位技術(shù)及其應(yīng)用

靜態(tài)定位技術(shù)的主要作用是，對(duì)路橋工程施工區(qū)域所在的地理位置、地質(zhì)水文條件、工程建設(shè)的范圍等方面進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量。在實(shí)際工作中，為應(yīng)用這項(xiàng)技術(shù)，其主要通過以下幾個(gè)步驟加以實(shí)現(xiàn)：一是在已知坐標(biāo)的位置上布置第一臺(tái)GPS 接收機(jī)，而后前往需要測(cè)量的點(diǎn)位，布置另一臺(tái)接收機(jī)，將兩臺(tái)GPS 接收機(jī)同時(shí)固定好，避免其發(fā)生移動(dòng)，保持靜止?fàn)顟B(tài)；二是控制GPS 接收機(jī)向GPS 衛(wèi)星發(fā)出請(qǐng)求信號(hào)，以獲取動(dòng)態(tài)變化的未知點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)值，實(shí)現(xiàn)對(duì)未知點(diǎn)坐標(biāo)的觀測(cè)分析，根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)可知，所得到的坐標(biāo)值的精確度相對(duì)較高；三是在獲得準(zhǔn)確的未知點(diǎn)坐標(biāo)后，以此確定路橋工程具體的施工區(qū)域，在確保完成路橋建設(shè)的前提下，將土地資源占用壓縮至最低水平；四是在確定具體范圍后，逐步進(jìn)行地基開挖、施工環(huán)境搭設(shè)等后續(xù)環(huán)節(jié)，由于已經(jīng)具備了兩個(gè)點(diǎn)位的坐標(biāo)精確值，因此施工單位可從兩個(gè)點(diǎn)位同時(shí)開始進(jìn)行“兩頭建設(shè)”，這對(duì)于提升工作效率也極為有利。整體來看，靜態(tài)定位技術(shù)在當(dāng)前的長(zhǎng)距離路橋工程（特別是跨海大橋等難度較大的工程）中應(yīng)用更為廣泛，能夠準(zhǔn)確計(jì)算出路橋工程實(shí)際建設(shè)所需的距離長(zhǎng)度，這種優(yōu)勢(shì)是傳統(tǒng)的測(cè)量方法所不具備的[7]。

3.2 動(dòng)態(tài)定位技術(shù)及其應(yīng)用

這項(xiàng)技術(shù)在路橋工程模擬測(cè)試中的應(yīng)用更為廣泛。通過應(yīng)用動(dòng)態(tài)定位技術(shù)，設(shè)計(jì)中的各種缺陷都將得以明晰，并以此進(jìn)行針對(duì)性的優(yōu)化改進(jìn)，進(jìn)而有效提升路橋設(shè)計(jì)工作的綜合質(zhì)量。具體來看，動(dòng)態(tài)定位技術(shù)的應(yīng)用可分為以下幾個(gè)步驟：一是在已知坐標(biāo)位置的點(diǎn)位安裝GPS 接收機(jī)，再將GPS 接收機(jī)與GPS 衛(wèi)星相連接，對(duì)各個(gè)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)值予以實(shí)時(shí)觀測(cè)；二是重點(diǎn)對(duì)接收到的坐標(biāo)數(shù)據(jù)的變化情況進(jìn)行比較，判斷設(shè)計(jì)方案所存在的問題，再分析如何通過調(diào)整坐標(biāo)值來解決這些問題；三是以數(shù)字回聲探測(cè)技術(shù)作為輔助，從而獲得更為準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)信息，用以繪制更為精確的路橋施工地圖，這對(duì)于提升施工效率和質(zhì)量而言更為有利。整體來看，動(dòng)態(tài)定位技術(shù)的一個(gè)主要特點(diǎn)是，其流動(dòng)性更為突出，其觀測(cè)站能夠根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行流動(dòng)觀測(cè)，即使觀測(cè)值出現(xiàn)較大的波動(dòng)變化，仍能實(shí)現(xiàn)對(duì)流動(dòng)站位置坐標(biāo)的實(shí)時(shí)定位。鑒于動(dòng)態(tài)定位技術(shù)所具有的這些特點(diǎn)，其對(duì)于復(fù)雜地區(qū)的路橋設(shè)計(jì)工作更為適宜，能夠獲得更為精準(zhǔn)的外業(yè)和內(nèi)業(yè)測(cè)量數(shù)據(jù)信息，在一定程度上避免了實(shí)地勘察作業(yè)帶來的時(shí)間和資金成本。

3.3 GPS-RTK 定位技術(shù)及其應(yīng)用

GPS-RTK 可稱為GPS 技術(shù)模式中的“進(jìn)階版本”，其主要是在現(xiàn)有的GPS 技術(shù)的基礎(chǔ)上，融入RTK 技術(shù)所形成的。通過這項(xiàng)技術(shù)，即可自動(dòng)對(duì)各個(gè)監(jiān)測(cè)站的觀測(cè)量和載波相位等予以實(shí)時(shí)的分析處理，再通過求差解算的相關(guān)模型算法，最終獲得準(zhǔn)確的坐標(biāo)信息。相較于傳統(tǒng)的GPS 技術(shù)，這項(xiàng)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)更為突出。當(dāng)這項(xiàng)技術(shù)在路橋工程設(shè)計(jì)中得以實(shí)際應(yīng)用后，單個(gè)基準(zhǔn)站可以同時(shí)為多個(gè)用戶提供定位服務(wù)，從而同時(shí)獲得更多的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)值，這不僅顯著縮短了測(cè)量定位時(shí)間，使得工作效率顯著提升，也有助于降低路橋工程的建設(shè)成本。當(dāng)然，GPSRTK 技術(shù)的應(yīng)用流程也更為煩瑣，對(duì)于軟硬件設(shè)備等均有著更高的要求，因此GPS-RTK 技術(shù)在實(shí)際工作中的應(yīng)用占比還相對(duì)較低，仍處于進(jìn)一步的研究階段之中。

4 GPS 技術(shù)在路橋工程設(shè)計(jì)中的具體應(yīng)用

4.1 對(duì)平面點(diǎn)位關(guān)系進(jìn)行高效精準(zhǔn)換算

在平面點(diǎn)位關(guān)系的計(jì)算過程中，主要通過預(yù)置的參數(shù)方程類算法，對(duì)初始的坐標(biāo)值進(jìn)行轉(zhuǎn)換，以得到更為精確的坐標(biāo)數(shù)據(jù)。即使參考坐標(biāo)當(dāng)中存在差異，也可采用這種方式進(jìn)行計(jì)算。顯然，通過這種方式，有效減少了外業(yè)定位測(cè)量工作的復(fù)雜程度，更能夠確保后期維護(hù)相關(guān)工作的有序開展。

4.2 實(shí)現(xiàn)高度精確的導(dǎo)線定位測(cè)量

導(dǎo)線定位測(cè)量工作主要基于GPS 靜態(tài)測(cè)量技術(shù)加以實(shí)現(xiàn)，僅憑具體的GPS 控制點(diǎn)即可逐步計(jì)算出所需坐標(biāo)的數(shù)據(jù)信息，而后再根據(jù)計(jì)算結(jié)果，對(duì)具體的坐標(biāo)測(cè)量值予以確認(rèn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)導(dǎo)線網(wǎng)的準(zhǔn)確布設(shè)。相較于各種傳統(tǒng)測(cè)量模式而言，其精確度和便利性均有顯著提升。

4.3 橋位樁基放樣

在此環(huán)節(jié)的GPS 技術(shù)應(yīng)用中，首先通過布置GPS接收機(jī)，測(cè)量平面控制的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的幾個(gè)坐標(biāo)值；而后基于這幾個(gè)坐標(biāo)值進(jìn)行校正，觀察各個(gè)數(shù)值的動(dòng)態(tài)變化情況，當(dāng)殘差小于1cm 后再予以最終的復(fù)核，即可完成橋位樁基放樣環(huán)節(jié)。與傳統(tǒng)的全站儀測(cè)量方式相比，GPS 技術(shù)模式下，所應(yīng)用的控制點(diǎn)位數(shù)量更少，且不受到通視條件的約束，其實(shí)用性也相對(duì)更強(qiáng)。

4.4 高程管控測(cè)量

在高程測(cè)量中應(yīng)用GPS 技術(shù)后，能夠有效突破一些復(fù)雜地形條件下傳統(tǒng)測(cè)量工作模式的局限性，以克服路橋工程設(shè)計(jì)中普遍存在的一些難題。與傳統(tǒng)的高程管控測(cè)量工作不同，GPS 技術(shù)的應(yīng)用，有效突破了地形的限制，其衛(wèi)星信號(hào)不會(huì)受到山脈和盆地等復(fù)雜地形的干擾而出現(xiàn)衰減或失真等情況，確保測(cè)量工作仍能正常進(jìn)行，同時(shí)其自動(dòng)定位精度也相對(duì)更高，這也有效規(guī)避了人為測(cè)量的誤差。

4.5 路橋沉降變形監(jiān)測(cè)

由于路橋工程受到外界環(huán)境因素的影響而出現(xiàn)沉降問題，因此路橋沉降變形監(jiān)測(cè)一直以來都是提升橋梁設(shè)計(jì)質(zhì)量的關(guān)鍵性工作之一，但從以往的經(jīng)驗(yàn)來看，在過去的工作模式中，通常需要多名工作人員長(zhǎng)期觀察和記錄儀器設(shè)備的數(shù)據(jù)，再對(duì)所有觀測(cè)到的數(shù)據(jù)進(jìn)行手動(dòng)整理和分析計(jì)算，這種工作模式不僅極為煩瑣，而且準(zhǔn)確度也難以得到保證。為克服這種問題，采用GPS 測(cè)量技術(shù)取而代之，則是一個(gè)行之有效的措施。在實(shí)際應(yīng)用中，可利用GPS 設(shè)備和靜態(tài)定位技術(shù)，在橋梁上的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)布置GPS 定位設(shè)備，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)沉降形變情況的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，這種監(jiān)測(cè)的覆蓋面更加廣泛，且能夠?qū)崿F(xiàn)立體化的監(jiān)測(cè)，與傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)方式相比，其效率和準(zhǔn)確性也相對(duì)更高。

4.6 大比例尺地圖測(cè)繪

大比例尺的地圖（主要是地形圖）是路橋工程設(shè)計(jì)與建設(shè)工作所必不可少的一項(xiàng)前置條件，由于各個(gè)路橋工程的實(shí)際情況不一，因此其對(duì)地形圖的比例尺的要求各不相同，已有的地形圖可能無法滿足設(shè)計(jì)需要，必須對(duì)目標(biāo)區(qū)域的地形進(jìn)行重新測(cè)量。從以往的經(jīng)驗(yàn)來看，傳統(tǒng)的勘察和測(cè)繪方式，所消耗的時(shí)間成本和資金成本都較高，工作任務(wù)環(huán)節(jié)也極為煩瑣，且難以保證測(cè)量的精確度，為克服這類問題，即可應(yīng)用GPS 技術(shù)進(jìn)行測(cè)繪。針對(duì)目標(biāo)區(qū)域的沿線位置，布設(shè)若干個(gè)GPS 設(shè)備，對(duì)目標(biāo)區(qū)域停留1～2min，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)區(qū)域各種數(shù)據(jù)信息的實(shí)時(shí)準(zhǔn)確提取，并在后續(xù)的屬性分析和特征分析環(huán)節(jié)中，獲取具體的數(shù)據(jù)信息，由此即可繪制更為完善的大比例尺地形圖，為后續(xù)的路橋工程設(shè)計(jì)工作奠定基礎(chǔ)。

5 結(jié)語

總而言之，GPS 技術(shù)在路橋設(shè)計(jì)中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)較為突出，其在提高路橋工程設(shè)計(jì)與建設(shè)的效率和質(zhì)量方面均發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。因此，相關(guān)部門應(yīng)當(dāng)對(duì)這項(xiàng)技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用予以重視，積極采取各方面的措施來推動(dòng)GPS 技術(shù)應(yīng)用范圍的進(jìn)一步拓展。同時(shí)，在今后的工作中，還需要在現(xiàn)有的基礎(chǔ)上不斷尋求技術(shù)方法的創(chuàng)新，讓GPS 技術(shù)的優(yōu)勢(shì)得以更充分的發(fā)揮。