全球定位系統(tǒng)（GPS）在高速公路測(cè)量中的應(yīng)用1概述1.2GPS測(cè)量得特點(diǎn)相對(duì)于經(jīng)典測(cè)量學(xué)來(lái)說(shuō)，GPS測(cè)量主要有以下特點(diǎn):（1）測(cè)站之間無(wú)須通視。測(cè)站間相互通視一直是測(cè)量學(xué)的難題。GPS這一特點(diǎn)，使得選點(diǎn)更加靈活方便。但測(cè)站上空必須開(kāi)闊，以使接收GPS衛(wèi)星信號(hào)不受干擾。（2）定位精度高。一般雙頻GPS接收機(jī)基線解精度為5mm+1ppm，而紅外儀標(biāo)稱精度為5mm+5ppm，GPS測(cè)量精度與紅外儀相當(dāng)，但隨著距離的增長(zhǎng)，GPS測(cè)量?jī)?yōu)越性愈加突出。大量試驗(yàn)證明，在小于50km的基線上，其相對(duì)定位精度可達(dá)12某10-6，而在100~500km的基線上可達(dá)10-6~10-7。（3）觀測(cè)時(shí)間短。在小于20km的短基線上，快速相對(duì)定位一般只需5min觀測(cè)時(shí)間即可。（4）提供三維坐標(biāo)。GPS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。（5）操作簡(jiǎn)便。GPS測(cè)量的自動(dòng)化程度高。在觀測(cè)中測(cè)量員的主要任務(wù)是安裝并開(kāi)關(guān)儀器、量取儀器高和監(jiān)視儀器的工作狀態(tài)，而其他觀測(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）全天候作業(yè)。GPS觀測(cè)可在任何地點(diǎn)，任何時(shí)間連續(xù)的進(jìn)行，一般不受天氣狀況的影響。2GPS測(cè)量在公路測(cè)量中的應(yīng)用實(shí)例公路路線一般處在一條帶狀走廊內(nèi)。其平面控制測(cè)量往往采用導(dǎo)線形式，這包括附合導(dǎo)線、閉合導(dǎo)線、結(jié)點(diǎn)導(dǎo)線等導(dǎo)線網(wǎng)形式。對(duì)于重要構(gòu)造物如大橋、特大橋、長(zhǎng)大隧道等，也有布設(shè)成三角鎖、線形鎖等形式。2.1常規(guī)測(cè)量方法的缺陷（1）規(guī)范對(duì)附合導(dǎo)線、閉合導(dǎo)線長(zhǎng)及結(jié)點(diǎn)導(dǎo)線間長(zhǎng)度等有嚴(yán)格規(guī)定，一般對(duì)于高等級(jí)公路均要求達(dá)到一級(jí)導(dǎo)線要求。這樣，導(dǎo)線附合或閉合長(zhǎng)度最長(zhǎng)不得超過(guò)10km，結(jié)點(diǎn)導(dǎo)線結(jié)點(diǎn)間距不能超過(guò)附合導(dǎo)線長(zhǎng)度的0.7倍。這種要求一般在實(shí)際作業(yè)中難以達(dá)到，往往出現(xiàn)超規(guī)范作業(yè)。（2）收集到的用于路線測(cè)量控制的起算點(diǎn)一般很難保證為同一測(cè)量系統(tǒng)，往往國(guó)測(cè)、軍測(cè)、城市控制點(diǎn)混雜一起，勢(shì)必影響測(cè)量質(zhì)量。（3）國(guó)家大地點(diǎn)破壞嚴(yán)重影響測(cè)量作業(yè)。由于國(guó)家基礎(chǔ)控制點(diǎn)，大多為50、60年代完成，經(jīng)過(guò)30多年，有些點(diǎn)由于經(jīng)濟(jì)建設(shè)的需要被破壞，有些點(diǎn)則由于人們?nèi)狈χR(shí)遭人為破壞。在這些地區(qū)進(jìn)行路線測(cè)量作業(yè)，往往在50km以上均找不到導(dǎo)線的聯(lián)測(cè)點(diǎn)。這樣路線控制測(cè)量得不到保證。（4）地面通視困難往往影響常規(guī)測(cè)量的實(shí)施。一般路線的控制點(diǎn)要求布設(shè)在距路線300m的范圍內(nèi)。由于通視的原因，這一條件難以滿足，甚至在大范圍密林、密灌及青紗帳地區(qū)，根本無(wú)法實(shí)施常規(guī)控制測(cè)量。對(duì)于長(zhǎng)大隧道、特大橋用常規(guī)測(cè)量有下列局限：（5）長(zhǎng)大隧道、特大橋等構(gòu)造物一般要求測(cè)量等級(jí)在4等以上，用常規(guī)測(cè)量方法，往往采用增加測(cè)回?cái)?shù)，延長(zhǎng)觀測(cè)時(shí)間等費(fèi)時(shí)、費(fèi)工的方法來(lái)設(shè)法提高精度。（6）長(zhǎng)大隧道、特大橋多為地形復(fù)雜困難地帶，進(jìn)行常規(guī)控制測(cè)量，為通視和網(wǎng)形，往往砍伐工作量相當(dāng)大，這樣測(cè)設(shè)費(fèi)用很大，作業(yè)辛苦。（7）長(zhǎng)大隧道及特大橋的控制網(wǎng)高精度與路線網(wǎng)的低精度銜接，雖說(shuō)用平差方法可以得到克服，但由于地形條件困難，其聯(lián)結(jié)的測(cè)量工作量很大，且不太方便。實(shí)際工作中，構(gòu)造物的控制測(cè)量與路線的控制測(cè)量經(jīng)常出現(xiàn)脫節(jié)現(xiàn)象。利用GPS測(cè)量能克服上述列舉的缺陷，并提高作業(yè)的效率，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，保證了高等級(jí)公路測(cè)設(shè)質(zhì)量。下面就在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)用GPS的情況舉出一些應(yīng)用實(shí)例。2.2GPS測(cè)量用于加密國(guó)家控制點(diǎn)京珠國(guó)道主干線粵境高速公路湯塘至廣州北二環(huán)段路線長(zhǎng)約60km，所處地形為重丘區(qū)，路線設(shè)計(jì)為6車道。該段有11個(gè)各種系統(tǒng)的平面控制點(diǎn)，經(jīng)過(guò)實(shí)地尋找，找出了7個(gè)，有4個(gè)被破壞，破壞中有2個(gè)國(guó)家II等點(diǎn)。在已找出的7個(gè)控制點(diǎn)中，國(guó)家測(cè)繪局系統(tǒng)I等點(diǎn)1個(gè)，III等點(diǎn)1個(gè)，城市測(cè)量系統(tǒng)點(diǎn)2個(gè)；總參軍控點(diǎn)3個(gè)。這些平面控制點(diǎn)分屬不同測(cè)量系統(tǒng)，且等級(jí)不同。為提高京珠國(guó)道主干線粵境高速公路湯塘至廣州北二環(huán)段測(cè)設(shè)質(zhì)量，決定在國(guó)家測(cè)繪系統(tǒng)基礎(chǔ)進(jìn)行控制點(diǎn)加密。加密的控制點(diǎn)布設(shè)方案是：沿公路路線每10km布設(shè)一對(duì)點(diǎn)，該對(duì)點(diǎn)相距約1km，且應(yīng)通視良好。這樣，該段共設(shè)了6對(duì)GPS加密點(diǎn)，加密點(diǎn)的精度要達(dá)到四等控制網(wǎng)的要求。GPS四等網(wǎng)由18個(gè)點(diǎn)組成，其網(wǎng)形略圖如圖1。圖1湯塘至廣州北二環(huán)GPS四等國(guó)家大地點(diǎn)加密該四等網(wǎng)采用4臺(tái)TrimbleSE400單頻接收機(jī)作業(yè)。該機(jī)的標(biāo)稱精度為10mm+2ppm。四等網(wǎng)的觀測(cè)時(shí)間為90min。數(shù)據(jù)采樣間隔為15?；€預(yù)處理采用廠家提供的TrimvecPlu軟件，平差計(jì)算采用武漢測(cè)繪科技大學(xué)編制的GPSADJVer2.0軟件包.通過(guò)平差處理，該四等網(wǎng)最弱點(diǎn)中誤差為4.11cm，平均點(diǎn)位中誤差3.18cm，最弱邊相對(duì)中誤差為1/27669,平均邊長(zhǎng)相對(duì)中誤差為1/453578。整個(gè)四等網(wǎng)作業(yè)僅花4天時(shí)間，其效率較常規(guī)測(cè)量手段至少提高3倍。在此基礎(chǔ)上，我院同湖北省測(cè)繪局、湖南省第二測(cè)繪院合作，在京珠國(guó)道主干線湖南耒陽(yáng)、廣州花都段進(jìn)行了近600km的GPS加密國(guó)家控制點(diǎn)的測(cè)量。該地區(qū)路線跨越南嶺山脈，沿線山高深、植被茂盛、地形地貌復(fù)雜、通視條件極差。國(guó)家一、二等三角點(diǎn)破壞嚴(yán)重，測(cè)區(qū)內(nèi)可供利用的三角點(diǎn)稀少，在路線走廊范圍內(nèi)僅找到7個(gè)保存完好的國(guó)家三角點(diǎn)。經(jīng)過(guò)平差處理，網(wǎng)中最弱點(diǎn)點(diǎn)位中誤差為4.13cm，最弱邊相對(duì)中誤差為1/12.5萬(wàn)?？刂凭W(wǎng)的各項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到甚至超過(guò)國(guó)家四等網(wǎng)的技術(shù)要求。近600km的GPS控制網(wǎng)，僅用兩個(gè)外業(yè)組，10個(gè)作業(yè)員，7臺(tái)GPS接收機(jī)，約20d的作業(yè)時(shí)間。若采用常規(guī)測(cè)量方法在相同人手的情況下，至少需要3個(gè)月的時(shí)間才能完成。2.3GPS測(cè)量用于隧道控制測(cè)量京珠國(guó)道主干線粵境高速公路翁城縣境內(nèi)有座靠椅山雙洞直線型平行隧道，初測(cè)的左右洞起訖樁號(hào)分別為ZK144+710~ZK147+730，YK144+730~YK147+740。其洞長(zhǎng)分別為3020m和3010m。根據(jù)《公路隧道勘測(cè)規(guī)程》中對(duì)隧道類別劃分標(biāo)準(zhǔn)，屬公路特長(zhǎng)隧道，洞外測(cè)量在隧道貫通面上對(duì)貫通誤差影響值限值為±55mm。靠椅山隧道地處亞熱帶地區(qū)，雨量充沛、荊棘叢生，溝深林密，野外作業(yè)條件十分艱苦，采用常規(guī)方法不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而且選點(diǎn)困難，砍伐工作量大。結(jié)合靠椅山地形特征，采用GPS測(cè)量，布設(shè)了如圖2所示的GPS控制網(wǎng)。靠椅山隧道控制網(wǎng)由14個(gè)點(diǎn)組成，網(wǎng)中最短邊長(zhǎng)為100.842m，最大邊長(zhǎng)為3597.4m，平均邊長(zhǎng)為1104.848m。采用Wild200GP，接收機(jī)進(jìn)行靜態(tài)觀測(cè)，觀測(cè)時(shí)間為20~50min，采樣率為10，共觀測(cè)了29條基線向量。經(jīng)過(guò)平差處理，網(wǎng)中最弱邊相對(duì)精度為1/60106，最高相對(duì)精度達(dá)1/137萬(wàn)；最弱點(diǎn)位中誤差為±0.83cm。在貫通面上貫通誤差左右線分別為±0.707cm和±0.693cm。通過(guò)實(shí)施GPS測(cè)量可看出：（1）GPS測(cè)量用于隧道控制測(cè)量靈活、方便，能大大節(jié)省人力、物力、減少野外砍伐工作量，減少一些不必要的過(guò)度點(diǎn)。（2）GPS測(cè)量具有極高的精度，它完全能達(dá)到《公路勘測(cè)規(guī)程》對(duì)隧道測(cè)量的要求。（3）GPS測(cè)量較紅外儀導(dǎo)線測(cè)量，可提高效率4~5倍。2.4GPS用于特大橋控制測(cè)量鄂黃長(zhǎng)江公路大橋是連接長(zhǎng)江兩岸黃岡市和鄂州市的公路特大橋。為便于大橋設(shè)計(jì)和施工，采用GPS對(duì)手選方案III、W橋位進(jìn)行III等平面控制測(cè)量。布網(wǎng)設(shè)計(jì)方案為雙大地四邊形（如圖3）。垂直于江面的長(zhǎng)邊約為1200m，平行于江面的短邊約為500m。雙大地四邊形與兩個(gè)國(guó)家II等以上大地點(diǎn)聯(lián)測(cè)。經(jīng)過(guò)平差處理，控制網(wǎng)精度為：最弱點(diǎn)位中誤差1.93cm，最弱邊長(zhǎng)相對(duì)中誤差1/113000，滿足了1等平面控制測(cè)量的精度要求。2.5GPS測(cè)量用于導(dǎo)線控制測(cè)量京深高速公路河北境內(nèi)高邑至邢臺(tái)段地處華北平原，地勢(shì)平坦，最大相對(duì)高差約20m,平均海拔約50m，境內(nèi)村莊較多。植被多為小麥及田間行樹。公路及機(jī)耕道密集。采用三臺(tái)Wild200GPS接收機(jī)進(jìn)行導(dǎo)線測(cè)量，作業(yè)方式采用點(diǎn)連接方式，三臺(tái)接收機(jī)同時(shí)作業(yè)。作業(yè)完后，向前滾動(dòng)（如圖4）在GPS觀測(cè)前，已作高精度紅外導(dǎo)線測(cè)量（EDM）和水準(zhǔn)測(cè)量。下面列出同時(shí)施測(cè)GPS和常規(guī)測(cè)量的10.88km的比較結(jié)果。GPS測(cè)量觀測(cè)時(shí)段7.5min，30歷元。邊長(zhǎng)比較結(jié)果如表1。將GPS測(cè)量結(jié)果與紅外儀導(dǎo)線平差結(jié)果比較，得到較差中誤差m某=0.057m，my=0.049m，點(diǎn)位中誤差為±0.075m。將GPS測(cè)量結(jié)果與精密水準(zhǔn)測(cè)量結(jié)果比較，得到高程中誤差為±0.049m。通過(guò)實(shí)際測(cè)量可看出：（1）GPS觀測(cè)時(shí)間為7.5min，與常規(guī)紅外測(cè)量相比，時(shí)間縮短了約20min，效率為4倍；與全站儀測(cè)量相比，時(shí)間縮短約8min，效率為2倍。（2）GPS導(dǎo)線測(cè)量可靠性好，平面精度和高程精度均能滿足高速公路測(cè)設(shè)的要求。2.6GPS測(cè)量用于攝影測(cè)量外業(yè)控制點(diǎn)測(cè)量攝影測(cè)量一般沿飛行航測(cè)的航線，每隔一定間隔就要在野外實(shí)地測(cè)量一定數(shù)量的平面和高程控制點(diǎn)（如圖5）。野外平高控制點(diǎn)的間隔n按地形類別及所測(cè)地形圖的比例尺而定。如1：2000地形圖，攝影比例尺為1：10000，間隔n一般為4~6個(gè)攝影基線。常規(guī)的野外平高控制點(diǎn)的測(cè)量方法是先沿航攝方向布設(shè)導(dǎo)線，然后在此基礎(chǔ)上采用支導(dǎo)線方法測(cè)定航測(cè)像控點(diǎn)。這種方法主要是導(dǎo)線方式測(cè)量。由于航攝面積較廣，對(duì)23cm某23cm像幅，1：10000攝影比例尺，覆蓋范圍為2.3km寬，雙航線覆蓋范圍更寬，在這廣闊范圍內(nèi)進(jìn)行導(dǎo)線測(cè)量，往往由于實(shí)地條件的限制，其作業(yè)是相當(dāng)艱苦的，且工作量大，作業(yè)周期長(zhǎng)。在京珠國(guó)道主干線粵境高速公路湯塘至廣州北二環(huán)段這60km路線的航測(cè)外業(yè)中，利用4臺(tái)TrimbleSE4000接收機(jī)，將1臺(tái)或2臺(tái)GPS接收機(jī)固定于已知點(diǎn)上，其余GPS接收機(jī)游動(dòng)于像控點(diǎn)三維坐標(biāo)測(cè)量，全線航測(cè)像控點(diǎn)測(cè)量?jī)H用5d作業(yè)時(shí)間。經(jīng)過(guò)平差處理，像控點(diǎn)平面點(diǎn)位精度達(dá)到了優(yōu)于0.10m的精度，最弱邊相對(duì)中誤差為1/43734。像控點(diǎn)的高程GPS測(cè)量詳見(jiàn)2.7中介紹由此可見(jiàn)，GPS測(cè)量作航測(cè)控制，不僅具有高精度，而且具有極大的靈活性。它改變了逐步控制的測(cè)量模式，其效率較常規(guī)方法提高5倍以上。2.7GPS測(cè)量用于密林、密灌地區(qū)路線控制測(cè)量隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，高等級(jí)公路開(kāi)始向山區(qū)、重丘山嶺區(qū)拓展。這些地區(qū)人煙稀少，植被茂盛。成片的密林、密灌地區(qū)，水平方向通視困難，有時(shí)實(shí)施常規(guī)測(cè)量方法幾乎不可能。在海南中線新建公路?？谥镣筒螠y(cè)設(shè)中，自石山至永發(fā)鎮(zhèn)約20km，植被覆蓋厚，多為有刺密灌、荔枝、龍眼、雜草地、人跡罕至，有多個(gè)火山口，這種地區(qū)紅外儀導(dǎo)線測(cè)量幾乎不可能，為提高高等級(jí)公路測(cè)設(shè)質(zhì)量，米用GPS沿路線每隔2km作一對(duì)GPS點(diǎn)，這一對(duì)GPS點(diǎn)應(yīng)保證足夠的水平通視距離。利用這2km一對(duì)的GPS通視點(diǎn)，就可在此基礎(chǔ)上前后各支出不超過(guò)1km進(jìn)行放線測(cè)設(shè)工作，既保證了測(cè)設(shè)工作的質(zhì)量，又大大減少了作業(yè)的勞動(dòng)強(qiáng)度，加快了測(cè)設(shè)周期。在海南中線的20km密林密灌測(cè)設(shè)中，作了11對(duì)GPS通視點(diǎn)。采用TrimbleSE4000單頻接收機(jī)在每個(gè)測(cè)站上觀測(cè)30min，數(shù)據(jù)采樣率為15，作業(yè)方法是兩臺(tái)接收機(jī)處于固定點(diǎn)上，其余接收機(jī)游動(dòng)于密林密灌區(qū)埋設(shè)的通視點(diǎn)上。經(jīng)過(guò)平差處理，這22個(gè)GPS點(diǎn)的最弱點(diǎn)位精度為4.95cm，平均點(diǎn)位精度為2.85cm，平均邊長(zhǎng)相對(duì)中誤差為1/486993。2.8GPSRTK用于公路路線中樁實(shí)時(shí)放樣RTK是指載波相位實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)差分定位（Real-TimeKinematic），它是GPS發(fā)展的最新形式。靜態(tài)GPS測(cè)量采用相位差分可以達(dá)到厘米甚至毫米級(jí)精度，但缺點(diǎn)是經(jīng)過(guò)事后處理才知道結(jié)果。而RTK通過(guò)實(shí)時(shí)處理即能達(dá)到厘米級(jí)精度。RTK要求1臺(tái)基準(zhǔn)站和至少1臺(tái)流動(dòng)站及相配套的數(shù)據(jù)通訊鏈?；鶞?zhǔn)站實(shí)時(shí)的把測(cè)站信息和所有觀測(cè)值通過(guò)數(shù)據(jù)鏈傳遞給流動(dòng)站，流動(dòng)站用先進(jìn)的處理技術(shù)來(lái)瞬時(shí)求出流動(dòng)站的三維坐標(biāo)。在武漢市機(jī)動(dòng)車駕駛員考練場(chǎng)RTK實(shí)時(shí)放樁實(shí)驗(yàn)中，利用GPSRTK技術(shù)，將事先設(shè)計(jì)好的路線數(shù)據(jù)輸入控制器中，進(jìn)行中樁實(shí)時(shí)放樣。通過(guò)武漢市機(jī)動(dòng)車駕駛員考練場(chǎng)的實(shí)驗(yàn)，可以看出RTK具有以下優(yōu)點(diǎn):（1）直接以厘米級(jí)精度實(shí)時(shí)測(cè)定中樁位置；（2）工作人員少；（3）砍伐工作量少。從GPS測(cè)量中，得出如下體會(huì)：（1）GPS作業(yè)有著極高得精度。它的作業(yè)不受距離限制，非常適合于國(guó)家大地點(diǎn)破壞嚴(yán)重的地區(qū)、地形條件困難地區(qū)、局部重點(diǎn)工程地區(qū)等。（2）GPS測(cè)量可以大大提高工作及成果質(zhì)量。它不受人為因素的影響。整個(gè)作業(yè)過(guò)程全由微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)控制，自動(dòng)記錄、自動(dòng)數(shù)據(jù)預(yù)處理、自動(dòng)