探讨GPS测量技术在路桥建设中的应用
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摘要：近些年来，gps测量技术就已经被广泛地应用到了道路建设和桥梁工程建设的实践当中，还引发了一场该领域的深刻革命，促使路桥建设的测量由原来传统的模拟测绘模式和手工作业朝着一体化、自动化、信息化和数字化的模式迈进，具有高效益、高精度、全天候等显著的特点，给测绘的领域带来了一场非常深刻的高科技革命。本文即详细阐述了GPS 测量技术在路桥建设中的应用，并对其发展前景做了分析。
关键词：GPS测量技术；路桥建设；测量导线；精度；放样
中图分类号：TU74 文献标识码：A
GPS测量技术概述
（一）系统组成
1、空间卫星群
GPS 的空间卫星群由 24颗高约20万公里的 GPS 卫星群组成，并均匀分布在 6 个轨道面上，各平面之间交角为 60°,轨道和地球赤道的倾角为55°，卫星的轨道运行周期为11小时58分，这样可以保证在任何时间和任何地点地平线以上可以接收4到11颗 GPS 卫星发送出的信号。
2、GPS 的地面控制系统
GPS 的地面控制系统包括一个主控站、三个注入站和五个监测站，主控站的作用是根据各监控站对 GPS 的观测数据计算卫星的星历和卫星钟的改正参数等并将这些数据通过注入站注入到卫星中去；同时还对卫星进行控制，向卫星指令，调度备用卫星等。监控站的作用是接收卫星信号，监测卫星工作状态。注入站的作用是将主控站计算的数据注入到卫星中去。GPS地面控制系统主要设立在大西洋、印度洋、太平洋和美国本土。
3、GPS 的用户部分由 GPS 接收机、数据处理软件及相应的用户设备如计算机、气象仪器等组成，其作用是接收 GPS 卫星发出的信号，利用信号进行导航定位等。
（二）技术优势
测站之间无需通视
测站间相互通视一直是测量学的难题。GPS 这一特点，使得选点更加灵活方便。但测站上空必须开阔，以使接收GPS 卫星信号不受干扰。
定位精度高
一般双频 GPS接收机基线解精度为5mm+1ppm，而红外仪标称精度为 5mm+5ppm，GPS 测量精度与红外仪相当，但随着距离的增长，GPS 测量优越性愈加突出。大量实验证明，在小于 50 公里的基线上，其相对定位精度可达 12×10-6，而在 100～500公里的基线上可达 10-6～10-7。
3、观测时间短
在小于20公里的短基线上，快速相对定位一般只需 5 分钟观测时间即可。
操作简便
GPS 测量的自动化程度很高。在观测中测量员的主要任务是安装并开关仪器、量取仪器高和监视仪器的工作状态，而其它观测工作如卫星的捕获，跟踪观测等均由仪器自动完成。
二、GPS 测量技术在路桥建设中的应用
（一）测量导线
全站仪的工作条件要求就是必须要有良好的通视效果，所以在施工的期间就必须要在设计方所提供的GPS的控制点中间布设导线，来进行导线的平差和测量，然后才能够从事放样的工作。在GPS测量技术的施工控制部分就只需要在施工的初期进行一次符合设计方所提供的GPS的控制点，继而再利用这些定好的控制点来求解坐标，将其同地方的系统转换参数进行换算即可。照这样的话，后续工作当中的所有的GPS测量精度就都是相等同的了，就不必再布设任何导线的控制网了。只需要在同全站仪来联合进行作业的那个地点去采用后视点坐标和RTK测设的设站点。在实际的结果当中，因为没有布设由导线环构成具有结点的网状结构形式的平面控制网——导线网，所以GPS所节约的物力、人力和时间都是非常显而易见的。这样还避免了由于导线网的测量误差引起的一系列精度损失。
（二）平面点位关系换算
全站仪测量的基本原理是测角和测距，而且受通视条件的限制，这就要求限制道路施工放样的大多数方法采用的是偏角支距法。因此存在极坐标和直角坐标互换的问题，同时因为全站仪不断搬站导致极坐标的定向方向不同，换算的参数也不同，这就要求外业工作人员很熟悉换算公式和方法，同时在外业测量时使用4800 计算器不断计算换算坐标。这种外业工作方式及其复杂，同时稍有不慎就会导致人为的计算错误。GPS 测量可以直接得到点位坐标，采取的是坐标系统互相转换。不论施工区域采取的是国家坐标系统还是地方独立坐标系统，GPS 只需求得两套直角坐标系统的转换参数即可，而这些工作可以在工程初期完成，并且只需精确计算一次便可以为全部区域全部工期服务。和全站仪相比，这方面 GPS 大大节省了时间，同时也降低了外业操作人员的技术要求，节约了人力资本的投入。
（三）中、边桩放样
对大多数道路施工放样来说，由于采用的是低端全站仪，放样就不得不在内业就计算好每个中桩、边桩的点位坐标，然后外业实地放样。或者外业实地计算坐标、放样、计算填挖深度。而 GPS系统徕卡 RoadRunner 软件的最大好处是它可以直接将道路文件传输到仪器中，而不需要任何的桩号计算。同时 GPS是图形显示放样，使得外业工作十分简单方便。并实时显示点位坐标以及填挖深度。中、边桩放样和施工期间恢复是公路施工测量的主要内容，GPS 的应用减轻了内业的计算工作量，同时减少了外业人员（只需一个人即可）。且放样点位精度完全可以控制在 1cm以内。
（四）桥位放样
在路桥施工中，桥位桩的精度很重要，GPS 设有精度累积，10mm+1ppm 的点位精度完全满足施工要求。由于全站仪测量俯仰角度的限制使得个别桥位放样变得十分复杂，而GPS 则只是简单放样点位即可。
（五）断面测量
断面测量也是公路施工测量的重要内容之一。按照大多数公路的施工要求，每个逐桩点都要测量横断。这样如果使用全站仪测量就必须每测一个断面搬一次站，定一次后视，至少需要三个人。使用 GPS则只需采集每个断面上的特征点即可，这方面 GPS 节约了架站定向的时间，减少了人力投入（只需一个人，全站仪要求三个人）。
（六）GPS 测量的实际应用
1、工程概况
现以一实际施工为例，该公路工程全线长约 60 公里，所处地形为重丘区，路线设计为 6车道。
该段有 11 个各种系统的平面控制点，经过实地寻找，找出了 7 个，有 4 个被破坏，破坏中有 2 个国家Ⅱ等点。在已找出的的 7 个控制点中，国家测绘局系统Ⅰ等点 1 个，Ⅲ等点 1个；城市测量系统点 2 个；总参军控点 3 个。这些平面控制点分属不同测量系统，且等级不同。
测量要点
（1）为提高该公路路段测设质量，决定在国家测绘系统基础进行控制点的加密。加密的控制点布设方案是: 沿公路路线每 10km 布设一对点，该对点相距约 1km，且应通视良好。这样,该段共设了 6 对 GPS 加密点，加密点的精度要达到四等控制网的要求。
（2）该四等网采用 4 台 Trimble SE400 单频接收机作业。该机的标称精度 10mm+2PPm。四等网的观测时间为90min。 数据采样间隔为15s。
（3）通过平差处理，该四等网最弱点位中误差为 4.11cm，平均点位中误差 3.18cm，最弱边相对中误差 1/27669，平均边长相对中误差 1/453578。
（4）经过平差处理，网中最弱点点位中误差为4.13cm，最弱边相对中误差为 1/12.5 万。控制网的各项指标达到甚至超过国家四等网的技术要求。
（5）近 600km 的 GPS 控制网，仅用两个外业组，10 个作业员，7 台 GPS 接收机，约 20d 的作业时间。若采用常规测量方法在相同人手的情况下，至少需要三个月的时间才能完成。
GPS 测量技术在路桥工程的控制测量上的发展前景
GPS测量模式可分为静态测量和动态测量，而静态测量又分为常规静态测量模式和快速测量模式。动态测量模式分为准动态测量模式和实时动态测量模式，而实时动态测量模式又分为DGPS和RTK方式。RTK技术与其他测量模式相比，具有定位精度高、测量自动化、集成化程度高、数据处理能力强、操作简单、使用方便等特点，其在路桥工程的测量上的具有广阔的发展前景。
（一）绘制大比例尺地形图
高等级的公路选线是在大比例尺（1：1000或1：2000）带状地形图上进行。用传统的方法测图，先要建立控制点，然后进行碎部测量，再绘制成大比例尺地形图。这种方法难度大、速度慢、花费时间长、效率低。采用GPRRTK测量可以完全克服这些缺点，只需要在公路沿线每个碎部点上停留一两分钟，即要获得每点的三维坐标，结合输入点的特征编码及属性信息，就构成带状地形图所有碎部点的数据。然后用绘图软件成图。这种方法需要采集碎部点的三维坐标和输入属性信息，而且速度快，既省时又省力，大大地克服了测图的难度。
（二）道路的纵横断面放样和土石方计算
纵横断面放样时，先把需要放样的数据输入到电子手簿中，生成一个施工预放样点的文件，并储存起来，随时可以到现场测量所用；横断面放样时，先确定横断面作业形式（挖、填、半挖半填），然后把横断面设计有关数据输入电子手簿中（边坡坡度、路肩宽度、设计高）也生成一个施工预放样文件，储存起来，并随时到现场测量放样。还可利用软件自动与地面线衔接进行所谓的“载帽”工作，并利用“断面法”进行填挖土方量的计算。用绘图软件还可绘出沿线的纵断面和各点的横断面图。因为所采用的数据都是测绘地形图时采集的，不需要到现场进行纵、横断面测量，大大减少了外业工作。而且必要时，可用动态GPS到现场检验复合，这与传统方法相比，既经济又易实现。
参考文献
[1]徐绍铨，张华海.GPS 测量原理及应用[M].武汉：武汉大学出版社，2008.
[2]王革学.实时全球定位系统在工程测量中的应用[J].中国科技信息， 2007.9.
[3]韩俊芳.GPS测量技术在路桥建设中的应用[J].交通世界，2013.1.