全球定位系統(tǒng)在高速公路測量中的應(yīng)用_第1頁
全球定位系統(tǒng)在高速公路測量中的應(yīng)用_第2頁
全球定位系統(tǒng)在高速公路測量中的應(yīng)用_第3頁
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文檔簡介

全球定位系統(tǒng)(GPS)在高速公路測量中的應(yīng)用1概述1.2GPS測量得特點相對于經(jīng)典測量學(xué)來說,GPS測量主要有以下特點:(1)測站之間無須通視。測站間相互通視一直是測量學(xué)的難題。GPS這一特點,使得選點更加靈活方便。但測站上空必須開闊,以使接收GPS衛(wèi)星信號不受干擾。(2)定位精度高。一般雙頻GPS接收機基線解精度為5mm+1ppm,而紅外儀標(biāo)稱精度為5mm+5ppm,GPS測量精度與紅外儀相當(dāng),但隨著距離的增長,GPS測量優(yōu)越性愈加突出。大量試驗證明,在小于50km的基線上,其相對定位精度可達12某10-6,而在100~500km的基線上可達10-6~10-7。(3)觀測時間短。在小于20km的短基線上,快速相對定位一般只需5min觀測時間即可。(4)提供三維坐標(biāo)。GPS測量在精確測定觀測站平面位置的同時,可以精確測定觀測站的大地高程。(5)操作簡便。GPS測量的自動化程度高。在觀測中測量員的主要任務(wù)是安裝并開關(guān)儀器、量取儀器高和監(jiān)視儀器的工作狀態(tài),而其他觀測工作如衛(wèi)星的捕獲、跟蹤觀測等均由儀器自動完成。(6)全天候作業(yè)。GPS觀測可在任何地點,任何時間連續(xù)的進行,一般不受天氣狀況的影響。2GPS測量在公路測量中的應(yīng)用實例公路路線一般處在一條帶狀走廊內(nèi)。其平面控制測量往往采用導(dǎo)線形式,這包括附合導(dǎo)線、閉合導(dǎo)線、結(jié)點導(dǎo)線等導(dǎo)線網(wǎng)形式。對于重要構(gòu)造物如大橋、特大橋、長大隧道等,也有布設(shè)成三角鎖、線形鎖等形式。2.1常規(guī)測量方法的缺陷(1)規(guī)范對附合導(dǎo)線、閉合導(dǎo)線長及結(jié)點導(dǎo)線間長度等有嚴格規(guī)定,一般對于高等級公路均要求達到一級導(dǎo)線要求。這樣,導(dǎo)線附合或閉合長度最長不得超過10km,結(jié)點導(dǎo)線結(jié)點間距不能超過附合導(dǎo)線長度的0.7倍。這種要求一般在實際作業(yè)中難以達到,往往出現(xiàn)超規(guī)范作業(yè)。(2)收集到的用于路線測量控制的起算點一般很難保證為同一測量系統(tǒng),往往國測、軍測、城市控制點混雜一起,勢必影響測量質(zhì)量。(3)國家大地點破壞嚴重影響測量作業(yè)。由于國家基礎(chǔ)控制點,大多為50、60年代完成,經(jīng)過30多年,有些點由于經(jīng)濟建設(shè)的需要被破壞,有些點則由于人們?nèi)狈χR遭人為破壞。在這些地區(qū)進行路線測量作業(yè),往往在50km以上均找不到導(dǎo)線的聯(lián)測點。這樣路線控制測量得不到保證。(4)地面通視困難往往影響常規(guī)測量的實施。一般路線的控制點要求布設(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),根本無法實施常規(guī)控制測量。對于長大隧道、特大橋用常規(guī)測量有下列局限:(5)長大隧道、特大橋等構(gòu)造物一般要求測量等級在4等以上,用常規(guī)測量方法,往往采用增加測回數(shù),延長觀測時間等費時、費工的方法來設(shè)法提高精度。(6)長大隧道、特大橋多為地形復(fù)雜困難地帶,進行常規(guī)控制測量,為通視和網(wǎng)形,往往砍伐工作量相當(dāng)大,這樣測設(shè)費用很大,作業(yè)辛苦。(7)長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)的測量工作量很大,且不太方便。實際工作中,構(gòu)造物的控制測量與路線的控制測量經(jīng)常出現(xiàn)脫節(jié)現(xiàn)象。利用GPS測量能克服上述列舉的缺陷,并提高作業(yè)的效率,減輕勞動強度,保證了高等級公路測設(shè)質(zhì)量。下面就在實際生產(chǎn)中應(yīng)用GPS的情況舉出一些應(yīng)用實例。2.2GPS測量用于加密國家控制點京珠國道主干線粵境高速公路湯塘至廣州北二環(huán)段路線長約60km,所處地形為重丘區(qū),路線設(shè)計為6車道。該段有11個各種系統(tǒng)的平面控制點,經(jīng)過實地尋找,找出了7個,有4個被破壞,破壞中有2個國家II等點。在已找出的7個控制點中,國家測繪局系統(tǒng)I等點1個,III等點1個,城市測量系統(tǒng)點2個;總參軍控點3個。這些平面控制點分屬不同測量系統(tǒng),且等級不同。為提高京珠國道主干線粵境高速公路湯塘至廣州北二環(huán)段測設(shè)質(zhì)量,決定在國家測繪系統(tǒng)基礎(chǔ)進行控制點加密。加密的控制點布設(shè)方案是:沿公路路線每10km布設(shè)一對點,該對點相距約1km,且應(yīng)通視良好。這樣,該段共設(shè)了6對GPS加密點,加密點的精度要達到四等控制網(wǎng)的要求。GPS四等網(wǎng)由18個點組成,其網(wǎng)形略圖如圖1。圖1湯塘至廣州北二環(huán)GPS四等國家大地點加密該四等網(wǎng)采用4臺TrimbleSE400單頻接收機作業(yè)。該機的標(biāo)稱精度為10mm+2ppm。四等網(wǎng)的觀測時間為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,平差計算采用武漢測繪科技大學(xué)編制的GPSADJVer2.0軟件包.通過平差處理,該四等網(wǎng)最弱點中誤差為4.11cm,平均點位中誤差3.18cm,最弱邊相對中誤差為1/27669,平均邊長相對中誤差為1/453578。整個四等網(wǎng)作業(yè)僅花4天時間,其效率較常規(guī)測量手段至少提高3倍。在此基礎(chǔ)上,我院同湖北省測繪局、湖南省第二測繪院合作,在京珠國道主干線湖南耒陽、廣州花都段進行了近600km的GPS加密國家控制點的測量。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。國家一、二等三角點破壞嚴重,測區(qū)內(nèi)可供利用的三角點稀少,在路線走廊范圍內(nèi)僅找到7個保存完好的國家三角點。經(jīng)過平差處理,網(wǎng)中最弱點點位中誤差為4.13cm,最弱邊相對中誤差為1/12.5萬。控制網(wǎng)的各項指標(biāo)達到甚至超過國家四等網(wǎng)的技術(shù)要求。近600km的GPS控制網(wǎng),僅用兩個外業(yè)組,10個作業(yè)員,7臺GPS接收機,約20d的作業(yè)時間。若采用常規(guī)測量方法在相同人手的情況下,至少需要3個月的時間才能完成。2.3GPS測量用于隧道控制測量京珠國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,初測的左右洞起訖樁號分別為ZK144+710~ZK147+730,YK144+730~YK147+740。其洞長分別為3020m和3010m。根據(jù)《公路隧道勘測規(guī)程》中對隧道類別劃分標(biāo)準(zhǔn),屬公路特長隧道,洞外測量在隧道貫通面上對貫通誤差影響值限值為±55mm??恳紊剿淼赖靥巵啛釒У貐^(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)方法不僅費時費力,而且選點困難,砍伐工作量大。結(jié)合靠椅山地形特征,采用GPS測量,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個點組成,網(wǎng)中最短邊長為100.842m,最大邊長為3597.4m,平均邊長為1104.848m。采用Wild200GP,接收機進行靜態(tài)觀測,觀測時間為20~50min,采樣率為10,共觀測了29條基線向量。經(jīng)過平差處理,網(wǎng)中最弱邊相對精度為1/60106,最高相對精度達1/137萬;最弱點位中誤差為±0.83cm。在貫通面上貫通誤差左右線分別為±0.707cm和±0.693cm。通過實施GPS測量可看出:(1)GPS測量用于隧道控制測量靈活、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度點。(2)GPS測量具有極高的精度,它完全能達到《公路勘測規(guī)程》對隧道測量的要求。(3)GPS測量較紅外儀導(dǎo)線測量,可提高效率4~5倍。2.4GPS用于特大橋控制測量鄂黃長江公路大橋是連接長江兩岸黃岡市和鄂州市的公路特大橋。為便于大橋設(shè)計和施工,采用GPS對手選方案III、W橋位進行III等平面控制測量。布網(wǎng)設(shè)計方案為雙大地四邊形(如圖3)。垂直于江面的長邊約為1200m,平行于江面的短邊約為500m。雙大地四邊形與兩個國家II等以上大地點聯(lián)測。經(jīng)過平差處理,控制網(wǎng)精度為:最弱點位中誤差1.93cm,最弱邊長相對中誤差1/113000,滿足了1等平面控制測量的精度要求。2.5GPS測量用于導(dǎo)線控制測量京深高速公路河北境內(nèi)高邑至邢臺段地處華北平原,地勢平坦,最大相對高差約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。公路及機耕道密集。采用三臺Wild200GPS接收機進行導(dǎo)線測量,作業(yè)方式采用點連接方式,三臺接收機同時作業(yè)。作業(yè)完后,向前滾動(如圖4)在GPS觀測前,已作高精度紅外導(dǎo)線測量(EDM)和水準(zhǔn)測量。下面列出同時施測GPS和常規(guī)測量的10.88km的比較結(jié)果。GPS測量觀測時段7.5min,30歷元。邊長比較結(jié)果如表1。將GPS測量結(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,點位中誤差為±0.075m。將GPS測量結(jié)果與精密水準(zhǔn)測量結(jié)果比較,得到高程中誤差為±0.049m。通過實際測量可看出:(1)GPS觀測時間為7.5min,與常規(guī)紅外測量相比,時間縮短了約20min,效率為4倍;與全站儀測量相比,時間縮短約8min,效率為2倍。(2)GPS導(dǎo)線測量可靠性好,平面精度和高程精度均能滿足高速公路測設(shè)的要求。2.6GPS測量用于攝影測量外業(yè)控制點測量攝影測量一般沿飛行航測的航線,每隔一定間隔就要在野外實地測量一定數(shù)量的平面和高程控制點(如圖5)。野外平高控制點的間隔n按地形類別及所測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個攝影基線。常規(guī)的野外平高控制點的測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)線方法測定航測像控點。這種方法主要是導(dǎo)線方式測量。由于航攝面積較廣,對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)進行導(dǎo)線測量,往往由于實地條件的限制,其作業(yè)是相當(dāng)艱苦的,且工作量大,作業(yè)周期長。在京珠國道主干線粵境高速公路湯塘至廣州北二環(huán)段這60km路線的航測外業(yè)中,利用4臺TrimbleSE4000接收機,將1臺或2臺GPS接收機固定于已知點上,其余GPS接收機游動于像控點三維坐標(biāo)測量,全線航測像控點測量僅用5d作業(yè)時間。經(jīng)過平差處理,像控點平面點位精度達到了優(yōu)于0.10m的精度,最弱邊相對中誤差為1/43734。像控點的高程GPS測量詳見2.7中介紹由此可見,GPS測量作航測控制,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量模式,其效率較常規(guī)方法提高5倍以上。2.7GPS測量用于密林、密灌地區(qū)路線控制測量隨著經(jīng)濟的發(fā)展,高等級公路開始向山區(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,有時實施常規(guī)測量方法幾乎不可能。在海南中線新建公路??谥镣筒螠y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,有多個火山口,這種地區(qū)紅外儀導(dǎo)線測量幾乎不可能,為提高高等級公路測設(shè)質(zhì)量,米用GPS沿路線每隔2km作一對GPS點,這一對GPS點應(yīng)保證足夠的水平通視距離。利用這2km一對的GPS通視點,就可在此基礎(chǔ)上前后各支出不超過1km進行放線測設(shè)工作,既保證了測設(shè)工作的質(zhì)量,又大大減少了作業(yè)的勞動強度,加快了測設(shè)周期。在海南中線的20km密林密灌測設(shè)中,作了11對GPS通視點。采用TrimbleSE4000單頻接收機在每個測站上觀測30min,數(shù)據(jù)采樣率為15,作業(yè)方法是兩臺接收機處于固定點上,其余接收機游動于密林密灌區(qū)埋設(shè)的通視點上。經(jīng)過平差處理,這22個GPS點的最弱點位精度為4.95cm,平均點位精度為2.85cm,平均邊長相對中誤差為1/486993。2.8GPSRTK用于公路路線中樁實時放樣RTK是指載波相位實時動態(tài)差分定位(Real-TimeKinematic),它是GPS發(fā)展的最新形式。靜態(tài)GPS測量采用相位差分可以達到厘米甚至毫米級精度,但缺點是經(jīng)過事后處理才知道結(jié)果。而RTK通過實時處理即能達到厘米級精度。RTK要求1臺基準(zhǔn)站和至少1臺流動站及相配套的數(shù)據(jù)通訊鏈?;鶞?zhǔn)站實時的把測站信息和所有觀測值通過數(shù)據(jù)鏈傳遞給流動站,流動站用先進的處理技術(shù)來瞬時求出流動站的三維坐標(biāo)。在武漢市機動車駕駛員考練場RTK實時放樁實驗中,利用GPSRTK技術(shù),將事先設(shè)計好的路線數(shù)據(jù)輸入控制器中,進行中樁實時放樣。通過武漢市機動車駕駛員考練場的實驗,可以看出RTK具有以下優(yōu)點:(1)直接以厘米級精度實時測定中樁位置;(2)工作人員少;(3)砍伐工作量少。從GPS測量中,得出如下體會:(1)GPS作業(yè)有著極高得精度。它的作業(yè)不受距離限制,非常適合于國家大地點破壞嚴重的地區(qū)、地形條件困難地區(qū)、局部重點工程地區(qū)等。(2)GPS測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。整個作業(yè)過程全由微電子技術(shù)、計算機技術(shù)控制,自動記錄、自動數(shù)據(jù)預(yù)處理、自動

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