gps公路探測級控制網(wǎng)建立技術問題的探討

gps公路探測級控制網(wǎng)建立技術問題的探討

0公路勘探級別控制網(wǎng)測量方式自20世紀90年代以來，gps在導航、定位和精確搜索等領域得到了廣泛應用。僅在交通工程這一領域中GPS就有以下主要應用:用GPS靜態(tài)測量模式建立各種工程控制網(wǎng);用差分GPS(RTD模式)進行水深測量的平面定位;用差分GPS(RTK模式)進行公路勘測中線實時放樣;與GIS相結合對各種交通工具進行實時導航服務等。公路勘測首級控制網(wǎng)的建立經(jīng)歷了傳統(tǒng)三角網(wǎng)測量、導線測量和GPS測量3個主要階段,目前較大規(guī)模的公路勘測首級控制網(wǎng)的建立均采用GPS測量的方法,它是一種既經(jīng)濟又快速、精度又較高的方法。本文根據(jù)筆者近10年來在這一領域教學和工程實踐的經(jīng)驗,著重討論公路勘測首級GPS控制網(wǎng)建立的過程以及幾個主要技術問題的解決方法。1用gps法確定道路測量第一和第二網(wǎng)絡的特點和主要工作流程1.1加標準學和gps方法,一般在施工區(qū)域內(nèi)建立與傳統(tǒng)的三角測量和導線測量相比,用GPS建立公路勘測首級控制網(wǎng)有以下主要特點:相對平面定位精度較高,一般可達幾個ppm的精度;作業(yè)速度較快,平均每天可觀測10至15個點左右;經(jīng)濟效益好,由于一套國產(chǎn)GPS接收機的價格僅相當于一臺普通進口全站儀的價格,加之外業(yè)投入的人員較少、又無需建立覘標,因而用GPS建立公路勘測首級控制網(wǎng)的費用僅相當于常規(guī)方法的1/4左右。與GPS建立一般大地控制網(wǎng)相比,用GPS建立公路勘測首級控制網(wǎng)又有以下特點:GPS點位一般選定在施工區(qū)域之外。為防止施工階段對GPS點位的損壞,GPS點位一般應選在施工影響范圍以外(中線以外50m),以便長期保存;GPS點間至少要有一個通視方向。按照公路GPS測量規(guī)范的要求,為了便于后續(xù)導線測量(附合導線)的順利進行,在GPS點布設時,應每隔5km左右設置一對相互通視的GPS點(兩點間距應在300m以上);數(shù)據(jù)處理時要嚴格控制投影變形。在將GPS的WGS84大地坐標系統(tǒng)轉換到所選定的平面坐標時,若測區(qū)中投影長度變形大于2.5cm/km,為了減少投影變形,方便設計與施工放樣,一般采用測區(qū)平均子午線為中央子午線(獨立坐標系)。1.2維約束下的流程圖1為建立GPS公路勘測首級控制網(wǎng)的流程圖,筆者認為這些流程當中技術設計、選點和坐標轉換(亦稱二維約束平差)最為關鍵。由于篇幅所限不再展開敘述,本文著重討論筆者在工程實踐過程中遇到并較好解決的幾個主要技術問題。2基于歸心的gps偏心觀測在利用GPS建立公路勘測首級控制網(wǎng)時,為了正確求解坐標系統(tǒng)間的轉換參數(shù),經(jīng)常須在設有高標的平面重合點上進行偏心觀測。雖然偏心觀測的方法較多,但大多建立在歸心的基礎上,即須將偏心觀測數(shù)據(jù)歸化至標石中心,如文獻中所介紹的即是。歸化法不但外業(yè)實施過程中須測定兩組偏心要素,而且內(nèi)業(yè)計算也較為復雜繁瑣。用坐標轉移法進行GPS偏心觀測的實質就是在不影響精度的前提下,利用偏心觀測數(shù)據(jù)和三維無約束平差的結果,將平面重合點由真正意義上的已有控制點轉移為偏心觀測點。工程實踐表明,此法不但能滿足精度要求,而且簡化了外業(yè)工作量,具有方便、快捷等優(yōu)點。2.1系統(tǒng)偏差a的求解如圖2所示,設A、B為GPS控制網(wǎng)中的兩個平面重合點的標石中心,AF1、BF1為偏心觀測點,AF2、BF2為偏心輔助點,e1、e2為偏心距,θ1、θ2為偏心角。設有兩個平面坐標系:Ⅰ為測區(qū)提供的原有控制點所在的高斯平面直角坐標系;Ⅱ是由WGS84坐標系統(tǒng)經(jīng)坐標投影變換至該測區(qū)的高斯平面直角坐標系。由于坐標軸系以及橢球參數(shù)的影響,它們之間存在一定的系統(tǒng)偏差。內(nèi)業(yè)計算時,先對基線向量進行三維無約束平差。然后進行二維約束平差,平差時令AF1在WGS84坐標系統(tǒng)內(nèi)的近似坐標值即為A點的坐標值,將所有點投影至該測區(qū)的高斯平面上,即轉換到Ⅱ坐標系。在Ⅱ坐標系中,由于AF1和AF2兩點的坐標已求得,則α′AF1-AF2即可通過坐標反算的方法求得,由圖2可見α′AF1-A=α′AF1-AF2+θ1再根據(jù)AF1的假定坐標以及e1、α′AF1-A,利用坐標正算的方法求得A點的坐標值X′A、Y′A。X′A=XA+e1×cosα′AF1-AY′A=YA+e1×sinα′AF1-A同理,可推算B的坐標(X′B、Y′B)。由此可求出α′A-B。在Ⅰ坐標系中,由于A、B兩點的坐標值是已知的,可以反算求出αA-B。這樣,Ⅰ坐標系和Ⅱ坐標系之間的旋轉角就可用下式計算δ=α′A-B-αA-B在Ⅰ坐標系中αAF1-A=α′AF1-A-δ根據(jù)XA、YA、e1、αAF1-A即可推算出AF1的坐標(XAF1、YAF1)。同理,可推算BF1坐標(XBF1、YBF1)。2.2偏心點位置的控制偏心點一般選在控制點標石附近,且應滿足GPS觀測對點位的要求,如對天空視野開闊,易于安置接收機等。為了防止由于測角誤差引起的坐標精度損失,偏心點點位選擇時一定要注意控制偏心距的大小。根據(jù)幾年來的實踐,筆者認為偏心距應控制在20m以內(nèi)較為適宜,這是因為若測角誤差為10s,偏心距為20m,其點位誤差約為1mm。這樣利用坐標轉移法時才能保證偏心點與原控制點具有同等的坐標精度。從理論上講,偏心輔助點點位較易確定,只要其與偏心點通視即可。但實踐過程中,筆者認為,若原始控制點位于測區(qū)內(nèi),則應仔細選擇其點位,使之作為一個實用的GPS控制點。因此,在GPS網(wǎng)形設計和選點過程中,應充分考慮并合理利用偏心點和偏心輔助點在整個網(wǎng)中的作用。盡可能使其在今后的工程應用中發(fā)揮應有的價值,這無疑能提高工程的整體效益。2.3采用坐標轉移法對gps進行偏移觀測的內(nèi)部數(shù)據(jù)處理內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理可按圖3所示框圖進行。筆者已將此法應用于多項GPS工程實踐中,東南大學首級控制網(wǎng)的建立便是一例,其結果參見文獻。3gps數(shù)據(jù)處理《公路勘測規(guī)程》中規(guī)定,當測區(qū)偏離中央子午線大于15km時,必須考慮長度投影變形的影響,因此在GPS內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理時,為使后續(xù)使用方便必須設法消去高斯投影變形對最后坐標成果的影響。這對公路勘測首級控制網(wǎng)的建立顯得尤為重要。3.1投影變形消除技術常規(guī)方法是以測區(qū)平均子午線為中央子午線,將平面已知點進行換帶計算,然后進行二維約束平差。這雖然是消除投影變形的可行方法,但由于其橫坐標絕對值變化較大(幾十公里),給接圖、利用老圖和工程施工帶來困難或不便。為此,筆者在工程實踐的基礎上提出了尺度強制約束和投影面重新選擇兩種方法。兩種方法不但有效地消除了投影變形,而且很好地解決了老圖使用問題,極大地方便了工程施工。3.2b點的坐標計算GPS二維約束平差時,若有兩個點位精度可靠的國家點A、B,且這兩點地面實際平距為DAB,由兩點坐標反算得到的高斯平面距離為SAB。尺度強制約束法的實質就是以DAB強制作為高斯平面上的距離,重新計算B點的坐標(此時高斯平面上的點位為B1),再以A、B1為平面重合點進行二維約束平差即可。B1點的坐標計算過程如下。設A、B兩點在高斯平面上的坐標值為(xA、yA)(xB、yB)。則長度投影變形ΔS為ΔS=SAB-DAB=y2m2R2SAB(ym=yA+yB2)ΔS=SAB?DAB=y2m2R2SAB(ym=yA+yB2)A、B兩點在地面上的實際平距DAB為DAB=SAB-ΔS由xA、yA、DAB和A、B兩點間的坐標方位角TAB即可計算B1點的坐標xB1、yB1。xB1=xA+DABcosTAByB1=yA+DABsinTAB此法不但有效地消除了投影變形(尺度比為1),處理后的坐標成果與國家坐標值相差很小(一般在分米級),極大地方便了工程設計和工程施工(特別是老圖的使用)。3.3以國家歷史重新設定測區(qū)平均高程為一般而言,將地面實測水平距離D投影至高斯平面上可分為兩步:首先將地面實測平距歸化至投影橢球面上,其距離改正為ΔD1;然后再由投影橢球面進一步歸化到高斯平面上,其距離改正為ΔD2。若該邊長的兩端點至投影橢球面的平均高度為Hm,兩端點的平均橫坐標為ym,則ΔD1和ΔD2的計算公式為ΔD1=-ΗmR+Ηm×DΔD2=y2m2R2×DΔD1=?HmR+Hm×DΔD2=y2m2R2×D欲使地面實測平距與高斯平面上的距離相等(即長度變形為0),則需ΔD1+ΔD2=0,即ΗmR+Ηm=y2m2R2HmR+Hm=y2m2R2則Ηm=Ry2m2R2-y2m≈y2m2RHm=Ry2m2R2?y2m≈y2m2R內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理時,可根據(jù)計算得到的Hm以及測區(qū)平均高程hm來重新確定新選擇的投影面至國家參考橢球面的高度(hm-Hm)。用此法處理后的坐標成果同樣也與國家坐標值相差很小。筆者將以上兩種消除投影變形的方法多次用于GPS工程實踐,取得了滿意的結果,其數(shù)據(jù)結果參見文獻。4系統(tǒng)平差處理在公路勘測中GPS主要用于布設首級平面控制網(wǎng),根據(jù)文獻的要求,其點位一般布設成如圖4所示的圖形,即每隔5km左右布設一對相互通視、邊長為300m左右并埋設標石的GPS點。這樣的布設雖然有利于后續(xù)用全站儀來加密布設附合導線,但是,由于控制點間的邊長過于懸殊,導致內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理過程中存在一些較為明顯的不合理成份。如為了有效檢驗外業(yè)基線成果的質量,必須在網(wǎng)中形成一定數(shù)量的異步閉合環(huán),由于異步環(huán)中邊長較為懸殊(有幾百米的,也有十幾公里的),雖然其滿足上述基線檢核的各項限差條件,但若不加區(qū)別地將全部基線納入網(wǎng)中進行平差計算,由于長邊的系統(tǒng)誤差比短邊系統(tǒng)誤差明顯要大,因而長邊絕對精度要比短邊低很多,若將它們一同平差,勢必將長邊誤差傳遞到短邊中,大大削弱短邊的精度,影響整個控制網(wǎng)的點位精度。為了較為合理地處理上述問題,根據(jù)公路勘測GPS控制網(wǎng)點位布設特點,筆者通過幾次公路勘測首級GPS控制網(wǎng)建立的實踐,提出了一種行之有效的優(yōu)化處理方法,較好地解決了這一問題。此法的實質就是在內(nèi)業(yè)平差處理時將形成異步環(huán)的較長邊(10km以上,如圖4中的AE、EJ和AJ邊)僅用于基線成果的檢核,不納入網(wǎng)平差計算的范疇,以提高整個GPS網(wǎng)的點位精度。具體運用時應在常規(guī)內(nèi)業(yè)平差處理的基礎上按以下兩方面進行優(yōu)化處理:首先,按常規(guī)進行基線解算和觀測成果的檢驗。在經(jīng)過四項檢驗特別是經(jīng)過異步環(huán)閉合差檢驗合格后,進入下一步的網(wǎng)平差計算。其次,在保證所有待定點均能坐標解算的前提下,將GPS控制網(wǎng)中用于形成異步環(huán)的較長基線邊刪除,再進行三維自由網(wǎng)平差和二維約束平差。雖然此時GPS控制網(wǎng)的網(wǎng)形類似支導線的形式,但由于已經(jīng)經(jīng)過基線檢核,因而其解算成果也是可靠的。5技術難點分析用