GPS定位技術(shù)在山區(qū)高速公路平面控制測量中的應用研究(Word版)

1、GPS定位技術(shù)在山區(qū)高速公路平面控制測量中的應用研究（Word版）(提示：此文是本人從百度文庫下載，原文為PDF格式)摘要GPS系統(tǒng)是一種采用距離交會法的衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)，在測量領(lǐng)域得到了廣泛應用。以洪西高速公路為例，闡述在地形復雜的LJ區(qū)進行GPS控制測量時，坐標系統(tǒng)的選擇、控制網(wǎng)的布設(shè)、數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理的方法，對從事山區(qū)公路測量的測繪人員有一定的借鑒意義。關(guān) 鍵 詞：GPS；控制點；平面控制測量；基線；平差目錄摘要1目錄20 引 言31 工程概況32 坐標系統(tǒng)的選擇43 平面控制網(wǎng)的布設(shè)531 平面控制網(wǎng)等級的確定532 控制網(wǎng)點的布設(shè)64 GPS數(shù)據(jù)采集75 GPS數(shù)據(jù)處理851 路線

2、平面控制網(wǎng)的數(shù)據(jù)處理9511基線解算9512 控制網(wǎng)平差10513 精度分析1152 構(gòu)造物平面控制網(wǎng)數(shù)據(jù)處理126 結(jié)論與建議12參考文獻：140 引 言GPS系統(tǒng)是一種采用距離交會法的衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)，在測量領(lǐng)域得到了廣泛應用 。國內(nèi)外專家學者研究表明，應用IGS精密星歷和高精度數(shù)據(jù)處理軟件處理數(shù)據(jù)，中短邊相對中誤差優(yōu)于 1410 -7，長邊相對中誤差優(yōu)于1810 -9。但在樹木叢生的山嶺重丘區(qū)，GPS接收信號將受到一定程度的影響，如何利用GPS技術(shù)建立高精度的控制網(wǎng)，就成為測繪工作者研究的內(nèi)容。筆者以洪酉高速公路為例，闡述在地形復雜的山區(qū)采用GPS定位技術(shù)進行控制測量時，坐標系統(tǒng)的選擇、

3、控制網(wǎng)的布設(shè)、數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理的方法，對從事山區(qū)公路測量的測繪人員有一定的借鑒意義。1 工程概況洪安至酉陽高速公路位于重慶市秀山縣和酉陽縣境內(nèi)，屬山嶺區(qū)高速公路，地形地質(zhì)條件復雜，初步設(shè)計里程長876km，有54座大橋和10座隧道，其中老虎山、平陽蓋、葡萄山3個特長隧道均在3km以上，橋梁和隧道總長度超過314km，已超過路線總長的13?？紤]到本測區(qū)地形比較復雜、植被較厚、樹木較多以及通視較困難的特點，同時GPS測量具有點與點問不要求通視，相對定位精度高，能全天候作業(yè)、速度快以及從數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理到數(shù)據(jù)分析全過程易于實現(xiàn) 自動化等優(yōu)點，因此本項目采用GPS定位技術(shù)進行平面控制測量(因該地區(qū)

4、重力異常較大 故高程控制采用三角高程測量方法)，現(xiàn)就GPS測量技術(shù)在山區(qū)高速公路平面控制測量中的應用進行說明。2 坐標系統(tǒng)的選擇在進行平面控制測量之前，首先應確定其平面直角坐標系，以保證測區(qū)內(nèi)投影長度變形值小于25cmkm2 。在海拔高度小于 160m的平坦地區(qū)，由于高程歸化引起的長度變形值小于25cmkm，所以控制網(wǎng)長度變形只需考慮高斯正形投影就可以了。但在山嶺重丘區(qū)，由于地形起伏較大，海拔較高，不僅高斯正形投影引起的長度變形可能會超限，而且高程歸化引起的長度變形也會超限，因此在山區(qū)進行控制測量，選擇適宜的坐標系統(tǒng)，對于提高勘測成果精度，減少繁瑣的數(shù)據(jù)計算，顯得尤為重要。根據(jù)規(guī)范要求和山區(qū)特

5、點，結(jié)合山區(qū)經(jīng)緯度、平均高程等因素，按照下列方法選擇坐標系：1) 當勘測路線距離國家統(tǒng)一的3帶中央子午線較近時，可建立投影于抵償高程面上的高斯正形投影3帶平面直角坐標系 。2) 當勘測路線偏離國家統(tǒng)一的3帶中央子午線較遠時，可采用： 投影于抵償高程面上的高斯正形投影任意帶平面直角坐標系 。 投影于參考橢球面上的高斯正形投影任意帶平面直角坐標系 。 當采用一個投影帶不能滿足要求時，可分為幾個投影帶，但投影分帶位置不能選擇在大型構(gòu)造物處 。 當勘測路線較短或獨立的工點如橋梁、隧道工程控制網(wǎng)建立時，可直接把局部地球表面作為平面建立假設(shè)平而直角坐標系。洪酉高速公路項 目最遠處經(jīng)度為10916，距統(tǒng)一的

6、高斯正形投影3。帶中央子午線約 140km，若采用高斯正形投影3帶平面直角坐標系，根據(jù)式(1)可知，投影長度變形最大為0241mkm，遠遠超出了限差要求。又由于該測區(qū)平均海拔高度為400m，根據(jù)式(2)可知，高程歸化引起控制網(wǎng)邊長縮短0062mkm 利用高程歸化和高斯正形投影對于控制網(wǎng)邊長的影響為前者縮短和后者伸長的特點，存在著兩者抵償?shù)牡貛?，為使測區(qū)投影長度變形值符合規(guī)范要求，經(jīng)過反復推算，選擇以東經(jīng) 10920為中央子午線，投影面高度為400m，很好地解決觀測值長度變形問題，保證投影誤差不會影響控制網(wǎng)的精度 。高斯正形投影和高程歸化長度變形計算公式如下：S=SY(2R) （1）D=D(1一

7、R(H+R) （2）式中，S為長度增加值；S為參考橢球體上的邊長；Y為測距邊兩端點平均橫坐標；D為長度縮短值；D為經(jīng)儀器加乘常數(shù)、氣溫氣壓及三差改正后的平距；H為測距邊平均高程；R為地球平均曲率半徑，R= 6371km。3 平面控制網(wǎng)的布設(shè)31 平面控制網(wǎng)等級的確定在地形較為平坦的地區(qū)，構(gòu)造物平面控制網(wǎng)可與路線平面控制網(wǎng)同時布設(shè)。然而在山區(qū)，由于高速公路項目包括大量的橋梁和隧道，而各級公路、橋梁和隧道的平面控制網(wǎng)等級又不同，所以應采用路線平面控制網(wǎng)與構(gòu)造物平面控制網(wǎng)分步布設(shè)的方法。但為了保證構(gòu)造物平面控制網(wǎng)聯(lián)系到路線平面控制網(wǎng)上，在大型構(gòu)造物兩側(cè)應分別設(shè)置至少1對相互通視的首級平面控制點，并且

8、這些平面控制點應布設(shè)成四邊形。對于路線平面控制網(wǎng)，應首先布設(shè)首級控制網(wǎng)，然后再布設(shè)加密路線平面控制網(wǎng) 。首級控制網(wǎng)的等級應根據(jù)路線平面設(shè)計的實際需要和公路勘測規(guī)范的要求確定。對于高速公路和一級公路，加密控制網(wǎng)等級不得低于一級導線精度；對于二、三、四級公路，加密控制網(wǎng)等級不得低于二級導線精度 。各級隧道、橋梁的平面控制網(wǎng)等級，根據(jù)其長度和橋梁單跨跨度按照公路勘測規(guī)范的要求確定。按照上述布網(wǎng)原則，洪酉高速公路項目首級路線平面控制網(wǎng)等級應為四等，在四等控制網(wǎng)下布設(shè)一級導線作為加密控制網(wǎng)。葡萄山隧道長度為63km，采用二等平面控制網(wǎng)；老虎山和平陽蓋隧道長度為33km，采用三等平面控制網(wǎng)；青岡隧道長度為

9、13km，采用四等平面控制網(wǎng)；杉木洞特大橋長度為15km，屬于多跨橋梁，采用四等平面控制網(wǎng)，其余隧道和橋梁均采用一級導線布網(wǎng)。但為了保證上述構(gòu)造物平面控制網(wǎng)聯(lián)系到路線平面控制網(wǎng)上，在其兩側(cè)分別設(shè)置1對相互通視的首級平面控制點。32 控制網(wǎng)點的布設(shè)首先在1：10000的地形圖上進行控制網(wǎng)設(shè)計和點位的選擇，然后進行實地踏勘確定點位。點位應根據(jù)山區(qū)地形特點選在較高位置，避免峽谷和樹林對GPS衛(wèi)星信號的嚴重遮擋，特別是在隧道進出口，既要保證GPS衛(wèi)星信號不受影響，又要避免點位離路線太遠，影響隧道貫通精度。點位上方應無大面積遮擋物，距離大功率發(fā)射臺和高壓線較遠，視野開闊，點位附近沒有易引起多路徑效應的反

10、射物，每一點應至少有一相鄰點通視。大型構(gòu)造物每一端應埋設(shè)2個以上的平面控制點。一級導線相鄰點之間的距離在山嶺區(qū)不得小于 100m，最大距離不應大于平均邊長的兩倍。按照上述要求，洪酉高速公路項目首級路線平面控制點共布設(shè)28個，加密路線平面控制點共布設(shè) 176個，特長隧道和特大橋梁兩側(cè)分別設(shè)置 1對相互通視的首級平面控制點。首級平面控制點和構(gòu)造物平面控制點采用GPS觀測，加密路線平面控制點采用全站儀觀測。4 GPS數(shù)據(jù)采集在山區(qū)進行GPS測量時，由于路線經(jīng)過峽谷等地形復雜地段，點位上方的GPS衛(wèi)星信號會被遮擋一部分，從整體上講觀測條件往往較差，因此作業(yè)前應查看觀測站星空圖，選擇適當?shù)挠^測時間段，適

11、當延長觀測時間等手段來提高觀測精度，二、三、四等GPS控制網(wǎng)應以邊連式、網(wǎng)連式方法組網(wǎng)觀測。根據(jù)實踐經(jīng)驗，在山嶺重丘區(qū)，用GPS雙頻接收機對控制點進行靜態(tài)觀測時，二等平面控制網(wǎng)每個時段同步觀測時間不少于3h，三等平面控制網(wǎng)每個時段同步觀測時間不少于2h；四等平面控制網(wǎng)每個時段同步觀測時間不少于15h，截止高度角取20。洪酉高速公路項目控制點設(shè)置完畢后，經(jīng)過約7d以上的穩(wěn)定時間，用4臺TopconGPS雙頻接收機對28個GPS控制點進行靜態(tài)觀測。為保證測量精度，觀測前對TopconGPS接收機的性能和可靠性進行全面檢驗，各項指標合格后才允許參加作業(yè)；首級平面控制網(wǎng)點每個時段同步觀測時間均不少于1

12、5h，重復設(shè)站次數(shù)不少于2次；大型構(gòu)造物控制網(wǎng)點每個時段同步觀測時間均不少于2h，重復設(shè)站次數(shù)不少于2次；以邊連式方法組網(wǎng)進行觀測，采樣間隔取5S，截止高度角取20，GDOP小于6，同時觀測到有效衛(wèi)星數(shù)大于5顆；接收機開始記錄數(shù)據(jù)后，隨時注意衛(wèi)星信號和信息存儲情況，當接收或存儲出現(xiàn)異常時，調(diào)整觀測計劃，延長接收機觀測時間。每天觀測結(jié)束后要及時對當天的測量數(shù)據(jù)進行處理，包括基線解算，同步環(huán)閉合差計算等，對超限的點位要進行整體分析，如有必要進行重測或補測。5 GPS數(shù)據(jù)處理控制網(wǎng)點觀測完成后，對原始數(shù)據(jù)進行全面檢查和校對，確認外業(yè)數(shù)據(jù)無誤后，采用高精度的GPS數(shù)據(jù)處理軟件進行數(shù)據(jù)處理工作。首先進行

13、基線解算，其次進行三維無約束平差和三維約束平差，最后進行二維約束平差。在GPS觀測條件較好的平坦地區(qū)，控制網(wǎng)數(shù)據(jù)處理工作一般能一次完成。在地形起伏較大、樹木眾多的山嶺重丘區(qū)，由于GPS接收信號受到不同程度的影響，在數(shù)據(jù)處理過程中，往往會出現(xiàn)大量不合格基線或者合格基線誤差較大，部分同步環(huán)閉合差、重復基線較差、異步環(huán)閉合差會超限，如何提高控制網(wǎng)解算精度，盡量避免大量的外業(yè)重測工作，就成為測繪工作者研究的問題，下面將以洪酉高速公路為例，談談在山區(qū)進行GPS測量的數(shù)據(jù)處理方法。51 路線平面控制網(wǎng)的數(shù)據(jù)處理511基線解算在基線解算過程中，對不合格和誤差較大的基線進行認真分析，通過查看衛(wèi)星的殘差圖，提高

14、衛(wèi)星高度角，調(diào)整起止時間歷元的位置、刪除數(shù)噪聲比較大的衛(wèi)星、屏蔽信號質(zhì)量差的時段，來提高基線解算質(zhì)量，但對同一時段觀測值的數(shù)據(jù)剔除率不得大于10(不包括受高度角和不同步觀測影響的值)?；€解算結(jié)束后，通過檢驗重復基線較差、同步環(huán)閉合差、異步環(huán)閉合差和RMS、RATIO、RDOP的值來衡量基線的解算質(zhì)量，對解算不合格的基線進行重測或補測。對于GPS控制網(wǎng)基線閉合差限差按以下公式計算：Ds2（=） (3)W2(5)(且Wx，Wy，Wz/(5) (4)V2(且 Vx，Vy，Vz2) (5) 式中，為基線標準差，mm；a為固定誤差，a=5 mm；b為比例誤差系數(shù)，b=1mm；d為基線長度，km；n為環(huán)

15、的邊數(shù)；Ds為重復基線測量差值，mm；W為同步環(huán)閉合差，mm；V為異步環(huán)閉合差，mm。Vx、 分別為基線分量的改正數(shù)絕對值。洪酉高速公路項目內(nèi)業(yè)采用拓普康接收機的隨機軟件PinnacleV10進行數(shù)據(jù)處理，同時將觀測文件轉(zhuǎn)換成標準RINEX格式，采用國內(nèi)優(yōu)秀的中海達HD2003數(shù)據(jù)處理軟件進行平行驗算比較。對不合格的基線和誤差較大的基線按照上述方法進行了處理，但還是有5條基線不能達到合格要求，經(jīng)分析，該地方地處峽谷，樹木較多，GPS信號不好。于是將該部分基線及其附近基線進行重測，增加觀測時段，延長同一時段同步觀測時間為25h，截止高度角取25，屏蔽衛(wèi)星信號差的時段，數(shù)據(jù)處理后全部基線解算合格，

16、同步環(huán)閉合差、重復基線較差、異步環(huán)閉合差等全部符合要求，至此基線解算結(jié)束，下一步進行平差計算。512 控制網(wǎng)平差1)控制網(wǎng)三維無約束平差和三維約束平差基線解算合格、各項精度符合規(guī)范要求后，就可以進行控制網(wǎng)平差。首先在WGS84坐標系下進行三維無約束平差，檢查GPS基線向量網(wǎng)本身的內(nèi)符合精度，基線分量的改正數(shù)絕對值限差應滿足公式(6)：Vx、Vy、Vz（=） (6)式中各符號同前。經(jīng)檢驗，該項目全部基線分量的改正數(shù)絕對值符合要求。爾后進行三維約束平差，得出各點的經(jīng)緯度、WGS一84坐標系下的坐標和點位中誤差，最大點位中誤差為29mm，控制網(wǎng)的精度符合規(guī)范要求。2)控制網(wǎng)二維約束平差為解算控制點的

17、平面直角坐標，必須聯(lián)測至少3個以上國家高等級控制點，為保證控制網(wǎng)整體精度，聯(lián)測的高等級控制點最好在測區(qū)分布均勻。洪酉高速公路項目在測區(qū)共收集到5個國家二等點，這5個高等級控制點分布在測區(qū)的兩端和中部，測量標志清晰，現(xiàn)場地質(zhì)條件較好，沒有破壞痕跡，經(jīng)檢驗可以作為平面控制網(wǎng)的已知數(shù)據(jù)。 起算點的確定。已知點聯(lián)測后，還不能進行平面控制網(wǎng)二維約束平差，還必須通過換帶計算，把聯(lián)測的已知點坐標換算到項 目選擇的平面直角坐標系下，才能進行二維約束平差。就洪酉高速公路項 目而言，必須把聯(lián)測的已知點坐標換算到該項目抵償坐標系下，即：以東經(jīng)10920為中央子午線，以高程400m為投影面進行換帶計算后，才能進行二維

18、約束平差。 平面控制網(wǎng)二維約束平差。起算點數(shù)據(jù)確定后，在網(wǎng)平差軟件中輸入起算數(shù)據(jù)，設(shè)置平面直角坐標系參數(shù)(參考橢球類型、中央子午線經(jīng)度、投影面高程)后，進行控制網(wǎng)二維約束平差，輸出控制點坐標、最弱點點位中誤差、最弱相鄰點邊長相對中誤差、點位中誤差和誤差橢圓等精度指標。513 精度分析根據(jù)公路勘測規(guī)范的規(guī)定，各級平面控制測量，其最弱點點位中誤差不得大于5cm，最弱相鄰點相對點位中誤差不得大于3cm，二等平面控制網(wǎng)最弱相鄰點邊長相對中誤差不得大于1100000；三等平面控制網(wǎng)最弱相鄰點邊長相對中誤差不得大于170000；四等平面控制網(wǎng)最弱相鄰點邊長相對中誤差不得大于135000。洪酉高速公路項 目

19、首級平面控制網(wǎng)最弱相鄰點邊長相對中誤差和最弱點點位中誤差分別見表 1、表2。從表 1、表2可以看出：平面控制點最弱點點位中誤差小于5cm，最弱相鄰點邊長相對中誤差小于1：35000，滿足規(guī)范要求，說明本項目路線首級控制網(wǎng)精度是可靠的。表 1 最弱相鄰點邊長相對中誤差起點終點dx中誤差/mdyG12G13-635.88690.0096-335.1252表2 最弱點點位中誤差點名x中誤差/my中誤差/m中誤差/mG123186937.966447088.2170.02230.01120.019352 構(gòu)造物平面控制網(wǎng)數(shù)據(jù)處理雖然各級構(gòu)造物控制網(wǎng)的精度等級不同，但其數(shù)據(jù)處理方法與路線平面控制網(wǎng)的數(shù)據(jù)處理方法類似，不同之處在于，構(gòu)造物控制網(wǎng)要以首級路線平面控制網(wǎng)點的解算坐標為起算數(shù)據(jù)和檢核數(shù)據(jù)，即：平差時以構(gòu)造物一端路線首級控制網(wǎng)中的一個點為起算點，以該點到另一路線控制點的方向為起始方向，并利用構(gòu)造物另一端首級路線控制網(wǎng)中的一個點作為檢核點。當檢核點在兩個網(wǎng)中的坐標差值大于4em，尤其是橫坐標差異較大時，應以構(gòu)造物控制網(wǎng)中的起算點為基準點，以該基準點到檢核點為參照邊，將整個構(gòu)造物控制網(wǎng)進行旋轉(zhuǎn) 。6 結(jié)論與建議GPS具有全天候、實時、連續(xù)三維坐標和高精度測量特點，測站問又不用通視，作業(yè)效率高、勞動強度低，相對常規(guī)測量方法更適用于山區(qū)平面控制網(wǎng)的測量。為此提出以下建議。1) 在