论文部分内容阅读
【摘 要】随着我国经济持续稳定的发展，人们的生活水平日益提高，公路工程行业也通过几年的不断奋斗和发展，已经进入一个重要的发展阶段。公路工程由于线路多变、构造复杂，其施工测量工作也较为繁琐。GPS作为一项现代化的测量技术，在公路工程测量中有着不可比拟的优势。现在GPS测量技术已经逐步取代传统的测量方法。本文对GPS系统进行简要介绍并说明GPS在公路工程测量中的应用。
【关键词】公路工程；GPS；测量技术
0.引言
随着中国公路工程建设的快速发展，公路工程的规模在不断扩大，这也对测量技术提出了更加格准确和高效的要求。虽然中国公路工程的施工已采用电子全站仪等较为先进的测量设备，但是这些常规的测量设备受到各种各样条件的限制，其工作效率也因此越来越低。GPS测量技术突破了传统的测量方法，完全适应了现代公路工程测量的要求，从而给测绘领域带来了一场革命。
1.GPS简介
1.1 GPS概述
GPS作为目前世界最完善、最先进的卫星导航及定位系统，具有高精度、高效率、全天候、自动化等特点。GPS测量技术是通过接收卫星信号然后进行相应的数据处理，通过它极高的精密度，提供精确的三维坐标。公路工程的施工控制网是施工放样的依据，它对精度的要求很高。GPS的精密测量技术可以既省力又省时的解决这一精度问题，工作效率相比传统的测量技术得到大幅提高。经过我国测绘部门十多年的使用，GPS已经在工程测量、工程变形监测、资源勘测、大地测量等多项学科得到广泛应用并赢得了广大测量人员的信赖。
1.2 GPS 系统的组成
GPS系统由空间部分、地面控制部分和用户设备部分等三部分组成，如下图所示：
（1）GPS空间卫星星座是由3颗在轨备用卫星和21颗工作卫星组成。24颗卫星分布在6个轨道平面内，轨道倾角为55°，卫星的平均高度约20200公里，运行一周需用11小时58分钟。空间卫星使用L波段两个无线电载波向用户持续发送信号。在任何时刻、任何地点，高度角在15°以上，平均可观测到6颗卫星，最多可以观测到9颗。
（2）GPS的地面控制部分由一个主控站、三个注入站和五个跟踪站组成。依据检测站对GPS卫星观测所得到的数据，主控站可以计算各卫星的种差参数、轨道参数等，并可以将这些数据编成导航电文存在到相应卫星的存储器中。
（3）GPS用户设备由GPS接收机、数据处理软件和终端设备组成。GPS接收机可以捕捉到待测卫星的信号，跟踪卫星运行并且对信号进行交换、放大与处理，再通过计算机相应软件，求出GPS接收机中心三维坐标。
1.3 GPS 测量原理
GPS测量系统采用高轨测距，它的基本观测量是观测站到GPS卫星之间的距离，有两种方式得到距离观测量，一种方式是载波相位测量，另一种方式是伪距测量。测量接收器产生的参考载波信号与有载波多普勒频移GPS卫星载波信号之间相位差的方式是载波相位测量，这种测量方式的优点是定位精度高；测量用户接收器接收GPS卫星发射的测距码信号所耗费的时间这种方式称为伪距测量，这种测量方式测量定位的速度非常快。GPS定位是通过4颗及以上卫星同时做载波相位测量和伪距测量，这两种测量，进而计算出接收机的三维坐标。
1.4 GPS测量的特点
相对于常规测量方法GPS测量主要有以下特点：
①测量定位精度高。红外仪称测量精度一般是5mm+5ppm，而双频GPS接收机基线解精度是5mm+1ppm。因此两者精度大致相当，但是随着测量距离的增加，GPS测量的优越性便表现出来了，实验证明，在小于50km的基线上，其测量定位精度可以达到12×10-6，如果在100km～500km长的基线上可以达10-6～10-7。②观测所需时间短。对一条基线进行精密定位所需的时间短，例如小于20km的短基线上用快速相对定位一般只需要5min。
③观测点之间无需通视。这样既可以减少测量工作所需的时间和经费，同时使点位的选择变得更加灵活。
④操作简便。目前GPS接收机有向智能操作和小型化的发展趋势，观测人员不需要有很高的技术水平，只需要将接收机天线进行对中，整平然后量取天线高，打开电源后GPS接收机就会自动观测，并利用数据处理软件即可求得待测点的三维坐标，并且仪器可以自动完成卫星捕获、跟踪进行观测等其它的观测工作。
⑤提供精确的三维坐标。GPS测量在对观测站的大地高程进行精确测定的同时还可以对观测站的平面位置进行精确测定。
⑥可以全天候作业。GPS观测可以在任何时间，任何地点连续进行，一般不会受天气的影响。公路路线一般分布在带状的走廊内。进行平面控制测量时一般采用导线形式，这包括结点导线、闭合导线、附合导线等形式。对于一些重要构造物例如长大隧道、大桥、特大桥等，也有的是布设成线形锁、三角网等形式。
2.GPS 测量在公路工程中的应用
公路工程测量主要用到GPS两大功能：静态测量功能和动态测量功能。接收卫星信息，然后确定地面上某点三维坐标是GPS的静态功能；运用卫星系统，把已知三维坐标的点位放样到实际地面上是GPS的动态测量功能。
2.1绘大比例尺的地形图
现在高等级的公路选线多在大比例尺的带状地形图上进行。传统的测图方法是先建立控制点，然后再进行碎部测量，最终绘大比例尺地形图。这种选线方法速度慢、工作量很大、浪费时间。而GPS动态测量则可以解决这些问题，在确定的公路线路上每个碎部点上停一两分钟就可以获得各点的高程和坐标。结合输入点的属性信息及特征编码，构成带状碎部点的数据，在室内就可以用绘图软件绘制大比例尺地形图。因为采集碎部点坐标和输入其属性信息的速度很快，因此可以在很大程度上降低绘图难度。
2.2道路的土石方量计算和横、纵断放样 在进行纵断面放样时，先把放样数据输入到GPS电子手簿中，并将生成的施工测设放样点文件进行相应的保存，为现场随时放样测设做准备。在进行横断面放样时，先要确定横断面的形式，先把把横断面设计数据输入GPS电子手簿中（如路幅的宽度、路肩的宽度、设计高度、边坡坡度），并将生成的施工测设放样点文件进行存储，为现场随时放样测设做准备。在利用“断面法”计算土方量时可以利用软件自动和地面线进行“戴帽”工作。利用绘图软件绘出沿线的纵断面和各点的横断面图。由于所用的数据已经在测绘地形图时采集了，所以不再需要外业测量工作。而且如果有必要，可以利用GPS的动态功能到现场进行检测，与传统测量方法相比，既实用又经济。
2.3道路的中线测设
工程人员在大比例尺地形图上定线后，还应该在公路实际地面上将线路标定出来。通过动态GPS技术测量，只需要将中线主点坐标输入到GPS接收机中，就会得到放样点的位置。由于每个点都是单独进行测量，因此几乎不会产生累积误差。道路路线主要是由直线、圆曲线、缓和曲线组成。只需要输入各主控点的桩号，然后输入起终点的方位角，直线段距离、圆曲线半径、缓和曲线距离就可完成施工放样。这种比传统弦线拨角法效率要高的多。
2.4道路工程施工变形观测
动态GPS变形监测网测量精度相当高，例如对路基路堤沉降观测、隧道施工的变形观测以及现浇梁做变形观测等，要比传统的工程监控网更加精确，有更广阔的应用前景。
3.结束语
本文通过探讨GPS技术在公路工程测量中应用，总结出：（1）GPS测量作业精度极高。它不受距离限制，非常适合我国地形条件困难地区、国家大地点破坏严重区、局部重点工程地区等（2）GPS测量可以提高工作质量。整个工作过程由计算机技术、微电子技术控制，自动记录数据并进行预处理、自动计算平差。（3）GPS测量可以大大降低劳动作业强度，提高作业效率。（4）在目前高等级公路逐慢慢向山岭重丘区发展，由于这些地区地形限制，进行常规几何水准测量有困难，在这种情况下，GPS高程测量无疑是一种高效的手段。 [科]
【参考文献】
[1]王勇智.GPS测量技术[M].北京：中国电力出版社，2010.
[2]张延杰.GPS测绘技术在道路测量的发展前景及建议[J].经营管理者，2012（18）.
[3]黄国强，苏长勇.GPS 测量技术在公路工程中的应用[J].中国新技术新产品.
[4]何亚倩，郑宇.GPS在公路工程测量中应用的探讨[J].科研探索与知识创新.
【关键词】公路工程；GPS；测量技术
0.引言
随着中国公路工程建设的快速发展，公路工程的规模在不断扩大，这也对测量技术提出了更加格准确和高效的要求。虽然中国公路工程的施工已采用电子全站仪等较为先进的测量设备，但是这些常规的测量设备受到各种各样条件的限制，其工作效率也因此越来越低。GPS测量技术突破了传统的测量方法，完全适应了现代公路工程测量的要求，从而给测绘领域带来了一场革命。
1.GPS简介
1.1 GPS概述
GPS作为目前世界最完善、最先进的卫星导航及定位系统，具有高精度、高效率、全天候、自动化等特点。GPS测量技术是通过接收卫星信号然后进行相应的数据处理，通过它极高的精密度，提供精确的三维坐标。公路工程的施工控制网是施工放样的依据，它对精度的要求很高。GPS的精密测量技术可以既省力又省时的解决这一精度问题，工作效率相比传统的测量技术得到大幅提高。经过我国测绘部门十多年的使用，GPS已经在工程测量、工程变形监测、资源勘测、大地测量等多项学科得到广泛应用并赢得了广大测量人员的信赖。
1.2 GPS 系统的组成
GPS系统由空间部分、地面控制部分和用户设备部分等三部分组成，如下图所示：
（1）GPS空间卫星星座是由3颗在轨备用卫星和21颗工作卫星组成。24颗卫星分布在6个轨道平面内，轨道倾角为55°，卫星的平均高度约20200公里，运行一周需用11小时58分钟。空间卫星使用L波段两个无线电载波向用户持续发送信号。在任何时刻、任何地点，高度角在15°以上，平均可观测到6颗卫星，最多可以观测到9颗。
（2）GPS的地面控制部分由一个主控站、三个注入站和五个跟踪站组成。依据检测站对GPS卫星观测所得到的数据，主控站可以计算各卫星的种差参数、轨道参数等，并可以将这些数据编成导航电文存在到相应卫星的存储器中。
（3）GPS用户设备由GPS接收机、数据处理软件和终端设备组成。GPS接收机可以捕捉到待测卫星的信号，跟踪卫星运行并且对信号进行交换、放大与处理，再通过计算机相应软件，求出GPS接收机中心三维坐标。
1.3 GPS 测量原理
GPS测量系统采用高轨测距，它的基本观测量是观测站到GPS卫星之间的距离，有两种方式得到距离观测量，一种方式是载波相位测量，另一种方式是伪距测量。测量接收器产生的参考载波信号与有载波多普勒频移GPS卫星载波信号之间相位差的方式是载波相位测量，这种测量方式的优点是定位精度高；测量用户接收器接收GPS卫星发射的测距码信号所耗费的时间这种方式称为伪距测量，这种测量方式测量定位的速度非常快。GPS定位是通过4颗及以上卫星同时做载波相位测量和伪距测量，这两种测量，进而计算出接收机的三维坐标。
1.4 GPS测量的特点
相对于常规测量方法GPS测量主要有以下特点：
①测量定位精度高。红外仪称测量精度一般是5mm+5ppm，而双频GPS接收机基线解精度是5mm+1ppm。因此两者精度大致相当，但是随着测量距离的增加，GPS测量的优越性便表现出来了，实验证明，在小于50km的基线上，其测量定位精度可以达到12×10-6，如果在100km～500km长的基线上可以达10-6～10-7。②观测所需时间短。对一条基线进行精密定位所需的时间短，例如小于20km的短基线上用快速相对定位一般只需要5min。
③观测点之间无需通视。这样既可以减少测量工作所需的时间和经费，同时使点位的选择变得更加灵活。
④操作简便。目前GPS接收机有向智能操作和小型化的发展趋势，观测人员不需要有很高的技术水平，只需要将接收机天线进行对中，整平然后量取天线高，打开电源后GPS接收机就会自动观测，并利用数据处理软件即可求得待测点的三维坐标，并且仪器可以自动完成卫星捕获、跟踪进行观测等其它的观测工作。
⑤提供精确的三维坐标。GPS测量在对观测站的大地高程进行精确测定的同时还可以对观测站的平面位置进行精确测定。
⑥可以全天候作业。GPS观测可以在任何时间，任何地点连续进行，一般不会受天气的影响。公路路线一般分布在带状的走廊内。进行平面控制测量时一般采用导线形式，这包括结点导线、闭合导线、附合导线等形式。对于一些重要构造物例如长大隧道、大桥、特大桥等，也有的是布设成线形锁、三角网等形式。
2.GPS 测量在公路工程中的应用
公路工程测量主要用到GPS两大功能：静态测量功能和动态测量功能。接收卫星信息，然后确定地面上某点三维坐标是GPS的静态功能；运用卫星系统，把已知三维坐标的点位放样到实际地面上是GPS的动态测量功能。
2.1绘大比例尺的地形图
现在高等级的公路选线多在大比例尺的带状地形图上进行。传统的测图方法是先建立控制点，然后再进行碎部测量，最终绘大比例尺地形图。这种选线方法速度慢、工作量很大、浪费时间。而GPS动态测量则可以解决这些问题，在确定的公路线路上每个碎部点上停一两分钟就可以获得各点的高程和坐标。结合输入点的属性信息及特征编码，构成带状碎部点的数据，在室内就可以用绘图软件绘制大比例尺地形图。因为采集碎部点坐标和输入其属性信息的速度很快，因此可以在很大程度上降低绘图难度。
2.2道路的土石方量计算和横、纵断放样 在进行纵断面放样时，先把放样数据输入到GPS电子手簿中，并将生成的施工测设放样点文件进行相应的保存，为现场随时放样测设做准备。在进行横断面放样时，先要确定横断面的形式，先把把横断面设计数据输入GPS电子手簿中（如路幅的宽度、路肩的宽度、设计高度、边坡坡度），并将生成的施工测设放样点文件进行存储，为现场随时放样测设做准备。在利用“断面法”计算土方量时可以利用软件自动和地面线进行“戴帽”工作。利用绘图软件绘出沿线的纵断面和各点的横断面图。由于所用的数据已经在测绘地形图时采集了，所以不再需要外业测量工作。而且如果有必要，可以利用GPS的动态功能到现场进行检测，与传统测量方法相比，既实用又经济。
2.3道路的中线测设
工程人员在大比例尺地形图上定线后，还应该在公路实际地面上将线路标定出来。通过动态GPS技术测量，只需要将中线主点坐标输入到GPS接收机中，就会得到放样点的位置。由于每个点都是单独进行测量，因此几乎不会产生累积误差。道路路线主要是由直线、圆曲线、缓和曲线组成。只需要输入各主控点的桩号，然后输入起终点的方位角，直线段距离、圆曲线半径、缓和曲线距离就可完成施工放样。这种比传统弦线拨角法效率要高的多。
2.4道路工程施工变形观测
动态GPS变形监测网测量精度相当高，例如对路基路堤沉降观测、隧道施工的变形观测以及现浇梁做变形观测等，要比传统的工程监控网更加精确，有更广阔的应用前景。
3.结束语
本文通过探讨GPS技术在公路工程测量中应用，总结出：（1）GPS测量作业精度极高。它不受距离限制，非常适合我国地形条件困难地区、国家大地点破坏严重区、局部重点工程地区等（2）GPS测量可以提高工作质量。整个工作过程由计算机技术、微电子技术控制，自动记录数据并进行预处理、自动计算平差。（3）GPS测量可以大大降低劳动作业强度，提高作业效率。（4）在目前高等级公路逐慢慢向山岭重丘区发展，由于这些地区地形限制，进行常规几何水准测量有困难，在这种情况下，GPS高程测量无疑是一种高效的手段。 [科]
【参考文献】
[1]王勇智.GPS测量技术[M].北京：中国电力出版社，2010.
[2]张延杰.GPS测绘技术在道路测量的发展前景及建议[J].经营管理者，2012（18）.
[3]黄国强，苏长勇.GPS 测量技术在公路工程中的应用[J].中国新技术新产品.
[4]何亚倩，郑宇.GPS在公路工程测量中应用的探讨[J].科研探索与知识创新.