道路勘测阶段控制测量方法的研究

侯晓真，于瑞鹏

（1．中国矿业大学 环境与测绘学院，江苏 徐州221008；2．山东省第一地质矿产勘查院，山东 济南250014）

道路勘测阶段控制测量方法的研究

侯晓真1，于瑞鹏2

（1．中国矿业大学 环境与测绘学院，江苏 徐州221008；2．山东省第一地质矿产勘查院，山东 济南250014）

道路勘测控制测量作为线路施工放样的依据，必须建立具备一定精度的控制网，测量仪器及施工方法对工程质量将会产生很大影响。结合张承高速公路二期工程所处测区概况，并结合现代测量工具，从而提出该路段控制测量的最佳施测方法；通过对实测数据进行处理及分析，验证该方法的可行性。

道路测量；控制测量；GPS

随着时代的发展，现代公路建设呈现出新的特点，传统的测量工具、测量手段很难满足现代道路工程高精度、高效率、低劳动强度的要求，需探索适应新要求的勘测手段。道路勘测控制测量是线路施工放样的依据，是道路建设的重要阶段。

控制测量阶段最重要的是要控制误差在一定范围内，使测量数据满足施工要求。误差包括仪器误差、观测误差、外界条件引起的误差。测量误差不可避免，但可以通过使用先进的测量仪器和测量方法、提高作业人员的业务素养等手段减小误差。随着电子技术的不断发展，测量仪器呈现出自动化程度高、精度高、稳定性好，对外界条件的要求逐渐降低等新的特点，降低了劳动强度，提高了作业效率。因此，电子测量仪器在施工过程中得到广泛应用。在研究当代测绘仪器及方法的基础上，基于测区概况提出了该区段测量的最佳方法，即：平面控制测量采用GPS两级控制，首级选取四等GPS测量，下一级采用一级GPS测量；高程控制测量采用四等水准测量和GPS拟合高程相结合的测量方法。实际数据结果表明该方法的有效性。

1 实例应用

1．1 测区概况

张承二期高速公路（张家口段）位于张家口市崇礼县、张北县、沽源县境内，多为山区，昼夜温差大，线路穿过大马群山进入坝上草原。测区最高处约2 050 m，最低处约1 290 m，高差达到760 m。线路经过242省道、345省道、406县道、404县道、403县道、241省道。路线位于东经115°17′～115°58′和北纬40°00′～40°34′。线路主线 AK 全长101．8 km，比较线 A1长23．18 km、A2长10．1 km、A3长6．976 km，线位终点向东延长2 km，共计144 km，其中丘陵段22 km，山区段122 km。

1．2 测量方案的选取

现代施工过程中常用的控制测量方法有：全站仪导线测量、全站仪三角高程测量、水准测量、GPS测量［1］。从测区所处环境可见测区范围较大，路线长度较长，且地形起伏变化比较大，同时结合各种测量方法的特点，为有效的控制误差，提高工作效率，降低劳动强度，平面控制测量采用GPS静态相对定位的方法，高程控制测量采用电子水准测量与GPS拟合高程测量相结合的方法。

1．2．1 平面控制测量

依据公路勘测规范JTG／T－C10－2007，高速公路控制网应采用一级GPS测量，但综合考虑该测区范围比较大、仪器数量有限及仪器误差、操作误差等因素影响，为使测量数据尽可能满足精度要求，减少误差积累，平面控制测量采用两级控制［2］，首级选取四等GPS测量，下一级采用一级GPS测量。四等GPS控制网布设为大地四边形，三角点双边联测控制网；一级控制网采用边连式或点连式布网，控制网的两端与四等GPS点联结，做到不隔点联结。

1．2．2 高程控制测量

根据已知点的现有资料情况，为方便计算，高程系统采用1985国家高程基准。由于测区山地地段较多，在保证测量精度的前提下，为满足工期、节省财力、人力、物力等条件，不同地段采用不同的作业方法。

依据公路勘测规范JTG／T－C10－2007，高速公路高程控制网应满足四等测量的精度要求。本测区高程控制测量平缓地段采用联测四等水准，为加快观测速度，提高观测精度，四等水准使用电子水准仪铟瓦水准尺采用单程双转点方法；山区路线相邻高程控制点间的距离不超过1．5 km的区段采用GPS拟合高程［3－4］，这种方法在应用过程中应注意以下几点：

1）高程异常变化平缓的地区可使用GPS方法施测高程控制测量，数据采集应采用静态相对定位的方法，时间应大于相应等级的平面控制测量所需的时间。

2）当采用拟合的方法求解高程值时，应在测区周围和测区内联测高一级的水准点。丘陵或山地不宜少于10个点。未知点较多时，联测点宜大于未知点点数的1／5或联测点间的距离不应大于5km。联测的水准点应均匀分布于网中，外围水准点连成的多边形应包含整个测区。

1．3 测量仪器的选取

依据公路勘测规范JTG／T－C10－2007，GPS测量的主要技术要求应满足表1。

表1 GPS测量的主要技术指标

依据上述技术要求，结合本单位现有测量仪器，同时考虑到仪器携带、运输费用及使用情况，四等GPS测量、一级GPS测量和GPS拟合高程测量均使用4台TRIMBLE SPS780双频GPS接收机（标称精度5 mm＋1 ppm×D）；4台 NAVOCAM 3010S双频GPS接收机（标称精度5 mm＋1 ppm×D）。四等水准测量使用3台Trimble Di－Ni电子水准仪（标称精度±0．3 mm／Km），1台 DL－111C（标称精度±0．3 mm／Km），3 m条形码铟瓦水准标尺和铸铁尺垫。

1．4 坐标系的选取

在GPS测量内业数据处理过程中，为了将GPS数据转换到1954北京坐标系中，需利用2至3个平面已知点进行二维约束平差，求出控制点在高斯平面上的坐标［5］。由于这一处理过程中存在不同程度的高斯投影变形，致使GPS点间有坐标反算的边长与实测值之间存在差异，给后续工程施工放样带来不便，因此，要保证测区内投影长度变形值不大于2．5cm／km，若投影变形超限可采用抵偿高程面的方法［6］，其中长度综合变形按式（1）计算。

式中：RA为长度所在方向的椭球曲率半径；H为长度所在高程面相对于椭球面的高差；SH为实地测量长度；R为测区平均曲率半径；S为规划到椭球面的长度；ym为边长两端点横坐标的平均值。

当δ≥2．5 cm／km，应按式（2）计算抵偿高程面的高程。

此次工程施工现场高差变化比较大，距离中央子午线比较远，为保证投影变形在限差内及为充分利用现有数据资料，此次施工坐标系采用1980西安坐标系参考椭球，抵偿高程面上的高斯正形投影任意带平面直角坐标系。本次工程中全线共划分三个平面坐标系，具体划分如下：

1）第一坐标系中央子午线115°30′，处于线路AK62＋078m—AK83＋700m，投影面高程1 420 m，投影变形值最大为24．4 mm／km；

2）第二坐标系中央子午线115°30′，处于线路AK83＋700m—AK110，投影面高程1 680 m，投影变形值最大为22．0 mm／km；

3）第三坐标系中央子午线115°30′，处于线路AK110—AK163＋885m，投影面高程1 450 m，投影变形值最大为20．4 mm／km。

2 数据处理

路线控制网是公路控制测量的主控制网，主控制网宜全线贯通，统一平差［7］。本实验中采用华测COMPASS软件进行平差。

2．1 平面控制测量数据

各GPS控制点的点位中误差、边长相对中误差、各主要精度指标统计如下：

1）四等GPS控制网最弱边边长574．902 7 m，相对中误差为1／78784。

2）四等GPS控制点点位中误差一般在0～0．90 cm之间，如表2所示。

误差区间／cm 0～0．5 0．5～0．9 0．9以上个数6 52 0

其中点位中误差：最大值为±0．85 cm；最小值为±0．35 cm。

3）四等GPS控制点闭合环误差一般在0～10 ppm之间，如表3所示。

表3 四等GPS控制点闭合环误差精度统计

其中相对闭合差：最大值为9．98 ppm；最小值为0．02 ppm。

4）一级GPS控制网最弱边边长427．597 5 m，相对中误差为1／64809。

5）一级GPS控制点点位中误差一般在0～1．0 cm之间，如表4所示。

表4 一级GPS控制点点位中误差精度统计

其中点位中误差：最大值为±0．62 cm；最小值为±0．02 cm。

6）一级GPS控制点闭合环误差一般在0～13 ppm之间，如表5所示。

表5 一级GPS控制点闭合环误差精度统计

其中相对闭合差：最大值为12．71 ppm；最小值为0．01 ppm。

依据公路勘测细则JTG／T－C10－2007，其相应精度要求为：四等GPS网最弱点点位中误差不超过±5 cm，最弱相邻点边长相对中误差小于1／35 000；一级GPS网最弱点点位中误差不超过±5 cm，最弱相邻点边长相对中误差小于1／20 000。

通过以上数据不难看出：控制点点位误差及闭合环相对闭合差较小，均满足精度要求且分布集中，观测精度比较高。

2．2 高程控制测量数据

在完成整个测区水准线路后，全网统一平差，其精度统计如表6所示。

表6 四等水准测量高差闭合差精度统计表

由闭合差计算的观测值精度统计：如表7所示，每公里高程测量的高差中误差：±9．54 mm；高差中数全中误差：±5．75 mm。

表7 GPS高程拟合精度统计表 m

续表7

依据公路勘测细则JTG／T－C10－2007精度要求应满足：四等水准测量附和路线闭合差不大于±25■L mm，如表8所示。

表8 四等水准测量的技术要求［8］

通过上述数据精度统计，可见上述两种测量手段均满足相应规范的精度要求，此外大部分GPS高程点的点位误差达到毫米级，最大误差为2．8 cm，如表9所示。

表9 GPS拟合高程控制测量技术要求

3 结 论

1）通过对比现代常用的控制测量方法并结合本测区概况，提出了该测区控制测量的最佳施测方法，该研究对类似工程具有一定的指导意义。

2）为满足平面控制测量的数据精度要求，同时考虑到仪器数量有限，该路段采用GPS两级控制，首级采用四等GPS测量，下一级采用一级GPS测量。

3）为满足高程控制测量的精度及工期的要求，经研究该区段高程控制测量采用GPS拟合高程测量与电子水准测量相结合的方法：即本测区平缓地段采用电子水准仪单程双转点的方法，山区路线相邻高程控制点间的距离不超过1．5 km的区段采用GPS拟合高程的方法。

4）由于此次工程施工现场高差变化比较大，距离中央子午线比较远，为保证投影变形在限差内并充分利用现有数据资料，此次施工坐标系采用1980西安坐标系参考椭球，抵偿高程面上的高斯正形投影任意带平面直角坐标系。

5）通过对实测数据的处理，得出了一些数据处理的规律。研究表明本文提出的方法均满足相应规范的精度要求，同时说明现代测量方法对于降低劳动强度、提高数据精度、提高工作效率等方面具有无可比拟的优势，具有广泛的应用前景。

［1］孔祥元．控制测量（上·下）［M］．武汉：武汉大学出版社，2006．

［2］刘跃武．道路勘测中使用GPS技术的方法［J］．北方交通，2009（5）：45－46．

［3］尚保兴．GPS拟合高程在测量中的运用［J］．山西科技，2008（6）：143－144．

［4］薛明．线路测量中GPS拟合高程的应用研究［J］．山西建筑，2010，36（29）：350－352．

［5］徐绍栓．GPS测量原理及应用［M］．武汉：武汉大学出版社，2004．

［6］潘正风．数字测图原理与方法［M］．武汉：武汉大学出版社，2004．

［7］中交第一公路勘测设计研究院．JTG／TC 10－2007公路勘测细则［S］．北京：人民交通出版社，2007．

［8］国家测绘局测绘标准化研究所．GB 12898－91国家三、四等水准测量规范［S］．北京：人民交通出版社，2009．

The method about the control survey of road

HOU Xiao－zhen1，YU Rui－peng2
（1．School of Environmental Science and Spatial Informatics，China University of Mining and Technology，Xuzhou 221008，China；2．The First Geology and Mining Exploration Institution of Shandong，Jinan 250014，China）

The control survey is the foundation of staking，thus we must establish the control network with a certain precision．The equipment and the measuring method contribute a lot to the project’s quality．I will put forward the best control method by combining the second phase of Zhang Cheng Highway with the modern equipment；and through the measurement data processing and analysis，the feasibility of this method was verified．

road survey；control survey；GPS

P221

A

1006－7949（2012）04－0070－04

2011－11－16

侯晓真（1988－），女，硕士研究生．

［责任编辑张德福］