GPS与全站仪联合测量在高速公路勘测中的应用

王 磊

（中铁十八局集团第三工程有限公司，河北 涿州 072750）

1 引言

目前由于新型公路勘察技术的不断涌现，公路勘察设计逐渐走向一体化和自动化，在提高公路勘察效率和准确性的同时，确保公路的勘察质量。现阶段公路勘察项目中还是以全站仪设备为主，但其应用时往往会受到地形地貌的限制，降低了工作效率。GPS RTK技术在公路勘察应用中也较为广泛，但其在应用时也会遇到信号不佳的问题，同样会受到一定的限制［1］。因此，为较好的提高公路勘察的整体质量，可有效将GPS RTK技术和全站仪相联合，互相扬长补短，进行公路综合勘察。本文研究GPS RTK技术和全站仪联合测量在公路勘察中的应用，首先对GPS技术、全站仪、GPS RTK技术和全站仪相联合技术的应用特点进行阐述，重点研究GPS RTK技术和全站仪相联合勘察的应用。

2 几种公路勘测技术应用特点

2.1 GPS PTK勘察技术

（1）勘测原理

GPSPTK技术主要应用设备为流动站加基准站，其基准站通常设置在已知基准点位之上［2］，另外对地势的标高和视野要求较高，结合GPS卫星传来的跟踪检测信号来进行综合信息采集分析，最终得到具备厘米级别的定位结果，GPS RTK的定位原理如图1所示。

图1 GPSRTK定位原理图

（2）勘测特点

GPS RTK技术应用于公路横断面测量工作中具备成本低、效率高等特点，同时在测量快捷准确，然而流动站需测量待测点的具体位置，增大了测量难度，同时对公路工况有一定的要求，在某些特殊工况下GPS RTK技术有时并不适用［3-4］。GPSRTK测量特点显著，主要为：

①提高作业效率。仅设立少许基准点即可完成测量工作；

②全天候工作。在任何位置和任意时间均可有效完成公路测量工作；

③测量直观。采用GPS RTK技术测量公路横断面时可克服地势高、遮挡物大等问题，相对于常规测量技术其直观性更好；

④测量人员需求少。在应用GPS RTK技术进行公路横断面测量时，同一基准站可由多个流动站共同使用，同时一个流动站的测量接收仅需1名技术人员操作即可，极大节约人员成本投入。

（3）勘测要点

首先采用异步闭合网的形式在待测路线上沿线来设置控制网，每隔2~3km的间距在各区域设置控制点，针对山区，控制点设置的间距需低于2km。测区控制网设置完毕后对各控制点处的坐标和高程实现静态观察，观察前将基准站设定于视野开阔、地势达标的区域，再结合PTK质量控制措施得到坐标系间的转换拟合参数［5］。点位测定公路中桩，并将其坐标输入并埋桩标记。通过输入放样点位计算得到导航数据，并显示在导航图上，测量得到RTK接收器在地方坐标系上的具体位置，表征出RTK接收器和放样点之间的位置偏差，通过位置重合后可准确得到放样点位置。最后整理输出所采集的坐标数据，先进行定点设置横断面方向，根据系统中的偏距测量功能采集各处变化点的坐标和高程，确定出横断面的地面数据，结合地形特征结合数据模型处理技术得到最终的横断面信息。

2.2 全站仪

在地势陡峭的山区公路进行横断面测量时，部分位置无法进行正常跑尺作业，因此会选用全站仪设备进行测量处理。通过总结分析和实际应用，可归纳出全站仪测量技术的主要技术特征有：

（1）效率高，使用范围广。采用全站仪测量时往往不需到达待测点即可得到待测点的坐标信息，极大提高测量效率。

（2）测距速度快。全站仪测量时其速度较快，同时操作性简单。

（3）测程远。全站仪结合自身的棱镜可极大提升测程，但在植被茂密区域会大大限制全站仪的测量效果［6］。

（4）自动化。各测站仅需1名技术人员即可完成测量，其测量效率较高，但全站仪测量的精度不高，同时容易受到地形、天气以及工况等因素的影响，其适用性受到一定的限制。

2.3 GPS和全站仪联合测量

公路测量时GPS RTK技术往往无法完全代替常规的测量技术，在一定情况下还需要结合全站仪、水平仪等设备进行协同测量，例如植被茂密或公路上构建物分布密集时，可采用GPSPTK技术进行控制点测定，完成联合测量作业。具体操作为先进行RTK技术放样，将事先设计好的点位坐标输入到手簿内，连接好GPS接收装置，快速准确地计算标记出放样点位置，然而收到地形限制，采用全站仪进行配合操作，结合全站仪来测量待测点处的碎部点，两种测量方式相结合，可较好贯穿到整个公路测量工作中。

3 GPS和全站仪相联合勘测工程应用

3.1 工程概况

某山区高速公路第1合同段总长度为17.36km，设计行车速度为80km/h，双向四车道，路基宽度为23.5m。该合同段整体呈南北走向，沿线地势主要以丘陵为主，海拔最高高达1400m，同时植被茂密，路基的土石方量较大，其中还包括2座立交互通和4座中大桥，因此给公路的测量工作带来难度。针对实际情况，施工单位决定采用GPS RTK技术和全站仪相联合的方式进行公路测量，并选出三个不同特殊工况进行测量情况对比，分析GPS RTK技术和全站仪相联合的可行性。

3.2 勘测步骤

（1）前期工作

公路工程测量设计的内容较多，其操作环节复杂，为了提高测量的准确性，应将GPS RTK技术和全站仪相结合，同时需对前期的准备工作完善。提前熟悉掌握GPS PTK联合全站仪测量步骤流程，测量技术人员结合实际情况制定出科学有效的测量工艺，然后再逐步详细的开展测量工作［7］。正式测量前测量技术人员提前对待测点区域的实际情况进行仔细勘察，即对地理环境、经纬度、面积高程、地形地势等进行勘察。同时对各测绘仪器设备进行调试，确定测量中所应有的坐标系统、控制网布局及高程布局等参数。各测量人员需进行产前培训，测量过程中做好各项数据记录，不得出现遗测、漏测现象。

（2）投影面及投影带选取

平面控制测量投影面和投影带的选择主要是解决长度变形问题。具体表现为：

①高程越大，长度变形越大。

实测边长归算到参考椭球面上的变形影响，其值为Δs1：

式中：Hm为归算边高出参考椭球面的平均高程；s为归算边的长度；R为归算边方向参考椭球法截弧的曲率半径。

归算边长的相对变形：

对于不同的大地高，长度归算的每千米相对变形也不尽相同，具体数值如表1所示。

表1 投影变形变化表（设Rm=6370km）

Δs1值是负值，表明将地面实际测量长度归算到参考椭球面上，总是缩短的；｜Δs1｜值与Hm成正比，随Hm增大而增大。

②测区偏离中央子午线越远，长度变形越大。

将参考椭球面上的边长归算到高斯投影面上的变形值为Δs2（因公式后面影响小于毫米级，故在本文讨论中将其舍掉只讨论公式前面部分）：

式中：s=s0+Δs1，即s0为投影归算边长；ym为归算边两端点横坐标平均值；Rm为参考椭球面平均曲率半径。

投影边长的相对投影变形为：

表2 距离中央子午线垂距的相对变形（设Rm=6370km）

Δs2值总是正值，表明将椭球面上长度投影到高斯面上，总是增大的；Δs2值随着ym平方成正比而增大，离中央子午线愈远，其变形愈大。

（3）实际应用

公路测量应用中当GPS RTK技术中接收得到的信号质量较差，会给后续的测量统计工作带来较大影响，降低了整体的测量结果准确性，此时针对信号较差情况可选用全站仪进行联合测量［8］。实际应用中先采用GPS RTK技术在待测点区域内设立低级控制点位，其精度需满足设计要求，针对GPS RTK技术测量时缺乏对地形特征点位信息的情况，得出待测点区域地形图（见图2），再采用全站仪对待测区域进行碎部测量作业，从图根和碎部两个部分进行联合测量，得到最有效的测量结果，弥补两种技术之间的不足和差异，提高整体的公路测量精度。为保持数据统一，应将各碎部点遵循统一方式进行处理，并将其转化为DAT格式，其标准格式为： “点号、逗号、东坐标、北坐标，高程”，具体如下：HLB-A1.，433693.312，4724623.073，16.218 HLB-A2.，434104.910，4724332.838，17.600 HLB-A3.，434119.874，4724423.900，17.309 HLB-B4.，434128.131，4724257.480，17.250

图2 本测区1∶2000地形图

3.3质量评价

本公路合同段采用GPS RTK和全站仪相联合的方式进行公路测量，其整体测量工作历时86天，通过对比各勘测方式，得出GPS RTK技术和全站仪相联合检测方式可实现数据采集、记录、计算、成图一体化测量，可较好适用于复杂地形山区公路测量工作。几种测量方式对比结果如表3所示。

表3 几种测量方式对比结果

4 结语

本文围绕GPS和全站仪联合测量在高速公路勘测中的应用进行展开，分别阐述了GPS技术、全站仪、GPS RTK技术和全站仪相联合技术的应用特点，重点研究GPS RTK技术和全站仪相联合勘察的应用，并在实际工程中进行应用。研究结果表明，GPS RTK技术和全站仪相联合检测方式可实现一体化测量，缩短了测量作业人员、时间的投入，提高公路勘察质量，且可以较好适用于复杂地形山区公路测量工作，具有一定的可行性和实用性。