GPS和全站仪联合测量在道路勘测中的应用分析

王 彬

（佛山市测绘地理信息研究院,广东 佛山 528000）

0 引言

构建控制网只是GPS技术在道路勘测领域的初级应用，在此基础上发展而来的GPSRTK技术可大大提高勘测作业效率，但无法完全取代传统勘测方法，在部分场景下仍需搭配使用全站仪、水准仪等常规勘测工具[1]。在实际勘测作业中，全站仪测量、GPS测量单独完成，数据无法共享。因此，为提高道路勘测效率和质量，可采取GPSRTK+全站仪联合勘测技术，结合二者优点开展道路联合勘测[2-3]。

1 几种道路勘测技术应用特点

1.1 GPSPTK勘测技术

GPSRTK勘测使用的关键设备包括基准站、流动站，其中基准站设置于基准点位，且对地势标高、视野的要求较高，通过GPS完成勘测数据采集与分析实现高精度勘测定位[4]。

（1）勘测原理：GPSRTK勘测技术的定位原理见图1。

图1 GPSRTK定位原理图

（2）勘测特点：GPSRTK勘测技术具有定位精准、经济性好、作业效率高等优点，但流动站需先确定待测点，实际操作难度大，对道路工况要求较高，在部分道路工况下该技术应用效果不理想。具体来说，该技术的应用特点包括：①效率较高。只需布设少量基准点就能高效开展道路勘测作业。②不受时间地点限制。随时随地都能开展勘测作业。③结果更加直观。与传统勘测技术相比，GPSRTK技术得到的测量结果更直观，能有效解决高地势、大遮挡等问题。④人工成本低。多个流动站共享同一个基准站，且单个流动站单人即可操作，可有效降低人工成本。

（3）勘测要点：①沿待测道路全线布设异步闭合测量控制网，间隔2 km左右布设多个测量控制点，对于地形复杂区域的道路，测量控制点间距不能超过2 km。②布设好测量控制网后需先观测各控制点标高，观测前选择视野无遮挡、地势较平处设置基准站，再运用RTK勘测质控措施获得各控制点坐标系间转换拟合参数。③测定控制点处中桩坐标，并做好标记。根据放样测量点位计算GPS导航数据，并在导航图中显示，测得RTK接收装置的准确位置，表征其与放样点的定位误差，再进行位置重合，得到放样点的精确位置。④整理坐标数据，先定点设置横断面，基于系统偏距测量功能采集各测控点的标高变化，从而明确横断面地面数据，根据地形地貌特征和数据模型获得精确的横断面勘测数据[5]。

1.2 全站仪

全站仪是工程测量领域广泛应用的一种勘测装置，包含机械、光电等多种元件，可提供丰富的工程测量功能，测量精度较高，配置到位后就能高效开展各项勘测作业。如测角、测距以及相关数据的整理分析，作业效率高，操作成本较低，可见高效运用全站仪的关键是合理的配置与操作。

（1）全站仪基本结构：①光学单元，全站仪内包含多种光学测量元件，结构较为精密。例如，其内部设有望远镜，可进行远距离校正、测距光波发射等。②自动补偿单元，其配备的自动补偿单元能够自动实时检测纵轴倾斜度，并自动校正由此导致的测角误差，从而实现纵轴倾斜的自动补偿，保证测量结果的准确性。③电子处理单元，该单元包括微处理器、存储器两部分，其中微处理器是整个装置的核心部分，主要包括运算器、寄存器、控制器。作用是按照外部指令或内部程序控制全站仪的运行状态，以保证整个测量作业高效有序开展，存储器的主要作用是保存各种勘测数据[6-7]。全站仪基本结构见图2。

图2 全站仪结构

（2）全站仪测量技术的主要特征：①测量精度较高。全站仪能精确测定待测点坐标信息，作业效率高，适用范围广。②测量速度快。全站仪测量作业速度快，操作简便，单人即可操作。③测量距离远。全站仪配备有望远镜可进行远程测量，当待测区域存在大范围遮挡物时，全站仪测量精度明显下降。④自动勘测。单个流动站可由单人操作完成勘测作业，作业效率高，人工成本低。但自动勘测精度难以保证，勘测结果易受地形地貌、气候条件以及道路工况等因素的影响，适用范围受限[8-9]。

1.3 GPS和全站仪联合测量

在道路勘测领域，GPSRTK技术不能完全取代常规勘测技术，某些场景下需配合使用全站仪、水平仪等常规勘测设备进行联合勘测。如待测区域存在大范围的植被遮挡或构建物遮挡时，可综合运用GPSPTK+全站仪对测控点进行联合勘测，以提高勘测精度和效率。

首先运用RTK技术完成测量放样，将预先确定的测量放样点坐标输入手簿，通过GPS接收器解算得到放样点坐标并做好标记。然后考虑地形地貌特征，运用全站仪进行联合勘测，明确待测点区域的碎部点，最后综合GPS+全站仪测量数据，获得更精准的测量结果。

2 GPS和全站仪相联合勘测工程应用

2.1 工程概况

某双向四车道道路1#施工段长18.47 km，设计车速80 km/h，路基宽24.6 m。该施工区域内存在大范围植被，路基土石方量较大，道路勘测难度较大。结合该工程实际情况，采用GPSRTK+全站仪联合勘测方法完成道路勘测作业方案。为验证该方案的合理性，该研究选取三种不同工况的路段，分别进行联合勘测。

2.2 勘测步骤

2.2.1 前期工作

由于道路测量涉及环节较多，操作步骤烦琐，为确保道路勘测结果的可靠性，采用GPSRTK+全站仪联合勘测方法，正式勘测前需做好前期准备工作。全面掌握GPSRTK+全站仪联合勘测作业步骤，作业人员应根据实际情况合理确定勘测流程，严格按照勘测流程有序完成勘测作业。

正式勘测前，作业人员必须先仔细观测待测点实际情况，并调试好GPS接收器、全站仪等勘测设备，合理设置测量坐标系、高程、控制网等关键参数。

2.2.2 投影面及投影带选取

合理选取平面控制测量投影面及投影带，以有效解决平面测量长度变形问题，具体计算方法如下：

（1）高程与平面测量长度变形成正比：实际平面测量边长可参考椭球面变形规律，计算值为Δs1：

式中，Hm——实际平面测量边长值参照椭球面高程均值；s——实际平面测量边长；R——实际平面测量边长方向的椭球法截弧曲率半径。

（2）实际平面测量边长相对变形计算公式如式（2），大地高不同，每千米实际平面测量边长的相对变形有所差异，具体如表1所示。式中，Δs1表示负值，是指将测量长度归算到参考椭球面；|Δs1|值随Hm增加而增加。

表1 投影变形变化表（设Rm=6 370 km）

（3）待测区域与中央子午线的距离越远，实际平面测量边长度变形越明显：将参考椭球面的边长归算为高斯投影面的变形值为Δs2。公式如下，由于其后半部分对结果的影响很小，可忽略不计，该研究仅讨论公式前半部分：

式中，s=s0+Δs1，s0——高斯投影面平面测量边长；ym——平面测量边长两端横坐标均值；Rm——椭球面曲率半径均值。

高斯投影面平面测量边长相对投影变形可通过下列公式计算，具体计算结果见表2。

表2 距离中央子午线垂距的相对变形（设Rm=6 370 km）

Δs2恒为正，说明椭球面的平面测量边长度投影在高斯面上，长度持续增大；Δs2与ym的平方成正比，距离子午线越远，平面测量边长变形越大。

2.2.3 实际应用

在实际道路勘测作业中，运用GPSRTK技术获取的信号不稳定，导致后续勘测数据统计分析工作难以顺利开展，影响勘测结果的可靠性。因此，在勘测信号不稳定的情况下，应采用GPSRTK+全站仪联合勘测方法进行综合勘测，以提高勘测精度[10]。

（1）在道路勘测实践中先通过GPSRTK技术在待测区域设置初级测量控制点位，保证勘测精度达到相关技术要求。基于该勘测技术无法全面掌握地形地貌特征点位信息，因此需绘制待测区域地形地貌图。再通过全站仪勘测待测区域碎部，从图根、碎部入手开展联合勘测，以获得最精准的勘测结果，有效解决GPSRTK勘测技术、全站仪勘测技术存在的问题，取长补短，提升道路勘测作业效率及精度。

（2）为确保勘测数据的一致，需统一处理待测区域各碎部点，将勘测数据转换成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：

3 质量评价

该高速道路段采取GPSRTK+全站仪联合勘测作业方案，全部勘测作业耗时97 d，通过比较各种道路勘测方法，最终确定GPSRTK+全站仪联合勘测方法可有效提高勘测作业效率，能自动完成勘测数据的采集、记录、分析、绘图，适用于地形地貌复杂多变的道路勘测，常见道路勘测方法比较结果见表3。

表3 几种测量方式对比结果

4 结论

综上所述，结合GPSRTK、全站仪勘测可消除常规全站仪勘测容易受地势、植被等因素的影响，同时可有效解决GPSRTK勘测结果易受外部环境干扰的问题。工程应用实践表明，采用GPSRTK+全站仪联合勘测方法进行道路勘测，能有效减轻勘测工作量，可适用于复杂地形道路勘测作业。此外，GPSRTK 勘测无须考虑误差累计问题，选择测量点位的范围更广。在后续研究中需重点研究流动站GPS接收器的通信技术，如蓝牙等无线通信手段可直接传输数据坐标，从而提高勘测数据采集速度，可为道路勘测工作人员以及技术研究人员提供可靠的数据参考。