实时GPS测量在公路放样中的应用研究

1、实时GPS测量在公路放样中的应用研究伍学祥摘要:本文就利用GPS-RTK(实时动态测量)进行公路中线放样测量这一技术，提出了放样测量的基本思路及数据处理方法，并对我院的实际开发情况作了详细的介绍。关键词:公路放样；GPS；测量文章编号：0494-0911(1999)12-0035-03中图分类号：P228.42文献标识码：BA Study on the Application of Real-time GPS Surveying to Highway LocationWU Xue-xiang一、引言随着GPS设备、功能、技术的不断进步与完善，在公路工程测量领域里，测量工作者已不满足于只将GPS

2、用作控制测量。特别是近几年来高精度GPS实时动态定位技术(RTK)的快速发展，由于它能够实时地提供在任意坐标系中的3维坐标，对于公路中线测量利用GPS放样就成为可能。GPS仪器制造商也在大力开发测量放样方面的功能，只要预先输入具有一定密度的中线坐标，也能实现公路中线放样作业。但是，在实地放样测量作业中，大量的加桩是任意的，即以地形地物、地貌特征点来控制。那么，GPS放线，能否像目前广泛应用的红外仪(全站仪)极坐标法放线那样在现场随心所欲?笔者认为是完全有可能的。二、实时GPS在公路放样中应有的功能1. 实时GPS已具有的放样功能(以Leica GPS 350为例)(1) 直接调用预先输入的点进

3、行放样根据对中杆所在位置与理论点的差值来前后、左右移动对中杆，直到符合放样精度要求为止，定出放样点(见图1)。图1(2) 按预定的直线进行放样按预先定义的一条直线，再根据输入的有关线和格网的补充信息，即可进行放样，其工作原理见图2。图2另外，仪器还具有COGO(坐标几何计算处理)功能。即： 边长方位角反算选定2个点(实测或预先输入)，反算它们之间的边长、方位角和高差。 导线点计算从1个已知点出发，根据输入的导线边长与方位角，计算前方导线点的坐标。 线线交会由选定4点定义的2条线，计算其交点。 线弧交会根据选定2点定义的直线及输入圆心坐标和半径所确定的弧段，计算出它们的交点。 弧弧交会根据输入2

4、个圆的圆心坐标及半径，计算出2个弧段的交点。2. 公路放样的特点由于公路中线是由直线、圆曲线和缓和曲线3种基本线型构成，且是连续、光滑的。实地放线时需根据地形、地物、地貌特征点进行加桩放样。也就是说加桩点的坐标不能预先计算好传入控制器直接调出来放样，而应该在实际需要时临时确定。若从GPS现有功能看，还不能做到。但由于它有实时输出坐标的功能，即NMEA格式，这就为我们二次开发提供了条件。 三、放样程序的构想根据GPS实时测量，输出测点坐标(X，Y，H)的特性，我们认为所开发的程序应具有以下功能：(1) 已知坐标法预先计算路线桩号坐标，放样时直接调出进行放样(GPS-RTK也有此功能)。(2) 已

5、知桩号法待放样点的里程桩号已知，诸如曲线主点桩、百米桩、公里桩或上一阶段提供的逐桩里程桩号等。只需将桩号输入，由软件自动计算进行放样。(3) 单点自动法根据GPS在路线附近实测的点位坐标，由到路线距离最近的原则，反算其对应的桩号，再根据求得的桩号放样，工作原理见图3。图3(4) 双点间接法根据GPS机在路线附近实测的2点，求得1条直线。再根据该直线与路线相交后得到的交点，反求其桩号，达到间接放样的目的，如图4。图4四、数据模型 放线程序的核心部分是计算公路中线上任一中桩点的坐标。当GPS实地放样时，只要中桩坐标计算出来了，即可根据测点G(XG,YG)与待放样点P(XP,YP)之差在一定限度范围

6、内，即满足，则认为P点已放样完毕。为了能同时满足上述4种功能的要求，在计算中桩坐标时引入了“线元”的概念。因为公路中线由直线、圆曲线和缓和曲线3种基本线型相间组合，光滑连接构成。每种线型定义为一个“线元”，即具有起点坐标，起始方位角的曲线。对于公路中线上第i个线元，距曲线起点弧长为S的任一点Pi处的曲率Ki可表示为(1)式中：Si为第i个线元距曲线起点的弧长；LS为缓和曲线长；R1为第一圆曲线半径；R2为第二圆曲线半径。特殊地，当R1R2时，Ki(S)=0，即为直线段；R1R2R时，Ki(S)=1/R，即为圆曲线段；当R1R，R2时，Ki(S)=(Si-S)/(LS R)，即为第二缓和曲线段；

7、当R1，R2R时，Ki(S)=(S-Si)/(LS R)，即为第一缓和曲线段。由式(1)可推导出Pi点处的切线方向为(S)=i0±（PL2+K1L）其中：，LS-Si,i0为第i个线元的起始方位角。如图5所示，公路中线上任一点Pi在统一坐标系中的坐标(推导过程略)为图5五、实时GPS自动放样软件简介 由于GPS厂商一般都没有给用户提供一个开发的环境，所以我们采用外挂HP200来作载体。为了节约内存，对放样软件的结构作了特殊处理。1. 基本结构如图6，本系统的基本结构由4大部分组成。图62. 菜单构成本系统的菜单由主菜单和下拉式菜单构成，是用户执行某项操作或者进入某种状态的主要手段，见图7。图7在野外作业时，只需把线元化后的数据和包括几种放样功能的模块传输入HP200(掌上型电脑)即可。放样结果自动存盘，晚上再在驻地将其传回计算机存储或打印。六、实际应用1998年4月，在国道108线西昌黄联关至黄水段(属于山岭重丘区)进行了首次试验。当时用1台仪器作参考站，另1台仪器作流动站作业，每天放线进度为34 km。1998年6月，在成都绕城高速公路西段再次进行了放线试验。测区属于平原微丘区，房屋建筑等遮挡物较多。采用1台仪器作参考站，另3台仪器作流动站的方式