GPS RTK技术在高速公路外业测量中的应用研究

1、论文题目：GPS RTK技术在高速公路外业测量中的应用研究本 科 生：朱威宇指导教师：杨永崇摘 要 根据高等级公路勘测的特点与要求 , 论述应用 GPS卫星定位技术进行公路初测控制测量的方法 , 主要对高等级公路外业测量中平面控制测量、高程控制测量、地形测量、路线定线与放样、中桩测量及断面测量的内容、要求及测量方法进行介绍。探讨GPS RTK技术在公路测量中使用的技术水平和发展现状, 不仅可以提高路线勘测速度 , 而且对高速公路外业测量技术具有一定指导作用。关键字：GPS RTK，布网，放样，地形图测绘，纵横断面测量Subject : the application research of G

2、PS RTK technology in the highway field measurementName : Zhu WeiyuInstructor : Yang YongchongABSTRACT High-grade highways in accordance with the characteristics and requirements of the investigation, on the application of GPS satellite positioning technology for the early road test of the method of

3、control measurements, the main highway outside the industry for measuring the control-plane measurement, measurement of height control, topographic survey, route alignment and lofting, in the pile cross-section measurement and measurement of the content, requirements and measurement methods are intr

4、oduced. Discussion on GPS RTK technology in the use of road measuring the technological level and the development of the status quo, not only can improve the speed of route survey and field measurement of the highway has a guiding role in technology.Keyword: GPS RTK, cloth net, lofting, topographic

5、mapping, vertical and horizontal cross-section measurement目 录 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc231630551 第一章 绪论 PAGEREF _Toc231630551 h 4 HYPERLINK l _Toc231630552 研究背景 PAGEREF _Toc231630552 h 4 HYPERLINK l _Toc231630553 研究的目的与意义 PAGEREF _Toc231630553 h 4 HYPERLINK l _Toc231630554 第二章 高速公路测量的主要内容 PAG

6、EREF _Toc231630554 h 6 HYPERLINK l _Toc231630555 2.1 高速公路工程的测量内容 PAGEREF _Toc231630555 h 6 HYPERLINK l _Toc231630556 2.2 平面控制测量 PAGEREF _Toc231630556 h 6 HYPERLINK l _Toc231630557 2.3 高程控制测量 PAGEREF _Toc231630557 h 7 HYPERLINK l _Toc231630558 2.4 线路的初测 PAGEREF _Toc231630558 h 9 HYPERLINK l _Toc23163

7、0559 2.5 线路的定测 PAGEREF _Toc231630559 h 11 HYPERLINK l _Toc231630560 第三章GPS在高速公路测量中的应用 PAGEREF _Toc231630560 h 16 HYPERLINK l _Toc231630561 3.1 GPS全球定位系统概述 PAGEREF _Toc231630561 h 16 HYPERLINK l _Toc231630562 3.1.1 GPS系统的组成及特点 PAGEREF _Toc231630562 h 16 HYPERLINK l _Toc231630563 3.1.2 绝对定位与相对定位 PAGER

8、EF _Toc231630563 h 18 HYPERLINK l _Toc231630564 3.1.3 动态定位与静态定位 PAGEREF _Toc231630564 h 18 HYPERLINK l _Toc231630565 3.2 GPS的控制测量 PAGEREF _Toc231630565 h 19 HYPERLINK l _Toc231630566 3.2.1 常规测量方法的缺陷 PAGEREF _Toc231630566 h 19 HYPERLINK l _Toc231630567 3.2.2 高速公路GPS网的技术设计 PAGEREF _Toc231630567 h 20 H

9、YPERLINK l _Toc231630568 3.3 GPS在高速公路测量中的外业实施 PAGEREF _Toc231630568 h 21 HYPERLINK l _Toc231630569 3.3.1 路线GPS网的布网选点原则 PAGEREF _Toc231630569 h 21 HYPERLINK l _Toc231630570 3.3.2 外业观测 PAGEREF _Toc231630570 h 22 HYPERLINK l _Toc231630571 第四章RTK在高速公路测量中的应用 PAGEREF _Toc231630571 h 25 HYPERLINK l _Toc231

10、630572 41 概述 PAGEREF _Toc231630572 h 25 HYPERLINK l _Toc231630573 42 RTK测量的特点 PAGEREF _Toc231630573 h 26 HYPERLINK l _Toc231630574 43 RTK在高速公路测量中的应用 PAGEREF _Toc231630574 h 27 HYPERLINK l _Toc231630575 431 绘制大比例尺地形图 PAGEREF _Toc231630575 h 27 HYPERLINK l _Toc231630576 432 道路中线放样 PAGEREF _Toc23163057

11、6 h 27 HYPERLINK l _Toc231630577 433 道路的横、 纵断放样和土石方量计算 PAGEREF _Toc231630577 h 27 HYPERLINK l _Toc231630578 4.4 坐标转换与高程计算 PAGEREF _Toc231630578 h 28 HYPERLINK l _Toc231630579 4.4.1 坐标转换 PAGEREF _Toc231630579 h 28 HYPERLINK l _Toc231630580 4.4.2 高程系统与高程转换 PAGEREF _Toc231630580 h 29 HYPERLINK l _Toc23

12、1630581 第五章 工程实例应用 PAGEREF _Toc231630581 h 30 HYPERLINK l _Toc231630582 5.1 测区位置及概况 PAGEREF _Toc231630582 h 30 HYPERLINK l _Toc231630583 5.2 首级GPS平面控制网的布设 PAGEREF _Toc231630583 h 30 HYPERLINK l _Toc231630584 5.3 RTK施工测量 PAGEREF _Toc231630584 h 32 HYPERLINK l _Toc231630585 第六章 总结与展望 PAGEREF _Toc23163

13、0585 h 35 HYPERLINK l _Toc231630586 致 谢 PAGEREF _Toc231630586 h 36 HYPERLINK l _Toc231630587 参考文献： PAGEREF _Toc231630587 h 37第一章 绪论研究背景按1997年我国公路工程技术标准JTJ001-97，把公路划分为高速公路、一级公路、二级公路、三级公路、四级公路五个等级。高速公路具有重要的政治、经济意义，专供汽车分车道高速行驶，全部立体交叉和全部控制进出口的公路，年平均昼夜汽车交通量在25 000辆以上。公路是由线形和结构物两部分组成的，由于受自然条件和地物的限制，公路在平面

14、和纵面上均由直线和曲线组成。公路结构组成主要由路基、路面、排水结构物、桥梁、隧道、挡土墙、防护工程等组成。公路勘测属于线路勘测，其勘测程序踏勘（初测）和定测两个阶段，就是对线路进行踏勘测量和详细测量。与诸多工程一样测量工作作为贯穿始终的重要环节，是 HYPERLINK :/wiki.zhulong /baike/detail.asp?t=工程质量 t _blank 工程质量的重要保证。建设单位必须给予充分重视。 在科学技术不断发展与进步的今天，GPS及其RTK技术的不断完善已经在测绘工程中使用的越来越广泛，就高速公路的勘测设计而言，从控制测量到大比例尺地形图测绘、路线中桩放洋、断面测量、土石方

15、计算无不可以通过GPS技术来实现，而与传统的测量方法来比较无论从人力、物力、精力的投入，还是工作周期的长短、工程质量与精度要求都体现出了其优势所在。1.2研究的目的与意义GPS导航定位以其高精度、全天候、高效率、多功能、操作简便、应用广泛等特点著称。当初设计 GPS系统的主要目的是用于导航、收集情报等军事目的。但是后来的应用开发表明，GPS系统不仅能达到上述目的，而且用GPS卫星发来的导航定位信号能够进行厘米级甚至毫米级精度的静态相对定位。因此GPS系统展现了极其广阔的应用前景。在工程测量方面，应用GPS静态相对定位技术，布设精密工程控制网，用于城市和矿区油田地面沉降检测、大坝变形监测、高层建

16、筑变形监测、隧道贯通测量等精密工程。应用GPS实时动态定位技术即RTK技术测绘各种比例尺地形图和用于工程建设中的施工放样。对于高等级公路而言，由于其线型标准高，随着设计控制点的日益标准化、规范化，为确保实地放样具有较高的质量，满足高等级公路的精度要求，所以GPS在高速公路外业测量的技术设计与方案值得研究。针对高等级公路外业测量中平面控制测量、高程控制测量、地形测量、路线定线与放样、中桩测量及断面测量的内容、要求及测量方法，GPS RTK技术在公路测量中使用的技术水平和发展现状值得探讨，对高速公路外业测量技术具有一定指导作用。同时，对于我也是一种思考与学习，更加深入与深刻的理解测绘工作在高速公路

17、建设中的方法内容与重要意义，为以后的工作奠定了理论基础，做好了准备。第二章 高速公路测量的主要内容随着我国公路建设的深入发展 ,探讨公路工程施工测量中的技术难题和技术优化 ,对于加快公路建设的步伐 ,提高公路施工质量 ,节约建设资金具有重要的意义。公路工程测量在公路建设中是一项非常关键的基础性工作 ,它贯穿整个公路建设的全过程,这项工作若有闪失 ,给整个工程造成的负面影响是显著的 ,重则工程报废 ,少则部分返工。对于测量工作者来说 ,为工程提供一系列可靠的各项工程测量数据 ,是严格按技术规范和图纸的要求施工、 保障公路工程优质的重要保证。2.1 高速公路工程的测量内容第一是初步方案，它根据有关

18、政治、经济、交通和自然条件进行室内选线和野外勘察，全面分析、比较、论证道路建设的意义以及技术、经济上的合理性和可行性，提出路线的初步方案。第二是初测，它是在前面工作的基础上进一步安排路线，落实路线布局方案。第三是定测，它是在初步设计的基础上，将纸上定线的路线方案进行实地放线。第四是再建设过程中进行施工检查。第五是竣工测量。2.2 平面控制测量高等级公路初测阶段控制测量的主要任务是根据路线的基本走向布设控制点，进行平面控制测量和高程控制测量，作为测绘路线地形图、定线测设和施工放样的重要基础。利用GPS卫星定位技术可以代替传统的导线法进行路线控制测量，并具有布网灵活、外业观测速度快、全天候作业、定

19、位精度高等优点，经内业处理可在统一坐标系下提供控制点的三维数据信息。应用GPS技术进行路线测量首先应根据工程需要确定GPS控制网的等级，路线GPS控制测量分为一级、二级、三级、四级共4个等级。三级可作为高速公路的首级控制网。四级控制网可作为高速公路的施工控制网，控制点间的平均距离以500m较为适宜。具体技术指标如下表：表2.1 GPS 控制网主要技术指标级别固定误差(mm)比例误差(ppm)相邻点距离(km)一1024二1052三10101四1020GPS控制网的布设应进行综合设计。路线过长时，可视需要分为多个投影带。在各分带交界处，应布设一对通视的GPS点。选点时，通常为了便于使用光电测距仪

20、测距，做二级导线加密，应使两GPS点问可通视。为了使GPS控制网投影长度变形值小cmkm，必要时可采用公路抵偿坐标系。在平差时，应先以一个点的WGS8 4系坐标作为起算边，进行无约束平差。检查该网本身的内符合精度，基线向量间有无明显的系统误差，剔除含有粗差的基线边。设计GPS控制网时，应由一个或多个独立观测环组成，并包含较多的闭和条件。GPS控制网由非同步GPS观测边构成多边形闭合环或附和路线时，其边数应符合下列规定：一级GPS控制网应不超过5条；二级GPS控制网应不超过6条； 三级GPS控制网应不超过 7条；四级GPS控制网应不超过8条。三级GPS网应采用绞链导线式、点连式布网，且GPS控制

21、网中不应出现自由基线。在测设GPS控制网时，GPS控制网应同附近等级高的国家平面控制网点联测，联测点数应不少于3个，并力求分布均匀，且能控制本控制网。 高程控制测量公路高程系统，宜采用1985国家高程基准。同一条公路应采用同一个高程系统，不能采用同一系统时，应给定高程系统的转换关系。高速公路、一级公路采用四等水准测量，水准测量路线最大长度不能超过16km。当水准测量困难的地段，四五等水准测量可以采用三角高程测量，当采用三角高程测量时，起讫点应为高一个等级的控制点。水准路线应沿公路路线布设，水准点宜设于公路中心线两侧50300m范围之内。水准点间距宜为11.5km；山岭重丘区可根据需要适当加密；

22、大桥、隧道口及其它大型构造物两端，应增设水准点。技术指标如下：表2.2 公路及构造物水准测量等级测 量 项 目等 级水准路线最大长度（ km）4000m以上特长隧道、2000m以上特大桥 三等50高速公路、一级公路、 10002000m特大桥、 20004000m长隧道 四等16二级及二级以下公路、 1000m以下桥梁、 2000m以下隧道五等10表2.3 水准测量的精度等 级每公里高差中数误差 （ mm） 往返较差、附合或环线闭合差 （ mm）检测已测测段高差之差（ mm）偶然中误差 M全中误差 M W平原微丘区山岭重丘区三等361235或1520四等5102060或2530注：计算往返较差

23、时，L为水准点间的路线长度（km）L计算附合或环线闭合差时，L为附合或环线的路线长度（km）。n为测站数。Li为检测测段长度（km）。表2.4 水准测量的观测方法等级仪器类型水准尺类型水准尺类型观测方法三等DS1因瓦光学观测法往后前前后DS3双面中丝读数法往返后前前后四等DS3双面中丝读数法往返、往后后前前水准测量的技术要求等级仪器型号视线长度（m）前后视较差（m）前后视累积差（m）视线离地面最低高度（m）红黑面读数差（mm）红黑面高差较差（mm）三等DS110036DS375四等DS3100510 线路的初测初测工作包括：插大旗、导线测量、高程测量、地形测量。初测在线路的全部勘测工作中占重要

24、的位置，它决定着线路的基本方向。根据方案研究中在小比例尺地形图上所选线路位置，在野外用“红白旗”标出其走向和大概位置，并在拟定的线路转向点和长直线的转向处插上标旗，为导线测量及各专业调查指明方向。在插旗的同时应进行初测导线的点位选择。导线点选择应满足以下几项要求：（1）点位应靠近大旗线路的位置，以便于实测之用。（2）桥梁及隧道两端附近，严重地质不良地段以及越岭垭口处均应设点。（3）点位应选在地势较高、视野开阔、易于保存的地方，以保证前后通视及方便地形测量。（4）导线点间距应取用400m左右，以避免变长过短而降低精度。使用全站仪时边长可增至1Km。（1）水平角观测。初测导线水平角可用DJ2及DJ

25、6经纬仪以测回法测量，观测一测回。两个半测回间变换度盘位置，两个半测回间角值较差在20（DJ2）或30（DJ6）以内时取平均值。（2）边长丈量。导线边长采用全站仪测量。边长测量的相对中误差不应大于1/2000。（3）导线的联测。在利用国家控制点进行导线检核时，导线所用的起算点与检核用的控制点应在同一高斯投影带内，若不在同带时进行换带计算。需要指出的是，随着GPS技术应用的日益普及，GPS定位（快速静态或RTK）施测线路导线成为今后的一个重要发展方向。3高程测量初测高程测量主要有基平测量和中平测量，基平测量是沿线路布设水准点，作为线路高程控制网；中平测量是测定沿线各导线点、百米桩及加桩点的高程，

26、用以绘制线路纵断面图和专业调查。（1）基平测量。水准点的密度一般沿线路每隔2Km左右设立一个，在地形复杂地段可适当缩短水准点间距；另外在300m以上的大桥和隧道两端及车站附近应加设水准点。水准点布设位置应离开线路中线一定距离，以50-100m为宜，以免线路施工时被破坏。基平测量应采用DS3级以上的水准仪，按一组往返或两组单程的水准测量方法施测。在跨越河流和沟壑时视线场可放宽至200m，但应尽量保持前后视距相等。当视线超过200m时，应按跨河水准测量的要求进行。基平测量应与国家水准点或等级相当的其他水准点联测。应不远于30Km联测一次，构成符合水准线路，其高程允许闭合差为30mm（L为符合水准路

27、线长度，单位Km）。基平测量也可用电磁波测距三角高程施测，可用导线点兼做水准点。（2）中平测量。中平测量可采用单程水准测量，以及基平所测水准点为基准布设成符合水准线路。中平测量允许闭合差为50mm（L为符合水准路线长度，单位Km）。（3）带状地形图测绘。高速公路属线状地物，所需地形图为带状其测图带的宽度与测图比例尺、地形的复杂程度有关。“测规”对此做了如表2-1的规定。表2-1 带状地形图测规规定测图比例尺导线每侧的测绘宽度/m等高线间距/m最大视线长度/m一般地段困难地段垂直角12垂直角121：10000250 - 5005106006001：5000200 - 300254503501：2

28、000100 - 150124003001：1000按需要112501501：500按需要115080带状地形图的比例尺选择可参照一般平坦地区为1：2000 1:5000,困难地区为1：2000进行。 线路的定测新线定测阶段的测量工作主要有：中线测量、线路纵横断面测量。中线测量是把在带状地形图上设计好的线路中线测设到地面上，并用木桩标定出来。中线测量包括放线和中桩测设两部分工作。放线是把纸上各交点间的直线段测设于地面上；中桩测设是沿着直线和曲线详细测设中线桩。放线常用方法有拨角法、支距法、极坐标法和GPS RTK法。（1）拨角放线法。拨角放线法是根据纸上定线交点的坐标，预先在内业计算出两交点间

29、的距离及直线的转向角，然后根据计算资料在现场放出各个交点，定出中线位置。拨角放线法在放养工作中可循序渐进，较其他方法放样导线工作量小，效率高，并且放线点间的距离和方向均采用实测值，放样中线的相对精度不受初值的影响，可减少初测导线的工作量和提高放样中线的质量。通过与初测导线点或国家平面控制点联测能及时发现工作中可能出现的错误，这种方法适用于无初测导线的任何测区。根据放线资料，首先置镜于初测导线点，拨出计算出的转向角，定出放样点到镜点的距离。焦点水平角在使用全站仪是，采用正倒镜测设，在限差范围内，分中取平均位置，距离采用往返观测。交点至转点或转点之间的距离不宜长于1000m；两点间的最短距离不得少

30、于50m。当小于50m时，应设置远视点。定设转点时，正倒镜的点位横向误差每100m距离不应大于5mm；当点间距离大于400m时，最大点位横向误差不应大于20mm，在限差范围内分中定点。在测设距离的同时，可以定出直线上的中线桩（公里桩、百米桩、加桩）和曲线主点桩。拨角法放线虽然速度快，但其缺点是放线误差累计。为了保证测设的中线位置不致偏离理论位置过大，“测规”规定中线每5 10km，应与初测导线（或航测外控点、GPS点）联测一次。（2）支距放线法。这种方法适用于地形不太复杂且初测导线与设计的 线路中线相距较近的地区。该方法的基本原理是在设计图上量出初测导线点和线路中心线点的支距，然后根据支距和实

31、地的初测导线点点位进行实地放样。（3）全站仪极坐标法。全站仪极坐标法放样简单灵活，适用于中线通视差的测区，但放样工作量大，放样到实地上的中线相对精度不高，并且由于用初测导线点直接定测各放样的位置。（4）GPS RTK法。在公路测量领域里，测量工作者已不满足于只将GPS用于控制测量。特别是近几年来高精度DPS实时动态定位技术RTK的快速发展，由于它能够实时提供在任意坐标系内的三维坐标坐标数据，对于公路中线测量利用GPS RTK直接坐标放样已经很普遍。GPS RTK时一种全天候、全方位的新型测量系统，时目前实时准确地确定待测点位置的最佳方式。它需要一台基准站接收机和一台或多台流动站接收机以及用于数

32、据传输的电台。RTK定位技术时将基准站的相位观测数据及坐标信息通过数据链方式即使传诵给动态用户，动态用户将收到的数据链连同自采集的相位观测数据进行实时差分处理，从而获得动态用户的实时三维位置。动态用户再将实时位置与设计值相比较，进而指导放样。2中桩测量公路中桩也称为里程桩，从线路的起点开始，需沿线路方向在地面上设置整桩和加桩，这项工作称为中桩测设。在中线交点、转点及转角测定之后，即可进行实地量距、设置里程桩、标定中心线位置。设置里程桩有两重作用，既标定了路线中心线的位置和长度，又是实测线路纵、横断面的依据。中桩测设是在中线丈量的基础上进行的，它是从起点开始，按规定每隔一整数距离设一桩，此为整桩

33、。根据不同的线路，整桩之间的距离也不一样，一般为20m、30m、50m等（曲线上根据不同半径R，每隔20m、10m、5m）。在相邻整桩之间线路穿过的重要地物处（如铁路、公路、管道、沟、河等）及地面坡度变化处要增设加桩。因此，加桩又分为地形加桩、地物加桩、曲线加桩和关系加桩等。地形加桩，是指沿中线在地面起伏突变处、横向坡度变化处以及天然河沟处等所设置的里程桩。地物加桩，是指沿中线有人工构筑物的地方，如桥梁、涵洞处，路线与其它公路、铁路、渠道、高压线等交叉处，拆迁建筑物处，以及土壤地质变化处加设的里程桩。曲线加桩，是指曲线上设置的主点桩，如圆曲线起点（简称直圆点ZY）、圆曲线中点（简称曲中点QZ）

34、、圆曲线终点（简称圆直点YZ）等，分别以汉语拼音缩写为代号。为了便于计算，线路中桩均按起点到该桩的里程进行编号，并用红油漆写在木桩侧面，如桩号为0100，即此桩距起点100m（“”号前的数为公里数）。整桩和加桩统称为里程桩提高中桩测设的精度，一般用测距仪或全站仪测量距离，当用钢尺量距时一般要丈量两次，其精度应满足1/1000。在钉桩时，对于交点桩、转点桩、距路线起点每隔500m处的整桩、重要地物加桩（如桥、隧道位置桩），以及曲线主点桩，都要打下方桩桩顶露出地面约20，在其旁边钉一指示桩），指示桩为板桩。交点桩的指示桩应钉在曲线圆心和交点连线外距20的位置，字面朝向交点。曲线主点的指示桩字面朝向

35、圆心。其余的里程桩一般使用板桩，一半露出地面，以便于书写桩号，桩号字面一律要面向线路起点。3水准测量定测阶段的水准测量作业方法及精度要求同初测阶段，其基平测量应尽量采用初测水准点的高程数据。对于被破坏或将受施工影响的点位以及离定测线路较远的点位应重新埋设，对于水准点不能满足工程要求的地段要增设新的水准点，组成新的水准路线进行水准测量。对路线中初测水准点的检测，其限差不应超过30mm（L为相邻水准点间的线路长度，单位Km）。若符合限差则采用初测成果，否则应查明原因，重新测算。中平测量的任务时测出定测时设置的各中桩高程，为绘制纵断面图提供依据。中平测量一般采用水准测量的方法进行，以相邻量水准点为一

36、测段，其与基本水准点符合的精度要求为50mm。中平测量也就是线路纵断面测量或叫中桩测量，是以相邻的两个水准点为一测段，从一水准点开始，逐点侧定各中桩的地面高程，闭合于下一个水准点上。中平水准测量的精度要求，一般将测段高差 与两端水准点高差 之差的限差定为 。在进行测量时，将水准仪置于测站上，首先读取后、前两转点（TP）的尺上读数，再读取两转点间所有中桩地面点的尺上读数，这些中桩点称为中间点，中间点的立尺由后视点立尺人员来完成。由于转点起到传递高程的作用，因此转点尺应立在尺垫、稳固的桩顶或坚石上，尺上的读数毫米，视线长一般不应超过120m。4纵横断面图测绘在各桩点高程数据的基础上绘制纵横断面图时

37、定测阶段的一项重要任务。纵断面图表示了沿中线方向的地势起伏，设计中用于研究线路空间线形的起伏布置。横断面图则反映了各种因素，用语确定横断面的形式、各部分位置和尺寸，并为路基土石方量的计算提供依据。1 纵断面图绘制纵断面图中，横向为线路里程，比例尺1：1000 1：5000；纵向为高程，比例尺为1：100 1：500。纵断面图既可表示中线方向的地面起伏，又可在其上进行纵坡设计，是线路设计和施工的重要资料。纵断面图是以中线桩的里程为横坐标、以其高程为纵坐标建立的直角坐标系中绘制的。为了明显地表示地面起伏，一般取高程比例尺比里程比例尺大10倍或20倍。高程按比例尺注记，但要参考其它中线桩的地面高程确

38、定原点高程在图上的位置，使绘出的地面线处在图上适当位置。2 横断面图测绘横断面测量，就是测定中桩两侧垂直于中线方向地面变坡点间的距离和高差，并绘制成横断面图，供路基、边坡、特殊构造物的设计、土石方计算和施工放样之用。横断面测量的宽度，应根据中桩填挖高度、边坡大小以及有关工程的特殊要求而定，一般自中线两侧各测1050m。除每个中桩均应施测外，在大、中桥头，隧道口，挡土墙等重点工程地段，可根据需要加密。横断面测量的限差一般为：高差容许误差 ，式中： 为测点至中桩间的高差；水平距离的相对误差为1/50。1）横断面的测量方法：（1）标杆皮尺法：将标杆依次立于横断面方向上所选定的变坡点处，皮尺挨中桩地面

39、拉平量出至各变坡点的距离，皮尺截于标杆的高度即为两点间的高差。按路线前进的方向分左侧和右侧，分数中分母表示测段水平距离，分子表示测段两端点的高差。高差为正号表示升坡，负号表示降坡。(2)水准仪法：当横断面精度要求较高，横断面方向高差变化不大时，多采用此法。施测时用钢尺量距（或皮尺）量距，用水准仪后视中桩标尺，求得视线高程后，再前视横断面方向上坡度变化点上的标尺。视线高程减去诸前视点读数即得各测点高程。（3)经纬仪或全站仪法：在地形复杂、横坡较陡的地段，可利用经纬仪或全站仪，直接定出横断面的方向和横断面上各变坡点与中桩点之间的水平距离和高差。2）横断面图的绘制根据横断面测量成果，对距离和高程取统

40、一比例尺（通常取1：100或1：200），在毫米方格纸上绘制横断面图，如图5-2-18所示。目前公路测量中，一般都是在野外边测边绘，便于及时对横断面图进行检核，也可按表5-2-3、表5-2-4形式在野外记录、室内绘制。绘图时，先在图纸上定好中桩位置，由中桩开始，分左、右两侧逐一按各测点间的距离和高程点绘于图纸上，并用直线连接相邻各点即得横断面地面线。图5-2-18为经横断面设计后，在地面线上、下绘有标准路基横断面的图形。第三章GPS在高速公路测量中的应用3.1 GPS全球定位系统概述GPS是英文Global Positioning System的缩写，即全球定位系统。它是美国国防部为陆、海、空

41、三军研制的、利用卫星发射的无线电信号进行导航定位的系统，具有全球、全天候、实时的导航定位功能，能为用户提供高精度的七维信息(三维位置、三维速度、一维时间)。3 GPS系统的组成及特点GPS系统由空间部分、地面控制部分和用户设备三部分组成。 1)空间部分 整个GPS系统包括24颗卫星，其中有21颗工作卫星和3颗在轨备用卫星。24颗卫星基本上均匀分布在6个轨道平面内，相对于赤道平面的倾角为55度，各轨道平面升交点的赤经各相差60度，在相邻轨道上，卫星的升交距角相差30度。轨道为近圆形，最大偏心率是0. 01，半长轴26560km，轨道平均高度为20200km，卫星运行周期为12小时。这样的布局，保

42、证了在地球上和近地空间内任一点、任何时刻均可至少同时观测4颗GPS卫星，便于进行实时定位。 GPS卫星的主要功能为: (1)接收和存储由地面监控站发来的导航信号；接收并执行监控站的控制指令。 (2)卫星上设有微处理机，进行必要的数据处理。 (3)通过星载高精度原子钟产生基准信号，提供精确的时间标准。 (4)向用户连续不断地发送导航定位信号。 (5)接收地面主控站通过注入站送给卫星的调度命令。 2)地面控制部分 地面控制部分包括监测站、主控站和注入站。 (1)监测站 监测站有五个，它们的任务是在卫星过顶时收集卫星播发的导航信息，对卫星进行连续监控，收集当地的气象数据并将数据送往主控站。 (2)主

43、控站 主控站只有一个，其主要任务是:提供GPS系统的时间基准，并控制整个地面站组的工作；处理由各个监测站送来的数据，编制各卫星的星历，计算各卫星的钟差和电离层校正参数等，并把这些导航信息送到注入站；当卫星偏离预定的轨道太远时，控制其轨道；工作卫星失效时，调用备用卫星。 (3)注入站 注入站有三个，它们的任务是:在卫星通过其上空时，把导航信息注入给卫星。 3)用户设备部分用户设备部分的核心是GPS接收机。这是由主机、天线、电源和数据处理软件等部分组成。其主要功能是:接收卫星播发的信号，获取定位的观测值，提取导航电文中的广播星历、卫星钟改正等参数，经数据处理后完成导航定位工作。GPS系统的特点：G

44、PS系统最基本的特点是以“多星、高轨、高频、测量测距”为体制，以高精度的原子钟为核心，由此产生以下特点： 1)全球覆盖连续导航定位 由于GPS有24颗卫星，而且分布合理，轨道高达20200km，所以在地球上和近地空间上任何一点，均可同步地观测4颗以上卫星，可以实现全球、全天候连续导航定位。 2)高精度三维定位GPS能连续的为各类用户提供三维位置、三维速度和精确时间信息。GPS提供的测量信息较多，既可通过伪码测定伪距，又可测定载波多普勒频移、载波相位。伪距观测的单点实时定位精度，P码为20m, C/A码为 40m，事后处理精度可达3-5m。 3)实时导航定位利用GPS进行导航定位，1秒即可完成一

45、次定位，这对高动态用户尤为重要。 4)被动式全天候导航定位 用GPS导航定位时，用户设备只需接收GPS信号就可进行导航定位，而不需用户发射任何信号，这种被动式导航定位不仅隐蔽性好，而且可以容纳无数多个用户。 5)抗干扰性好、保密性强GPS采用数字通讯的特殊编码技术，即伪噪声码技术，因而具有良好的抗干扰性和保密性。3. 绝对定位与相对定位(1)绝对定位 在一个观测点上，利用GPS接收机观测4颗以上的GPS卫星，独立确定特定点在地固坐标系(坐标系固定在地球上，随地球一起转动。GPS采用的坐标系为WGS-84坐标系)中的位置，称为绝对定位。绝对定位的优点是，只需一台接收机好可独立定位，观测的组织与实

46、施简便，数据处理简单。其主要问题是，受卫星星历和卫星信号在传播过程中的大气延迟误差的影响显著，定位精度较低。特别是美国实施SA政策以后，GPS(标准定位服务)的定位精度将降至100 m 。 (2)相对定位 在两个或若干个测量站上，设置GPS接收机，同步跟踪观测相同的GPS卫星，测定它们之间相对位置，称为相对定位。在相对定位中，至少有一个点的位置是已知的，称之为基准点。由于相对定位是在几点同步观测GPS卫星的数据进行定位，因此可以有效地消除或减弱许多相同的或基本相同的误差，如卫星钟的误差、卫星星历误差、信号的传播延迟误差和SA的影响等，从而可以获得很高的相对定位精度。但相对定位要求各站接收机必须

47、同步跟踪观测相同的卫星，因而作业组织和实施比较复杂，而且两点的距离受到限制，一般在1000km以内。3. 动态定位与静态定位按待定点相对于地固坐标系的运动状态来区分，GPS定位可以分为静态定位和动态定位两类。 (1)静态定位 若待定点相对于地固坐标系，没有可以察觉的运动，或者有微小的运动，但是在一次观测期间(数小时或若干天)无法觉察到，确定这样的待定点的位置，成为静态定位。其基本特点是，在GPS观测数据处理中，待定点的坐标是个常量，没有速度分量。在静态定位中，可以进行大量的重复观测，以提高定位精度。 (2)动态定位若待定点相对于地固坐标系有显著的运动，则这样的点的定位称为动态定位。动态定位可以

48、分为两种情况:一是导航动态定位，它要求在用户运动时，实时的确定用户的位置和速度，并根据预先选定的终点和运动路线，引导用户沿预定航线到达目的地。另一种是精密动态定位，其主要目的不是导航，而是精确确定用户各个时刻的位置和速度。3.2 GPS的控制测量GPS技术比常规地面测量技术，除具有对测站选择有更大的灵活性，更适应不利气候条件，全天候、连续作业等优点；还具有提供数据更多、精度更高的数据信息地面点的空间三维坐标及其方差。并可通过坐标交换将其转换到工程所需要的空间或平面直角坐标系中。因此，GPS技术在工程测量、精密定位中得到广泛地应用。近几年在公路控制测量中逐渐采用GPS控制网。以下是GPS测量在公

49、路测量中的应用：公路路线一般处在一条带状走廊内。其平面控制测量往往采用导线形式，这包括附合导线、闭合导线、结点导线等导线网形式。对于重要构造物如大桥、特大桥、长大隧道等，也有布设成三角网、线形锁等形式。 常规测量方法的缺陷(1)规范对附合导线长、闭合导线长及结点导线间长度等有严格规定，一般对于高等级公路均要求达到一级导线要求。这样，导线附合或闭合长度最长不得超过10km，结点导线结点间距不能超过附合导线长度的0.7倍。这种要求一般在实际作业中难以达到，往往出现超规范作业。(2)搜集到的用于路线测量控制的起算点间一般很难保证为同一测量系统，往往国测、军测、城市控制点混杂一起，这就存在系统间的兼容

50、性问题，如果用不兼容的起算点，势必影响测量质量。(3)国家大地点破坏严重影响测量作业。由于国家基础控制点，大多为50、60年代完成，经过30多年，有些点由于经济建设的需要被破坏，有些点则由于人们缺乏知识遭人为破坏。在这些地区进行路线测量作业，往往在50km以上均找不到导线的联测点。这样路线控制测量的质量得不到保证。(4)地面通视困难往往影响常规测量的实施。一般路线的控制点要求布设在距路线的300m范围内。由于通视的原因，这一条件难以满足，甚至在大范围密林、密灌及青纱帐地区，根本无法实施常规控制测量。利用GPS测量能克服上述列举的缺陷，并提高作业的效率，减轻劳动强度，保证了高等级公路测设质量。3

51、.2.2 高速公路GPS网的技术设计 GPS网的技术设计是GPS测量工作实施的第一步，这项工作应根据网的用途和用户的要求来进行。其主要内容包括精度指标的确定、网的图形设计和网的基准设计。 GPS网的精度要求，主要取决于公路等级对控制网的要求GPS测量按其精度划分为A, B, C, D, E五级，工程测量中一般采用C, D, E三级，其精度指标应符合表规定。 GPS网精度指标GPS网的级别ab适用范围C510桥梁、隧道、大型枢纽、立交控制D1010线路首级控制 E1020初测控制精度指标是GPS网技术设计的一个重要量，它的大小将直接影响GPS网的布设方案、观测计划及观测数据的处理方法。所以，设计

52、中要根据用户的要求和可能慎重确定。 GPS网的图形设计主要取决于用户的要求，同时还与接收机的类型和数量、经费、时间等条件有关。为满足用户的要求，GPS网的设计原则是: (1) GPS网点应尽量与原有地面控制点相重合，重合点一般不应少于3个，以便可靠地确定GPS网与地面网之间的转换参数； (2) GPS网点应考虑与水准点相重合，而非重合点一般应根据要求以水准测量方法联测； (3) GPS网一般应通过独立边构成闭合图形，如三角形、多边形或附合路线，以增加检核条件，提高网的可靠性； (4)为了便于观测和水准联测，GPS网点应设在视野开阔和容易到达的地方； (5)为了便于公路导线点加密，GPS网点应尽

53、量靠近公路走向。 GPS网的独立观测边应构成三角形网、四边形网、环形网或星形网。在公路路线控制测量中，布设GPS网时多采用环形网，即由若干个含有多条独立观测边的闭合环所组成的网。这种网与经典大地测量中的导线网相似。作为闭合环的特例，在公路导线测量中还可采用所谓的附合线路。GPS网的基准包括网的位置基准、方向基准和尺度基准。而网的基准的确定是通过网的整体平差计算来实现的。GPS网的整体平差中，可能含有两类观测量，即相对观测量(如基线向量)和绝对观测量(如点在WGS84中的坐标值)。应用 GPS技术进行路线测量首先应根据工程需要确定 GPS控制网的等级 , 路线 GPS控制测量分为一级、二级、三级

54、、四级共4个等级。对大型桥梁和隧道工程的控制网应采用一、二级精度等级 , 三级可作为高速公路的首级控制网。四级控制网可作为高速公路的施工控制网 , 控制点间的平均距离以 500m较为适宜。在具体的布设中可以分级布设 , 也可以越级布设或布设同级的全面网。各等级控制网相邻点间的弦长精度用下式表示：= a2+ ( bd)21/ 2式中 , GPS基线向量的弦长中误差;a GPS接收机标称精度的固定误差;b GPS接收机标称精度的比例误差;d 相邻点间的距离。3.3 GPS在高速公路测量中的外业实施 GPS在高速公路测量中的外业实施主要包括GPS点位选埋、观测、数据传输及数据预处理等工作。3.3.1

55、 路线GPS网的布网选点原则 GPS测量测站之间不要求相互通视，而且网的图形结构比较灵活，因而选点工作比较简便。但由于点位的选择对保证观测工作的顺利进行、可靠地保证测量结果及后期对工程应用的方便具有重要意义，所以，在选点工作开始之前，应收集和了解测区的地形情况以及原有测量标志点的分布及保存情况，以便确定合理的测点位置。选点应遵守的原则是； (1)测站点应选在远离大功率的无线电发射台和高压电线外，以避免其周围磁场对GPS信号的干扰； (2)测站点应选在易于安置接收机的地方，且视野开阔，其周围障碍物的高度角一般应大于10； (3)测站点应选在交通方便的地方，并且便于用其它测量手段联测和扩展； (4

56、)点位选定后，应按规定绘制点之记。选点结束后应整理的资料有:点之记及点的环视图；GPS选点图；选点工作总结。GPS网点一般应设置具有中心标志的标石，标石的类型分为基岩标石、基本标石和普通标石三种。公路导线测量中有宜采用普通标石。各种标石的规格应符合全球定位系统(GPS)测量规范。3.3.2 外业观测 1. GPS观测的过程 GPS观测的过程包括天线安置、观测作业、观测记录、观测成果的外业检核等四个过程。天线安置 天线的正确安置是获取点位精确成果的前提，天线安置需满足下列要求： 对于控制测量，天线一般应尽可能利用三脚架直接安置在标志中心的垂直方向上，对中误差不大于3mm，特殊情况下可进行偏心观测

57、，必须精密测定归心元素。对于A级以上网不允许在高标上安置天线。 需要在视标的基板上安置天线时，应先卸去砧标顶部，将标志中心投影到基板上，然后 以投影点安置天线，投影点示误三角形的最长边或示误四边形的长对角线不得大于5mm。 当控制点上建有寻常标时，应在安置天线前放倒视标或采取其它措施(当边长小于 10km时，可在其下安置天线，但应适当延长观测时间)。 为消除相位中心偏差对测量结果的影响，安置天线时用罗盘定向使天线指北线严格指向北方，定向误差根据定位的精度不同而异，一般不超过3-5。 天线集成体上的圆水准气泡必须居中，没有圆水准气泡的天线可调整天线基座脚螺旋，使在天线互为120。方向上量取的天线

58、高互差小于3mm 。 架设天线不宜过低，一般应距地面以上。天线架设好后，在圆盘天线间隔120方向上分别量取的天线高二次量取结果差须小于3mm，取其平均值记入测量手簿，并在各时段前后分别量取一次。 2)观测作业 通过观测作业，采集GPS卫星信号，以获取定位所需的数据。对于具体的操作方法因接收机的型号不同而异，GPS收机都随机带有操作手册，具体操作按操作手册执行。作业时应满足以下作业要求： 观测小组必须严格遵守调度命令，按规定的时间进行作业。 检查接收机电源电缆和天线等各项连接无误后，方可开机。 开机后经检验有关指示灯与仪表显示正常后，方可进行测试并输入测站采样间隔等控制信息。 接收机启动前与作业

59、过程中，应随时填写测量手簿中的记录项目，GPS测量手簿记录格式、内容可参考GPS规范。 接收机开始记录数据后，观测员可通过专用功能键和选择菜单，查看测站信息、接收卫星数、卫星号、卫星健康状况、信噪比、相位测量残差、实时定位的结果及其变化、存储介质记录和电源情况，如发现异常，应作记录并及时报告调度者。 每时段观测开始时与结束前各记录一次观测卫星号、天气状况、实时定位经纬度和大地高、PDOP值等。须观测记录气象元素的高等级GPS网点，每时段气象观测应不少于2次一次在时段开始时，一次在对段结束时。 每时段观测前后应各量取天线高一次，两次量高之差不应大于3mm，取平均值作为最后天线高。 观测员要细心操

60、作，观测期间防止接收设备震动更不得移动，要防止人员和其它物体碰动天线或阻挡信号。 观测期间，不得在天线附近50m以内使用电台，不得在天线附近l0m以内使用对讲机。 = 10 * GB3 天气太冷时，接收机应适当保暖，天气太热，接收机应避免阳光直接照晒，确保接收机正常工作。在一个时段观测过程中不允许进行以下操作：接收机关闭又重新启动、进行自测试、改变卫星高度角、改变数据采样间隔、改变天线位置、按动关闭文件和删除文件等功能键。在GPS快速静态定位测量中的同一观测单元期间，参考站观测不能中断，参考站和流动站采样间隔要相同，不能变更。 3)观测记录 外业观测过程中，所有的观测数据和资料部应妥善记录。G