GNSS技术在公路勘测中的应用研究

刘永琦

摘 要全球导航卫星系统（GNSS）能为用户提供高精度、全天候的定位和导航服务，目前在工程中的应用越来越广泛。本文首先介绍GNSS的基本定位原理和技术优点，然后探讨了GNSS技术在公路勘测中的实际应用，包括控制测量、大比例尺地形图测绘、中线放样及公路横断面测量。

关键词GNSS技术;公路勘测;地形图测绘;中线放样;横断面测量

0 引言

传统测量仪器和方法虽然可以保证测量精度，但是受外界条件影响较多，工作效率较低。随着新科技的不断发展，GNSS技术应运而生，如今已经非常成熟。由于GNSS测量具有高精度、全天候、测站间无须通视、低成本高效率等传统测量不可取代的优点，因此GNSS技术已成为公路勘测中应用最广泛的定位技术。

1 GNSS技术

GNSS即全球导航卫星系统，它包括全球性的美国的GPS、中国的北斗、俄罗斯的GLONASS以及欧盟的Galileo。此外还有区域性导航系统和增强系统。当今，GNSS系统不仅是国家安全和经济的基础设施，也是体现现代化大国地位和国家综合国力的重要标志。

GPS系统包括三大部分：空间部分—GPS卫星星座;地面控制部分—地面监控系统;用户设备部分—GPS信号接收机。[1]GPS定位是以GPS卫星和用户接收天线之间的距离为基本观测量，根据已知的卫星瞬时坐标，确定用户天线所对应的位置，其实质是空间距离后方交会。[2]

2 GNSS技术的优点

（1）观测站之间无须通视。GNSS测量与传统测量方法和原理都不同，传统测量需要使用光学仪器或电子仪器（经纬仪或全站仪），测量原理主要是测角、量边，解三角形法测算待定点坐标。GNSS测量主要利用卫星与卫星之间、卫星与接收机之间、移动站接收机与基准站接收机之间的距离关系，通过空间距离后方交会原理测算待定点坐标。接收机之间通过信号进行传播，不需要通视。

（2）定位精度高。GNSS测量利用接收到的卫星信号（测距码）或载波相位实现距离测量。在解算过程中通过误差改正模型、求差法等技术手段大大提高了测量精度。

（3）观测时间短，效率高。GNSS测量时间短，对于精度要求较高、建立高等级平面控制网的情况，测量时间为1-3小时。对于碎部点采集、施工放样等工作，可采用RTK技术进行测量，测量时间只需要几秒钟，大大提高了测量工作效率。

（4）提供三维坐标。GNSS测量可同时测出大地高，通过对地面控制点进行水准测量后，可得出控制点的正常高，从而计算出控制点处的高程异常值，进而可建立该区域的似大地水准面精化模型。这使得GNSS测量同时提供三维坐标，而且高程精度可以达到理想精度。

（5）操作简便，自动化程度高。GNSS接收机都是电子儀器设备，仪器制造商已经将复杂的工作封装起来，交给程序完成。观测者只需掌握简单的仪器操作即可，自动化程度非常高。

（6）成本低、经济效益高。随着科学技术的发展，电子产品性价比大幅度提高。测量型GNSS接收机刚问世时，1+1单星座设备大约在10-20万之间，而如今1+1多星座设备不足4万元，性能却显著提高。与传统观测方法相比，测量成本大大降低。

（7）全天候作业。GNSS观测一般不受天气、气温、大气折射、昼夜与否等因素影响，可以全天候工作。

3 GNSS技术在公路勘测中的应用

3.1 GNSS技术用于公路勘测首级平面控制网的建立

控制测量为其他任何测量工作提供起算数据。公路勘测工作中，设计阶段需要提供大比例尺地形图，工程量预算需要提供公路横断面测量数据，确定线路位置需要进行中线放样。这一切测量工作的开展都离不开高精度控制点，所以公路勘测首级平面控制网的建立至关重要。首级平面控制网的精度应根据工程的精度要求确定。确定好控制网精度后，根据国家规范，采用相应的施测方法。整个工作流程包括：现场踏勘、收集已有资料、技术设计书编写、选点与埋石、外业观测、内业解算、精度评定、成果整理、技术总结等。

3.2 GNSS技术用于大比例尺带状地形图的测绘

GNSS-RTK技术用于大比例尺带状地形图测量具有明显优势。从人力投入上看，全站仪传统测量方法至少需要2人一组才能作业，而GNSS-RTK只需1个人即可开展测量工作。从工作效率上看，GNSS-RTK方法测图不需要进行图根控制测量，不需要考虑通视情况，测量点存储时可方便给测量点编码，方便内业成图。从测量精度上看，GNSS-RTK方法测量精度更高，而且每个坐标点位都是独立采集，精度均匀，避免全站仪测量误差累积等缺点。

GNSS-RTK技术用于大比例尺带状地形图测绘的作业流程如下：

（1）架设基准站：在测区选择地势较高、较空旷的控制点作为基准站点。对于已建立CORS站的测区，此步操作可省略。

（2）流动站设置：为了保证测量的可靠性，流动站必须在基准站有效控制范围内进行作业。流动站设置过程中，重点关注天线高的设置和天线类型的选择。

（3）点校正：此工作是为了建立GNSS测量坐标系与实用坐标系的联系，也就是测量点的坐标系统转换工作。对于已求得测区转换参数的情况，验证后可直接使用，不再需要点校正操作。

（4）碎部点采集：碎部点采集即按照《地形图图式》和国家相关规范的要求，对地物特征点、地貌特征点的三维坐标进行采集的工作。GNSS接收机使用可参照不同品牌的手簿软件说明书进行。

3.3 GNSS技术用于公路中线放样

为了将公路总平面设计图上的道路中线在实地标定出来，指导道路施工作业，公路勘测中需要对公路中线进行放样。采用经纬仪（或全站仪）传统测量仪器进行放样时，需要对缓和曲线和圆曲线的切线长度、弧长等进行求解，通过测角量边放样出曲线主点，计算和放样操作都很复杂，如果遇到两点间不通视的情况，放样操作非常麻烦。这样工作效率大幅降低，放样精度得不到保证。与传统中线放样方法相比，GNSS-RTK具有以下明显优势：

（1）工作效率高。GNSS-RTK放样测量时，移动站可以在基准站5公里半径内开展工作，一个人操作仪器即可。与传统方法放样相比，免去了控制点布设环节，不再受控制点分布情况的限制，同时不需要“搬站”，大大提高了工作效率。

（2）放样点精度均匀，误差不累积。使用GNSS-RTK放样时，每个点位都是独立计算放样点位置，下一个点位的放样精度不受上一个点位影响，使得放样点精度均匀。

（3）全天候作业。一般地，GNSS作业不受气温、湿度、大气折射、光照强度等因素的影响。只要接收机上方足够开阔，满足接收机定位所需要的卫星数量即可工作，基本是全天候作业。

（4）GNSS-RTK手薄程序功能强大。市场在售的所有品牌GNSS设备都配备功能强大的手薄软件。手簿软件内集成公路中线放样的各种工具。用户只需要获得圆曲线、缓和曲线的设计参数即可计算出整条线路的位置。用户可以选择曲线主点或者加桩点进行放样。

⑤实时动态显示测量成果，现场指示性好。[3]

3.4 GNSS技术用于公路横断面测量

公路横断面测量是测量与中线垂直方向各中桩处的地面起伏情况。根据设计需要，一般每隔20米或25米设置一个中桩。公路横断面测量数据主要用于公路设计、土石方量计算、边坡路基施工，桥涵设计等。

传统横断面测量主要采用水准仪配合皮尺方法进行。通过水准仪测量出地面点的起伏程度，通过皮尺丈量地面点距离中线的距离。此方法虽然精度较高，但是受外界影響较大，当地面起伏较大时，皮尺量距和水准仪读数都会极不方便。如果测区植被较茂盛，采用此方法施测难度更大。

采用GNSS-RTK法进行公路横断面测量优势十分明显。此方法灵活方便、效率非常高，一个人即可作业。测量直接得到的是三维坐标成果，通过内业展点，轻松提取各点高程和偏距。随着计算机辅助制图的发展，我们可以通过数字化成图软件直接处理RTK测量数据文件，做到自动化公路横断面图绘制。

4 结束语

本文介绍了GNSS技术的定位原理，总结了GNSS技术的优点，分析了在公路勘测中GNSS技术相对于传统测量的优势，重点介绍了利用GNSS技术进行平面控制网的建立、大比例尺带状地形图的测绘、中线放样和横断面测量的方法。GNSS已成为公路勘测中的重要定位技术，随着GNSS技术不断地发展以及广大测绘工作者的不断探索，GNSS技术在公路工程中的应用将会越来越广泛，产生更多的经济效益和社会效益。

参考文献

[1]徐绍铨.（等）.GPS测量原理及应用（3S丛书）[M].武汉：武汉测绘科技大学出版社，1998.

[2]浦仕顺.GPS在公路测量中的应用与误差分析[J].硅谷，2009（15）：95.

[3]黄新祥.GPS及其RTK技术在公路勘测中的应用探讨[J].地矿测绘，2005，21（1）：26-27.