GPS技术在道路勘测设计中的应用浅析

戴亮平杜丽华刘明健

摘要：GPS系统技术在道路勘探设计上的应用越来越广泛，本文将结合GPS技术相关理论，简单介绍GPS系统技术在道路勘探设计上的应用，尤其是对小区域进行GPS控制测量实例中的应用和重要作用，分析这一技术对我国道路勘测设计具有重要价值。

关键词：GPS技术；道路勘测设计；应用

Abstract: GPS systems technology in the application of road exploration design more and more widely, the paper will be combined with GPS technology related theory, simply introduced the GPS system technology in the exploration on the application of road design, especially for smaller areas GPS control example of measurement of the application and the important function, analyze this technology to our country road survey and design is of important value.

Keywords: GPS technology; Road survey and design; application

中图分类号：S611文献标识码：A 文章编号：

GPS全球定位系统在世界勘探测量领域的应用越加广泛，主要是做为WGS-84的地心空间直角坐标系成果下的应用，在实际操作中需要转换到地方实际可用的坐标系。通常采用两坐标系中的相关已知坐标的公共重合点，代入坐标转换模型并反求坐标转换参数，将相关参数代回模型中计量各点的坐标转换。因此，（B,L,H）或者（X,Y,Z）这些公共点坐标的精度和数值直接决定和影响转换这些参数及转换后的坐标精度。

一、GPS的工程原理

GPS系统是一种采用距离交会法的卫星导航定位系统。在需要的位置P点架设GPS接收机，在某一时刻ti,同时接收了3颗（A、B、C）以上的GPS卫星所发出的导航电文，通过一系列数据处理和计算可求得该时刻GPS接收机至GPS卫星的距离SAP、SBP、SCP，同样通过接收卫星星历可获得该时刻这些卫星在空间的位置（三维坐标）。从而用距离交会的方法求得P点的维坐标（Xp，Yp，Zp），其数学式为：SAP2=[(Xp-XA)2+(Yp-YA)2+(Zp+ZA)2];SBP2=[(Xp-XB)2+(Yp-YB)2+(Zp+ZB)2];SCP2=[(Xp-XC)2+(Yp-YC)2+(Zp+ZC)2]。

式中（XA，YA，ZA），（XB，YB，ZB），（XC，YC，ZC）分别为卫星A，B，C在时刻ti,的空间直角坐标。在GPS测量中通常采用两类坐标系统，一类是在空间固定的坐标系统，另一类是与地球体相固联的坐标系统，称地固坐标系统。我们在公路工程控制测量中常用地固坐标系统。（如：WGS-84世界大地坐标系和1980年西安大地坐标系。）在实际使用中需要根据坐标系统间的转换参数进行坐标系统的变换，来求出所使用的坐标系统的坐标。这样更有利于表达地面控制点的位置和处理GPS观测成果，因此在测量中被得到了广泛的应用。

二、坐标转换

首先，WGS-84坐标系和参心坐标系之间的关系。实际上，卫星星历就是以这一坐标系为框架的。实际应用测量成果是某一国家或地方的坐标系，因此解决定位成果的坐标转换问题十分必要。借住著名的Bursa7参数坐标的转换模型，可以得到如下数学模型：

G= T (1)

其中的（X,Y,Z）TG是地心空间坐标系坐标，（X,Y,Z）TT则是地面参心坐标系坐标。原则上，这重合点的公共部分至少有三个，依照最小二乘原则由公式1可求得三个平移参数（ΔX，ΔY，ΔZ）T和（εx，εy，εz）T和尺度比参数m，最后将这些之外的余点的大地坐标转换成参心坐标。

GPS的测量点基线向量三维坐标系以WGS-84的全球地心直角坐标系为基础定义的，经坐标系转换可得到椭圆球做基准的大地高H。目前我国采用的是比拟大地水准面为基准的正常高系统Hr。两者之间的关系是ζ=H-Hr，通过中和殿GPS水准可求得重复点高程异常，最后对高程异常进行拟合与推估，得到待定点的高程异常，最终得到待定点的正常高程。

二、拟合模型

道路勘测设计上的高程系统中包括大地高、正常高和正高系统，因为GPS得到的是大地高，而正规工程中还需要正常高，也就需要在一定的区域对数量和已知水准点进行控制，在这个环节，必须选择适当的拟合模型进行坐标求解，再利用差算法解决任意点的高程差异问题。

常用的拟合模型有多项式曲线法、最小二乘法、三次样条曲线法和akima法。对于多项式曲线法原理较为简单，但是并不适用于多控制点的情况。但是，最小二乘法相比之下可以使用更多的控制点。只是同时，控制点过多会导致曲线高削低补加大误差的情况。三次样条曲线和akima法的拟合法，虽然解决了控制点多的一些问题，但是同时其精度也并不理想。并且，这些方法存在一个共同的问题，就是求解系数矩阵会有病态矩阵的情况，导致高程异常和较大的误差。在这种误差的避免上，可以采取拟合模型-正交函数模型。

首先，需要注意的是，GPS进行拟合高程异常时必须根据地形变化和控制点数量以及分布情况灵活的选择拟合模型。通常情况下，狭长线性区域的地形高程拟合模型，应该是正交多项可避免产生病态矩阵的模型，这样的拟合效果更好。同时控制点数码控制在总点数的三分之一较为合适。

其次，地域较大或者过于狭长的地域，因为高程异常的变化巨大，不适合采取单一的拟合模型。必须根据高程异常的变化综合利用多种模型分区拟合。控制点选择上必须多选取具有地域特征的点，并且侧重分布均匀，这样的选择具有代表性，其拟合较方便且具备普遍性价值。同时，即使是某一特殊区域，也可以多选择不同的模型拟合，方便数据拟合分析。

另外，在控制测量中可以借助拟合数据和实测数据进行互检，这样易于查找和纠正错误。也就是说，在选取拟合模型和实际运用中，要根据实际情况选取和检测更正，以使GPS技术更好的进行高程拟合，为实际应用做好技术准备基础。

四、GPS技术在道路勘探设计领域的应用

当前我国广州科学城利用GPS技术快速而准确的获得了测量数据，在实际道路勘测设计中大大的提高了效率和精度，并且减少了测量劳动量同时解决了道路勘探难的问题。综合评估这一市政道路的设计方案以及已知点位置的确定，可以根据该系统区域实际设计以下附和导线，如图1：

图1

上图中4个点进行过同步测验，每一时间段为1小时，组成了8个同步环。

黑龙江绥满路虎峰岭段高速公路东起牡丹江，西至尚志。经平面控制测量

分析以D级GPS网为其首级控制，通过E级完成，分别是24个和95个。其平面系统采用抵偿坐标系完成，投影中心的子午线是129°，下图是D级GPS分布设

计方案：

图2黑龙江绥满D级GPS点布设方案

总之，通过GPS技术的发展和更广泛的应用，基础导航和定位分析的精度将进一步

发展，三维坐标以及速度和时间将进一步提高。这一技术在道路勘测设计中的推广和发展可以加强精度和可靠性及稳定性，对我国地势复杂的地面情况既有很高的研究价值。

参考文献

1、张京礼，GPS RTK技术在道路测量中的应用，交通科技与经济，2010,12(2)

2、王伟，GPS技术在道路勘测设计中的应用，广东科技，2009(12)

3、叶毕升，GPS测量在工程测绘上的应用，城市建设理论研究（电子版），2011(26)

注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。