【正文】 第 2章 GPS 公路勘測首級控制網(wǎng)的建立 控制測量作業(yè)包括技術(shù)設(shè)計(jì)、實(shí)地選點(diǎn)、標(biāo)石埋設(shè)、觀測和平差計(jì)算等主要步驟。在常規(guī)的高等級控制測量中，當(dāng)某些方向受到地形條件限制不能使相鄰控制點(diǎn)之間直接通視時(shí)，需要在控制點(diǎn)上建造測標(biāo)。采用 GPS 定位技術(shù)建立平面控制網(wǎng)，由于不要求相鄰控制點(diǎn)間通 視，因此不需要建立測標(biāo)。 用 GPS 建立公路勘測首級控制網(wǎng)的主要特點(diǎn)及作業(yè)流程 與傳統(tǒng)的三角測量和導(dǎo)線測量相比 ， 用 GPS 建立公路勘測首級控制網(wǎng)有以下主要特點(diǎn) : 相對平面定位精度較高 。作業(yè)速度較快 ,經(jīng)濟(jì)效益好 ,特別是國產(chǎn) GPS 接收機(jī)的生產(chǎn)上市價(jià)格進(jìn)一步降低 ， 加之外業(yè)投入的人員較少、又無需建立覘標(biāo) ， 因而用 GPS 建立公路勘測首級控制網(wǎng)的費(fèi)用僅相當(dāng)于常規(guī)方法的 1/4 左右。 與 GPS 建立一般大地控制網(wǎng)相比 ， 用 GPS 建立公路勘測首級控制網(wǎng)又有以下特點(diǎn) :GPS 點(diǎn)位一般選定在施工區(qū)域之外。 為防止施工階段對 GPS 點(diǎn)位的損壞 ,GPS點(diǎn)位一般應(yīng)選在施工影響范圍以外中線以外 50m, 以便長期保存 ； GPS 點(diǎn)間至少要有一個(gè)通視方向。按照公路 GPS 測量規(guī)范的要求 ， 為了便于后續(xù)導(dǎo)線測量附合導(dǎo)線 的順利進(jìn)行 , 在 GPS 點(diǎn)布設(shè)時(shí) ， 應(yīng)每隔 3km左右設(shè)置一對相互通視的 GPS 點(diǎn)兩點(diǎn)間距應(yīng)在 300m 以上 ； 數(shù)據(jù)處理時(shí)要嚴(yán)格控制投影變形。在將 GPS 的 WGS84 大地坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換到所選定的平面坐標(biāo)時(shí) ， 若測區(qū)內(nèi)投影長度變形大于 ， 為了減少投影變形 , 方便設(shè)計(jì)與施工放樣 , 一般采用測區(qū)平均子 午線為中央子午線獨(dú)立坐標(biāo)系 。 用 GPS 建立公路勘測首級控制網(wǎng)的作業(yè)流程。如圖 技術(shù)設(shè)計(jì) 儀器檢驗(yàn)與維護(hù) 選點(diǎn)與埋石 外業(yè)觀測 基線解算與檢核 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換 網(wǎng)平差 技術(shù)總結(jié) 圖 建立 GPS 公路勘測首級控制網(wǎng)的流程圖 3 GPS 布網(wǎng)基本原則及網(wǎng)形結(jié)構(gòu) 考慮常規(guī)測量對 GPS 測量成果的使用 ,任一 GPS 點(diǎn)上至少需有一個(gè)通視方向。 盡量利用舊標(biāo)石 ,減少埋石費(fèi)用 ,且舊標(biāo)石一般較穩(wěn)固 一般網(wǎng)形中應(yīng)有非同步觀測邊組成異步環(huán)或附和路線 ， 附和路線是兩端閉合于已知點(diǎn) ， 中間經(jīng)過若干獨(dú)立基線邊相連形成 。 并且異步環(huán)或附和路線的邊數(shù)不得超過規(guī)定 ， 因邊數(shù)太多 ， 其評價(jià)基線質(zhì)量的能力將顯著降低。在實(shí)際工作中對比發(fā)現(xiàn) ， 超過 5 條邊后 ， 異步環(huán)閉合差經(jīng)常隨邊數(shù)的增加而降低 ， 因此過多獨(dú)立基線構(gòu)成的環(huán)路 ，反失去評價(jià)網(wǎng)形、基線可靠性的能力。同時(shí)利用其平差后 ， 間接基線邊的精度會(huì)降低。 條件許可時(shí) ， 可將網(wǎng)點(diǎn)選在交通便利 ， 易于到達(dá)的位置。以節(jié)省搬站時(shí)間。 各基線邊長盡可能相等 ， 若工程網(wǎng)中點(diǎn)位條件受限 ， 邊長差異太大 ， 可增加過渡點(diǎn) ， 降低過大邊長比。 網(wǎng)形結(jié)構(gòu)： GPS 網(wǎng)形結(jié)構(gòu)可以分為星行網(wǎng)，點(diǎn)連接，導(dǎo)線式，邊連式，點(diǎn)邊混連式等。控制網(wǎng)中控制點(diǎn)的坐標(biāo)或高程是由起算數(shù)據(jù)和觀測數(shù)據(jù)經(jīng)平差計(jì)算得到的?？刂凭W(wǎng)中只有一套必要起算數(shù)據(jù)的控制網(wǎng)稱為獨(dú)立網(wǎng)。 圖 星型網(wǎng) GPS 應(yīng)用中的幾個(gè)主要技術(shù)問題及解決方法 工程投影變形的處理 《公路勘測規(guī)程》中規(guī)定 , 當(dāng)測區(qū)偏離中央子午線大于 15km 時(shí) , 必須考慮長度投影變形的影響 , 因此在 GPS 內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理時(shí) , 為使后續(xù)使用方便必須設(shè)法消去高斯投影變形對最后坐標(biāo)成果的影響。這對公路勘測首級控制網(wǎng)的建立顯得尤為重要。 圖 點(diǎn)連式網(wǎng) 4 常規(guī)處理工程投影變形的方法 常規(guī)方法是以測區(qū)平均子午線為中央子午線 , 將平面已知點(diǎn)進(jìn)行換帶計(jì)算 , 然后進(jìn)行二維約束平差。這雖然是消除投影變形的可行方法 , 但由于其橫坐標(biāo)絕對值變化較大有時(shí)達(dá)幾十公里 , 給接圖、利用老圖和工程施工帶來困難或不便。為此 ,介紹尺度強(qiáng)制約束和投影面重新選擇兩種方法。兩種方法不但有效地消除了投影變形 , 而且很好地解決了老圖使用問題 , 極大地方便了工程施工。 用尺度強(qiáng)制約束法處理工程投影變形 GPS 二維約束平差時(shí) , 若有兩個(gè)點(diǎn)位精度可靠的國家點(diǎn) A、 B , 且這兩點(diǎn)地面實(shí)際平距為 D ?? , 由兩點(diǎn)坐標(biāo)反算得到的高斯平面距離為 S ?? 。尺度 強(qiáng)制約束法的實(shí)質(zhì)就是以 D ?? 強(qiáng)制作為高斯平面上的距離 , 重新計(jì)算 B 點(diǎn)的坐標(biāo)（此時(shí)高斯平面上的點(diǎn)位為 B1 ） , 再以 A、 B1 為平面重合點(diǎn)進(jìn)行二維約束平差即可。 B1 點(diǎn)的坐標(biāo)計(jì)算過程如下。 設(shè) A、 B 兩點(diǎn)在高斯平面上的坐標(biāo)值為（ ax 、 ay ）（ b x 、 by ）。則長度投影變形 ? S為： SRyDSS mabab ????? 222 （ ） 2/)( bam YYY ?? （ ） A、 B 兩點(diǎn)在地面上的實(shí)際距離 Dab 為 SSD abab ??? （ ） 由 Xa、 Ya、 Dab 和 A、 B 兩點(diǎn)間的坐標(biāo)方位角 Tab 即可計(jì)算 B1 點(diǎn)的坐標(biāo) X1b 、 Y1b 。 abb TDabXaX c o s1 ?? （ ） abb TDabYaY sin1 ?? （ ） 此法不但有效地消除了投影變形（尺度比為 1） ,處理后的坐標(biāo)成果與國家坐標(biāo)值相差很小 一般在分米級 , 極大地方便了工程設(shè)計(jì)和工程施工（特別是老圖的使用）。 投影面重新選擇法處理工程投影變形 一般而言 , 將地面實(shí)測水平距離 D 投影至高斯平面上可分為兩步 : 首先將地面實(shí)測平距歸化至投影橢球面上 , 其距離改正為 △ D1。 然后再由投影橢球面進(jìn)一步歸化到高斯平面上 , 其距離改正為 △ D2 若該邊長的兩端點(diǎn)至投影橢球面的平均高度為 5 H m ,兩端點(diǎn)的平均橫坐標(biāo)為 Ym，則 1D? 和 2D? 的計(jì)算公式為： DHRHD mm ???? 1 （ ） DRYD m ??? 222 2 （ ） 欲使地面實(shí)測平距與高斯平面上的距離相等（即長度變形為 0），則需 021 ???? DD 即 DRyDRH mm ??? 222 （ ） 則 ryH mm 22? （ ） 內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理時(shí) , 可根據(jù)計(jì)算得到的 mH 確定新選擇的投影面。用此法處理后的坐標(biāo)成果同樣也與國家坐標(biāo)值相差很小。 內(nèi)業(yè)平差的優(yōu)化處理 在公路勘測中 GPS 主要用于布設(shè)首級平面控制網(wǎng) , 其 網(wǎng)形 一般布設(shè)成如圖 所示的圖形 , 即每隔 3km 左右布設(shè)一對相互通視、邊長為 300m 左右并埋設(shè)標(biāo)石的 GPS 點(diǎn)。這樣的布設(shè)雖然有利于后續(xù)用全站儀來加密布設(shè)附合導(dǎo)線 , 但是 , 由于控制點(diǎn)間的邊長過于懸殊 , 導(dǎo)致內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理過程中存在一些較為明顯的不合理成份。如為了有效檢驗(yàn)外業(yè)基線成果的質(zhì)量 , 必須在網(wǎng)中形成一定數(shù)量的異步閉合環(huán) , 由于異步環(huán)中邊長較為懸殊 , 雖然其滿足上述基線檢核的各項(xiàng)限差條件 , 但若不加區(qū)別地將全部基線納入網(wǎng)中進(jìn)行平差計(jì)算 , 由于長邊的系 統(tǒng)誤差比短邊系統(tǒng)誤差明顯要大 , 因而長邊絕對精度要比短邊低很多 , 若將它們一同平差 , 勢必將長邊誤差傳遞到短邊中 , 大大削弱短邊的精度 , 影響整個(gè)控制網(wǎng)的點(diǎn)位精度。 圖 公路勘測首級 GPS 控制網(wǎng)示意圖 為了較為合理地處理上述問題 , 根據(jù)公路勘測 GPS 控制網(wǎng)點(diǎn)位布設(shè)特點(diǎn) ,文獻(xiàn) [3] 6 中 , 提出了一種行之有效的優(yōu)化處理方法 , 較好地解決了這一問題。此法的實(shí)質(zhì)就是在內(nèi)業(yè)平差處理時(shí)將形成異步環(huán)的較長邊 (10km以上如圖 4 中的 AE、 EJ 和 AJ 邊 ) , 僅用于基線成果的檢核 , 不納入 網(wǎng)平差計(jì)算的范疇 , 以提高整個(gè) GPS 網(wǎng)的點(diǎn)位精度。具體運(yùn)用時(shí)應(yīng)在常規(guī)內(nèi)業(yè)平差處理的基礎(chǔ)上按以下兩方面進(jìn)行優(yōu)化處理 : 首先 , 按常規(guī)進(jìn)行基線解算和觀測成果的檢驗(yàn)。在經(jīng)過四項(xiàng)檢驗(yàn)特別是經(jīng)過異步環(huán)閉合差檢驗(yàn)合格后 , 進(jìn)入下一步的網(wǎng)平差計(jì)算。其次 , 在保證所有待定點(diǎn)均能坐標(biāo)解算的前提下 , 將 GPS 控制網(wǎng)中用于形成異步環(huán)的較長基線邊刪除 , 再進(jìn)行三維自由網(wǎng)平差和二維約束平差。雖然此時(shí) GPS 控制網(wǎng)的網(wǎng)形類似支導(dǎo)線的形式 , 但由于已經(jīng)經(jīng)過基線檢核 , 因而其解算成果也是可靠的。用 GPS 建立公路 勘測首級控制網(wǎng)不但精度高、速度快 , 而且布點(diǎn)靈活 , 目前已被廣泛使用。但在使用過程中 , 應(yīng)根據(jù)公路勘測自身特點(diǎn)和要求 , 妥善處理好平面重合點(diǎn)的偏心觀測、投影變形、網(wǎng)平差和坐標(biāo)轉(zhuǎn)換等主要技術(shù)問題。 GPS 布網(wǎng)方案 GPS 網(wǎng)略圖 由 8 個(gè) GPS 點(diǎn)（ 4 組，組內(nèi)兩點(diǎn) 互相通視 ）， 2 個(gè)已知點(diǎn)組成。構(gòu)成 8 個(gè)同步環(huán)。 觀測方法 GPS RTK 采集數(shù)據(jù)前的準(zhǔn)備工作 對講機(jī)： 4 部。 本次一等 GPS 測量作業(yè)的基本技術(shù)要求見（表 ） ： 圖 GPS 控制網(wǎng)示意圖 （ 1） 實(shí)際觀測中，有效觀測衛(wèi)星數(shù)一般大于 4 顆， PDOP 值一般小于 5。 （ 2） 外業(yè)作業(yè)調(diào)度安排（ 2020 年 5 月，內(nèi)、外業(yè)共歷時(shí) 3 天。 ）。 7 （ 3） GPS 接收機(jī)的檢驗(yàn)：一般檢視；通電檢驗(yàn)。 在接電源的時(shí)候，正、負(fù)一定接對，否則 GPS 的電瓶或基準(zhǔn)站會(huì)別燒壞。 （ 4） 觀測組嚴(yán)格按調(diào)度表規(guī)定的時(shí)間進(jìn)行作業(yè)，保證同步觀測同一衛(wèi)星組。 （ 5） 每時(shí)段開機(jī)前，要量取天線高，并及時(shí)輸入測站名、年月日時(shí)段號等信息。關(guān)機(jī)后再量取一次天線高作校核，兩次量天線高互差不得大于 3mm，取平均值作