GNSS技術(shù)在高速公路路面工程測(cè)量中的應(yīng)用探討

梁雄鏗

【摘要：】在高速公路路面工程測(cè)量中運(yùn)用GNSS技術(shù)，能夠有效提高測(cè)量的精準(zhǔn)度，進(jìn)而提高工程質(zhì)量。文章介紹了GNSS技術(shù)原理及特點(diǎn)，探討了GNSS技術(shù)在高速公路路面工程測(cè)量中的應(yīng)用方法，并展望GNSS技術(shù)在高速公路路面工程測(cè)量中的發(fā)展前景。

【關(guān)鍵詞：】GNSS技術(shù);高速公路;路面測(cè)量;應(yīng)用

U412.6A170533

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展，傳統(tǒng)高速公路路面工程測(cè)量技術(shù)弊端逐漸顯露，其具有人員需求量大、受自然條件影響大、測(cè)量精準(zhǔn)度低等缺點(diǎn)。而相比于傳統(tǒng)高速公路路面工程測(cè)量技術(shù)，GNSS技術(shù)應(yīng)用在高速公路路面工程測(cè)量中則有測(cè)量精準(zhǔn)度高、操作簡(jiǎn)單、觀測(cè)時(shí)間短等顯著優(yōu)勢(shì)。因此，應(yīng)在高速公路路面工程測(cè)量中廣泛應(yīng)用GNSS技術(shù)，以此提高高速公路路面工程測(cè)量精準(zhǔn)度，從而提高工程質(zhì)量。

1 GNSS技術(shù)原理及特點(diǎn)

1.1 GNSS技術(shù)原理

GNSS即全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，是指利用人造衛(wèi)星發(fā)射和接收地理信息，利用發(fā)射器、地面控制系統(tǒng)和接收器為全球提供全方位、全時(shí)段、高精度地理坐標(biāo)的一類無線電導(dǎo)航系統(tǒng)。其具體原理為：利用人造衛(wèi)星發(fā)射信號(hào)的速度和從發(fā)射到接收的時(shí)間，計(jì)算人造衛(wèi)星的接收距離。通常情況下，1顆衛(wèi)星所確定的點(diǎn)位是一個(gè)球面，2顆衛(wèi)星所確定的點(diǎn)位呈橢圓形，3顆衛(wèi)星能夠確定兩個(gè)點(diǎn)位位置，4顆衛(wèi)星則可準(zhǔn)確對(duì)點(diǎn)位進(jìn)行定位（見圖1）。因此，GNSS技術(shù)是采集4顆及以上的衛(wèi)星建立一個(gè)三維坐標(biāo)系，利用基站與衛(wèi)星之間的差值，準(zhǔn)確計(jì)算出測(cè)量信息，有效提高測(cè)量精準(zhǔn)度和質(zhì)量?，F(xiàn)階段，較為常用的GNSS系統(tǒng)有四種，分別是GPS、北斗、GLONASS和Galileo。就目前情況而言，GNSS系統(tǒng)不僅是科學(xué)技術(shù)水平的象征，也是國(guó)家綜合實(shí)力的重要標(biāo)志。

1.2 GNSS技術(shù)特點(diǎn)

相比于傳統(tǒng)高速公路路面工程測(cè)量技術(shù)，GNSS技術(shù)具有以下7個(gè)方面特點(diǎn)：

（1）觀測(cè)站之間無須視通：傳統(tǒng)高速公路路面工程測(cè)量?jī)x器為光學(xué)或經(jīng)緯儀器，其測(cè)量原理大多是測(cè)量角度與長(zhǎng)度，再利用解三角形測(cè)算出準(zhǔn)確定位[1]。相比于傳統(tǒng)路面工程測(cè)量技術(shù)，GNSS技術(shù)主要利用人造衛(wèi)星、地點(diǎn)控制系統(tǒng)、基準(zhǔn)站之間的距離，通過空間距離后方交會(huì)原理確定點(diǎn)位，各觀測(cè)站的接收機(jī)之間無須進(jìn)行視通，利用信號(hào)傳播即可。

（2）測(cè)量精度高：GNSS技術(shù)能夠利用人造衛(wèi)星建立一個(gè)龐大的地面控制網(wǎng)絡(luò)，利用衛(wèi)星實(shí)時(shí)同步觀測(cè)，極少受到傳輸誤差影響[2]。此外，GNSS技術(shù)還能夠避免累積誤差，極大提高測(cè)量精準(zhǔn)度。

（3）觀測(cè)時(shí)間短：GNSS系統(tǒng)能夠有效控制觀測(cè)時(shí)間，能夠滿足高速公路路面工程觀測(cè)時(shí)間≥30 min。

（4）操作便捷：隨著科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展，GNSS接收器體積不斷縮小，現(xiàn)階段，便攜式GNSS接收器已廣泛應(yīng)用在高速公路測(cè)量工程中[3]。此外，便攜式GNSS接收器智能化水平有所提高，其對(duì)操作人員的技術(shù)要求相對(duì)較低，通過簡(jiǎn)單培訓(xùn)即可進(jìn)行操作。

（5）全時(shí)段作業(yè)：GNSS不受時(shí)間、空間限制，可全時(shí)段、全天候作業(yè)，即使在夜間工作也不會(huì)產(chǎn)生較大誤差。

（6）三維坐標(biāo)定位精確：GNSS可采集4顆衛(wèi)星信號(hào)，并將求得的轉(zhuǎn)換參數(shù)建立三維坐標(biāo)，確保定位信息更加準(zhǔn)確。

（7）成本低、經(jīng)濟(jì)效益高：隨著科學(xué)技術(shù)水平不斷提高，電子產(chǎn)品廣泛應(yīng)用在人們?nèi)粘Ｉa(chǎn)生活中，電子產(chǎn)品價(jià)格也隨之下降。GNSS技術(shù)最初興起時(shí)價(jià)格相對(duì)較高，約在10～20萬元之間，現(xiàn)今僅需1～2萬元。此外，與傳統(tǒng)高速公路路面測(cè)量技術(shù)相比，GNSS技術(shù)為施工單位降低了人工成本，因此，GNSS技術(shù)具有成本低、經(jīng)濟(jì)效益高的特點(diǎn)。

2 GNSS技術(shù)在高速公路路面工程測(cè)量中的應(yīng)用

GNSS技術(shù)可應(yīng)用在高速公路路面工程測(cè)量的各個(gè)階段，其工作示意圖見圖2。具體應(yīng)用主要表現(xiàn)在以下三方面。

2.1 GNSS技術(shù)用于加密路面控制點(diǎn)

在高速公路路面工程實(shí)際施工過程中，會(huì)受到多方面因素影響，進(jìn)而影響施工效率與施工質(zhì)量[4]。以廣東省龍連段高速公路工程施工為例，該工程在施工過程中不慎將設(shè)計(jì)單位所提供的測(cè)量點(diǎn)破壞，而沒有被破壞的測(cè)量點(diǎn)之間無法視通。此外，該工程所經(jīng)過的大型橋隧較多，如茶場(chǎng)大橋（橋面全長(zhǎng)約665 m）、金花隧道（全長(zhǎng)約4 747 m）等。在此不利工程條件下，施工單位為確保路面工程進(jìn)度，保證施工效率和工程質(zhì)量，必須對(duì)路面增加控制點(diǎn)。利用GNSS技術(shù)可在短時(shí)間內(nèi)采集靜態(tài)數(shù)據(jù)，利用網(wǎng)平差將采集后的靜態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到精準(zhǔn)度較高的平面控制網(wǎng)，并利用該平面控制網(wǎng)加密路面控制點(diǎn)[5]。相比于傳統(tǒng)路面加密控制點(diǎn)測(cè)量方法，GNSS技術(shù)能夠有效提高路面加密控制點(diǎn)的建設(shè)效率，打破路面工程不利條件，確保路面工程測(cè)量順利進(jìn)行。

2.2 GNSS技術(shù)用于路面放線

路面放線是高速公路路面測(cè)量的重要環(huán)節(jié)，其質(zhì)量決定著高速公路路面工程整體質(zhì)量。在實(shí)際高速公路路面工程測(cè)量中，路面工程設(shè)計(jì)人員首先應(yīng)在圖紙上完成定線，隨后在公路路面中線進(jìn)行標(biāo)識(shí)[6]。利用GNSS電子設(shè)備新建與公路中線標(biāo)識(shí)相匹配的工程項(xiàng)目，并建立道路平縱曲線文件。值得注意的是，GNSS技術(shù)操作人員應(yīng)根據(jù)高速公路路面工程級(jí)別選擇合適的錄入方法，常用的錄入方法有交點(diǎn)法、線元法等。隨后，操作人員應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙建立相應(yīng)的三維坐標(biāo)系統(tǒng)，并確定中央子午線。該坐標(biāo)系統(tǒng)可自動(dòng)定位放樣點(diǎn)，在實(shí)際測(cè)量過程中，坐標(biāo)系統(tǒng)所定位的放樣點(diǎn)均具有相對(duì)獨(dú)立性，每一個(gè)點(diǎn)位都有著對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)，進(jìn)而確保放樣點(diǎn)的精準(zhǔn)性。此外，工作人員還可將設(shè)計(jì)好的平縱曲線文件輸入到GNSS設(shè)備軟件中，利用GNSS道路軟件完成高速公路路面曲線放樣。

相比于傳統(tǒng)高速公路路面工程放線技術(shù)，GNSS路面放線技術(shù)具有以下幾點(diǎn)優(yōu)勢(shì)：

（1）工作效率高：在實(shí)際高速公路路面放線工作中，工作人員可利用GNSS設(shè)備在基準(zhǔn)站、移動(dòng)站5 km范圍內(nèi)開展工作，且GNSS設(shè)備操作及信息收集僅通過一名工作人員即可完成。相比于傳統(tǒng)高速公路路面放線技術(shù)，GNSS技術(shù)摒棄了布置控制點(diǎn)環(huán)節(jié)，使路面放線工作不再受控制點(diǎn)條件限制，在開展高速公路路面放線工作時(shí)，無須再移動(dòng)控制點(diǎn)，有效提高了高速公路路面放線工作效率。

（2）放樣點(diǎn)精準(zhǔn)：利用GNSS技術(shù)設(shè)置的放樣點(diǎn)，具有相對(duì)獨(dú)立特點(diǎn)，每一個(gè)放樣點(diǎn)之間不會(huì)相互影響，既能夠提高放樣點(diǎn)的精準(zhǔn)度，又能夠降低積累誤差。

（3）持續(xù)作業(yè)：在開展高速公路路面放線工作時(shí)，GNSS技術(shù)可以不受氣候、時(shí)間、空間等條件限制，即使在夜間也能精準(zhǔn)地完成工作，真正實(shí)現(xiàn)全時(shí)段、全方位、全天候持續(xù)作業(yè)。

（4）GNSS設(shè)備程序功能強(qiáng)大：便攜式GNSS設(shè)備可將高速公路路面放線所能運(yùn)用到的全部工具容納進(jìn)來，工作人員只需要將測(cè)量出的圓曲線、緩和曲線等參數(shù)輸入到對(duì)應(yīng)軟件中，即可獲得整條線路位置，并依據(jù)線路位置選擇合適的放樣點(diǎn)[7]。此外，GNSS技術(shù)智能化水平較高，能夠做到實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)測(cè)量成果，及時(shí)發(fā)現(xiàn)路面放線過程中出現(xiàn)的問題，并通過現(xiàn)場(chǎng)指示糾正該問題，確保路面放線工作的精準(zhǔn)性，從而保證高速公路路面工程的整體質(zhì)量。

2.3 GNSS技術(shù)用于路面橫縱斷面放樣

路面橫縱斷面放樣是高速公路路面工程測(cè)量的重要環(huán)節(jié)之一，其精準(zhǔn)度能夠直接影響路面工程測(cè)量精確度，影響路面工程測(cè)量工作整體效率和質(zhì)量[8]。在實(shí)際高速公路路面橫縱斷面放樣工作中，工作人員可利用便攜式GNSS設(shè)備中所帶有的處理軟件，將平斷面、橫縱斷面設(shè)計(jì)參數(shù)輸入其中，設(shè)計(jì)出高速公路路線三維建模，而軟件經(jīng)過大數(shù)據(jù)處理后可將合適的放樣點(diǎn)在三維建模中顯示出來，這樣既能夠保證路面橫縱斷面放樣點(diǎn)的精準(zhǔn)性，也能夠極大縮短該項(xiàng)工作的時(shí)間，提高路面橫縱斷面放樣工作的效率。

2.4 GNSS技術(shù)可結(jié)合PTK在路面工程監(jiān)測(cè)工作中實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量

PTK技術(shù)實(shí)質(zhì)上是一種用戶識(shí)別發(fā)展工具，在基站不動(dòng)的前提下，收集并分析誤差產(chǎn)生的原因，利用大數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)、電臺(tái)等形式將分析出的誤差原因傳送給流動(dòng)站，進(jìn)而幫助流動(dòng)站得出實(shí)時(shí)的精確坐標(biāo)。換句話說，無論是手機(jī)、電臺(tái)還是網(wǎng)絡(luò)都是誤差產(chǎn)生原因的一種傳輸工具。

隨著信息化進(jìn)程不斷加快，傳統(tǒng)PTK技術(shù)已無法適應(yīng)時(shí)代發(fā)展潮流，其弊端逐漸顯露。近年來，隨著GNSS技術(shù)興起，將GNSS技術(shù)與PTK技術(shù)相結(jié)合，使PTK技術(shù)由傳統(tǒng)的“1+1”系統(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)椤?+2”系統(tǒng)，甚至發(fā)展成為差分系統(tǒng)，即WADGNSS。將GNSS技術(shù)與PTK技術(shù)相結(jié)合，能夠有效擴(kuò)展PTK技術(shù)測(cè)量范圍，提高傳輸速度。

高速公路路面工程測(cè)量實(shí)際上是整個(gè)高速公路工程測(cè)量的重要分支，在實(shí)際操作過程中，需采用對(duì)應(yīng)的設(shè)備及方法將設(shè)計(jì)圖紙上的點(diǎn)位與現(xiàn)實(shí)點(diǎn)位相對(duì)應(yīng)。在傳統(tǒng)高速公路路面測(cè)量中，工作人員常常利用經(jīng)緯儀等設(shè)備進(jìn)行坐標(biāo)放樣，在放樣過程中需不斷移動(dòng)目標(biāo)，且該放樣工作需2～3人配合才能完成。同時(shí)，在此操作期間需保證各放樣點(diǎn)之間通視效果良好。如在放樣過程中出現(xiàn)問題，專業(yè)人員需進(jìn)行大量計(jì)算才能確保放樣工作順利進(jìn)行。而如果運(yùn)用GNSS結(jié)合PTK技術(shù)，則可利用GNSS設(shè)備實(shí)現(xiàn)一人操作、一人放樣，GNSS設(shè)備可實(shí)時(shí)提醒工作人員是否走到放樣位置，這樣既能減少路面工程測(cè)量放樣工作中的人力成本，又能減少放樣工作中的積累誤差，實(shí)現(xiàn)高效放樣，直接提高高速公路路面工程測(cè)量工作的質(zhì)量。

3 GNSS技術(shù)在高速公路路面工程測(cè)量中的應(yīng)用前景

隨著科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展，我國(guó)各類工程設(shè)計(jì)已實(shí)現(xiàn)CAD制圖標(biāo)準(zhǔn)化，高速公路路面工程建設(shè)也不例外，大多數(shù)工程設(shè)計(jì)軟件繼續(xù)以數(shù)字化技術(shù)產(chǎn)品支持。近年來，我國(guó)經(jīng)濟(jì)體制改革不斷深入，為推動(dòng)各地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，國(guó)家愈發(fā)重視高速公路建設(shè)，高速公路建設(shè)工程迎來了巨大的挑戰(zhàn)與機(jī)遇。在這一背景下，要求高速公路各類工程建設(shè)應(yīng)朝著數(shù)字化、信息化方向發(fā)展，應(yīng)在工程全過程中建立一體化數(shù)字鏈，大幅度減少數(shù)據(jù)計(jì)算、傳輸時(shí)間，提高高速公路工程建設(shè)效率。

就目前情況而言，在高速公路路面工程測(cè)量中引進(jìn)GNSS技術(shù)，是對(duì)原有高速公路路面工程測(cè)量技術(shù)的技術(shù)改造，是使高速公路路面工程測(cè)量工作朝著信息化、數(shù)字化、智能化方向發(fā)展的重要舉措。在未來高速公路路面工程測(cè)量工作中，GNSS技術(shù)必將展現(xiàn)其高精度的作業(yè)特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)毫米級(jí)別的控制測(cè)量精度和厘米級(jí)別的放樣精度。同時(shí)，GNSS技術(shù)還將會(huì)徹底改變高速公路測(cè)量模式，利用GNSS技術(shù)建立三維立體坐標(biāo)，在規(guī)劃線路、橋梁和隧道勘查工作中實(shí)現(xiàn)其應(yīng)用價(jià)值。此外，在未來高速公路路面測(cè)量中使用GNSS技術(shù)，必將實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)放樣、實(shí)時(shí)測(cè)量，打破時(shí)間、空間、氣候等條件限制，提高高速公路路面工程測(cè)量工作的效率。

4 結(jié)語

綜上所述，將GNSS技術(shù)科學(xué)且合理地應(yīng)用在高速公路路面工程測(cè)量中，不僅能夠提高高速公路路面工程測(cè)量精準(zhǔn)度，還能夠打破時(shí)間、空間等條件限制，拓展測(cè)量范圍。同時(shí)，GNSS技術(shù)還具有操作便捷、勞動(dòng)強(qiáng)度低、全方位、全時(shí)段監(jiān)測(cè)等優(yōu)點(diǎn)。在新時(shí)代背景下，GNSS技術(shù)必將廣泛應(yīng)用在高速公路路面工程測(cè)量中，不斷推進(jìn)高速公路路面工程測(cè)量技術(shù)發(fā)展，不斷提高高速公路路面工程質(zhì)量。未來的高速公路路面工程測(cè)量工作必將朝著高效率、高質(zhì)量、高水平方向發(fā)展，GNSS技術(shù)也必將隨著時(shí)代發(fā)展不斷適應(yīng)高強(qiáng)度的高速公路路面工程測(cè)量工作。

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