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摘要：本文簡述了GPS測量技術的發展狀態，并列出了GPS用于測量所具有特點，重點介紹了GPS測量用于公路測設中的國家大地點加密、隧道控制測量、特大橋控制測量、導線測量、航測像控點測量、密林密灌地區的路線控制測量、路線中樁實時放樣測量、GPS測量與水準測量資料相結合進行高程控制測量的實際應用成果，最后對GPS測量作出了展望。
關鍵詞：全球定位系統高速公漫測量應用
1 概述
1.1 GPS測量簡介
全球定位系統(GPS)是美國國防部主要為滿足軍事部門對海上、陸地和空中設施進行高精度導航和定位的要求而建立的。該系統從本世紀70年代初開始設計、研制。根據最初設計思想，利用接收衛星發射的偽隨機噪聲碼(P碼)為美軍及北大西洋組織的盟軍提供米級導航定位，同時將定位精度為數十米的C/A碼偽距提供民用導航定位。
GPS作為新一代衛星導航與定位系統，不僅具有全球性、全天候、連續的精密三維導航與定位能力，而且具有良好的抗干擾性和保密性。全球定位系統的迅速發展，引起了各國軍事部門和廣大民用部門普遍關注。GPS定位技術的高度自動化及其所達到的高精度和具有的潛力，也引起了廣大測量工作者的極大興趣。
70年代未至80年代初，許多學者的研究表明GPS衛星的載波信號也可以用于定位，并提供比偽距定位高得多的精度。特別是載波相位差分定位技術的出現，推動了早期測量型商品的接收機的研制。當時GPS定位基本上只有一個作業模式——靜態相對定位，兩臺或若干臺GPS接收機安置在待定點上，連續同步觀測同一組衛星1～2h，或更長一些時間，通過觀測數據的后處理，給出各待定點間的基線向量，在采用廣播星歷的條件下，靜態定位不難取得5mm+1PPm(雙頻)或10mm+2PPm(單頻)基線解精度。
80年代未，建立在FARA(整周未知數快速逼近技術)基礎上的快速靜態定位為短基線測量作業闖出了一條新路，大大提高了GPS測量的勞動生產率。一對GPS測量系統(雙頻)在10km以內的短邊上，正常接收4～5顆衛星5min左右，即可獲取5～10mm+1ppm的基線精度 ，與1～2h甚至更長時間靜態定位的結果不相上下。近幾年，特別是1993年Leica公司開發了AROF(AmbiguityResulationontheFly)定位技術，首先實現了動態環境下整周未知數初始化這個實時GPS測量關鍵技術的商品化。各個GPS測量廠商看好
這個大趨勢，紛紛推出各自的GPS測量新產品。有的把這種新型產品稱之為GPS全站儀，有的稱之為RTK(實時動態測量)，有的稱之為RTGPS。
總之，GPS測量理論與設備的不斷發展，使得GPS測量技術日趨成熟，GPS測量功能更加完善，GPS測量應用面更廣，并且GPS測量設備價格變得低廉，操作更加簡便，使GPS測量更加實用化和自動化。
1.2 GPS測量的特點
相對于經典測量學來說，GPS測量主要有以下特點：
(1)測站之間無需通視。測站間相互通視一直是測量學的難題。GPS這一特點，使得選點更加靈活方便。但測站上空必須開闊，以使接收GPS衛星信號不受干擾。
(2)定位精度高。一般雙頻GPS接收機基線解精度為5mm+1ppm，而紅外儀標稱精度為5mm+5ppm，GPS測量精度與紅外儀相當，但隨著距離的增長，GPS測量優越性愈加突出。大量實驗證明，在小于50km的基線上，其相對定位精度可達12×10-6，而在100～500km的基線上可達10-6～10-7。
(3)觀測時間短。在小于20km的短基線上，快速相對定位一般只需5min觀測時間即可。
(4)提供三維坐標。GPS測量在精確測定觀測站平面位置的同時，可以精確測定觀測站的大地高程。
(5)操作簡便。GPS測量的自動化程度很高。在觀測中測量員的主要任務是安裝并開關儀器、量取儀器高和監視儀器的工作狀態，而其它觀測工作如衛星的捕獲，跟蹤觀測等均由儀器自動完成。
(6)全天候作業。GPS觀測可在任何地點，任何時間連續地進行，一般不受天氣狀況的影響。
2 GPS測量在公路測量中的應用實例
公路路線一般處在一條帶狀走廊內。其平面控制測量往往采用導線形式，這包括附合導線、閉合導線、結點導線等導線網形式。對于重要構造物如大橋、特大橋、長大隧道等，也有布設成三角網、線形鎖等形式。
2.1 常規測量方法的缺陷
(1)規范對附合導線長、閉合導線長及結點導線間長度等有嚴格規定，一般對于高等級公路均要求達到一級導線要求。這樣，導線附合或閉合長度最長不得超過10km，結點導線結點間距不能超過附合導線長度的0.7倍。這種要求一般在實際作業中難以達到，往往出現超規范作業。
(2)搜集到的用于路線測量控制的起算點間一般很難保證為同一測量系統，往往國測、軍測、城市控制點混雜一起，這就存在系統間的兼容性問題，如果用不兼容的起算點，勢必影響測量質量。
(3)國家大地點破壞嚴重影響測量作業。由于國家基礎控制點，大多為50、60年代完成，經過30多年，有些點由于經濟建設的需要被破壞，有些點則由于人們缺乏知識遭人為破壞。在這些地區進行路線測量作業，往往在50km以上均找不到導線的聯測點。這樣路線控制測量的質量得不到保證。
(4)地面通視困難往往影響常規測量的實施。一般路線的控制點要求布設在距路線的300m范圍內。由于通視的原因，這一條件難以滿足，甚至在大范圍密林、密灌及青紗帳地區，根本無法實施常規控制測量。
對于長大隧道，特大橋用常規測量有下列局限：
(5)長大隧道、特大橋等構造物一般要求測量等級在4等以上。用常規測量方法，往往采用增加測回數，延長觀測時間等費時、費工的方法來設法提高精度。
(6)長大隧道、特大橋多為地形復雜困難地帶，進行常規控制測量，為通視和網形，往往砍伐工作量相當大，這樣測設費用很大，作業艱苦。
(7)長大隧道及特大橋的控制網高精度及與路線網的低精度銜接，雖說用平差方法可以得到克服，但由于地形條件困難，其聯結的測量工作量很大，且不太方便。實際工作中，構造物的控制測量與路線的控制測量經常出現脫節現象。
利用GPS測量能克服上述列舉的缺陷，并提高作業的效率，減輕勞動強度，保證了高等級公路測設質量。
下面就在實際生產中應用GPS的情況舉出一些應用實例。
2.2 GPS測量用于加密國家控制點
京珠國道主干線粵境高速公路湯塘至廣州北二環段路線長約60km，所處地形為重丘區，路線設計為6車道。
該段有11個各種系統的平面控制點，經過實地尋找，找出了7個，有4個被破壞，破壞中有2個國家Ⅱ等點。在已找出的的7個控制點中，國家測繪局系統Ⅰ等點1個，Ⅲ等點1個；城市測量系統點2個；總參軍控點3個。這些平面控制點分屬不同測量系統，且等級不同。
為提高京珠國道粵境高速公路湯塘至廣州北二環段測設質量，決定在國家測繪系統基礎進行控制點的加密。加密的控制點布設方案是：沿公路路線每10km布設一對點，該對點相距約1km，且應通視良好。這樣，該段共設了6對GPS加密點，加密點的精度要達到四等控制網的要求。GPS四等網由18個點組成，其網形略圖如圖1。
圖1 湯塘至廣州北二環GPS四等國家大地點加密
該四等網采用4臺Trimble SE400單頻接收機作業。該機的標稱精度為10mm+2PPm。四等網的觀測時間為90min。數據采樣間隔為15s。
基線預處理采用廠家提供的TrimvecPlus軟件，平差計算采用武漢測繪科技大學編制的GPSADJ Ver2.0軟件包。
通過平差處理，該四等網最弱點位中誤差為4.11cm，平均點位中誤差3.18cm，最弱邊相對中誤差1/27669，平均邊長相對中誤差1/453578。
整個四等網作業僅花4d時間。其效率較常規測量手段至少提高3倍。
在此基礎上，我院同湖北省測繪局、湖南省第二測繪院合作，在京珠國道主干線湖南耒陽廣州花都段進行了近600km的GPS加密國家控制點的測量。該地區路線跨越南嶺山脈，沿線山高深、植被茂盛、地形地貌復雜、通視條件極差。國家一、二等三角點破壞嚴重，測設內可供利用的三角點稀少，在路線走廊范圍內僅找到7個保存完好的國家三角點。
經過平差處理，網中最弱點點位中誤差為4.13cm，最弱邊相對中誤差為1/12.5萬。控制網的各項指標達到甚至超過國家四等網的技術要求。
近600km的GPS控制網，僅用兩個外業組，10個作業員，7臺GPS接收機，約20d的作業時間。若采用常規測量方法在相同人手的情況下，至少需要三個月的時間才能完成。
2.3 GPS測量用于隧道控制測量
在京珠國道主干線粵境高速公路翁城縣境內有座靠椅山雙洞直線型平行隧道，初測的左、右洞起訖樁號分別為ZK144+710～ZK147+730，YK144+730～YK147+740。其洞長分別為3020m和3010m。根據《公路隧道勘測規程》中對隧道類別劃分標準，屬公路特長隧道，洞外測量在貫 通面上對貫通誤差影響值限值為±55mm。
靠椅山隧道地處亞熱帶地區，雨量充沛、荊剌叢生，溝深林密，野外作業條件十分艱苦，采用常規方法不僅費時費力，而且選點困難，砍伐工作量大。結合靠椅山地形特征，采用GPS測量，布設了如圖2所示的GPS控制網。
靠椅山隧道控制網由14個點組成，網中最短邊長為100.842m，最大邊長為3597.4m，平均邊長為1104.848m。
采用Wild 200 GPS接收機進行靜態觀測，觀測時間為20～50min，采樣率為10s，共觀測了29條基線向量。
經過平差處理，網中最弱邊相對精度為1/60106，最高相對精度達1/137萬；最弱點位中誤差為±0.83cm。在貫通面上貫通誤差左、右線分別為±0.707cm和±0.693cm。
通過實施GPS測量可看出：
(1)GPS測量用于隧道控制測量靈活、方便，能大大節省人力、物力、減少野外砍伐工作量，減少一些不必要的過渡點。
(2)GPS測量具有極高的精度，它完全能達到《公路勘察規程》對隧道測量的要求。
(3)GPS測量較紅外儀導線測量，可提高效率4～5倍。
2.4 GPS用于特大橋控制測量
鄂黃長江公路大橋是連結長江兩岸黃岡市和鄂州市的公路特大橋。為便于大橋設計和施工，采用GPS對首選方案Ⅲ、Ⅳ橋位進行Ⅲ等平面控制測量。布網設計方案為雙大地四邊形(如圖3)。垂直于江面的長邊約為1200m，平行于江面的短邊約為500m。雙大地四邊形與兩個國家Ⅱ等以上大地點聯測。
經過平差處理，控制網精度為：最弱點位中誤差1.93cm，最弱邊長相對中誤差1/113000，滿足了Ⅲ等平面控制測量的精度要求。
2.5 GPS測量用于導線控制測量
京深高速公路河北境高邑至邢臺段地處華北平原，地勢平坦，最大相對高差約20m，平均海拔約50m，境內村莊較多。植被多為小麥及田間行樹。公路及機耕道密集。
采用三臺Wild 200 GPS接收機進行導線測量，作業方式采用點連接方式，三臺接收機同時作業。作業完后，向前滾動(如圖4)。
Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ分別表示觀測的同步環。
在GPS觀測之前，已作高精度紅外導線測量(EDM)和水準測量。
下面列出同時施測GPS和常規測量的10.88km的比較結果。GPS測量觀測時段7.5min，30歷元。邊長比較結果如表1。
邊長比較表(m)表1
邊長 GPS測量 DM測量 差值
C104～C105 739.124 739.080 +0.044
C105～C106 1367.126 1367.153 -0.027
C106～C107 841.091 841.091 0.000
C107～C108 1060.252 1060.270 -0.018
C108～C109 1042.483 1042.485 -0.002
C109～C110 69.650 769.652 -0.002
C110～C111 1031.648 1031.647 +0.001
將GPS測量結果與紅外儀導線平差結果比較，得到較差中誤差mx=±0.057m,my=±0.049m,點位中誤差為±0.075m。
將GPS測量結果與精密水準測量結果比較，得到高程中誤差為±0.049m。
通過實際測量可看出：
(1)GPS觀測時間為7.5min，與常規紅外儀測量相比，時間縮短了約20min，效率為4倍；與全站儀測量相比，時間縮短約8min，效率為2倍。
(2)GPS導線測量可靠性好，平面精度和高程精度均能滿足高速公路測設的要求。
2.6 GPS測量用于攝影測量外業控制點測量
攝影測量一般沿飛行航攝的航線，每隔一定間隔就要在野外實地測量一定數量的平面和高程控制點(如圖5)。野外平高控制點的間隔n按地形類別及所測地形圖的比例尺而定。如1∶2000地形圖，攝影比例尺為1∶10000，間隔n一般為4～6個攝影基線。
常規的野外平高控制點的測量方法是先沿航攝方向布設導線，然后在此基礎上采用支導線方法測定航測象控點。這種方法主要是導線方式測量。由于航攝面積較廣，對23cm×23cm象幅，1∶10000攝影比例尺，覆蓋范圍為2.3km寬，雙航線覆蓋范圍更寬，在這廣闊范圍內進行導線測量，往往由于實地條件的限制，其作業是相當艱苦的，且工作量大，作業周期長。
在京珠國道主干線粵境高速公路湯塘至廣州北二環段這60km路線的航測外業中，利用4臺TrimbleSE4000接收機，將一臺或兩臺GPS接收機固定于已知點上，其余GPS接收機游動于像控點進行像控點三維坐標測量。全線航測像控點測量僅用5d作業時間。
經過平差處理，像控點平面點位精度達到了優于0.10m的精度，最弱邊相對中誤差為1/43734。
像控點的高程GPS測量詳見2.7中介紹。
由此可見，GPS測量作航測控制，不僅具有高精度，而且具有極大的靈活性。它改變了逐步控制的測量模式，其效率較常規方法提高5倍以
上。
2.7 GPS測量用于密林、密灌地區路線控制測量
隨著經濟的發展，高等級公路開始向山區、重丘區嶺區拓展。這些地區人煙稀少，植被茂盛。成片的密林、密灌地區，水平方向通視困難，有時實施常規測量方法幾乎不可能。
在海南中線新建公路海口至屯昌段測設中，自石山至永發鎮約20km，植被覆蓋厚，多為有剌密灌、荔枝、龍眼、雜草地，人跡罕見，有多個火山口。這種地區紅外儀導線測量幾乎沒有可能。為提高高等級公路測設質量，采用GPS沿路線每隔2km作一對GPS點，這一對GPS點應保證足夠的水平通視距離。
利用這2km一對的GPS通視點，就可在此基礎上前后各支出不超過1km進行放線測設工作，既保證了測設工作的質量，又大大減少了作業的勞動強度，加快了測設周期。
在海南中線的20km密林密灌測設中，作了11對GPS通視點。采用TrimbleSE4000單頻接收機在每個測站上觀測30min，數據采樣率為15s，作業方法是兩臺接收機處于固定點上，其余接收機游動于密林密灌區的埋設的通視點上。
經過平差處理，這22個GPS點的最弱點位精度為4.95cm，平均點位精度為2.85cm，平均邊長相對中誤差為1/486993。
2.8 GPSRTK用于公路路線中樁實時放樣
RTK是指載波相位實時動態差分定位(Real-TimeKinematic)，它是GPS發展的最新形式。靜態GPS測量采用相位差分可以達到厘米甚至毫米級精度，但缺點是經過事后處理才知道結果。而RTK通過實時處理即能達到厘米級精度。
RTK要求一臺基準站和至少一臺流動站及相配套的數據通訊鏈。基準站實時地把測站信息和所有觀測值通過數據鏈傳遞給流動站，流動站用先進的處理技術來瞬時求出流動站的三維坐標。
在武漢市機動車駕駛員考練場RTK實時放樁實驗中，利用GPS RTK技術，將事先設計好的路線數據輸入控制器中，進行中樁實時放樣。
通過武漢市機動車駕駛員考練場的實驗，可以看出RTK具有下述優點：
(1)直接以厘米級精度實時測定中樁位置；
(2)工作人員少；
(3)砍伐工作量少。
但是RTKK技術無法克服上空有遮擋的影響，在這種地區，RTK不能使用。同時RTK對通訊電源、電臺亦有嚴格要求，對于山體阻擋，如何考慮數據通訊顯得尤為重要。
2.9 GPS測量用于高程控制測量的嘗試
高程測量中通常應用的高程系統主要有大地高程系統、正常高系統和正高系統。大地高程系統是以橢球面為基準的高程系統。正高系統是以大地水準面為基準的高程系統。由于正高實際上是無法嚴格確定的，為實用上的方便，通常采用根據前蘇聯大地測量學者莫洛金斯基的理論建立的正常高系統。
計算正常高的精度，主要取決于大地高差和高程異常的精度，而其中高程異常差的精度與其計算方法及其所利用的資料密切相關。
GPS測量資料與水準測量資料相結合，來確定區域性大地水準面的高程是一種有效的方法。這種方法要求GPS觀測點具有水準測量資料且密度適當，分布比較均勻。利用高精度GPS定位技術精密確定觀測點的大地高程差，并根據建立的適當大地水準面數學模型，內插出計算點的高程異常或異常差，從而得出特定點的正常高。
海南中線新建公路海口至屯昌段位于海南中部，屬平原重丘區。在這60km的測設中，采用尋找國家Ⅲ等水準點及已知點水準引測方法，共獲得了12個分布均勻、密度適中的已知高程點。采用GSP推算出的高程與精密水準測量相比較，其結果列于表2。
GPS高程測量與精密水準測量結果比較表2
點號 GPS高程(m) 精密水準高程(m) 互差(m)
33 57.202 57.247 -0.045
330 22.985 22.925 +0.060
329 21.347 21.296 +0.051
326 54.340 54.389 -0.049
319 83.699 83.705 -0.006
315 44.996 45.011 -0.051
317 46.909 46.938 -0.029
316 52.568 52.543 +0.025
318 46.903 46.939 -0.036
從表2中可看出，誤差呈現出偶然性，最大偏差+0.060m，最小偏差-0.006m。誤差的平均值為-0.005m。把精密水準當作誤差很小看待，則GPS高程的中誤差為±0.039m。
由成果可知，只要點位分布均勻，密度適中，將精密水準資料與GPS測量資料相結合，能夠得到高精度的高程測量結果。
3 結論與展望
現將交通部第二公路勘察設計院GPS測量具體應用列表如下。
GPS測量應用實例表3
時間 工程名稱 類別 長度(km) 內容
1991年 京深高速公路石家莊至安陽段 路段 38 一級導線測量
1994年 京珠國道主干線湖南耒陽至廣州銀盞 路線 600 四等控制測量
1994年 京珠國道主干線粵境靠椅山、大寶山隧道 隧道 10 長大隧道控制測量
1994年 武漢試驗場 路線 GPS RTK
1995年 京珠國道主干線粵境湯塘至廣州北二環 路線 100 四等控制測量、航測外控測量
1995年 海南中線海口至屯昌段 路線 110 四等控制測量、航測外控測量、密林密灌地區控制測量、GPS水準測量
1996年 海南洋浦疏港公路、湖北當宜一級汽車專用公路、河北石港高速公路 路線 180 四等控制測量航測外控測量
1996年 鄂黃長江公路大橋 橋梁 1.2 三等控制測量
從GPS測量中，得出如下體會：
(1)GPS作業有著極高的精度。它的作業不受距離限制，非常適合于國家大地點破壞嚴重地區、地形條件困難地區、局部重點工程地區等。
(2)GPS測量可以大大提高工作及成果質量。它不受人為因素的影響。整個作業過程全由微電子技術、計算機技術控制，自動記錄、自動數據預處理、自動平差計算。
(3)GPSRTK技術將徹底改變公路測量模式。RTK能實時地得出所在位置的空間三維坐標。這種技術非常適合路線、橋、隧勘察。它可以直接進行實地實時放樣、中樁測量、點位測量等。
(4)GPS測量可以極大地降低勞動作業強度，減少野外砍伐工作量，提高作業效率。一般GPS測量作業效率為常規測量方法的3倍以上。
(5)GPS高精度高程測量同高精度的平面測量一樣，是GPS測量應用的重要領域。特別是在當前高等級公路逐漸向山嶺重丘區發展的形勢下，往往由于這些地區地形條件的限制，實施常規的幾何水準測量有困難，GPS高程測量無凝是一種有效的手段
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