GPS技術(shù)在道路勘測(cè)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究報(bào)告前言11.GPS系統(tǒng)概述11.1GPS系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成1-21.2GPS定位基本原理方法及坐標(biāo)轉(zhuǎn)換2-31.3GPS測(cè)量的顯著特點(diǎn)3-42.現(xiàn)代公路勘測(cè)的技術(shù)特點(diǎn)42.1公路勘測(cè)設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展概況4-52.2現(xiàn)代公路勘測(cè)設(shè)計(jì)特點(diǎn)53.GPS技術(shù)應(yīng)用于現(xiàn)代公路勘測(cè)系統(tǒng)53.1GPS在現(xiàn)代公路應(yīng)用現(xiàn)狀5-63.2值得研究的問(wèn)題6-73.3課題研究的主要內(nèi)容74.GPS定位應(yīng)用研究84.1公路GPS網(wǎng)投影變形的處理8-94.2GPS網(wǎng)平差基準(zhǔn)的兼容性檢驗(yàn)方法9-104.3適合公路特點(diǎn)的GPS水準(zhǔn)高程擬合算法思想10-115.結(jié)論及展望11-12致謝13參考文獻(xiàn)14前言現(xiàn)在我國(guó)的經(jīng)濟(jì)水平逐漸上升，我國(guó)對(duì)于基礎(chǔ)設(shè)施的投入也越來(lái)越多了，尤其是公路建設(shè)發(fā)展的飛快，很多現(xiàn)代高等公路建設(shè)項(xiàng)目已經(jīng)開(kāi)始實(shí)施。它的優(yōu)點(diǎn)相比于傳統(tǒng)的公路建設(shè)還是不少的，但是操作難度也增加了，線(xiàn)路更長(zhǎng)、精確度要高、時(shí)間更緊、數(shù)據(jù)要共享都是高等級(jí)公路的特點(diǎn)，而且還要重視公路的勘測(cè)和施工方面的技術(shù)含量，將GPS技術(shù)用來(lái)檢測(cè)現(xiàn)代公路是一個(gè)不錯(cuò)的想法，可以以更加現(xiàn)代化的方式來(lái)進(jìn)行公路作業(yè)。GPS技術(shù)在公路勘測(cè)的使用在前幾年主要體現(xiàn)在采用靜態(tài)或快速靜態(tài)作業(yè)模式建立沿線(xiàn)GPS公路控制網(wǎng)，現(xiàn)在主要體現(xiàn)在采用實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)（RTK）作業(yè)模式用于加密控制點(diǎn)、數(shù)字化測(cè)圖數(shù)據(jù)采集、施工放樣、縱橫斷面測(cè)量以及營(yíng)運(yùn)管理等方面。GPS技術(shù)應(yīng)用到公路勘測(cè)中，會(huì)有很多優(yōu)點(diǎn)，但由于GPS測(cè)量與常規(guī)測(cè)量在原理和方法上畢竟有著較大的差別，再加上公路工程都屬于帶狀工程，縱向較長(zhǎng)可達(dá)幾百公里，而橫向上一般只有幾百米，布設(shè)的GPS控制網(wǎng)基本上呈狹長(zhǎng)形，因此有許多問(wèn)題需要我們?cè)趯?shí)踐中加以研究解決，所有這些都關(guān)系到公路勘測(cè)基礎(chǔ)控制網(wǎng)的可靠性、精確性和實(shí)用性，也即關(guān)系到整個(gè)公路建設(shè)的質(zhì)量保證問(wèn)題。因而該項(xiàng)研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。1.GPS系統(tǒng)概述GPS系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成GPS系統(tǒng)主要包括三大組成部分：即空間星座部分、地面監(jiān)控部分和用戶(hù)設(shè)備部分。（1）空間星座部分GPS衛(wèi)星星座是21顆工作衛(wèi)星和3顆在軌備用衛(wèi)星一起組成的。這24顆衛(wèi)星在6個(gè)軌道平面上均勻的分布著，軌道和軌道之間的夾角呈現(xiàn)60度。這24顆衛(wèi)星距離地面的平均高度是20200km，運(yùn)行周期是11h58m。觀(guān)測(cè)者每天最少看到4顆衛(wèi)星最多看到11顆。圖1.1GPS系統(tǒng)的三大組成部分[1]（2）地面監(jiān)控部分地面監(jiān)控系統(tǒng)的組成是由1個(gè)主控站、3個(gè)注入站和5個(gè)檢測(cè)站。在導(dǎo)航的時(shí)候，GPS衛(wèi)星是一個(gè)不斷活動(dòng)的已知點(diǎn)。衛(wèi)星所處的位置要看星歷，就是通過(guò)描述衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)還有軌道的參數(shù)計(jì)算出來(lái)的。每顆衛(wèi)星發(fā)射的星歷都是可以在地面監(jiān)控系統(tǒng)上檢測(cè)出來(lái)的。衛(wèi)星上面的設(shè)備工作是否正常，衛(wèi)星有沒(méi)有按照設(shè)定的軌道運(yùn)行，地面監(jiān)控都可以進(jìn)行控制和監(jiān)測(cè)。各個(gè)衛(wèi)星怎樣保持同一個(gè)時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)呢?這就要地面監(jiān)控系統(tǒng)的作用了。地面監(jiān)控站可以檢測(cè)每一個(gè)衛(wèi)星發(fā)射的時(shí)間，然后算出時(shí)間差。地面監(jiān)控站就可以給衛(wèi)星發(fā)送信號(hào)，衛(wèi)星作為中介再把導(dǎo)航電文發(fā)送給需要的用戶(hù)設(shè)備上。（3）用戶(hù)設(shè)備部分用戶(hù)設(shè)備就是一個(gè)GPS信號(hào)接收器。接收機(jī)硬件和機(jī)內(nèi)軟件以及GPS數(shù)據(jù)的后處理軟件包，構(gòu)成完整的GPS用戶(hù)設(shè)備[2]。其主要任務(wù)是：可以接收到按照衛(wèi)星高度截止角選擇的需要進(jìn)行監(jiān)測(cè)的衛(wèi)星信號(hào)，要對(duì)這些衛(wèi)星進(jìn)行跟蹤，了解他們的運(yùn)行狀況，再對(duì)收到的信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換、放大以及處理，為了方便對(duì)GPS信號(hào)的測(cè)量，測(cè)量出衛(wèi)星接受信號(hào)所需要的時(shí)間，最后翻譯出衛(wèi)星發(fā)送的電文，計(jì)算出來(lái)觀(guān)測(cè)站的三維位置，或者三維速度以及時(shí)間，最后就達(dá)到了GPS衛(wèi)星來(lái)定位的目的了。1.2GPS定位基本原理方法及坐標(biāo)轉(zhuǎn)換任何一項(xiàng)測(cè)量工作都需要一個(gè)特定的坐標(biāo)系統(tǒng)基準(zhǔn)。因?yàn)樾l(wèi)星的導(dǎo)航是覆蓋全球的，所以位置坐標(biāo)也是全球的，國(guó)際協(xié)議有關(guān)規(guī)定，把這個(gè)叫做協(xié)議地球坐標(biāo)系（coventionalTerrestrialSystem-CTS）。現(xiàn)在，測(cè)量中使用的協(xié)議地球坐標(biāo)系稱(chēng)為1984年世界大地坐標(biāo)系(WGS-84)。WGS-84是衛(wèi)星廣播星歷和精密星歷的參考系,它由美國(guó)國(guó)防部制圖局所建立并公布的。這樣的坐標(biāo)系在建立的時(shí)候是以地球的質(zhì)心作為坐標(biāo)原點(diǎn)的，而且坐標(biāo)系的方向和BIH1984所定義的方向一樣。它現(xiàn)在是全球最為頂尖的測(cè)量參考系統(tǒng)其中的一個(gè)了。我國(guó)也有自己建立的坐標(biāo)系，叫做國(guó)家大地坐標(biāo)系，也叫作C80。它可以和世界大地坐標(biāo)系進(jìn)行自由切換。GPS是怎樣定位的，按照每個(gè)用戶(hù)的接收器在測(cè)量的時(shí)候所處的狀態(tài)進(jìn)行分類(lèi)，可以分為靜態(tài)和動(dòng)態(tài)定位，如果按照定位得到的結(jié)果來(lái)進(jìn)行分類(lèi)的話(huà)，則可以分為絕對(duì)定位和相對(duì)定位，不同的定位方法還可以進(jìn)行組合。在進(jìn)行繪測(cè)的時(shí)候，通常使用靜態(tài)定位的方法。什么是靜態(tài)定位呢?所謂靜態(tài)定位，就是把接收機(jī)放在監(jiān)測(cè)臺(tái)上一定的時(shí)間，來(lái)確定這個(gè)點(diǎn)在坐標(biāo)軸上的三維定位或者兩個(gè)點(diǎn)之間的相互定位。所以說(shuō)，定位所依靠的就是衛(wèi)星和用戶(hù)之間距離的差進(jìn)行觀(guān)測(cè)量作為基礎(chǔ)的，最重要的一個(gè)步驟就是怎樣去測(cè)定衛(wèi)星和用戶(hù)之間的距離。GPS定位成果屬于WGS-84大地坐標(biāo)系，即衛(wèi)星星歷是以WGS-84坐標(biāo)系為坐標(biāo)框架的。而實(shí)用的測(cè)量成果是某一國(guó)家坐標(biāo)系或地方坐標(biāo)系的，因此必須解決定位成果的坐標(biāo)變換問(wèn)題。而此轉(zhuǎn)換采用著名的Bursa7參數(shù)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模型，其數(shù)學(xué)模型為：（1-1）式中，[X，Y，Z]GT為地心空間坐標(biāo)系中的坐標(biāo)。[X，Y，Z]rT為地面空間坐標(biāo)系中的坐標(biāo)。原則上要求至少有3個(gè)重合公共點(diǎn)的坐標(biāo)，按最小二乘準(zhǔn)則，由上式求出三個(gè)平移參數(shù)[△X，△Y，△Z]T和三個(gè)旋轉(zhuǎn)參數(shù)[εX，εY，εZ]T以及尺度參數(shù)m，然后把其余點(diǎn)的大地坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成參心坐標(biāo)。1.3GPS測(cè)量的顯著特點(diǎn)相對(duì)于經(jīng)典測(cè)量來(lái)說(shuō)，GPS測(cè)量主要有以下特點(diǎn)：（1）測(cè)站之間無(wú)需通視。測(cè)站間相互通視一直是經(jīng)典測(cè)量無(wú)法逾越的難題。GPS這一特點(diǎn)，使得選點(diǎn)更加靈活方便。但測(cè)站上空必須開(kāi)闊，以使接收GPS衛(wèi)星信號(hào)不受干擾。（2）定位精度高。一般雙頻GPS接收機(jī)基線(xiàn)解精度為5mm+1ppm，而測(cè)距儀標(biāo)稱(chēng)精度5mm+5ppm，GPS測(cè)量精度與測(cè)距儀相當(dāng)，但隨著距離的增長(zhǎng)，GPS測(cè)量?jī)?yōu)越性愈加突出。（3）觀(guān)測(cè)時(shí)間短。在20km以?xún)?nèi)的短基線(xiàn)上，快速靜態(tài)相對(duì)定位一般只需5min觀(guān)測(cè)時(shí)間即可。尤其是實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)RTK定位，流動(dòng)站只需觀(guān)測(cè)幾秒鐘即可獲得cm級(jí)的點(diǎn)位精度，而且沒(méi)有誤差累積。（4）提供三維坐標(biāo)。GPS測(cè)量在精確測(cè)定觀(guān)測(cè)站平面位置的同時(shí)，可以精確測(cè)定觀(guān)測(cè)站的大地高程。（5）操作簡(jiǎn)便。現(xiàn)在GPS接收機(jī)不斷的升級(jí)，已經(jīng)向自動(dòng)化發(fā)展了，而且接收機(jī)的體型變得越來(lái)越小，重量也更加輕盈，給測(cè)量工作者帶來(lái)了很多的方便，讓他們?cè)谝巴夤ぷ鲿r(shí)更加隨心所欲。（6）全天候作業(yè)。GPS觀(guān)測(cè)不會(huì)受到地點(diǎn)和時(shí)間的限制，而且不會(huì)受到惡劣天氣的影響。GPS技術(shù)的精準(zhǔn)度非常的高、效率也很高、而且已經(jīng)達(dá)到了自動(dòng)化的程度，很多測(cè)量工作者對(duì)此都很感興趣。現(xiàn)在，GPS技術(shù)已經(jīng)在全球普及了，這項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用的領(lǐng)域很廣泛，比如大地測(cè)量、工程測(cè)量、地殼變形測(cè)量、航空攝影測(cè)量以及海洋測(cè)量。傳統(tǒng)的測(cè)量技術(shù)已經(jīng)被GPS技術(shù)代替了，我們的測(cè)量技術(shù)已經(jīng)有了很大的改變。2.現(xiàn)代公路勘測(cè)的技術(shù)特點(diǎn)2.1公路勘測(cè)設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展概況根據(jù)公路設(shè)計(jì)過(guò)程的區(qū)別，可以分為兩類(lèi):勘測(cè)外業(yè)和設(shè)計(jì)內(nèi)業(yè)?？睖y(cè)部分發(fā)展到現(xiàn)在，就是因?yàn)榈匦螖?shù)據(jù)的采集的自動(dòng)化和精準(zhǔn)度高，這些的提升都要感謝各種新技術(shù)和高科技設(shè)備的支持，設(shè)計(jì)部分主要取決于計(jì)算機(jī)硬、軟件環(huán)境和CAD研究與應(yīng)用水平的提高?，F(xiàn)在GPS已經(jīng)成為了很重要的公路勘測(cè)技術(shù)，而且它還有更多的功能比如航空拍攝、計(jì)算機(jī)等等。我國(guó)高等級(jí)公路的建設(shè)始于20世紀(jì)80年代后期,至今已30多年。在這期間我國(guó)的公路勘測(cè)技術(shù)因?yàn)闇y(cè)量技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷升級(jí)發(fā)展，也得到了很快的提升。各種科研單位和高等學(xué)校都研究出了自己的勘測(cè)方法，這些辦法在我國(guó)的公路勘測(cè)當(dāng)中起到了很關(guān)鍵的作用?？偟脕?lái)說(shuō)，我國(guó)的這項(xiàng)技術(shù)還沒(méi)有完善，沒(méi)有很高的集成化和系統(tǒng)化，不能完成現(xiàn)在我國(guó)對(duì)于公路勘測(cè)的要求，和發(fā)達(dá)國(guó)家的勘測(cè)技術(shù)還有差距。下面是我國(guó)公路勘測(cè)存在的問(wèn)題:采集原始數(shù)據(jù)的方法太單一了，沒(méi)有把現(xiàn)代化技術(shù)融入進(jìn)去。沒(méi)有很好的利用到數(shù)字模型，沒(méi)有數(shù)字模型，就沒(méi)有辦法讓CAD系統(tǒng)更加完善。沒(méi)有形成“系統(tǒng)工程”理念,彼此獨(dú)立配合不利。缺乏整體設(shè)計(jì)理念,沒(méi)有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。2.2現(xiàn)代公路勘測(cè)設(shè)計(jì)特點(diǎn)因?yàn)楣返燃?jí)不斷在升級(jí)，對(duì)于勘測(cè)公路的要求也更加嚴(yán)格了。一般可以根據(jù)測(cè)區(qū)范圍的大小和測(cè)量?jī)x器的精度高低，公路的勘測(cè)可以分為傳統(tǒng)勘測(cè)和現(xiàn)代化勘測(cè)。傳統(tǒng)的勘測(cè)技術(shù)，就是使用一些普通的勘測(cè)儀器（經(jīng)緯儀、測(cè)距儀、水準(zhǔn)儀等）所從事的路線(xiàn)勘測(cè)，即現(xiàn)場(chǎng)選定路線(xiàn)交點(diǎn)和轉(zhuǎn)點(diǎn)，然后布置中線(xiàn)，進(jìn)而完成整個(gè)路線(xiàn)勘測(cè)工作。這種傳統(tǒng)的勘測(cè)方法，其缺點(diǎn)是同一測(cè)站重復(fù)工作多，施工精度不高，野外周期較長(zhǎng)，勞動(dòng)強(qiáng)度較大，生產(chǎn)成本居高不下，所以比較適合勘測(cè)范圍比較小的，不會(huì)涉及到地球的曲率帶來(lái)影響的時(shí)候，工程比較簡(jiǎn)單的一些勘測(cè)工作。對(duì)于現(xiàn)代公路勘測(cè)，要用到比傳統(tǒng)勘測(cè)更加技術(shù)話(huà)，更加精密的儀器了（GPS、全站儀、水準(zhǔn)儀等）所從事的路線(xiàn)勘測(cè)，采用的是紙上定線(xiàn)法。隨著GPS定位技術(shù)特別是實(shí)時(shí)GPS動(dòng)態(tài)定位技術(shù)在公路勘測(cè)中的應(yīng)用，公路勘測(cè)作業(yè)流程的改革已進(jìn)入可行階段，一次性外業(yè)測(cè)量完成工作目標(biāo)變成可能，從而大為減輕測(cè)量作業(yè)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。這種作業(yè)方式的顯著特點(diǎn)是測(cè)量精度高，工作的流程比較簡(jiǎn)單，而且工作的效率高?？梢杂迷谀切┛睖y(cè)范圍比較廣的，還要考慮到地球曲率的時(shí)候，使用現(xiàn)代公路勘測(cè)是最為合適的。等級(jí)比較高的公路和高速公路，他們的建設(shè)過(guò)程和低級(jí)公路的建設(shè)過(guò)程是不一樣的，如線(xiàn)路狹長(zhǎng)、精度要求高、時(shí)間要求緊，因此應(yīng)該采用現(xiàn)代公路勘測(cè)方法。3.GPS技術(shù)應(yīng)用于現(xiàn)代公路勘測(cè)系統(tǒng)3.1GPS在現(xiàn)代公路應(yīng)用現(xiàn)狀自從80年代開(kāi)始，我國(guó)的公路勘測(cè)已經(jīng)投入使用了很多高科技電子儀器，但是需要勘測(cè)的路線(xiàn)太長(zhǎng)，對(duì)于已知點(diǎn)的了解比較少，受到很多條件的限制，用傳統(tǒng)的勘測(cè)方法使用導(dǎo)線(xiàn)測(cè)量和全站儀已經(jīng)不能夠完成勘測(cè)任務(wù)了，工作起來(lái)難度太高，會(huì)影響到勘測(cè)的有效時(shí)間，而且勘測(cè)出來(lái)的數(shù)據(jù)也不夠精確。在現(xiàn)代公路勘測(cè)中迫切需要引進(jìn)新技術(shù)來(lái)克服上述缺陷，從而全面提高公路測(cè)設(shè)質(zhì)量。如果可以把GPS技術(shù)應(yīng)用到公路勘測(cè)中，那么會(huì)給公路勘測(cè)帶來(lái)巨大的好處。GPS在剛開(kāi)始時(shí)多用于靜態(tài)或者快速靜態(tài)工作模式來(lái)進(jìn)行公路勘測(cè)，最近這些年GPS技術(shù)主要體現(xiàn)在采用實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)（RTK）作業(yè)模式用于加密控制點(diǎn)、數(shù)字化測(cè)圖數(shù)據(jù)采集、施工放樣、縱橫斷面測(cè)量以及營(yíng)運(yùn)管理等方面[6]。這項(xiàng)技術(shù)為公路勘測(cè)帶來(lái)了前所未有的幫助，但由于GPS測(cè)量與常規(guī)測(cè)量在原理和方法上畢竟有著較大的差別，再加上公路工程都屬于帶狀工程，縱向較長(zhǎng)可達(dá)幾百公里，而橫向上一般只有幾百米，布設(shè)的GPS控制網(wǎng)基本上呈狹長(zhǎng)形，所以，還有很多的困難我們要通過(guò)實(shí)踐進(jìn)行研究，最后解決困難，如特長(zhǎng)公路（這里指100km以上）的高斯投影變形超限問(wèn)題，大跨度帶狀GPS網(wǎng)平差基準(zhǔn)的兼容性問(wèn)題，公路GPS高程擬合精度問(wèn)題，RTK作業(yè)的可靠性與質(zhì)量控制問(wèn)題等。所有這些都關(guān)系到公路勘測(cè)基礎(chǔ)控制網(wǎng)的可靠性、精確性和實(shí)用性，也即關(guān)系到整個(gè)公路建設(shè)的質(zhì)量保證問(wèn)題。因而該項(xiàng)研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。3.2值得研究的問(wèn)題經(jīng)過(guò)近幾年的實(shí)踐探索，國(guó)內(nèi)公路設(shè)計(jì)中將GPS技術(shù)應(yīng)用于公路勘測(cè)已取得了部分成果，并在實(shí)際作業(yè)中得到了較好的應(yīng)用。因?yàn)樵诠仿肪€(xiàn)的控制測(cè)量是一個(gè)比較小的區(qū)域，對(duì)于大地控制測(cè)量和其他工程測(cè)量來(lái)說(shuō)，不論是施測(cè)方案還是控制網(wǎng)的數(shù)據(jù)處理都有很大的差別，這里面還有很多問(wèn)題需要我們研究和探索。針對(duì)特長(zhǎng)公路尤其是東西向或近似東西向的公路，高斯投影變形過(guò)大甚至超限，不能滿(mǎn)足公路施工放樣的需要，目前采取的做法是建立獨(dú)立坐標(biāo)系，一般盡量選擇單個(gè)任意帶，不能解決問(wèn)題時(shí)，選擇多個(gè)任意帶，如此雖然減小了投影變形，但又帶來(lái)了同一工程的不同坐標(biāo)銜接問(wèn)題，即使再采取坐標(biāo)平移，也會(huì)存在“縫隙”問(wèn)題。在較長(zhǎng)公路上面搜集到的高級(jí)控制點(diǎn)都比較復(fù)雜，沒(méi)有辦法保證就是同一個(gè)測(cè)量系統(tǒng)上的，這就存在著系統(tǒng)間的兼容性問(wèn)題，如果用不兼容的高級(jí)控制點(diǎn)作為平差計(jì)算的起算點(diǎn)，勢(shì)必嚴(yán)重影響GPS測(cè)量成果的質(zhì)量。如何有效地進(jìn)行起算基準(zhǔn)點(diǎn)的兼容性分析與取舍，這是值得研究的一項(xiàng)工作，對(duì)RTK測(cè)量中轉(zhuǎn)換參數(shù)的合理確定也具有重要意義。對(duì)于特長(zhǎng)公路，由于縱向伸展范圍較大，勢(shì)必高程異常的變化要復(fù)雜得多，這對(duì)保證GPS高程的擬合精度是不利的。現(xiàn)在很多情況下都使用多項(xiàng)式曲線(xiàn)擬合法、三次樣條曲線(xiàn)擬合法以及多項(xiàng)式曲面擬合法。已有的研究發(fā)現(xiàn)，但是不管是哪種方法，最后得到的擬合精度都不完美，就算是分段擬合，也會(huì)優(yōu)缺點(diǎn)存在，所以要對(duì)其進(jìn)行完善和改進(jìn)，以確保GPS高程的擬合精度[7]。GPS和RTK技術(shù)已經(jīng)走進(jìn)了我們的生活中，實(shí)現(xiàn)公路勘測(cè)的現(xiàn)代化已經(jīng)是有希望的了，這對(duì)于公路勘測(cè)的效率和精度都會(huì)帶來(lái)很大的提升，能夠把測(cè)量的數(shù)據(jù)進(jìn)行共享，這對(duì)于公路勘測(cè)有著非常重要的作用。然而，RTK作業(yè)受測(cè)點(diǎn)環(huán)境影響較大，而且自身缺乏檢核，因而RTK成果的可靠性及其外部檢核也是不容忽視的。3.3課題研究的主要內(nèi)容本課題的主要任務(wù)，針對(duì)公路勘測(cè)中經(jīng)常遇到的這些技術(shù)難題進(jìn)行分析研究，在充分吸取他人研究成果的基礎(chǔ)上，得出一些有益的結(jié)論。3.3.1研究的主要內(nèi)容包括：（1）基于控制投影變形的數(shù)據(jù)處理方法研究；（2）帶狀GPS網(wǎng)平差方案的優(yōu)選準(zhǔn)則；（3）公路GPS水準(zhǔn)高程擬合的優(yōu)化處理；3.3.2研究的主要方法包括：（1）根據(jù)地圖投影原理，針對(duì)東西向或近東西向公路采用高斯投影方式，以解決投影變形超限或過(guò)大的難題；（2）系統(tǒng)地分析GPS網(wǎng)平差基準(zhǔn)的兼容性檢驗(yàn)方法；（3）利用多種數(shù)學(xué)模型，探討適合公路特點(diǎn)的GPS水準(zhǔn)高程擬合算法。4.GPS定位應(yīng)用研究4.1公路GPS網(wǎng)投影變形的處理公路控制網(wǎng)要按照國(guó)家的坐標(biāo)系結(jié)果，通常把控制網(wǎng)的各邊長(zhǎng)度進(jìn)行了改變，導(dǎo)致長(zhǎng)度的形變，這會(huì)影響到大比例尺地形測(cè)圖和工程測(cè)量工作的進(jìn)行。為了避免投影長(zhǎng)度的改變，往往采用局部坐標(biāo)系。（1）長(zhǎng)度變形的產(chǎn)生我們知道，將實(shí)地測(cè)量的真實(shí)長(zhǎng)度歸化到國(guó)家統(tǒng)一的橢球面上時(shí)，應(yīng)加如下改正數(shù)?s=?H式中RA——長(zhǎng)度所在方向的橢球曲率半徑；Hm——長(zhǎng)度所在高程面對(duì)于橢球面的高差；S——實(shí)地測(cè)量的水平距離。然后再將橢球面上的長(zhǎng)度投影至高斯平面，加入如下改正數(shù):?S=+ym這樣，地面上的一段距離，經(jīng)過(guò)上列2次改正計(jì)算，被改變了真實(shí)長(zhǎng)度。這種高斯投影平面上的長(zhǎng)度與地面長(zhǎng)度之差，稱(chēng)為長(zhǎng)度綜合變形，其計(jì)算公式為:δ=+y式中，ym表示測(cè)區(qū)中心的橫坐標(biāo)（自然值），Hm表示測(cè)區(qū)平均高程，ym與Hm均以km為單位。上式表明，采用國(guó)家統(tǒng)一坐標(biāo)系統(tǒng)所產(chǎn)生的長(zhǎng)度綜合變形，與測(cè)區(qū)所處投影帶內(nèi)的位置和測(cè)區(qū)平均高程有關(guān)。（2）局部坐標(biāo)系統(tǒng)的選擇高斯投影分帶是專(zhuān)門(mén)針對(duì)長(zhǎng)度變形情況的方法，那選擇合適的GPS控制網(wǎng)的坐標(biāo)系統(tǒng)也可以達(dá)到防止長(zhǎng)度變形的作用。由于以橢球面作為計(jì)算表面（投影面）、按正形投影3°帶計(jì)算的平面坐標(biāo)稱(chēng)為國(guó)家統(tǒng)一坐標(biāo)系統(tǒng)，所以投影和影帶要做出改變，算出的坐標(biāo)已經(jīng)不是國(guó)家統(tǒng)一規(guī)定的了，被稱(chēng)為局部坐標(biāo)系統(tǒng)，也可以叫做獨(dú)立坐標(biāo)系統(tǒng)。下面都是局部坐標(biāo)系統(tǒng)的選擇方案。其一：選擇抵償高程面作為投影面，按高斯投影3°帶計(jì)算平面直角坐標(biāo)。其二：選擇任意投影帶，投影面仍采用國(guó)家橢球面，按高斯投影計(jì)算平面直角坐標(biāo)。其三：選擇平均高程面或抵償高程面作為投影面，以通過(guò)測(cè)區(qū)中心的子午線(xiàn)作為中央子午線(xiàn)，按高斯投影計(jì)算平面直角坐標(biāo)。（3）局部坐標(biāo)系統(tǒng)的局限性上面所說(shuō)的第一個(gè)方法就是利用投影面的改變來(lái)防止長(zhǎng)度變形的，這個(gè)方法的優(yōu)點(diǎn)就是概念直觀(guān)而且操作簡(jiǎn)單。在換算過(guò)以后新坐標(biāo)和國(guó)家規(guī)定的坐標(biāo)相差很小，可以更好的保證測(cè)區(qū)內(nèi)外之間的聯(lián)系，不過(guò)不適用于所有區(qū)域。第二種辦法就是可以該表中央子午線(xiàn)，任意的投影都可以防止長(zhǎng)度發(fā)生變形，而且和第一種方法有著相同的優(yōu)點(diǎn)。但是和國(guó)家統(tǒng)一的坐標(biāo)系差別太大。第三個(gè)方法是改變投影面和改變投影帶來(lái)防止長(zhǎng)度變形，這種方法操作起來(lái)有難度，施行起來(lái)會(huì)遇到很多麻煩，而且換算過(guò)以后和國(guó)家坐標(biāo)系統(tǒng)差異也很大，很難保證和國(guó)家統(tǒng)一的坐標(biāo)系統(tǒng)建立聯(lián)系。通過(guò)三種選擇方法的比較可以看出，采用基于高斯投影的局部坐標(biāo)系統(tǒng)方案，具有一定的局限性，要么適用范圍有限，要么使用不方便。對(duì)于特長(zhǎng)東西向的公路GPS控制網(wǎng)，為了保證精度，只能采取分段高斯投影而遷就使用上的不便。4.2GPS網(wǎng)平差基準(zhǔn)的兼容性檢驗(yàn)方法不論得到的測(cè)量結(jié)果是什么，我們都要把這個(gè)結(jié)果代入到相應(yīng)的參考坐標(biāo)系當(dāng)中。常規(guī)地面測(cè)量成果屬于國(guó)家大地坐標(biāo)系或地方獨(dú)立坐標(biāo)系；GPS測(cè)量成果屬于WGS-84坐標(biāo)系，我們需要將GPS測(cè)量獲得的WGS-84坐標(biāo)系成果轉(zhuǎn)換為國(guó)家或地方坐標(biāo)系的二維或三維成果。其轉(zhuǎn)換方法是在GPS網(wǎng)布設(shè)時(shí)聯(lián)測(cè)一定數(shù)量的國(guó)家高等級(jí)已知點(diǎn)（又稱(chēng)為公共點(diǎn)），并在平差計(jì)算中作為約束條件，可以把GPS測(cè)量的結(jié)果強(qiáng)制性的代入到坐標(biāo)系里。但是很多情況下，已知點(diǎn)都不具有相互兼容的能力，而且存在很大的誤差，這會(huì)對(duì)GPS網(wǎng)帶來(lái)精度上面的影響，所以已知點(diǎn)的精準(zhǔn)度越高，相互兼容的能力越好，那么最后得到的GPS網(wǎng)平差結(jié)果就會(huì)越精確。對(duì)于公路GPS網(wǎng)，由于線(xiàn)路較長(zhǎng)，貫穿范圍廣，在沿線(xiàn)過(guò)程中搜集到的控制點(diǎn)很多時(shí)候都不是同一個(gè)測(cè)量系統(tǒng)，往往是各種控制點(diǎn)混雜一起，因而容易引起系統(tǒng)間的兼容性問(wèn)題，由此而引起的公路GPS網(wǎng)的扭曲和變形將更為突出。因此，在為了方便找到并且消除誤差比較大的不具有兼容性的公共點(diǎn)，GPS處理中心在對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理的時(shí)候要更加仔細(xì)。以確保公路GPS網(wǎng)的高精度要求[10]。這一節(jié)我對(duì)如何去判斷公共點(diǎn)的兼容性進(jìn)行討論，具體的方法我也有展示，而且進(jìn)行了對(duì)比分析。國(guó)家《全球定位系統(tǒng)（GPS）測(cè)量規(guī)范》(GB/T18314-2001)規(guī)定：在約束平差中，基線(xiàn)分量的改正數(shù)與剔除粗差基線(xiàn)后的無(wú)約束平差結(jié)果的同名基線(xiàn)相應(yīng)改正數(shù)較差的絕對(duì)值應(yīng)滿(mǎn)足下式：dVΔx≤2σ，d計(jì)算式中：σ是相應(yīng)等級(jí)GPS網(wǎng)的基線(xiàn)精確度，當(dāng)超限時(shí)可以認(rèn)為約束的起算數(shù)據(jù)與GPS網(wǎng)不兼容，需要進(jìn)行起算數(shù)據(jù)的取舍，直到滿(mǎn)足上面的要求為止。已知點(diǎn)對(duì)GPS網(wǎng)約束平差結(jié)果精度的影響表現(xiàn)為：約束平差后的單位權(quán)方差、平均點(diǎn)位中誤差以及尺度參數(shù)等隨已知點(diǎn)坐標(biāo)誤差的增大而顯著增大，其變化呈二次遞增曲線(xiàn)；已知點(diǎn)周?chē)幕€(xiàn)向量改正數(shù)隨已知點(diǎn)坐標(biāo)誤差的增大而明顯增大。由此可以將單位權(quán)方差、平均點(diǎn)位中誤差、尺度參數(shù)、基線(xiàn)向量改正數(shù)等作為公共點(diǎn)兼容性的檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)?，F(xiàn)在，我國(guó)很多專(zhuān)家對(duì)GPS網(wǎng)已知數(shù)據(jù)的兼容性判斷的方法已經(jīng)有很多了，其中也有一些可以進(jìn)行實(shí)踐的辦法，其中比較有代表性的是:單位權(quán)方差的假設(shè)檢驗(yàn)法、附合路線(xiàn)驗(yàn)算法、尺度參數(shù)比較法以及基線(xiàn)歸算比較法等。這些方法的具體操作步驟可以去相關(guān)的書(shū)籍上面進(jìn)行查找。這鞋辦法在使用的時(shí)候要符合要求，首先應(yīng)對(duì)GPS控制網(wǎng)進(jìn)行同步環(huán)、異步環(huán)閉合差及重復(fù)觀(guān)測(cè)基線(xiàn)較差的檢驗(yàn)，確定閉合差及較差均在規(guī)定限差范圍之內(nèi)，確認(rèn)GPS基線(xiàn)向量觀(guān)測(cè)值中無(wú)粗差。不難看出，上述方法連同規(guī)范要求的式（4.4）都是基于GPS網(wǎng)進(jìn)行三維約束平差為前提，在GPS網(wǎng)布設(shè)實(shí)踐中，對(duì)于測(cè)區(qū)范圍不太大的GPS網(wǎng)，一般多采取二維平差方式提交成果，也即先將GPS三維基線(xiàn)向量轉(zhuǎn)換成國(guó)家坐標(biāo)系下的二維基線(xiàn)向量，然后在高斯平面直角坐標(biāo)系下與常規(guī)定位結(jié)果進(jìn)行比較和聯(lián)合處理。對(duì)于公路GPS網(wǎng)，由于聯(lián)測(cè)的已知點(diǎn)一般都是呈帶狀形分布，并非幾何區(qū)域上的均勻分布，因此進(jìn)行二維平差比三維平差更為有利[11]。4.3適合公路特點(diǎn)的GPS水準(zhǔn)高程擬合算法思想GPS相對(duì)定位可以得到高精度的三維基線(xiàn)向量（?B，?L，?H），通過(guò)GPS網(wǎng)平差，可以提供各點(diǎn)對(duì)應(yīng)于WGS—84橢球的大地高H84。由于我們采用的高程系統(tǒng)為正常高系統(tǒng)，因此，在實(shí)際測(cè)量過(guò)程中必須將GPS大地高H84轉(zhuǎn)化為正常高Hr。兩者之間的關(guān)系如下：Hr式中：ζ為似大地水準(zhǔn)面（即正常高相應(yīng)的基準(zhǔn)面）與橢球面（即大地高相應(yīng)的基準(zhǔn)面）之間的高差，稱(chēng)為高程異常。只有知道了高程異常才能實(shí)現(xiàn)正常高與大地高之間的相互轉(zhuǎn)換[12]。應(yīng)用GPS求定正常高主要包含三方面的誤差：其一是已知點(diǎn)的高程；其二是大地高的測(cè)定誤差，其三是大地高轉(zhuǎn)化為正常高的轉(zhuǎn)換誤差，即高程異常的求定誤差?，F(xiàn)在GPS高程轉(zhuǎn)換使用最多的還是GPS水準(zhǔn)擬合算法，要結(jié)合一些水準(zhǔn)測(cè)量結(jié)果，然后用高程擬合的計(jì)算方法。通過(guò)很多研究資料顯示，在平坦地形中，如果GPS的水準(zhǔn)點(diǎn)包含了全部的測(cè)試區(qū)域，那么點(diǎn)的擬合精度可達(dá)到3m之內(nèi)；如果分布的不合理，點(diǎn)的精確度不夠高，但是在山區(qū)，就算擬合點(diǎn)可以均勻的分布，但是其精度也絕對(duì)比不上平坦地區(qū)的擬合點(diǎn)精度。公路上的GPS網(wǎng)，線(xiàn)路比較長(zhǎng)，跨過(guò)的地形多樣，高程異常變化也更加復(fù)雜多變，所以我們要重視對(duì)高程擬合計(jì)算的研究。通過(guò)GPS網(wǎng)三維平差可得到各點(diǎn)的大地高H84，若網(wǎng)中有部分GPS點(diǎn)是水準(zhǔn)聯(lián)測(cè)點(diǎn)，則這些點(diǎn)的正常高Hr是已知的，相應(yīng)的可求得這些點(diǎn)的高程異常ζ。高程出現(xiàn)異常的時(shí)候是很正常的，在一定范圍內(nèi)，我們可以認(rèn)為它們變化的比較緩慢，可以通過(guò)一些數(shù)學(xué)函數(shù)來(lái)進(jìn)行擬合，計(jì)算出來(lái)可以反映出GPS網(wǎng)控范圍之中的函數(shù)，再利用內(nèi)插求出網(wǎng)中其他點(diǎn)的高程異常。這即是GPS高程擬合算法的主要思想。5.結(jié)論及展望GPS技術(shù)應(yīng)用到了公路勘測(cè)當(dāng)中的事例討論過(guò)以后，我們難發(fā)現(xiàn)GPS對(duì)于公路勘測(cè)有著很關(guān)鍵的作用，它非常適合用在公路勘測(cè)當(dāng)中；經(jīng)過(guò)我的研究和分析，在比較小的范圍內(nèi)，可以使用兩個(gè)坐標(biāo)位置進(jìn)行轉(zhuǎn)換，精準(zhǔn)度可以達(dá)到一定的要求；如果小區(qū)域控制測(cè)量時(shí)，特別是在丘陵地區(qū)，垂線(xiàn)偏差的影響較小，因?yàn)榈貏?shì)帶來(lái)的限制，所以使用幾何水準(zhǔn)測(cè)量是不合適的，GPS技術(shù)高程測(cè)量是適合在這種地形上面進(jìn)行測(cè)量的；因?yàn)樗粫?huì)受到地勢(shì)環(huán)境和距離的影響，可以用在很多復(fù)雜地形和惡劣天氣情況下，可以在很大程度上提高公路勘測(cè)的質(zhì)量，還可以降低操作人員的工作難度，工作起來(lái)更加方便輕松。GPS技術(shù)的應(yīng)用在公路勘測(cè)中已經(jīng)發(fā)揮著很重要的作用，這是對(duì)于公路勘測(cè)的一次歷史性改革，這讓公路勘測(cè)技術(shù)提升了很大的一截，對(duì)于公路勘測(cè)的精準(zhǔn)度和效率都有很大的提升，尤其是實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)(RTK)定位技術(shù)在公路勘測(cè)、施工和后期養(yǎng)護(hù)、管理等方面都有著更好未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。GPS技術(shù)、RS技術(shù)GIS技術(shù)及其集成“3S”技術(shù)為核心的“數(shù)字公路”，作為21世紀(jì)公路工程技術(shù)發(fā)展的方向和目標(biāo),將會(huì)在公路工程的勘測(cè)設(shè)計(jì)中大顯神通，進(jìn)一步推動(dòng)公路設(shè)計(jì)自動(dòng)化，全面提高設(shè)計(jì)質(zhì)量?，F(xiàn)在我們國(guó)家的發(fā)展速度已經(jīng)越來(lái)越快了，交通業(yè)對(duì)我們國(guó)家的經(jīng)濟(jì)發(fā)展和公民的出行有著很重要的作用