基于GPS技术的城市道路测量与设计研究.pdf

65现 代 工 程 科 技Modern Engineering Technology第 3 卷第 1 期2024 年 1 月Vol.3 No.1Jan.2024基于 GPS 技术的城市道路测量与设计研究李家柱广西路桥工程集团有限公司，广西南宁530200摘要：在城市道路规划设计中，GPS技术得到了广泛应用。由于GPS技术具有精度高、覆盖范围广、全天候等特点，因此可以满足城市道路测量与设计的要求。首先介绍了 GPS 技术的工作原理，其次提出了基于 GPS 技术的城市道路测量与设计方法，主要包括采用 GPS 进行坐标系统转换、布设控制点、建立 GPS 控制网，对设计中的路段进行放样等。最后，通过实例阐述了基于 GPS 技术的城市道路测量与设计方法。基于 GPS 技术的城市道路测量与设计方法在实际应用中具有较高的精度和可靠性，可有效提升城市道路测量与设计效果。关键词：GPS 技术；城市道路；测量；设计中图分类号：P228.4;U412 文献标识码：AResearch on Urban Road Measurement and Design Based on GPS TechnologyLi JiazhuGuangxi Road and Bridge Engineering Group Co.,Ltd,Nanning,Guangxi 530200Abstract:GPS technology has been widely applied in urban road planning and design.Due to its high accuracy,wide coverage,and all-weather characteristics,GPS technology can meet the requirements of urban road surveying and design.Firstly,the working principle of GPS technology was introduced.Secondly,a method for urban road measurement and design based on GPS technology was proposed,which mainly includes using GPS for coordinate system conversion,setting up control points,establishing GPS control networks,and laying out the designed road sections.Finally,the urban road measurement and design method based on GPS technology was explained through examples.The urban road measurement and design method based on GPS technology has high accuracy and reliability in practical applications,which can effectively improve the effectiveness of urban road measurement and design.Keywords:GPS technology;urban roads;measurement;design作者简介：李家柱（1983），男，广西路桥工程集团有限公司高级工程师，研究方向为建设工程勘察设计及施工。随着社会经济的发展，城市道路建设日益加快，尤其是在城市快速路的规划设计中，道路的测量和设计工作尤为重要，如果不能准确地测量出道路的纵断面形状和横断面宽度等参数，将会影响道路建成后的行车安全和舒适度。传统的道路测量主要包括平面控制网测量和高程控制网测量。平面控制网一般是通过架设全站仪进行测定，通常需要架设三个以上的基准点才能测定点位坐标。然而，在实际应用中由于地形等因素限制，很难架设一个基准点来测定点位坐标，因此采用传统的方法测定纵断面地面线形态和横断面宽度非常困难。另外，采用全站仪进行平面控制网测量也存在一定的局限性。全球定位系统（Global Positioning System，GPS）测量技术的出现解决了传统道路测量中的一些问题，尤其是在城市道路规划设计中，利用GPS进行道路的纵断面形状和横断面宽度的测量，可以快速、准确地测定出道路纵断面地面线形态和横断面宽度等参数，为道路的设计提供重要的依据。1 GPS技术的工作原理1.1 GPS静态定位GPS接收机通过天线接收卫星信号，经卫星传播至接收天线，接收机由天线接收信号到基带输出，由基带输出到中央处理器处理。GPS接收机根据测站坐标的整数解或浮点解，确定各观测站之间的相对距离和各观测点的位置坐标。当一个测站上有5个以上的观测点时，即可确定该测站的坐标位置。GPS卫星星历的长度为8h，若接收机设置有良好的天线，可利用这个时间获得一个高精度的卫星星历。接收机与基准站之间的距离，对于平面定位来说，可用观测站间相对距离（或相对于GPS基准站）来662024 年 1 月第 3 卷第 1 期现 代 工 程 科 技66表示，一般取20km；对于高程定位来说，可用相对于基准站的高程来表示。接收机在测量中对齐基准站和各测站点，根据GPS测量规范规定的方法进行数据处理。测距仪是一种以光学测距为基础的仪器，其主要部件包括光源、光箱、准直器、物镜、棱镜和测距窗等。它采用反射式光学成像原理，以三棱镜作为分光元件，利用不同的光路将光会聚于一点1。1.2实时动态测量技术实时动态测量技术（Real-time Kinematic，RTK）是GPS技术与现代高精度电子测量仪器的有机结合，它利用GPS卫星信号进行载波相位观测，实时解算出载波相位观测量及卫星高度角、测站到卫星的距离、伪距观测值等参数，并通过数据链将这些信息实时发送到流动站，流动站在接收到数据后，即可进行定位测量。由于它是在基准站上进行观测，因此这种方法又被称为实时动态相对定位法。RTK技术是在基准站上将GPS接收机安置好，启动GPS接收机的同时，基准站上的接收机向流动站发送已知的卫星数、载波相位和伪距观测值等参数，流动站在接收到这些信息后即可进行定位测量。RTK技术是GPS技术与现代高精度电子测量仪器的有机结合，它不仅继承了GPS定位的优点，而且克服了GPS定位的缺点，并能对点位误差进行实时改正，达到厘米级精度，大大提高了作业效率，降低了作业强度2。1.3控制网控制网是道路测量的重要组成部分，控制网的精度直接影响到道路建设的精度和质量，在工程实施中，应尽可能建立较高精度的控制网，保证控制网的点位精度要求，对控制网的布设要求如下：选点时应充分考虑地形地貌和地质条件等因素，使点位尽量避开障碍物和可能受震动的地段；地形复杂的地段可设在相对较高处，避开大型建筑物、交通要道等；尽量选择无明显通视的地段；为保证点位精度，控制网中应布设一定数量和等级的边长至少10m的平面控制点、10m长的高程控制点；布网时应考虑到高程异常问题。1.4GPS数据处理GPS数据处理是GPS测量中的一项重要工作，包括数据预处理、网平差和高程拟合三个部分。数据预处理是将从多个接收机所获得的观测数据，经过必要的数学处理，统一为一个数学模型，以便用来描述不同接收机的观测成果。（1）数据预处理：由接收机和用户设备产生的原始观测数据是一种特殊的非线性组合，必须先进行相应的数学处理。如果观测值中含有系统误差和随机误差，则要通过相应的数学模型对这些误差进行分离，使它们转化为可利用的观测值，否则就不能利用。常用的数据预处理有：数据筛选，剔除一些无效数据和多余观测值；消除系统误差；改正模型参数等。（2）网平差：数据预处理后，需要进行平差计算。GPS测量的数据处理有两种方法，即直接解算和间接解算。直接解算是将原始观测值与各基线向量相乘，通过求解方程组得到各条基线的坐标。这种方法计算简单，但精度不高，需要较多的已知点作为权来确定平差值；间接解算则是将GPS网中所有基线的观测值通过方程组来求解，这种方法精度高，但需要大量已知点作为权来确定平差值。为了提高GPS测量的精度，常将两种解算方法结合起来进行处理，称为间接平差。直接解算和间接解算的结果一般都能满足精度要求。（3）高程拟合：高程拟合是用大地高与卫星到测站的距离来确定地面点的高程。因为在工程实践中，一般不需要确定出地球的正常高，所以需要根据已知的高差，利用最小二乘原理，拟合出大地高与卫星到测站的距离。由于在GPS网中存在着许多未知的高差，因此需先进行高差处理，然后进行高程拟合3。2基于GPS技术的城市道路测量与设计2.1采用GPS进行坐标系统转换城市道路工程测量中，通常需要将一个国家的坐标系统转换成另一个国家的坐标系统。GPS技术已经广泛应用于城市道路工程测量中，并能够较好地解决这个问题，但是在我国现行的坐标系统中，也存在一些问题。目前，我国统一推荐使用的是2000国家大地坐标系（简称2000坐标系），20世纪50年代和80年代建立的1954年北京坐标系和1980西安坐标系与2000坐标系和GPS控制网之间存在很大差异，在城市道路测量中，通常需要将1954北京坐标系和1980西安坐标系转换为2000国家大地坐标系，然后根据需要建立GPS控制网。2.2布设控制点控制点的布设应综合考虑地形、地物等条件，并遵67苏跃龙，郝 斌，闫宪峰：基于 GPS 技术的城市道路测量与设计研究信息与电子工程科技循以下原则。（1）与路线交叉的控制点应选择在通视良好、便于长期保存和便于维护的地点，并应远离高压电塔、架空输电线等有干扰信号的设施。（2）根据城市道路设计的需要，布设控制点应避开大面积水域、大型桥梁和隧道，在不能避开时，应尽量选择有较好地面背景的地点，并考虑到当地气候对GPS信号的影响。（3）控制点数量应根据路线的长度和地形条件而定，一般不宜少于3个，每个控制点应具有足够的强度、稳定性和长期保存能力。为提高控制点测量精度，在控制点周围可适当设置辅助控制点。2.3建立GPS控制网在布设好的控制点上，应进行点位稳定性检测，对不稳定的点位进行及时更换，避免造成数据丢失，影响数据处理工作。当所有控制点都布设完成后，即可开始建立GPS控制网。（1）对城市道路测量控制网的GPS观测数据进行有效的处理，当观测数据出现错误或者异常时，应及时进行改正。在采集数据时要注意以下几点：对采集数据进行有效过滤，减少数据量；对观测数据进行严格的检查；对观测数据的误差来源进行分析；对GPS测量方法和观测方法进行有效的选择。（2）将GPS测量点和已知控制点进行连接，使其构成封闭图形。在建立封闭图形时，应充分考虑以下几点：对闭合图形的通视情况进行分析，检查其是否符合要求；对闭合图形的坐标、长度、面积和高差进行检测，以确保其符合要求；对闭合图形中的各个点之间的距离和角度进行有效的检测，并对其结果进行分析，以保证闭合图形的质量。（3）建立城市道路测量控制网后，应对该控制网进行质量评估。在评估过程中，应主要考虑以下几点：控制网是否能够满足城市道路测量工作的要求；是否能够保证城市道路测量工作的顺利实施；控制网是否符合城市道路测量规范中对测量精度的要求。2.4对设计路段进行放样在城市道路测量与设计过程中，为了保证测量的精度和准确性，必须对设计路段进行放样，因此，在道路设计过程中，应采用全站仪或RTK对道路中心线进行放样，以确保道路设计的准确性和合理性。（1）利用RTK测量技术，对设计路段的主要控制点进行加密，并设置GPS接收天线，通过对GPS接收机进行同步观测，获取GPS定位数据。（2）对设计路段的中心线进行放样，采用全站仪将道路中心线定向至设计路段的终点，利用RTK测量技术确定设计路段的起点、终点、中间点等位置，并根据实际情况进行调整。（3）在实际放样过程中，如果设计路段较为复杂，可在道路起点设置水准点；在放样过程中，为了准确计算放样点的坐标和高程，必须对相应的高程点进行精确测量；在放样过程中，可使用全站仪或RTK对道路中心线进行放样4。3基于GPS技术的城市道路测量与设计实例分析3.1测区概况某测区位于广州市白云区，其地理坐标为：东经11432，北纬2333，该区域的面积约3.82km2。测区内的气候属亚热带季风性湿润气候，年平均气温为18，最热月平均气温为28.3，最冷月平均气温为7，年降水量约为1416mm。该测区内无大型河流湖泊，地表水资源十分匮乏，且周围没有大型的工矿企业、水库等。该区域内地形平坦开阔，地势相对比较平缓，地表覆盖物较少且均匀，植被生长良好。测区内有一条南北走向的道路横贯东西两侧，道路的走向呈南北走向，道路中心线在道路的中心位置。3.2基于GPS技术下的测区城市道路测量与设计3.2.1道路初测城市道路设计中，为了保证道路设计的质量和施工的安全性，应先进行道路初测，这是整个设计的基础。在进行道路初测时，要对道路设计的基本要求进行了解，如设计等级、技术标准、路线走向、交通量等；要了解所选路线的地形地貌及地面通视情况；要了解沿线已有的控制点情况；对该路段地形、地物的描述和对沿线已有控制点的实地复核。根据 城市道路测量规范，测量人员采用全站仪在GPS控制网中进行坐标放样，并在放样成果上标出控制点名称及坐标位置。在进行道路初测时，对已有控制点进行复核，若发现原控制点存在问题，应及时进行处理，使其满足道路设计要求；对道路路线走向进行复核，若发现路线682024 年 1 月第 3 卷第 1 期现 代 工 程 科 技68走向与道路设计要求不符，应及时与设计单位联系，对路线走向进行重新确定；对控制点位置进行复核，若发现控制点位置与设计图纸不相符，应及时联系设计单位对原控制点进行处理；对所选路线沿线地形地貌及地物的描述及对沿线已有控制点的实地复核，根据 城市道路测量规范 要求，测量人员应将道路沿线地形地貌及地物情况详细描述和复核出来，并在最终成果上标注出控制点名称及坐标位置。3.2.2道路要素计算道路长度计算：通过坐标转换公式计算出道路起点和终点坐标，按照 城市道路测量规范 要求，通过比较相邻两个交叉口之间的距离和道路的宽度，确定两个交叉口的长度。道路中线长度计算：按照 城市道路测量规范 要求，在确定交叉口距离的基础上，利用道路中线长度公式计算出道路中心线长度。交叉路口夹角：通过坐标转换公式计算出交叉路口之间的夹角，根据 城市道路测量规范 要求进行控制。平曲线半径计算：根据 城市道路测量规范 要求，结合高程、地面坡度和纵坡等条件，计算出平曲线上各点到曲线起点的距离。某道路测区平曲线半径计算数据如表1所示。表1某道路测区平曲线半径计算数据交点左/右偏角圆曲线半径R/m切线长度 缓和曲线曲线总长 曲线外矢距JD/”R/mTh/m长度 Lh/mL/mEh/mJD7左 4 5250”100067.6250135.81.01JD8左 10 1731”50070.0450139.812.23JD9右 18 5739”25066.8150132.733.88JD10左 80 512”125130.7250224.7239.36JD11左 14 3735”25057.1350113.822.47JD12左 10 2226”40061.3350122.421.913.2.3道路定测道路定测时，将道路的数据输入AutoCAD，然后利用AutoCAD提供的道路放样功能进行道路放样。（1）道路放样：利用道路放样器可以实现对道路各点的放样。将待测路线沿道路走向放置在放样器上；打开AutoCAD中的放样器功能，对已放样路线进行放样。此时，该方法不适用于一些不规则形状的曲线。（2）利用GPS进行放样：如果要求某一点是一个确定点，那么将此点放在GPS的中心；如果要求某一段是一个确定点，那么将此段放在GPS中心，然后，对该段进行测量和放样。（3）利用全站仪进行测量时，在全站仪前视模式下将待测路线与已知坐标系的直线连接；对已知点进行测量，如果该点的坐标系不在已知坐标系内，则需要对该点进行改正；对该点进行放样。3.2.4道路竣工测量道路竣工测量包括两项内容：道路平纵横面的测量和竣工点坐标的测定。由于道路的平面、横断面设计与纵断面设计相互影响，因此，在道路竣工测量时，需要做好以下方面内容。（1）道路平纵横面的测量：根据图纸和设计要求，按设计断面图的断面位置进行放样，然后对整个道路进行测量，以确定路面纵、横断面。在本案例中，采用全站仪在道路边桩上安置A、B、C三个点，即A点、B点、C点。然后利用全站仪进行定位放样和计算，绘制出该路段的平面和高程图。（2）竣工点坐标测定：利用全站仪在各交点处安置4个D级GPS接收机进行测角定位。首先对竣工点进行坐标测定，然后对测定的坐标进行平差计算，得出各竣工点坐标5。4结语总而言之，GPS技术作为一种先进的测量技术，具有精度高、覆盖范围广、全天候等优点，可以有效地提高道路测量与设计的效率和质量。文章在深入分析GPS技术工作原理的基础上，提出了基于GPS技术的城市道路测量与设计方法，通过实例说明了该方法在实际应用中具有较高的精度和可靠性，具有一定的参考价值。参考文献1 刘立峰.GPS技术在道路桥梁工程测量中的应用J.运输经理世界,2023(1):97-99.2 栾振领.简谈测量新技术在桥梁施工中的应用J.大众标准化,2022(5):181-183.3 刘振.道路桥梁工程测量中GPS技术的应用J.山西建筑,2020,46(3):161-162.4 韩学全.测量及测绘新技术在桥梁工程测量中的应用J.居舍,2020(31):41,99.5 宋思凡.道路测量中GPS测绘技术的应用及其发展探究J.居业,2021(1):4-5.