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GPS測量技術(shù)在農(nóng)村公路的應(yīng)用
摘要:本文主要從GPS測量技術(shù)的工作原理、GPS測量的特點及GPS測量技術(shù)在農(nóng)村公路中的應(yīng)用等進(jìn)行論述。
關(guān)鍵詞:GPS;農(nóng)村公路;測量;誤差
Abstract: The artical described GPS operation principle, GPS of measuring technology mainly measure the application of technology in the rural highway etc..
Key words: GPS; rural highway; measurement; error
隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展,測量技術(shù)從傳統(tǒng)的經(jīng)緯儀+水準(zhǔn)儀到全站儀+水準(zhǔn)儀,再到 GPS測量技術(shù),經(jīng)歷了一個不斷更新的過程。GPS全球定位系統(tǒng)(Global Positioning System)是美國研制并在1994年投入使用的壘球衛(wèi)星導(dǎo)航與定位系統(tǒng)。近年來,GPS系統(tǒng)因具有全球性、全天侯、連續(xù)性、實時性導(dǎo)航定位和定時功能,能為各類用戶提供精密的三維坐標(biāo)、速度和時間等優(yōu)點,其技術(shù)的應(yīng)用已遍及我國國民經(jīng)濟(jì)的各個領(lǐng)域,特別是在公路測量的應(yīng)用上已經(jīng)較為普遍。GPS系統(tǒng)在應(yīng)有方面主要分為單點導(dǎo)航定位與相對測地定位,而對于常規(guī)測量而言,相對測地定位是主要的應(yīng)用方式。在此,本文將重點談?wù)凣PS測量技術(shù)在農(nóng)村公路的應(yīng)用。
1GPS測量技術(shù)的工作原理
相對測地定位是利用L1和L2載波相位觀測值實現(xiàn)高精度測量,其原理是采用載波相位測量局域差分法:在接收機(jī)之間求一次差,在接收機(jī)和衛(wèi)星觀測歷元之間求二次差,通過兩次差分計算解算出待定基線的長度;求解整周模糊度是其關(guān)鍵技術(shù),根據(jù)算法模型,設(shè)計了靜態(tài)、快速靜態(tài)以及RTK等作業(yè)模式。而RTK技術(shù)代表著GPS相對測地定位應(yīng)用的主流。
2GPS測量的特點
GPS系統(tǒng)是目前在導(dǎo)航定位領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛的系統(tǒng),其可為各類用戶連續(xù)提供動態(tài)目標(biāo)的三維位置、三維速度及時間信息。GPS測量主要特點如下:
2.1功能多、用途廣
GPS系統(tǒng)不僅可以用于測量、導(dǎo)航,還可用于測速、測時。測速的精度可達(dá)0.1 m/s,測時的速度可達(dá)幾十毫微秒。其應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大。
2.2定位精度高
一般雙頻 GPS接收機(jī)基線解精度為 5 mm + 1 ppm,而紅外儀標(biāo)稱精度為 5 mm+5 ppm,GPS測量精度與紅外儀相當(dāng),但隨距離的增長,GPS測量優(yōu)越性愈加突出。大量試驗證明,在小于50 km的基線上,其相對定位精度可達(dá)12×10-6,而在100 km～500 km的基線上可達(dá)10-6～10-7。
2.3實時定位
利用全球定位系統(tǒng)進(jìn)行導(dǎo)航,即可實時確定運(yùn)動目標(biāo)的三維位置和速度,可實時保障運(yùn)動載體沿預(yù)定航線運(yùn)行,亦可選擇最佳路線。特別是對軍事上動態(tài)目標(biāo)的導(dǎo)航,具有十分重要的意義。
2.4觀測時間短
采用GPS布設(shè)控制網(wǎng)時每個測站上的觀測時間一般在30 min～40 min左右,采用快速靜態(tài)定位方法,觀測時間更短。例如,使用 Timble4800 GPS接收機(jī)的 RTK法可在5 s以內(nèi)求得測點坐標(biāo)。
2.5測站之間無需通視
這是GPS技術(shù)區(qū)別于常規(guī)測量的最大優(yōu)點。常規(guī)測量技術(shù)需要保持良好的通視條件,又要保障測量控制網(wǎng)的良好圖形結(jié)構(gòu)。而GPS測量只要求測站15°以上的空間視野開闊,與衛(wèi)星保持通視即可。其這一優(yōu)點,使得在布設(shè)長大線路施工控制網(wǎng)時,可省去大量的傳算點、過渡點的測量,大大減少測量作業(yè)時間和費(fèi)用,同時也使選點布網(wǎng)變得非常靈活。
2.6操作簡便
GPS測量的自動化程度很高。目前,GPS接收機(jī)已趨小型化和自動化,在觀測中測量員只需打開 GPS接收機(jī)、量取天線高、采集環(huán)境的氣象數(shù)據(jù)、監(jiān)視儀器的工作狀態(tài),而其他工作,如衛(wèi)星的捕獲、跟蹤觀測和記錄等均由儀器自動完成,然后利用數(shù)據(jù)處理軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,即求得測點三維坐標(biāo)。觀測結(jié)束時,僅需關(guān)閉電源,收好接機(jī),便完成野外數(shù)據(jù)采集任務(wù)。
2.7可提供全球統(tǒng)一的三維地心坐標(biāo)
經(jīng)典大地測量將平面和高程采用不同方法分別施測。在GPS測量中,在精確測定觀測站平面位置的同時,可以精確測量觀測站的大地高程。其這一特點,不僅為研究大地水準(zhǔn)面的形狀和確定地面點的高程開辟了新途徑,同時也為其在航空物探、航空攝影測量及精密導(dǎo)航中的應(yīng)用,提供了重要的高程數(shù)據(jù)。
2.8全天候作業(yè)
GPS衛(wèi)星較多,且分布均勻,保證了全球地面被連續(xù)覆蓋,使得在地球上任何地點、任何時候進(jìn)行項觀測工作,通常情況下,除雷雨天氣不宜觀測外,一般不受天氣狀況的影響。
3GPS測量技術(shù)在農(nóng)村公路中的應(yīng)用
3.1農(nóng)村公路調(diào)查內(nèi)容
農(nóng)村公路調(diào)查對象主要是縣鄉(xiāng)道路以及復(fù)合標(biāo)準(zhǔn)的村道,另外,還要對每個建制村道路的通達(dá)情況作相關(guān)的調(diào)查。在外業(yè)數(shù)據(jù)采集中主要采集的數(shù)據(jù)有各條道路的長度、路基路面寬、路面類型、所經(jīng)過的村委以及村小學(xué)等標(biāo)志性建筑的地理坐標(biāo)、各起終點的坐標(biāo)、名稱以及各分段點的信息等。
3.2GPS外業(yè)數(shù)據(jù)采集流程
3.2.1準(zhǔn)備工作
GPS在農(nóng)村公路測量中應(yīng)用時,可采用“邊采集、邊錄入”的現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集模式,一般情況下,一個測量小組由1人負(fù)責(zé) GPS 接收機(jī)的開關(guān)以及掌上電腦的錄入工作、1人負(fù)責(zé)相關(guān)數(shù)據(jù)和出現(xiàn)特殊情況時的記錄工作、一名鄉(xiāng)鎮(zhèn)向?qū)Ш鸵幻緳C(jī)共4人組成。
在采集工作出發(fā)之前,應(yīng)先做好采集計劃,如安排好采集行程;提前準(zhǔn)備好已有的周邊路線圖作為采集底圖,并打印一份供采集時參考;對需要采集的路線以及附屬設(shè)施提前準(zhǔn)備好相關(guān)已有的資料(如路線編號,起點名稱,起點路基寬度及路面寬度,道路等級,路面性質(zhì),穿越了幾個鄉(xiāng)鎮(zhèn)、建制村,沿線共有幾座橋梁、大概在什么位置等),做到心中有數(shù),提高采集效率。
在采集前,應(yīng)先將GPS接收機(jī)與掌上電腦正確連接,然后通過藍(lán)牙連接將 GPS接收到的信號反映在掌上電腦上,并確保GPS連接和信息輸出正常。
3.2.2主要操作
GPS外業(yè)采集功能主要是實現(xiàn)公路路線、橋梁、隧道、渡口、鄉(xiāng)鎮(zhèn)、建制村等圖形和屬性一體化采集,具體包括采集新路線、路線分段、停止采集路線、繼續(xù)采集路線、點采集(如橋梁、隧道、渡口、鄉(xiāng)鎮(zhèn)、建制村等位置和屬性信息)等功能。在進(jìn)行外業(yè)采集之前,在GPS采集子系統(tǒng)中主要操作有:
(1)打開GPS:GPS接收機(jī)與計算機(jī)連接正常并輸出有效的GPS數(shù)據(jù)后,通過“打開GPS”功能,建立與GPS接收機(jī)的通信連接。
(2)關(guān)閉GPS:在e-Road系統(tǒng)中斷開與GPS接收機(jī)的通信連接,只有在打開了GPS后才能關(guān)閉。
(3)查看GPS狀態(tài):當(dāng)打開GPS后,可查看GPS當(dāng)前的狀態(tài),是否正常接收衛(wèi)星信號,以及GPS輸出的數(shù)據(jù)是否有效等信息。
(4)采集新路線:開始采集一條路線,記錄該條路線的線形、線位和調(diào)查指標(biāo)信息,如果GPS已經(jīng)打開并且定位后,就可以進(jìn)行路線的采集。
(5)路線分段:當(dāng)路線的調(diào)查指標(biāo)發(fā)生變化且符合路線分段原則時,需要添加一個路段,在采集路線的過程中,在路線分界點叫司機(jī)停下,并點擊計算機(jī)平面上點擊“分段”按鈕,并輸入分段原因: 路面情況發(fā)生改變。同時還要輸入分段點的相關(guān)信息。當(dāng)然在其他路況發(fā)生改變時也要分段,比如路面寬度發(fā)生了明顯改變,有分叉路的情況等。系統(tǒng)就會自動對路線進(jìn)行分段。
(6)停止采集路線:在調(diào)查中還要標(biāo)出各村村委以及村小學(xué)的地理坐標(biāo),在測量時只需在路線迄點處停止采集當(dāng)前正在采集的路線,生成最后一個路段的訖點位置信息,并輸入相關(guān)信息即可。
(7)繼續(xù)采集路線:在路線采集的暫停位置繼續(xù)采集路線的線形,如果在地圖中存在沒有采集完的路線,可以通過“繼續(xù)采集路線”的功能,繼續(xù)采集未采集完的路線。
(8)點采集:實現(xiàn)公路沿線附屬設(shè)施點(如橋梁、隧道、渡口等)以及鄉(xiāng)鎮(zhèn)、建制村、村小學(xué)等點的地理位置和屬性信息一體化采集。
通過上述功能操作,基本可以實現(xiàn)GPS+PC操作完美結(jié)合,在采集過程中,若因操作或人為走錯路線等原因還可以進(jìn)行對象屬性編輯,現(xiàn)場及時修改或刪除所采集數(shù)據(jù)信息。
3.2.3采集完畢
當(dāng)天采集完畢后,首先要做好數(shù)據(jù)備份工作,建立以天為備份數(shù)據(jù)文件,同時備份到移動存儲器中,以防計算機(jī)出現(xiàn)重大故障而使數(shù)據(jù)文件損壞,并及時將采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行必要的內(nèi)業(yè)處理,防止因間隔時間過長,記錄不準(zhǔn)確,導(dǎo)致內(nèi)業(yè)無法編輯等狀況。
3.2.4經(jīng)驗總結(jié)
(1)GPS接收器本身時鐘也存在誤差和噪聲,這些都影響定位的精確度。當(dāng)出現(xiàn)比較明顯的漂移時,測量人員應(yīng)該叫司機(jī)先停下來,等指示箭頭回歸原點時再開始進(jìn)行測量。
(2)當(dāng)正在進(jìn)行路線采集時,如果較長時間在某個地方停頓或需要離開正在采集的路線去采集其他路線、沿線鄉(xiāng)鎮(zhèn)、建制村時,應(yīng)先使用“停止采集路線”功能暫停正在采集的路線,再采集其他路線、沿線鄉(xiāng)鎮(zhèn)、建制村等,然后回到暫停的位置處使用“繼續(xù)采集路線”功能按原采集方向繼續(xù)采集被停止采集的路線。
(3)在采集過程中,應(yīng)時刻關(guān)注GPS的信號,如果連續(xù)出現(xiàn)“GPS無法定位”的提示時,應(yīng)立即停止采集路線,以免丟失相關(guān)數(shù)據(jù),甚至出現(xiàn)把數(shù)據(jù)導(dǎo)入 PC機(jī)后出現(xiàn)亂碼的情況。且測量人員應(yīng)立即檢查GPS的電池是否沒電或是GPS與計算機(jī)是否已斷開連接等,待設(shè)備都已完好后,為確保數(shù)據(jù)的有效性,測量人員應(yīng)進(jìn)行返工。
(4)采集過程中,GPS接收機(jī)和計算機(jī)不能離得太遠(yuǎn)(一般是 10 m以上),以避免計算機(jī)無法接收GPS傳過來的信號以致數(shù)據(jù)丟失。
(5)采集過程中,如測量人員下車去測標(biāo)識物后,司機(jī)不能將車開動,以免出現(xiàn)當(dāng)測量人員回來后重新測量時原點發(fā)生了改變,從而出現(xiàn)相應(yīng)的誤差的情況。
(6)采集過程中,車速不能太快,一般控制在40 km/h～60 km/h,盡量靠著路的中間行駛,盡量避免緊急剎車。
綜上所述,由于GPS設(shè)備功能齊全,攜帶方便,易于掌握,能夠徹底改變以往公路調(diào)查陳舊的工作模式,從根本上提高公路測量效率,減輕職工勞動強(qiáng)度。盡管GPS測量技術(shù)仍存在一些問題,但只要運(yùn)用得當(dāng),其自身的缺陷仍可以克服。GPS技術(shù)的普遍應(yīng)用必將促進(jìn)交通工作向著精確、高效、現(xiàn)代化的方向發(fā)展,是今后交通工作中必不可少的工具,如廣泛使用一定會取得巨大的經(jīng)濟(jì)和社會效益�？梢哉f,GPS在公路領(lǐng)域的應(yīng)用前景是無限的。
參考文獻(xiàn)
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The Application in the Rural Highway of GPS Measures Technology
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