GNSS技术在320国道建德杨村桥至会泽里段改建工程应用实践

邱阳

（杭州市交通规划设计研究院有限公司，浙江杭州 310000）

0 引言

在工程改建的测绘技术中经反复实践，发现常规定位技术具有局限性，如无法对三维坐标进行精准确定、易受观测气候条件的影响、系统误差大、地心坐标参照系难以建立的诸多问题，影响了工程改建工作的有序进行。为满足新时代、新形势下要求，GNSS 技术以全球为统一坐标,包括全球的、区域的和增强的以及相关的增强系统，是具有无限时性、无地域性，且操作简单的高精准定位技术，进而在工程测绘中得到广泛应用。结合320 国道建德杨村桥至会泽里段改建工程，分析GNSS 控制测量平面技术的应用实践情况。

1 GNSS 导航系统概述

GNSS 导航系统是目前定位系统中较为成熟的全球卫星导航定位系统，普遍应用于军事、农业、地质勘查等行业中。目前在我国测绘工程中，GNSS 技术的引用，逐渐形成了以GNSS 控制测量平面技术为主要测绘手段的高科技技术。GNSS 控制测量平面技术的原理就是通过GPS 导航系统，确定已知卫星与用户接收机之间的距离，并将测量得出的数据与多卫星勘测的数据进行整合，就可以获得用户接收机的准确位置。在整个全球卫星定位系统的运转中，仅需要两大模块，即空间卫星系统和地面监控系统，以及一个接收装置，即为使用者提供卫星信号接收的装置[1]。

2 工程项目概况

2.1 项目来源

杭州市交通规划设计研究院（简称甲方）承担了此次对320 国道建德杨村桥至会泽里段改建工程的技术设计工作项目。该路段主线全长58.28km（含利用段4.70km），另设更楼连接线4.23km，沿中心线两边各200m（ 详细按甲方提供的范围线），总面积约33.3km2，通过1∶2000 比例尺带状地形图测量，并结合沿线的平高控制测设工作。

2.2 测区概况

测区位于东经119°09′～119°27′、北纬29°12′～29°34′。测区属山地地形，其中中部旧岭隧道和洪宅隧道部分属高山地形，高差比较大，路线设计高程在39～200m 之间运行。因此，此次320 国道建德杨村桥至会泽里段改建工程的测绘工作面临诸多问题：

其一，该路段山势陡峭，植被茂密，以杉树、灌木为主，通行、通视困难，沿中心线附近没有道路可以直接通行，均需绕行较远路线方可通行，交通极为不便。

其二，在测区南面约15km 沿现有320 国道通行，村镇居民地多集中在道路两侧，基本上为集团式，人工地物、地貌复杂，且道路上人车通行频繁。这就意味着，此次测绘工作具有较大安全隐患，且工程受地势、人员流动、原有320 国道情况等严重影响该项目的测绘工作的开展。为此，该项目利用GNSS 技术，通过“分段投影、逐段拼接”的新方式设计，作为此次测绘工作的主导技术依据。

3 基准选取

该项目主线自北向南前行，连接线呈东西走向。设计线位于东经119°09′～119°27′，设计路线纵坡在高程39～200m 之间运行。建德地区的高程异常值km 约12m，曲率半径RA 为6378137m，该测区线路运行平均高程按工可设计纵坡选取。

选用2000 国家大地坐标系，中央子午线为119°30′00″，投影面为参考椭球面，线路投影变形除K343+000—K359+600 段外，均可以满足《公路勘测规范》（JTG C10—2007）4.1.1 中“选择路线平面控制测量坐标系时，应使测区内投影长度变形值不大于2.5cm/km，大型构造物平面控制测量坐标系，其投影长度变形值应不大于1.0cm/km”的要求。

在K343+000—K359+600 段中，旧岭隧道长约4.3km、洪宅隧道长约3.1km，且沿线有多座中小桥梁。该段应满足《公路勘测规范》(JTG C10—2007)4.1.1 中“选择路线平面控制测量坐标系时，大型构造物平面控制测量坐标系，其投影长度变形值应不大于1.0cm/km”的要求，故将该段投影在130m 高程投影面，进行投影变形补偿，其投影变形计算见表1。

表1 隧道部分投影变形计算

可见，选用2000 国家大地坐标系，中央子午线为119°30′00″。在对K343+000—K359+600 段设置高程投影面进行补偿后，线路的平、高投影变形可以满足规范要求，在后期的设计和施工中无需再进行投影面的测算和修改。但如按照常规方法进行投影，该段地形图投影后，与其他两段地形图会产生平面错位，无法直接对接。为方便工程后期设计和施工使用，同时满足《公路勘测规范》（JTG C10—2007）中对投影变形的要求，特做如下设计。

3.1 分段投影

项目前期控制点和地形图测量，中央子午线统一为L=119°30′00″。测量完成后，将地形图和控制点为三段，起点至K343+000 为一段，投影面为参考椭球面；K343+000—K359+600 为一段，投影面为130m 高程面；K359+600 至终点为一段，投影面为参考椭球面。将K343+000—K359+600 段中央子午线为119°30′00″参考椭球面上的图（含控制点）投影到130m 高程面上，其投影公式为

式（1）中：D 为投影到选择高程面上的边长；D0为参考椭球面上的边长。按此伸缩比例把该段地形图（含控制点）缩放即投影完成。

3.2 逐段拼接

通过以上投影，使投影变形值满足《公路勘测规范》（JTG C10—2007）要求，但把整个路段分成了三段相对独立的图件及控制系统。为了设计及施工方便，把三段相对独立的图件及控制系统通过旋转平移的技术手段，重新拼接成一个系统一致的图件。首先固定经过投影改正后起点至K343+000，然后将经过投影改正后K343+000—K359+600 段在保持方向不变的情况下平移，与起始段拼接，使投影变形值延后顺推。用同样的方法拼接完成第三段。路线中间不会有投影差，地形图不会产生错位。

3.3 控制点成果的衔接

与地形图拼接方法一样，将涉及各段地形图和控制点依据前文要求进行拼接至与地形图一致。故该工程起点至K343+000 平面采用2000 国家大地坐标系，L=119°30′00″，投影面为参考椭球面；K343+000—K359+600 段由于进行了平移拼接，其坐标与直接投影会发生变化，采用2000 国家大地坐标系，中央子午线为119°30′00″，投影面为130m 高程投影面（近似）；K359+600 至终点段也进行了平移拼接，采用的平面系统为2000 国家大地坐标系，L=119°30′00″，投影面为参考椭球面（近似）。

4 GNSS 导航系统的应用实践

在现代化先进技术的快速发展影响下，320 国道建德杨村桥至会泽里段改建工程测绘工作的项目中，充分利用了互联网技术、计算机技术、3S（GIS/RS/GNSS）技术、虚拟现实、航空与航天技术等获取准确的地理信息。通过航空摄影、全球定位系统、全站仪、RTK 等先进空间数据采集手段，基于数字测绘技术进行外业数字地面测量和内业数据编辑。

该项目东西长约27.5km，南北宽约39.8km。为满足设计和施工需要，此次控制网先布设四等GNSS控制点，采用GNSS 静态进行测量。收集的3 个国家C 级点均匀分布在测区的起点、中间和终点，四等控制网布设成由3 个已知点和49 个四等点组成的控制网，新布四等点点号为GD01～GD49。在四等控制网下再布设110 个一级GNSS 控制点，新布一级点点号为E001～E110。

4.1 四等GNSS 控制网观测

4.1.1 满足四等GNSS 控制网观测需要具备以下条件：第一，GNSS 控制网采用边连式布网，非同步观测边构成多边形闭合环或附合路线其边数不超过10条。第二，GNSS 网同时观测有效观测卫星数不少于4颗，观测有效观测卫星总数不少于6 颗，观测时间静态定位；四等GNSS 不少于60min，采样间隔10～30s。第三，此次GNSS 控制网的外业观测采用5 台中海达双频接收机以静态模式进行观测。第四，每时段开机前，作业人员量取天线高，并记入手簿中。观测中保证接收机工作正常，时段中间不得随意关机，对讲机使用时远离天线10m 以外。数据记录正确，每日观测结束后，及时将数据传至计算机硬、软盘上，确保观测数据不丢失。第五，天线高的量取，应在测前、测后进行。二次量取天线高的较差应小于3mm，仪器高量取应垂直于地面控制点，不应倾斜量测。第六，外业观测方案应按照方便、可靠、保证必要基线同时观测的原则，制定并落实到人，并及时检查，保证观测数据有效可靠[2]。

4.1.2 GNSS 数据处理。GNSS 数据处理中基线解算应采用双差相位观测值，同一时段观测值的数据剔除率不宜大于10%。具体计算方式见表2。

表2 测算变形量应满足的公式要求

4.2 一级GNSS 控制测设

为提高工作效率，一级点以此次布设的四等GNSS 控制点为起算，采用ZJCORS 双基站双测法进行测定。保证四次独立观测，分两个时段进行。外业测量完成后，利用该测区施测的四等控制点成果，将控制点数据通过中海达仪器公司提供的随机软件求取坐标转换参数，再用转换参数进行平面坐标转换，求得测区需要的相应坐标系坐标。RTK 高程测量一般与RTK 平面控制点同步进行，大地高应取每次测量的大地高中数作为最终结果。RTK 控制点高程测量的测定，通过流动站测得的大地高减去流动站的高程异常获得[3]。

针对一级GNSS-RTK 点的检测，该测区采用卫星定位静态和全站仪测量边长和高差相结合的检测方法。检测点应均匀分布在测区，静态网测量符合《全球定位系统实时动态测量（RTK）技术规范》（CH/T 2009—2010）中一级GNSS 控制点静态测量要求，检测网布设成由3 个四等点GD19、GD22、GD23 和4 个一级点E41、E42、E49、E50 组成的静态网。边长检测方法按《公路勘测细则》（JTG C10—2007）离测量中一级边观测方法进行。本测区布设4 条检测边E14～E15、E25～E26、E39～E40、E92～GD37[4]。最后，将检测结果与RTK 测量一级GNSS 控制点成果进行比较，比较结果应满足要求，如不能满足要求，应采取其他精度较高的测量方法对一级GNSS 控制点进行重新测量[5]。

5 结语

综上所述，GNSS 技术在320 国道建德杨村桥至会泽里段改建工程中，利用其全天候、高精准度、操作简便快捷等优势，通过“分段投影、逐段拼接”的新方式，为工程测绘提供高效、准确的技术依据，有效提高了设计施工的工作效率。为此，在320 国道建德杨村桥至会泽里段改建工程的应用和实践中，GNSS 发挥了至关重要的作用，是测绘工程中最具价值的现代化、高科技技术手段之一。