道路扩建测量方案.docx

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道路扩建测量方案

测绘学院函授专科

毕业论文

道路扩建工程的测量方案设计

系部名称：

测绘工程系

专业班级：

200953013541

学生姓名：

李明东

指导教师：

黄声享

武汉大学测绘学院

二○一一年三月

摘要

随着社会经济的发展，科学技术水平的提高，我国早期建设的公路也因交通量急剧增长而不得不进行改扩建。

本文以哈尔滨市道外区民强大街扩建为例，比较详细的介绍了道路扩建中所涉及的测量原理、测量方法以及应该注意的问题，如初期GPS公路勘测首级控制网的建立、施工放样方法及作业流程等。

针对公路测量的特点论述了测绘新技术在公路勘察设计中的应用方法，提出了线路施工测量的设计方案和几种实用的放样方法，并简要介绍了新型测量仪器和成图软件的使用方法。

在工程项目与日俱增的今天，对测量工作的要求也日益增高。

本文在原有的道路扩建测量方案基础上，对此类测量工作做了更加系统的整理，为道路测量以及相关扩建工作提供参考。

关键词：

GPS;控制网;公路勘测;导线测量;施工放样

第1章绪论

随着社会经济的发展，交通量急剧增加。

现有道路许多已经不能满足现实需要，急需进行改扩建。

在道路扩建工程中，运用高新技术信息化建设进行城建项目前期可行性分析，运用文化的、生态的、科学的观点进行城市道路更新改造，是非常必要的。

本文就哈市民强大街扩建工程的测量方案进行设计，论述道路扩建工程测量的整个作业流程、各个作业环节的技术要点与要求。

为指导实际测量作业提供技术依据。

1.1道路扩建工程测量概述

随着公路设计行业软件技术和硬件设备的发展，公路设计已实现CAD化，有些软件本身还要求提供地面数字化测绘产品的支持；建立勘测、设计、施工、后期管理一体化的数据链，减少数据转抄、输入等中间环节，是公路勘测设计“内外业一体化”的要求，也是影响高等级公路设计技术发展的“瓶颈”所在。

目前公路勘测中虽已采用电子全站仪等先进仪器设备，但常规测量方法受通视条件和作业条件的限制，作业强度大，且效率低，大大延长了设计周期。

勘测技术的进步在于设备引进和技术改造，在目前的技术条件下引入GPS技术应当是首选。

自20世纪90年代以来，GPS在导航、定位和精密授时等领域得到了极其广泛的应用。

测量是施工的依据，因此，施工测量的主要工作发生在施工开始以前，包括熟悉施工要求、补中线桩、测设施工控制桩、加密水准点和路基放线等。

第2章GPS公路勘测首级控制网的建立

控制测量作业包括技术设计、实地选点、标石埋设、观测和平差计算等主要步骤。

在常规的高等级控制测量中，当某些方向受到地形条件限制不能使相邻控制点之间直接通视时，需要在控制点上建造测标。

采用GPS定位技术建立平面控制网，由于不要求相邻控制点间通视，因此不需要建立测标。

2.1用GPS建立公路勘测首级控制网的主要特点及作业流程

与传统的三角测量和导线测量相比，用GPS建立公路勘测首级控制网有以下主要特点:

相对平面定位精度较高。

作业速度较快,经济效益好,特别是国产GPS接收机的生产上市价格进一步降低，加之外业投入的人员较少、又无需建立觇标，因而用GPS建立公路勘测首级控制网的费用仅相当于常规方法的1/4左右。

与GPS建立一般大地控制网相比，用GPS建立公路勘测首级控制网又有以下特点:

GPS点位一般选定在施工区域之外。

为防止施工阶段对GPS点位的损坏,GPS点位一般应选在施工影响范围以外中线以外50m,以便长期保存；GPS点间至少要有一个通视方向。

按照公路GPS测量规范的要求，为了便于后续导线测量附合导线的顺利进行,在GPS点布设时，应每隔3km左右设置一对相互通视的GPS点两点间距应在300m以上；数据处理时要严格控制投影变形。

在将GPS的WGS-84大地坐标系统转换到所选定的平面坐标时，若测区内投影长度变形大于2.5cm/km，为了减少投影变形,方便设计与施工放样,一般采用测区平均子午线为中央子午线独立坐标系。

用GPS建立公路勘测首级控制网的作业流程。

如图2.1

2.2GPS布网基本原则及网形结构

1、考虑常规测量对GPS测量成果的使用,任一GPS点上至少需有一个通视方向。

2、尽量利用旧标石,减少埋石费用,且旧标石一般较稳固

3、一般网形中应有非同步观测边组成异步环或附和路线，附和路线是两端闭合于已知点，中间经过若干独立基线边相连形成。

并且异步环或附和路线的边数不得超过规定，因边数太多，其评价基线质量的能力将显著降低。

在实际工作中对比发现，超过5条边后，异步环闭合差经常随边数的增加而降低，因此过多独立基线构成的环路，反失去评价网形、基线可靠性的能力。

同时利用其平差后，间接基线边的精度会降低。

4、条件许可时，可将网点选在交通便利，易于到达的位置。

以节省搬站时间。

5、各基线边长尽可能相等，若工程网中点位条件受限，边长差异太大，可增加过渡点，降低过大边长比。

网形结构：

GPS网形结构可以分为星行网，点连接，导线式，边连式，点边混连式等。

控制网中控制点的坐标或高程是由起算数据和观测数据经平差计算得到的。

控制网中只有一套必要起算数据的控制网称为独立网。

图2.3点连式网

图2.2星型网

2.3GPS应用中的几个主要技术问题及解决方法

2.3.1工程投影变形的处理

《公路勘测规程》中规定,当测区偏离中央子午线大于15km时,必须考虑长度投影变形的影响,因此在GPS内业数据处理时,为使后续使用方便必须设法消去高斯投影变形对最后坐标成果的影响。

这对公路勘测首级控制网的建立显得尤为重要。

1、常规处理工程投影变形的方法

常规方法是以测区平均子午线为中央子午线,将平面已知点进行换带计算,然后进行二维约束平差。

这虽然是消除投影变形的可行方法,但由于其横坐标绝对值变化较大有时达几十公里,给接图、利用老图和工程施工带来困难或不便。

为此,介绍尺度强制约束和投影面重新选择两种方法。

两种方法不但有效地消除了投影变形,而且很好地解决了老图使用问题,极大地方便了工程施工。

2、用尺度强制约束法处理工程投影变形

GPS二维约束平差时,若有两个点位精度可靠的国家点A、B,且这两点地面实际平距为D

由两点坐标反算得到的高斯平面距离为S

。

尺度强制约束法的实质就是以D

强制作为高斯平面上的距离,重新计算B点的坐标（此时高斯平面上的点位为B1）,再以A、B1为平面重合点进行二维约束平差即可。

B1点的坐标计算过程如下。

设A、B两点在高斯平面上的坐标值为（

、

）（

、

）。

则长度投影变形

S为：

（2.1）

（2.2）

A、B两点在地面上的实际距离Dab为

（2.3）

由Xa、Ya、Dab和A、B两点间的坐标方位角Tab即可计算B1点的坐标X

、Y

。

（2.4）

（2.5）

此法不但有效地消除了投影变形（尺度比为1）,处理后的坐标成果与国家坐标值相差很小一般在分米级,极大地方便了工程设计和工程施工（特别是老图的使用）。

3、投影面重新选择法处理工程投影变形

一般而言,将地面实测水平距离D投影至高斯平面上可分为两步:

首先将地面实测平距归化至投影椭球面上,其距离改正为△D1;然后再由投影椭球面进一步归化到高斯平面上,其距离改正为△D2若该边长的两端点至投影椭球面的平均高度为Hm,两端点的平均横坐标为Ym，则

和

的计算公式为：

（2.6）

（2.7）

欲使地面实测平距与高斯平面上的距离相等（即长度变形为0），则需

即

（2.8）

则

（2.9）

内业数据处理时,可根据计算得到的

确定新选择的投影面。

用此法处理后的坐标成果同样也与国家坐标值相差很小。

4、内业平差的优化处理

在公路勘测中GPS主要用于布设首级平面控制网,其网形一般布设成如图2.8所示的图形,即每隔3km左右布设一对相互通视、边长为300m左右并埋设标石的GPS点。

这样的布设虽然有利于后续用全站仪来加密布设附合导线,但是,由于控制点间的边长过于悬殊,导致内业数据处理过程中存在一些较为明显的不合理成份。

如为了有效检验外业基线成果的质量,必须在网中形成一定数量的异步闭合环,由于异步环中边长较为悬殊,虽然其满足上述基线检核的各项限差条件,但若不加区别地将全部基线纳入网中进行平差计算,由于长边的系统误差比短边系统误差明显要大,因而长边绝对精度要比短边低很多,若将它们一同平差,势必将长边误差传递到短边中,大大削弱短边的精度,影响整个控制网的点位精度。

图2.8公路勘测首级GPS控制网示意图

为了较为合理地处理上述问题,根据公路勘测GPS控制网点位布设特点,文献[3]中,提出了一种行之有效的优化处理方法,较好地解决了这一问题。

此法的实质就是在内业平差处理时将形成异步环的较长边（10km以上如图4中的AE、EJ和AJ边）,仅用于基线成果的检核,不纳入网平差计算的范畴,以提高整个GPS网的点位精度。

具体运用时应在常规内业平差处理的基础上按以下两方面进行优化处理:

首先,按常规进行基线解算和观测成果的检验。

在经过四项检验特别是经过异步环闭合差检验合格后,进入下一步的网平差计算。

其次,在保证所有待定点均能坐标解算的前提下,将GPS控制网中用于形成异步环的较长基线边删除,再进行三维自由网平差和二维约束平差。

虽然此时GPS控制网的网形类似支导线的形式,但由于已经经过基线检核,因而其解算成果也是可靠的。

用GPS建立公路勘测首级控制网不但精度高、速度快,而且布点灵活,目前已被广泛使用。

但在使用过程中,应根据公路勘测自身特点和要求,妥善处理好平面重合点的偏心观测、投影变形、网平差和坐标转换等主要技术问题。

2.4GPS布网方案

2.4.1GPS网略图

由8个GPS点（4组，组内两点互相通视），2个已知点组成。

构成8个同步环。

2.4.2观测方法

GPSRTK采集数据前的准备工作

对讲机：

4部。

本次一等GPS测量作业的基本技术要求见（表3.1）：

图2.9GPS控制网示意图

（1）实际观测中，有效观测卫星数一般大于4颗，PDOP值一般小于5。

（2）外业作业调度安排（2007年5月，内、外业共历时3天。

）。

（3）GPS接收机的检验：

一般检视；通电检验。

在接电源的时候，正、负一定接对，否则GPS的电瓶或基准站会别烧坏。

（4）观测组严格按调度表规定的时间进行作业，保证同步观测同一卫星组。

（5）每时段开机前，要量取天线高，并及时输入测站名、年月日时段号等信息。

关机后再量取一次天线高作校核，两次量天线高互差不得大于3mm，取平均值作为最后结果，记录在手簿中。

若互差超限，应查明原因，提出处理意见记入测量手簿备注栏中。

（6）接收机工作正常后，作业员及时逐项填写测量手簿中各项内容。

当时段观测时间超过60min以上，应每隔30min记录一次。

（7）一个时段观测过程中不得进行以下操作：

关闭接收机又重新启动；进行自测试（发现故障除外）；改变卫星高度角；改变数据采样间隔；改变天线位置；按动关闭文件和删除文件等功能键。

（8）观测员在作业期间不得擅自离开测站，并应防止仪器受震动和被移动，防止人和其他物体靠近天线，遮挡卫星信号。

（9）接收机在观测过程中不应在接收机近旁使用对讲机；雷雨过境时应关机停测，并卸下天线以防雷击。

（10）每日观测结束后，应及时将数据转存至计算机硬、软盘上，确保观测数据不丢失

（11）记录雨、晴、阴、云等天气状况。

2.4.4平差

1、GPS网平差的目的：

消除由观测量和已知条件中所存在的误差而引起的GPS网在几何上的不一致。

改善GPS网的质量评定GPS网的精度。

确定GPS网中点在指定参照系下的坐标以及其他所需参数的估值。

2、GPS网平差的类型：

根据进行网平差时采用观测量和已知条件的类型和数量，可将网平差分为最小约束平差/自由网平差、约束平差和联合平差三种类型。

由于篇幅关系本节只介绍无约束平差。

3、无约束平差的流程：

（1）选取作为网平差时的观测值的基线向量。

基线向量的选取通常应遵循如下准则：

基线向量相互之间应该是函数独立的；基线向量应通过初步的质量检验，如闭合差、较差等的检验；所选定的基线向量应形成一个完整的闭合图形。

（2）利用所选取的基线向量的估值，形成平差的函数模型，其中，观测值为基线向量，待定参数主要为GPS网中点的坐标；同时，利用基线解算时随基线向量估值一同输出的基线向量的方差阵，形成平差的随机模型。

最终形成平差完整的数学模型。

（3）对所形成的数学模型进行求解，得出待定参数的估值和观测值等的平差值、观测值的改正数以及相应的精度统计信息。

（4）根据平差结果来确定观测值中是否存在粗差，数学模型是否需要改进的部分。

若存在问题，则采用相应的方法进行处理（如对粗差基线，既可以将其剔除，也可以调整观测值权阵），并重新进行求解。

（5）若在观测值和数学模型中为发现问题，则输出最终结果。

无约束平差结束。

2.5本章小结

用GPS进行导航和定位已成为当今社会各个领域的一个趋势。

在测绘中需要更快速、更方便、更可靠的收集数据资料，就需要我门把传统的测量方式抛开，将测量技术的各种思想带入GPS这个领域，让其代替其他测量工具进行处理，更快的得到更精确的数据，借助GPS实时动态定位测量就是其中一种实现方式。

特别是GPSRTK在控制测量中的应用，也来也来受客户的欢迎。

本章介绍了GPS定位的布设方法，GPS定位的测设方案。

要建立GPS控制网的技术依据和数据采集时应注意的问题。

就本工程的布网方案，外业数据采集，数据处理进行了阐述。

第3章一二级导线测量与图根测量

导线测量为平面控制测量之一种，应用于带状之狭长地区，或街市、森林、平坦、荫蔽等展望不良，不便实施三角测量之地区，以作为地形测量、地籍测量、路线测量、工程测量及摄影测量等之控制，或应于地下，作为隧道测量或矿坑测量之控制。

3.1导线形状选择及测量作业程序

3.1.1导线形状选择：

1、闭合导线（ClosedTraverse,orLoopTraverse）：

导线之起终点合1，形成一闭合多边形，如下图1、2、3、4、5、6。

其角度闭合差可以多边形之几何条件改正。

图3.1闭合导线

2、附合导线（ConnectingTraverse）：

起点与终点连接于已知点（三角点或导线点）者称之，可直接附合于已知三角点，或闭合导线之辅助控制点。

如上图2、7、8、9、6附合于2、6，附合导线具有角度和坐标之闭合条件。

此等导线用于道路或狭长地形图测图或中心桩控制测量用。

图3.2附和导线

3、支导线（OpenTraverse）：

由起点自由伸展之导线称为展开导线，此等导线无检核条件，作业时要求观测左右角，且要求不超过3个点。

图3.3支导线

4、导线网

附合导线网具有一个以上已知控制点或具有附合条件。

自由导线网自由导线网仅有一个已知控制点和一个起始方位角。

导线网中只含有一个结点的导线网，称之为单结点导线网，多于一个结点的导线网，称为多结点导线网。

导线节是组成导线网的基本单元，它是指导线网内两端点中至少有一个点是结点，另一个是结点的一段导线。

应该指出，与闭合导线类似，自由导线网是一种可靠性极差的控制网图形，在实际测量工作中应避免单独使用。

图3.4导线网

3.1.2导线测量作业程序

1、导线点选择及标志埋设

选点：

（1）先根据现有地图或勘察测区，依测区之大小、形状及导线之用途，拟定导线（或导线网）之大略形状及行经路线。

（2）导线点应择于视野广阔处，发挥其功能，使测得较多之地形地物，如此可减少导线点，提高精度。

（3）相邻导线点间应互相通视且适合于设置所应用之测量仪器施测。

（4）导线边长宜均匀，边长太短测角误差大，影响精度，应尽量避免。

（5）为避免导线点遗失，应尽量利用不易变动之地物，每一点位应绘成草图，并详加注记，并注明每一测站应观测之点，点位选定后即刻竖立旗帜，以便施测者寻找。

（6）永久性之导线点应于施测前埋桩设标。

标志埋设：

（7）临时性导线点标志：

用木桩为标志，桩顶钉小铁钉为中心，桩侧编写点号。

柏油路面上钉道钉为标志，点号用白色或红色油漆写于近侧，木桩中心或道钉中心为导线点位。

（8）半永性导线点标志：

用混凝土制成柱状水泥桩，桩顶有凹形十字。

十字中心为导线点点位，柱侧分别刻有点号、等级、测设机关名称。

桩位埋设后，加测参考桩，并绘制位置略图。

（9）永久性标志：

一、二级导线点用花岗石刻制标石为标志，刻制式样与半永久性水泥桩标志相同，埋设方法与水平点标石埋设规定相同。

选点时应满足下列要求：

（1）相邻点间必须通视良好，地势平坦、便于测角和测距。

（2）点位应选在土质坚实处，便于保存标志和安置仪器。

（3）视野开阔，便于碎部点数据采集。

（4）导线各边的长度应大致相等，导线总长、平均边长应满足技术要求。

（5）控制点应有足够的密度，分布均匀。

2、观测导线边长

用全站仪观测所有导线边长，观测时每条导线边观测1测回。

3、水平角观测

（1）经纬仪的安置

采用光学对中器进行对中和整平：

①固定三脚架的一只脚于适当位置，两手分别握住另外两条腿。

在移动这两条腿，使地面标志成象在视场中，并使对中器标志中心与地面标志中心重合（可用脚螺旋使对中器标志中心与地面标志中心重合），此时照准部不水平。

②使照准部的水准管与一架腿平行，松开架腿的蝶形螺丝，伸缩架腿使水准管气泡居中，照准部旋转90度，通过伸缩另外两个架腿中其中一个使气泡居中。

③若对中器标志中心与地面标志中心不重合，用脚螺旋使对中器标志中心与地面标志中心重合，按②继续进行。

若对中器标志中心偏离地面标志中心很小，可平移（不可旋转）基座使精确对中。

若整平破坏，用脚螺旋使使照准部的水准管气泡居中，再平移（不可旋转）基座使精确对中。

（2）水平角观测

采用方向观测法观测水平角。

以四个方向为例叙述水平角观测方法。

当一个测站上观测方向数多于两个时，应采用方向观测法进行观测，设101为测站点，102、103、104、105为四个目标点，欲测101点与各目标方向线之间的水平角，操作步骤如下：

①在测站点101安置仪器（对中、整平）。

②盘左位置：

转动照准部，照准起始方向（零方向）102目标，将水平度盘配置为0°01′左右，读数并记入手簿，按顺时针方向依次照准103、104、105、102各目标，读数并记录，以上为上半测回。

两次瞄准起始点102的读数之差称为“归零差”。

图3.5测量数值

③盘右位置：

倒转望远镜，逆时针方向依次照准102、105、104、103、102各目标，读数并记录，以上称为下半测回。

上、下半测回合称一个测回。

为提高测角精度，要观测n个测回，各测回要按1800/n配置起始方向水平度盘读数值。

④计算

两倍视准轴误差

2C=盘左读数-（盘右读数±180°）

计算各方向的平均读数

平均读数=[盘左读数+（盘右读数±180°）]/2

计算归零后方向值

归零后方向值=各方向的平均读数-起始方向平均读数

3.2测设导线网应注意的原则

导线测量是测设控制点很具作业弹性的一种方法，导线测量精度可能很，高也可能很低，关键在如何掌握所有可影响测量成果的因素，针对此一目的，本节将就导线网测设提出应予特别注意的作业原则。

1、测区外围应有足够数量的已知控制点：

无论地面控制网或航测空中三角测量，内插型的几何强皆优于外延型。

2、依引用三角点的间距大小对导线适当分级分别施测：

以现今电子测距应用遍，二等以下各级三角点以导线网方式加控制点均十分合宜，重要者应考虑三角点间距配合最下级控制点之图根功能，将导线网分级以逐渐缩短边长的加密方式测设所需设的控制点。

3、应选择适当等级（间距）以上的导线埋设标石：

标石的埋设与维护为保持控制测量成果的唯一最佳方法，配合近年测量仪器、方法演进，应慎重考虑埋设永久标石的适当间距，一般规定，地籍用图根点的埋设距为（150-300）米。

4、应适当限制各级导线网结点间的站数：

限制导线站数为保证导线精度的必要措施，一般要求：

导线路线之测站数，在10点左右为宜。

5、选择适当方法解决导线网的平差计算问题：

采用整体平差或分级平差？

简易平差或严密平差？

这中间可以有很多选择，重要者以使用方便，限制较少且不致严重损失成果精度者为佳。

以往计算以人工计算、导线计算是一复杂的工作，故以简易平差方式进行，简易平差对小地区且精度要求不高的导线尚可，然遇大地区或精度要求较高的导线，应进行严密平差，尤其当今利用计算机计算，已非常方便。

以后的趋势，传统的简易平差将会被严密平差所取代。

6、适当控制观测精度及可靠度：

今日测量仪器其量测精度可以很高，但如疏忽仪器的检定校正施测时的每一步骤及其它有关因素未能充分掌握使其合乎规定，仍可能产生较大的误差甚或错误。

3.3图根点测量

图根测量通常用附和导线，导线网，支导线的布网方式。

具体方法不再详述，图根导线测量的技术要求见表3.1。

图根导线的边长已充分考虑复杂居民点的实际情况，目的是在控制点上能直接测到碎部点。

对特别隐蔽的地方，碎部点离开控制点的距离也会约束在较短的范围内。

表3.1图根导线技术参数表

等级

附和导

线长度/km

测距

中误差

/mm

测角

中误差

/（″）

导线全长相对闭合差

水平角观测

测回数

方位角闭合差

/（″）

距离测回数

DJ2

DJ6

一级

1．5

±12

±12

1/6000

1

2

±24

2

二级

0．75

±12

±20

1/4000

1

1

±40

1

3.3.1无定向导线

在日常测量工作中，一些原有的控制点经常被破坏时，有时很难找到两个能相互通视的点。

如果在加密控制点时仍然采用附（闭）和导线和导线网，势必回增加费用，延长时间，难以及时满足变更地籍测绘的要求。

虽然无定向导线也是一种控制加密手段，但与其他种类的导线相比，却存在精度难以估算，检核条件较少等问题，故在一些测绘规范中并未作为一种加密方法被提及。

随着测角、测距技术和仪器的发展，在满足一定的条件下，也可布设无定向导线。

图3.6测量数值

无定向导线检核条件少，在具体应用时要求注意如下几点：

（1）首先对高级点作仔细检测，确认点号正确，点位未动时可使用。

（2）应采用高精度仪器作业

（3）无定向导线中无角度检核，因此在进行角度测绘时应特别小心。

一般说来，转折角应观测左右角，距离应往返测，并保证误差在相应的限差范围内。

（4）无定向单导线有一个多余观测，即有一个相似比M，规定

＜10-4的无定向导线才是合格的。

（5）对无定向导线采用严密平差软件或近似平差软件进行平差计算，软件中最好有先进的可靠性分析功能。

3.3.2前方交会法

1、前方交会原理

如图3-6，已知A、B点的坐标分别为（xA，yA）、（xB，yB），在A、B两点设站，测得A、B两角，通过解算三角形算出未知点P的坐标（xP，yP）。

а

AB=arctan

（3.1）

xP-xA=（yP-yA）•cotаAP

xP-yP•cotаAP+yA•cotаAP-xA=0（3.2）

xP-xB=（y