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摘要：随着社会的发展与进步，重视应用GPS技术布设大型桥梁施工测量控制网在工程实践中具有重要的意义。本文主要介绍利用GPS技术布设王家沟大桥（特大型桥梁）施工测量控制网的有关内容。
关键词测量；施工；技术；桥梁；方案；系统；设计；
中图分类号：K928.78文献标识码： A 文章编号：
引言
桥梁施工控制测量网的目的是确保桥梁轴线、墩台位置在平面和高程位置上符合设计的精度要求。桥梁工程测量的任务主要包括在规划阶段的地形图测绘、在建设阶段的桥墩桥台和跨越结构放样，在运营阶段的变形监测等。因此桥梁施工控制网的质量将直接影响到工程的总体质量。鉴于此,为确保工程施工的高质量,必须对施工控制网的布设方案要进行充分认真的研究,综合各种实际情况,解决如下两个问题:①必须明确在目前的经济、技术条件下采用何种建网方法才能更经济、有效地建立大型桥梁施工控制网；②建网方式选定后,针对这种建网方式究竟还需要考虑哪些因素,才能设计出科学合理的高精度控制网。这样才能进行科学合理的设计和实施。
一、王家沟大桥工程简况
王家沟大桥位于重庆两江新区两江大道上，双向八车道，桥梁全长1031米（K3+963.745-K4+994.745），大桥在K4+400米处跨越渝利铁路、渝万高速铁路；在K4+740处与一横线(两江新区主干道)相交,采用三层立交,通过八条匝道与一一横线相连接。该桥为特大型预应力混凝土箱梁结构桥梁。建桥区域沟壑纵横、高差大、地形复杂，采用传统的施工控制网的建立方法，困难较大，效率较低，精度也难以满足要求。
二、GPS简介及其测量特点
GPS（Global Position System）能为用户提供精密的三维坐标、速度和时间等技术参数的新一代测量技术。它具有全球性、全天侯、连续性、实时性等特性，广泛用于大地、工程、航空摄影测量以及地形测量等各个方面。在工程测量方面，GPS主要有以下特点：
（1）长距离、大范围。量测的范围和间距，不再受天气及“视线”长度的制约。测站之间无需通视，这样既可大大减少测量工作的成本和时间，又使点位的选择变得甚为灵活。
（2）高精度。量测精度相对于传统大地测量而言，已提高1-2个数量级。
（3）实时、快速。外业观测和内业数据处理几乎可以在同一时间段内完成，即实时或准实时的完成。E级GPS测量用于测图、施工等控制测量，在每个测站上的观测时间一般在1-2小时左右，采用快速静态定位的方法，在小于20km的短基线上，只需5min观测时间即可。
（4）“四维”。能提供在合理复测周期内有时间序列的（时间或历元）、高于10-7相对精度的测量数据。
（6）地心。测得的位置、高程等成果，是以维系卫星运动的地球质心为坐标原点的三维测量数据。
三、GPS桥梁控制网布设原则
根据以上控制网的实际与桥位区的地形条件以及桥梁本身的特点，进行图上初步设计，然后到实地踏勘选点。对于GPS控制点选点时需注意以下几个方面:
1、根据GPS观测要求，要减弱干扰，保证卫星信号的正常接收，确保观测质量，控制点要布设在四周开阔，在地面大于150的范围内不得有障碍物，同时要减少多路径效应，控制点周围不得有强反射面，尽量避开高压线。
2、控制点应便于发展。
3、为了提高网点的精度与可靠度，不允许出现支点。
4、点位需布设在稳固且宜长期保存处。
5、为了满足桥梁采用常规方法施工放样的需要，每个控制点应至少与两个方向通视，同时注意控制点与主要放样建筑物的几何图形强度。
四、控制网方案设计
4. 1 自然条件分析及资料收集
分析王家沟大桥的区域地形、地质、气象以及地下水位等不利因素的影响, 采取相应的措施，确保控制网的质量, 为桥梁精确施工提供了一个可靠的技术保证。收集测量资料、桥位区域及周边已有的高等级平面或高程控制网、大比例尺地形图和桥址地形图。
4. 2 GPS 控制网精度的确定
通常根据桥式及桥长( 又称跨越结构) 的允许误差或桥墩放样的容许误差来确定施工控制网的必要精度。实践中可根据上述两种方法结合相应规范及具体桥梁特点综合确定, 规范执行《全球定位系统( GPS) 测量规范》（GB/T18314-2009）。王家沟大桥在实践中采用E级精度布设GPS控制网。
4. 3 GPS 控制网坐标基准的建立与选取
对设计文件给出的控制网进行全面复测与校核, 检查其作为基本点的可行性。GPS 控制网坐标基准的选取主要是为了解决如下三个方面问题:
1) 高斯投影变形问题；
2) 与两岸道路衔接与便利施工的问题；
3) 投影面的选取问题。
4. 4GPS 控制网布设
可建立有国家统一坐标系统及桥轴线坐标系统下的平面控制和统一的高程控制, 使整个桥梁工程在统一的控制网指导下, 精密地有机地联系在一起。布网时拟分别从两个方面考虑:
1) 平面控制 采用一次布网方案, 保证了网点精度均匀, 对网形设计的方案进行精度估算, 根据估算结果再调整网形, 反复地实施优化设计。可采用模拟法进行控制网的优化。
2) 高程控制 为更好地满足桥梁高程控制的需要, 拟采用国家高程控制网与 GPS 定位技术相结合来解决高程确定的问题。在工程区域内, 如何建立确切的高程异常模型, 实现 GPS 大地高向正常高的转换, 一直是国际上 GPS 测绘应用领域的重要研究课题。也是本方案要研究的核心问题。设计方案為:
①根据桥梁的 GPS 控制网的布设情况, 在桥梁的轴线方向加测若干 GPS 点；
②将这些 GPS 点与桥梁控制网中的其他控制点联合平差得到这些 GPS 点的大地高；
③再用常规水准测量的方法测量这些点的正常高。
此外, 首级平面和高程控制网的建立为了兼顾大桥勘测、施工、运行的长期过程以及放样的高精度要求, 根据需要而方便地复测和进一步的加密。
4.5 GPS控制网的网形设计
GPS网常用的布网形式有以下几种形式：
（1）跟踪站式
这种方式的观测方法是在不同的测站上，固定数台GPS接收机，常年不间断的连续观测。这种形式的GPS网，由于连续观测的观测时间长、数据量大，会产生很对的多余观测数据，能够达到很高的精度。在建立GPS跟踪站中，这种布网形式采用较多，而对于普通用途的GPS网来说就没有必要采用这种方式。
（2）会战式
这种方式的GPS网，首先将多台GPS接收机组织起来，在某段特定的时期内，一次性共同作业，GPS网点分批完成，具体的操作方法是：首先将接收机放在某批点上进行多天、长时段的同步观测，测量一组数据后，再将接收机移至另外一批点上，采用相同的方式进行观测，直到测量完所有的点。这种方式的GPS网的精度较高，尤其是在尺度精度方面的优势明显，一般在布设A、B级网中应用较多。
（3）同步图形扩展式
这种方式是指GPS网以同步图形的形式相互连接，并且扩展，从而构成了具有一定数量的独立环。具体的操作过程是：将多台接收机放置在不同的测站上，在一段时间内进行同步观测，然后迁移到其它的测站，用同样的方法进行测量，每次的观测形成一个同步图形。这种形式能够提高扩展的速度，图形强度也较高，方法简单可靠，是布设GPS网时最常用的一种布网形式。
五、王家沟大桥高程拟合实例及分析
大桥施工控制网有 10 个控制点, 高程采用水准观测, 采用成熟的平差软件进行计算, 获得各点的 GPS 大地高和正常高。分别采用二次曲面、多面函数和抗差估计方法进行高程拟合。选用均匀分布的 IVI1555、IVI1556、IVI1557、IVI1558、IVI1559 为已知点进行拟合, 其已知数据如下表所示。
采用曲面法、函数法、抗差法进行高程拟合, 所得的高程与已知高程相比较, 大多数点都符合工程施工的要求。采用二次函数法, 多面函数法, 两步抗差多面函数法进行高程拟合。
在加入粗差时, 二次法与多面函数法拟合的结果与已知值相差较大, 特别是二次函数曲面法, 差值最大达到了 4 个多厘米, 多面函数法也达到 2cm 多, 因而, 可以说当数据中存在一定的粗差时,这两种方法所得的结果与实际的差值较大。两步抗差估计高程拟合方法, 其结果与没有粗差时变化不大, 将含有粗差项的影响降到最小。因此, 在没有粗差影响的情况下, 二次曲面法、多面函数法都能比较好的拟合出高程, 得到精度比较高的结果。当存在粗差时, 二次曲面法、多面函数法都没有抗击粗差的能力, 受粗差影响, 所得结果与实际值相差较大, 两步抗差估计拟合法能抵抗粗差的影响,得到比较优良的结果。
结束语
综上所述, 利用 GPS 布设桥梁施工控制网, 在设备、精度、质量、可操作性、劳动强度、时间效率等方面, 比传统建立控制网方法具备综合优势。用GPS 定位技术建立高精度的桥梁施工控制网, 在精度上完全可以滿足桥梁施工测量的要求, 并提高了作业效率。两步抗差应用于高程拟合, 对于含有多个粗差的处理效果尤为明显, 对于含粗差比较大的观测值进行了剔除, 对于可疑的观测值进行迭代进一步降权, 使其对应的估计值较优。本工程实践表明本方案较为经济、实用、方便, 建议在施工现场推广应用。
参考文献
[1] 李剑坤. 万县长江大桥 GPS 平面控制网测量[J] . 铁路航测, 2003(1): 37-38.
[2] 黄建学, 吴清文. 云阳长江公路大桥 GPS 控制网的设计与实践[J] . 现代测绘, 2003(4): 24-25.
[3] 王兴国, 石 震. 厦门集美大桥首级 GPS 控制网建立若干技术问题探讨[J]. 测绘技术装备, 2009( 2): 19-22.
[4] 高诚鹏. 应用全球卫星定位( GPS) 技术建立桥梁施工控制网[J] . 福建建筑, 2008(2): 64-66.
[5] 杨一挺. 杭州湾跨海大桥首级 GPS 控制网的设计与施测[J].测绘通报, 2005(10) : 33-37.
关键词测量；施工；技术；桥梁；方案；系统；设计；
中图分类号：K928.78文献标识码： A 文章编号：
引言
桥梁施工控制测量网的目的是确保桥梁轴线、墩台位置在平面和高程位置上符合设计的精度要求。桥梁工程测量的任务主要包括在规划阶段的地形图测绘、在建设阶段的桥墩桥台和跨越结构放样，在运营阶段的变形监测等。因此桥梁施工控制网的质量将直接影响到工程的总体质量。鉴于此,为确保工程施工的高质量,必须对施工控制网的布设方案要进行充分认真的研究,综合各种实际情况,解决如下两个问题:①必须明确在目前的经济、技术条件下采用何种建网方法才能更经济、有效地建立大型桥梁施工控制网；②建网方式选定后,针对这种建网方式究竟还需要考虑哪些因素,才能设计出科学合理的高精度控制网。这样才能进行科学合理的设计和实施。
一、王家沟大桥工程简况
王家沟大桥位于重庆两江新区两江大道上，双向八车道，桥梁全长1031米（K3+963.745-K4+994.745），大桥在K4+400米处跨越渝利铁路、渝万高速铁路；在K4+740处与一横线(两江新区主干道)相交,采用三层立交,通过八条匝道与一一横线相连接。该桥为特大型预应力混凝土箱梁结构桥梁。建桥区域沟壑纵横、高差大、地形复杂，采用传统的施工控制网的建立方法，困难较大，效率较低，精度也难以满足要求。
二、GPS简介及其测量特点
GPS（Global Position System）能为用户提供精密的三维坐标、速度和时间等技术参数的新一代测量技术。它具有全球性、全天侯、连续性、实时性等特性，广泛用于大地、工程、航空摄影测量以及地形测量等各个方面。在工程测量方面，GPS主要有以下特点：
（1）长距离、大范围。量测的范围和间距，不再受天气及“视线”长度的制约。测站之间无需通视，这样既可大大减少测量工作的成本和时间，又使点位的选择变得甚为灵活。
（2）高精度。量测精度相对于传统大地测量而言，已提高1-2个数量级。
（3）实时、快速。外业观测和内业数据处理几乎可以在同一时间段内完成，即实时或准实时的完成。E级GPS测量用于测图、施工等控制测量，在每个测站上的观测时间一般在1-2小时左右，采用快速静态定位的方法，在小于20km的短基线上，只需5min观测时间即可。
（4）“四维”。能提供在合理复测周期内有时间序列的（时间或历元）、高于10-7相对精度的测量数据。
（6）地心。测得的位置、高程等成果，是以维系卫星运动的地球质心为坐标原点的三维测量数据。
三、GPS桥梁控制网布设原则
根据以上控制网的实际与桥位区的地形条件以及桥梁本身的特点，进行图上初步设计，然后到实地踏勘选点。对于GPS控制点选点时需注意以下几个方面:
1、根据GPS观测要求，要减弱干扰，保证卫星信号的正常接收，确保观测质量，控制点要布设在四周开阔，在地面大于150的范围内不得有障碍物，同时要减少多路径效应，控制点周围不得有强反射面，尽量避开高压线。
2、控制点应便于发展。
3、为了提高网点的精度与可靠度，不允许出现支点。
4、点位需布设在稳固且宜长期保存处。
5、为了满足桥梁采用常规方法施工放样的需要，每个控制点应至少与两个方向通视，同时注意控制点与主要放样建筑物的几何图形强度。
四、控制网方案设计
4. 1 自然条件分析及资料收集
分析王家沟大桥的区域地形、地质、气象以及地下水位等不利因素的影响, 采取相应的措施，确保控制网的质量, 为桥梁精确施工提供了一个可靠的技术保证。收集测量资料、桥位区域及周边已有的高等级平面或高程控制网、大比例尺地形图和桥址地形图。
4. 2 GPS 控制网精度的确定
通常根据桥式及桥长( 又称跨越结构) 的允许误差或桥墩放样的容许误差来确定施工控制网的必要精度。实践中可根据上述两种方法结合相应规范及具体桥梁特点综合确定, 规范执行《全球定位系统( GPS) 测量规范》（GB/T18314-2009）。王家沟大桥在实践中采用E级精度布设GPS控制网。
4. 3 GPS 控制网坐标基准的建立与选取
对设计文件给出的控制网进行全面复测与校核, 检查其作为基本点的可行性。GPS 控制网坐标基准的选取主要是为了解决如下三个方面问题:
1) 高斯投影变形问题；
2) 与两岸道路衔接与便利施工的问题；
3) 投影面的选取问题。
4. 4GPS 控制网布设
可建立有国家统一坐标系统及桥轴线坐标系统下的平面控制和统一的高程控制, 使整个桥梁工程在统一的控制网指导下, 精密地有机地联系在一起。布网时拟分别从两个方面考虑:
1) 平面控制 采用一次布网方案, 保证了网点精度均匀, 对网形设计的方案进行精度估算, 根据估算结果再调整网形, 反复地实施优化设计。可采用模拟法进行控制网的优化。
2) 高程控制 为更好地满足桥梁高程控制的需要, 拟采用国家高程控制网与 GPS 定位技术相结合来解决高程确定的问题。在工程区域内, 如何建立确切的高程异常模型, 实现 GPS 大地高向正常高的转换, 一直是国际上 GPS 测绘应用领域的重要研究课题。也是本方案要研究的核心问题。设计方案為:
①根据桥梁的 GPS 控制网的布设情况, 在桥梁的轴线方向加测若干 GPS 点；
②将这些 GPS 点与桥梁控制网中的其他控制点联合平差得到这些 GPS 点的大地高；
③再用常规水准测量的方法测量这些点的正常高。
此外, 首级平面和高程控制网的建立为了兼顾大桥勘测、施工、运行的长期过程以及放样的高精度要求, 根据需要而方便地复测和进一步的加密。
4.5 GPS控制网的网形设计
GPS网常用的布网形式有以下几种形式：
（1）跟踪站式
这种方式的观测方法是在不同的测站上，固定数台GPS接收机，常年不间断的连续观测。这种形式的GPS网，由于连续观测的观测时间长、数据量大，会产生很对的多余观测数据，能够达到很高的精度。在建立GPS跟踪站中，这种布网形式采用较多，而对于普通用途的GPS网来说就没有必要采用这种方式。
（2）会战式
这种方式的GPS网，首先将多台GPS接收机组织起来，在某段特定的时期内，一次性共同作业，GPS网点分批完成，具体的操作方法是：首先将接收机放在某批点上进行多天、长时段的同步观测，测量一组数据后，再将接收机移至另外一批点上，采用相同的方式进行观测，直到测量完所有的点。这种方式的GPS网的精度较高，尤其是在尺度精度方面的优势明显，一般在布设A、B级网中应用较多。
（3）同步图形扩展式
这种方式是指GPS网以同步图形的形式相互连接，并且扩展，从而构成了具有一定数量的独立环。具体的操作过程是：将多台接收机放置在不同的测站上，在一段时间内进行同步观测，然后迁移到其它的测站，用同样的方法进行测量，每次的观测形成一个同步图形。这种形式能够提高扩展的速度，图形强度也较高，方法简单可靠，是布设GPS网时最常用的一种布网形式。
五、王家沟大桥高程拟合实例及分析
大桥施工控制网有 10 个控制点, 高程采用水准观测, 采用成熟的平差软件进行计算, 获得各点的 GPS 大地高和正常高。分别采用二次曲面、多面函数和抗差估计方法进行高程拟合。选用均匀分布的 IVI1555、IVI1556、IVI1557、IVI1558、IVI1559 为已知点进行拟合, 其已知数据如下表所示。
采用曲面法、函数法、抗差法进行高程拟合, 所得的高程与已知高程相比较, 大多数点都符合工程施工的要求。采用二次函数法, 多面函数法, 两步抗差多面函数法进行高程拟合。
在加入粗差时, 二次法与多面函数法拟合的结果与已知值相差较大, 特别是二次函数曲面法, 差值最大达到了 4 个多厘米, 多面函数法也达到 2cm 多, 因而, 可以说当数据中存在一定的粗差时,这两种方法所得的结果与实际的差值较大。两步抗差估计高程拟合方法, 其结果与没有粗差时变化不大, 将含有粗差项的影响降到最小。因此, 在没有粗差影响的情况下, 二次曲面法、多面函数法都能比较好的拟合出高程, 得到精度比较高的结果。当存在粗差时, 二次曲面法、多面函数法都没有抗击粗差的能力, 受粗差影响, 所得结果与实际值相差较大, 两步抗差估计拟合法能抵抗粗差的影响,得到比较优良的结果。
结束语
综上所述, 利用 GPS 布设桥梁施工控制网, 在设备、精度、质量、可操作性、劳动强度、时间效率等方面, 比传统建立控制网方法具备综合优势。用GPS 定位技术建立高精度的桥梁施工控制网, 在精度上完全可以滿足桥梁施工测量的要求, 并提高了作业效率。两步抗差应用于高程拟合, 对于含有多个粗差的处理效果尤为明显, 对于含粗差比较大的观测值进行了剔除, 对于可疑的观测值进行迭代进一步降权, 使其对应的估计值较优。本工程实践表明本方案较为经济、实用、方便, 建议在施工现场推广应用。
参考文献
[1] 李剑坤. 万县长江大桥 GPS 平面控制网测量[J] . 铁路航测, 2003(1): 37-38.
[2] 黄建学, 吴清文. 云阳长江公路大桥 GPS 控制网的设计与实践[J] . 现代测绘, 2003(4): 24-25.
[3] 王兴国, 石 震. 厦门集美大桥首级 GPS 控制网建立若干技术问题探讨[J]. 测绘技术装备, 2009( 2): 19-22.
[4] 高诚鹏. 应用全球卫星定位( GPS) 技术建立桥梁施工控制网[J] . 福建建筑, 2008(2): 64-66.
[5] 杨一挺. 杭州湾跨海大桥首级 GPS 控制网的设计与施测[J].测绘通报, 2005(10) : 33-37.