楊維林
(天津市勘察院測量公司,天津300191)
基于RTK技術(shù)的城市工程測量研究
楊維林
(天津市勘察院測量公司,天津300191)
以RTK技術(shù)在城市工程測量中的應(yīng)用為研究對象,從RTK技術(shù)在城市工程放樣測量、地形測量及控制測量三個方面對這一問題進行探討。
RTK技術(shù);工程測量;控制測量;地形測量
GPS問世以來,作為測量和空間定位新技術(shù),已廣泛應(yīng)用于陸??疹I(lǐng)域的定位、導(dǎo)航和測量,在大地測量及工程測量應(yīng)用領(lǐng)域中產(chǎn)生了前所未有的變革。隨著GPS技術(shù)的不斷發(fā)展,其應(yīng)用已遍及各種測量領(lǐng)域,特別是GPS實時動態(tài)差分RTK技術(shù)的迅速發(fā)展和完善在常規(guī)測量領(lǐng)域里得到了越來越廣泛的應(yīng)用。
1)GPS誤差源。GPS測量中出現(xiàn)的各種誤差按其來源大致分為三類:① 與衛(wèi)星有關(guān)的誤差:主要包括衛(wèi)星星歷誤差、衛(wèi)星鐘的誤差、地球自轉(zhuǎn)的影響和相對論效應(yīng)的影響等;② 信號傳播誤差:主要為電離層影響、對流層影響、多路徑效應(yīng)的影響等;③觀測設(shè)備和接收設(shè)備即儀器誤差的影響也很大。通??赏ㄟ^采用適當(dāng)?shù)姆椒p弱或消除上述誤差的影響。
2)RTK的誤差源:①基準(zhǔn)站點位精度的影響;②模糊度解算誤差;③動態(tài)基線解算誤差;④坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換誤差;⑤天線對中等人為產(chǎn)生的誤差。其中②、③項的解算,程序已被編入主機,其誤差已得到了控制,坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換誤差在于如何解算坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)。因此,外業(yè)過程中特別注意氣泡居中等操作要求,以減少偶然誤差,消除人為誤差,提高精度。
3)局限性:① 在樹木茂密及城市高樓地區(qū),GPS信號受到遮擋,無法作業(yè);② 數(shù)據(jù)鏈?zhǔn)馨l(fā)射功率及地形障礙物阻擋影響,致使RTK作用距離有限,一般丘陵地區(qū),城區(qū)為5 km;③數(shù)據(jù)鏈容易受到干擾,距房屋、樹木較近處信號接收較難。在稍有樹木遮擋的地方需幾十分鐘才能測定坐標(biāo)。
一般作業(yè)方法是:首先確定控制點及其坐標(biāo)系、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)的求解方法。把放樣點的坐標(biāo)或線及樁號成批地存入掌上電腦RTK手簿中。選擇地勢高、無干擾、寬闊的已知點架設(shè)基準(zhǔn)站,設(shè)置好基準(zhǔn)站,使接收機至少能收到5顆以上衛(wèi)星,數(shù)據(jù)鏈發(fā)射正常,測量人員設(shè)置好流動站,在快速初始化完成后可以開始作業(yè)。從RTK手簿中讀取當(dāng)前測量點距放樣點或線的縱橫坐標(biāo)差Dx、Dy、S以及方位,并以圖形方式顯示出來,同時顯示測量的點位精度水平,當(dāng)精度水平達到期望值時可結(jié)束該點的放樣,操作起來比較直觀、方便。采用RTK放樣,單人就可以作業(yè),工作效率很高。同時,作業(yè)時不必布測常規(guī)的導(dǎo)線,節(jié)省了大量的人力,在道路條件差的地方相當(dāng)方便。如在某廠區(qū)的道路放樁中,該地區(qū)灌木、小葉樹密度高,如果用全站儀放樁,必須花費大量的人力去砍樹開路以便通視,并且還需要布置導(dǎo)線,采用RTK方法能夠省去這些艱難的工作,常規(guī)方法需要10天的工作,使用該方法約2天即可完成。高程測量方面,GPS測量的高程誤差與常規(guī)水準(zhǔn)不同。它主要取決于擬合面與大地水準(zhǔn)面的符合程度。實踐已經(jīng)證明了GPS進行高程控制測量的可行性。為提高高程精度,可采用適當(dāng)控制流動站與基準(zhǔn)站的距離,以及選擇合適的高程擬合方法,在小范圍及地形起伏不大的地區(qū),一般可獲得優(yōu)于±0.1 m的精度水平。
RTK技術(shù)定位有動態(tài)定位和快速靜態(tài)定位兩種測量模式。兩種定位模式相結(jié)合,在公路工程中的應(yīng)用中可以覆蓋公路勘測、施工放樣、監(jiān)理和GIS前端數(shù)據(jù)采集。
1)動態(tài)定位測量前需要在一個控制點上靜態(tài)觀測數(shù)分鐘(有的儀器只需2~10 s)以進行初始化工作,之后流動站就可以按預(yù)定的采樣間隔自動進行觀測,并連同基準(zhǔn)站的同步觀測數(shù)據(jù),實時確定采樣點的空間位置。目前,其定位精度可以達到厘米級。動態(tài)定位模式在公路勘測階段有著廣闊的應(yīng)用前景,可以完成地形圖測繪、中樁測量、橫斷面測量、縱斷面地面線測量等工作。測量2~4 s,精度就可以達到±(1~3)cm,且整個測量過程不需通視,有著常規(guī)測量儀器(如全站儀)不可比擬的優(yōu)點。
2)快速靜態(tài)定位模式要求GPS接收機在每一流動站上,靜止地進行觀測。在觀測過程中,同時接收基準(zhǔn)站和衛(wèi)星的同步觀測數(shù)據(jù),實時解算整周未知數(shù)和用戶站的三維坐標(biāo),如果解算結(jié)果的變化趨于穩(wěn)定,且其精度已滿足設(shè)計要求,便可以結(jié)束實時觀測。一般應(yīng)用在控制測量中,如控制網(wǎng)加密;若采用常規(guī)測量方法(如全站儀測量),受客觀因素影響較大,在自然條件比較惡劣的地區(qū)實施比較困難,而采用RTK快速靜態(tài)測量,可起到事半功倍的效果。單點定位只需要5~10 min(隨著技術(shù)的不斷發(fā)展,定位時間還會縮短),不及靜態(tài)測量所需時間的1/5,在公路測量中可以代替全站儀完成導(dǎo)線測量等控制點加密工作。
由于RTK測量在20 km內(nèi)點位平面標(biāo)稱精度為±3 cm,根據(jù)控制測量規(guī)范要求Ⅰ級導(dǎo)線點的點位誤差為±5 cm,從理論上講RTK測量完全可以滿足Ⅰ級以下導(dǎo)線點的技術(shù)規(guī)范要求。在某工程道路放樁RTK測量中,我們對距離基準(zhǔn)站1~6 km的一些四等GPS控制點采用一點法進行檢核比較,結(jié)果表明平面坐標(biāo)分量最大差值為3.1 cm,高程最大差值為4.9 cm,完全符合Ⅰ級導(dǎo)線點的規(guī)范精度要求。某工程1∶1 000數(shù)字地形圖測繪任務(wù),測區(qū)長約7 km,寬0.7 km,面積約5 km2。整個測區(qū)采用Ashtech Z-X雙頻GPS接收機,用靜態(tài)法共布測了5個四等GPS點,21個一級GPS點,點位均勻分布,最弱點點位中誤差 Mx為 ±4.0 cm,My為 ±3.9 cm,并聯(lián)測了四等水準(zhǔn)高程。為了進一步檢核Ashtech Z-X雙頻GPS系統(tǒng)的測量精度,采用GPS控制點聯(lián)測法均勻地檢測了其中12個GPS控制點,基準(zhǔn)站布設(shè)在測區(qū)中間。GPS測量坐標(biāo)值與靜態(tài)聯(lián)測法坐標(biāo)值的較差X坐標(biāo)中誤差為±3.1 cm,Y坐標(biāo)中誤差為 ±2.3 cm,H高程中誤差為 ±5.0 cm,結(jié)果完全可滿足Ⅰ級導(dǎo)線點(5點以下)的規(guī)范精度要求。盡管GPS測量的標(biāo)稱精度及實測精度完全滿足Ⅰ級導(dǎo)線點5點以下的規(guī)范精度要求,但目前的規(guī)范對利用GPS測量進行Ⅰ級導(dǎo)線甚至更高精度的控制測量,其采集數(shù)據(jù)的方法、數(shù)量等還沒有明確的規(guī)定,因此還需要用大量的實踐來證實。實際測量中還必須采取足夠的檢核手段,確保測量的準(zhǔn)確性。
1)GPS作業(yè)時由于每個測點都是獨立的觀測量,缺乏相關(guān)聯(lián)的檢核手段,因此,在作業(yè)前后,在測區(qū)內(nèi)找均勻分布的已知控制點進行檢核,是目前較好的檢核手段。
2)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換方法,如控制聯(lián)測法、單點法等所測量的點位精度不同,作業(yè)時應(yīng)依據(jù)任務(wù)要求、測區(qū)大小使用不同的方法。
3)RTK采用VHF超高頻無線電波作數(shù)據(jù)鏈,容易受到電信發(fā)射塔、無線電臺、高壓電等干擾以及地形起伏條件的影響。因此,基準(zhǔn)站應(yīng)盡可能遠離干擾源,并位于地勢高處。
4)RTK系統(tǒng)測量時儀器的連線電纜配件較多,特別是基準(zhǔn)站發(fā)射電臺的鞭狀天線價格昂貴且目前國內(nèi)沒有替代產(chǎn)品,因此注意保護儀器、防止人為丟失及損壞而影響工作正常進行也是值得注意的問題。
RTK實時動態(tài)測量技術(shù)是繼GPS全球定位技術(shù)之后,測量領(lǐng)域的又一次技術(shù)革命。它改變了傳統(tǒng)的測量模式,能夠?qū)崟r提供厘米級定位精度,能夠在不通視的條件下遠距離傳輸三維坐標(biāo)。應(yīng)用于城市測量中,RTK能夠快速準(zhǔn)確地布設(shè)控制點,彌補由于城市日星月異的發(fā)展所造成低等級導(dǎo)線點毀壞的損失,減輕由于城市高速發(fā)展而給測繪人員造成的時間壓力。RTK測量需要的測量人員少,作業(yè)時間短,工作效率高,并且RTK測量成果都是獨立觀測值,不會像常規(guī)測量那樣造成誤差積累。當(dāng)然,RTK技術(shù)快速、靈活的作業(yè)方式有賴于足夠的衛(wèi)星數(shù)、穩(wěn)健的數(shù)據(jù)鏈、較小的多路徑效應(yīng)等外界條件,在城市環(huán)境下更顯得突出,有時會出現(xiàn)無法正常作業(yè)的情況,這就需要不斷完善RTK技術(shù),探討先進的作業(yè)方式。隨著RTK技術(shù)的日趨成熟,它必將會更好地服務(wù)于城市測量。
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On Urban Engineering Survey Based on Real-time Kinematic Technique
YANG Weilin
0494-0911(2010)11-0036-02
P258
B
2010-03-05
楊維林(1977—),男,貴州安順人,工程師,主要從事城市工程測量工作。