GPS-RTK和數字測量在管線測量中應用分析與研究

馬旭輝

[摘要] 通過對阿爾及利亞ZOUIA輸水工程項目中輸送管線測量應用實例分析,對GPS RTK和全站儀在線路中的數字測量技術和項目施工管理提出了具體有益的結論和建議。

[關鍵詞] 線路測量GPS測量管線測量數字測量

引言

ZOUIA水源地位于阿爾及利亞與摩洛哥邊境交界處,此處地下水豐富,是阿爾及利亞西部為數不多的主要生活飲用地下水源地之一。ZOUIA輸水工程項目輸送目的地主要是內陸的特萊姆森省及周邊地區(qū),該項目監(jiān)理單位是阿爾及利亞水利工程與技術咨詢公司(CTH),該工程有關地形圖測量由CTH聯(lián)合我駐阿單位進行共同測量,包括海水淡化廠開工自來水輸送管線1:2000比例尺帶狀地形圖測量、BOUHLOU站址1:200比例尺地形圖測量及輸水線路縱斷面圖測量三部分內容,采用GPS和全站儀等數字測量軟硬件技術進行了聯(lián)合施測。

1. 作業(yè)依據

①業(yè)主提供的《ZOUIA輸水工程項目輸水管線及BOUHLOU站址地形測量工作要求》;②業(yè)主提供的測量范圍書《SCOPE OF WORK FOR TOPOGRAPHICAL SURVEY FOR PIPELINE ROUTES》;③中華人民共和國標準《全球定位系統(tǒng)(GPS)測量規(guī)范》(GB/T 18314-2001);④中華人民共和國標準《工程測量規(guī)范》(GB 50026-93);⑤中華人民共和國標準《國家三、四等水準測量規(guī)范》(GB 12898-91);⑥阿爾及利亞國當地的有關法律、法規(guī)及標準;

2. 測區(qū)已有資料和利用已知點情況

2.1 測區(qū)已有資料。在該管線附近有OGM3-2、D41兩個D級GPS已有測量控制點,標石保存完好。該已知D級GPS控制網(點)的驗算及平差后的精度。

上述兩個D級GPS控制點的坐標和高程精度可滿足該管線E級GPS控制網的起算點精度要求。

2.2 利用已有資料情況

2.2.1參考坐標系統(tǒng)。本地區(qū)所采用的平面坐標系統(tǒng)為Clarke-1880施工坐標系統(tǒng)(3E+)。

2.2.2 高程系統(tǒng)。采用地中海高程系統(tǒng),具體為平均海拔高(M.S.L.)。

2.2.3 WGS-84到施工坐標系統(tǒng)(3E+)七參數的求解。使用臨近的已有的輸送管線線路測量項目的已有基準轉換參數。

本測區(qū)平面及高程控制測量采用GPS-RTK的方法施測。

3. 平面與高程控制測量

3.1 E級控制網的布設。E級GPS控制點在D級GPS控制點下按設計管線的轉點樁布設,并在BOUHLOU站址附近布設了兩個施工控制點。

3.2 E級GPS控制點的測量方法。本測區(qū)E級GPS控制點采用GPS-RTK的方法施測。

GPS-RTK有一個參考站和數個流動站組成,參考站設在D級GPS控制點上實時接收GPS衛(wèi)星信號并進行載波相位和偽距測量,通過數據鏈實時將參考站的精確坐標、觀測值、衛(wèi)星運行情況以及參考站的工作狀態(tài)發(fā)送給流動站。流動站在接收GPS衛(wèi)星信號并進行載波相位和偽距測量的同時,實時接收參考站的觀測值和其他相關數據,利用GPS控制器內置的實時處理軟件,實時地解算出參考站到流動站間的基線向量和流動站的點位坐標。本測區(qū)采用南方生產的天王星9800GPS-RTK雙頻接收機觀測,該儀器動態(tài)測量的標稱精度平面為:1cm+1ppm×D,高程為:2cm+1ppm×D;作業(yè)模式為1+2即一臺參考站2臺流動站。

3.3 參考站的選擇。參考站選在地勢較高、交通方便、周圍無高大障礙物、無大功率發(fā)射源(如電視臺、微波站、無線電發(fā)射站等)和高壓輸電設備以及影響GPS信號接收的反射物(如大面積水域、大型建筑物)并有利于衛(wèi)星信號的接收和電臺發(fā)射的D級GPS控制點上。本測區(qū)采用OGM3-2作為參考站。

3.4 觀測。觀測前首先將七參數、已知點坐標和待測點精度要求(平面按E級GPS控制點的精度設置,高程按三角高程的精度設置)輸入流動站終端(手簿)內;觀測時,將流動站對中桿扶直、扶穩(wěn),以保證其接收信號的穩(wěn)定性;當流動站終端(手簿)上顯示的點位中誤差符合要求后進行坐標數據的存貯,然后遷至下一站。每個E級GPS點獨立(關機或衛(wèi)星失鎖)觀測兩次,取中數作為該點的最終成果。為確保E級GPS點的精度,在作業(yè)的過程中對D級GPS控制點D41進行了檢測,其坐標較差為δx=1.2cm、δy=2.0cm、δh=2.6cm。該測區(qū)E級GPS控制點兩次測量較差

參考站到流動站的距離最大為7.0km。

3.5 數據處理。外業(yè)觀測結束后,將流動站終端(手簿)中采集的數據傳送到經過鑒定的“DATA TANSFER”數據處理器中,然后按施工坐標系(3E+)成果輸出。

3.6 高程控制測量,本測區(qū)E級控制點的高程采用水準儀作業(yè)模式,并要根據工程需要沿線加設次級水準控制點。

4. 管線中線定位及中線樁放樣數字測量

管線中線樁的定位及放樣采用天王星9800GPS-RTK雙頻雙頻接收機放樣,作業(yè)模式為1+2?；鶞兽D換所使用的參數與E級GPS測量相同,放樣點的精度為±0.05m,基準站到放樣點的距離最大為7.0km。放樣點的坐標由BOUHLOU站址起原則上每200m一點,當地形起伏較大時適當加密,本測區(qū)共計放樣中線樁45點。為便于后續(xù)測圖,在放樣中線樁的同時用GPS-RTK的方法施測了中線樁點位的高程(這樣中線樁就可以作為圖根點使用),圖根控制點的平面坐標和高程成果取值精確至0.01m。

5. 帶狀地形圖和縱斷面圖數字測量

采用拓普康全站儀極坐標測記法施測出數字帶狀地形圖和縱斷面圖。外業(yè)數據直接存入全站儀內存中,然后傳輸至計算機中,進行計算機輔助成圖。外業(yè)測繪時同時繪出草圖,對各種地物、地貌特征點順序編號。所標注的測點編號與儀器內的記錄號相對應,草圖上注明各種地物名稱和地物屬性,對地形要素之間的相互關系標注清楚后,對相關同類地物做出編輯處理,然后內業(yè)編輯成圖。測繪碎部點時,由全站儀進行數據的數字測量及存儲,現場計算出測點的三維坐標。其中水平角、豎直角、距離的觀測值限差,全站儀可自動嚴格按規(guī)范技術指標要求執(zhí)行,杜絕了數據傳輸、計算上的錯誤。在進行縱斷面圖測量時,對沿線路走向和與線路交叉的地下電纜、天然氣管線、水線等進行了探測,測量定位了地下管線的走向和深度。

6. BOUHLOU站址數字地形測量

采用全站儀極坐標測記法施測數字地形圖,地形點的間距為10m,等高距為0.5米。

7. 內業(yè)成圖

內業(yè)成圖采用中國南方測繪儀器公司開發(fā)的CASS5.1繪圖編輯軟件配合繪圖機輸出。內業(yè)成圖中的地物、地貌的顯示原則及整飾、注記的方法均按有關規(guī)范和圖式要求執(zhí)行,由于甲方要求為法語,所以又將圖件中的中文標注全部翻譯成法語。

8. 結論

①過以上分析,并且通過對帶狀地形圖和縱斷面圖等的質量檢查,確定該測量工程成果質量可靠、精度優(yōu)良,完全滿足今后規(guī)劃設計及施工的需要。②在進行靜態(tài)GPS外業(yè)觀測過程時應嚴格按照有關規(guī)范中的操作規(guī)程進行,尤其注意:每一觀測時段,接收機不得關閉和重新啟動;不準中途改變衛(wèi)星高度角的限值和天線高,不得碰動天線和阻擋信號;應在每觀測時段前后量取天線高各1次取平均值等。③RTK在樹多、靠近房屋的地方接受信號難,固定太慢,此時除要盡量使RTK基準站立在較為有利的地方外,若用全站儀與GPS RTK技術聯(lián)合作業(yè),可以優(yōu)勢互補,大大提高作業(yè)效率。④一般要求RTK在一個工作區(qū)域范圍內至少有4個校正點,而且最好使工作區(qū)域包含在校正點所形成的區(qū)域內,因在之外的工作區(qū)域測量精度會有所降低,隨距離漸降。還有,校正點宜盡量在工作區(qū)域內分布均勻。⑤GPS得到的是大地高,而實際采用的是正常高。需要將大地高轉化為正常高。而測區(qū)的高程異常是未知數,且高程異常的變化較復雜,特別在山區(qū)精度差。此外,線路要求約每隔4公里設置水準點,而有些環(huán)境不能滿足GPS觀測的條件,采用高程擬合的方法擬合的高程精度不能得保證,完全用GPS替代等級水準難度度,因此本次作業(yè)采用水準測量獲取高程成果。⑥經實地測量比較,采用GPS高程測量可部分代替線路測量中的山地或丘陵等困難地區(qū)及常規(guī)的跨越障礙的高程測量。⑦對交叉跨越物進行測量,可利用RTK設備放樣指示功能確定施工線路同被跨越物的走向范圍等,按技術要求的允許跨越距離,通過采集偏移數據,對跨越物碎部點測量,可計算出跨越物是否拆除及拆除面積等。⑧內外業(yè)質量檢查應包括數學基礎(圖廓點、公里網交點、控制點等)檢查、平面和高程精度檢查、接邊精度的檢測、屬性精度的檢測、邏輯一致性檢測、整飾質量檢查及附件質量檢查等全部規(guī)范要求的內容。檢測結果應建立并保留可靠的質量統(tǒng)計表格和野外檢測報告。⑨在進行坐標和高程系統(tǒng)轉換時,應首先按照已知點資料和業(yè)主的技術要求檢測已知點的可靠性;并在有條件時聯(lián)測當地國家或地方坐標系統(tǒng)的高精度的測量控制點,最后應提交至少包括WGS-84及當地坐標和高程系統(tǒng)兩套成果;若在無控制點區(qū)域,應盡量采用全球通用坐標系統(tǒng)WGS-84及符合當地國家的投影方式來設置站址坐標系,以方便今后長遠擴建發(fā)展使用。⑩在進行線路測量時,應充分利用先進的手持、靜態(tài)、動態(tài)的GPS和對講機及全站儀等數字測量軟硬件技術優(yōu)勢,尤其是其測圖及施工放樣功能,這樣能顯著地提高作業(yè)質量和效率。

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