GPS－RTK聯(lián)合全站儀在道路施工勘察領(lǐng)域中的應(yīng)用

劉金鵬，曹先密，曹玉凱

（1.中冶集團(tuán)武漢勘察研究院有限公司 上海分院，上海 201900；2.江蘇省常州市武進(jìn)規(guī)劃與測(cè)繪院，江蘇 常州 213159；3.河南省有色地礦局第五地質(zhì)大隊(duì)，河南 鄭州 450016）

1 GPS－RTK和全站儀數(shù)字化測(cè)量的工作原理及比較

1.1 全站儀簡(jiǎn)介及測(cè)量原理

全站儀全稱為全站型電子速測(cè)儀，通常又稱為電子全站儀或電子速測(cè)儀，它是把測(cè)距測(cè)角和微處理機(jī)等部分結(jié)合起來(lái)形成一體能夠自動(dòng)控制測(cè)距測(cè)角、自動(dòng)計(jì)算水平距離高差坐標(biāo)增量的測(cè)繪儀器，同時(shí)，可自動(dòng)顯示記錄存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)輸出，全站儀實(shí)現(xiàn)了測(cè)距的發(fā)射軸、接收軸與望遠(yuǎn)鏡視準(zhǔn)軸3個(gè)軸共軸的結(jié)構(gòu)，因此，更適合于對(duì)移動(dòng)目標(biāo)及空間點(diǎn)的測(cè)量，內(nèi)部有極其豐富的測(cè)量軟件，可方便快捷地進(jìn)行操作。

1.2 GPS－RTK簡(jiǎn)介及其基本原理

RTK（Real Time Kinematic）工作原理是通過(guò)數(shù)據(jù)鏈將相對(duì)獨(dú)立的基準(zhǔn)站和流動(dòng)站上的接收機(jī)連成一個(gè)有機(jī)的整體。基準(zhǔn)站把接收到的偽距、載波相位觀測(cè)值和基準(zhǔn)站的一些信息（如基準(zhǔn)站的坐標(biāo)和天線高等）通過(guò)數(shù)據(jù)鏈傳送到流動(dòng)站，流動(dòng)站在接收衛(wèi)星信號(hào)的同時(shí)，也接收基準(zhǔn)站傳送來(lái)的數(shù)據(jù)并進(jìn)行處理：將基準(zhǔn)站的載波信號(hào)與自身接收到的載波信號(hào)進(jìn)行差分處理，即可實(shí)時(shí)求解出兩站間的基線向量，同時(shí)，輸入相應(yīng)的坐標(biāo)，轉(zhuǎn)換參數(shù)和投影參數(shù)，即可求得未知點(diǎn)坐標(biāo)。

1.3 GPS－RTK與全站儀數(shù)字化測(cè)量的比較

采用全站儀進(jìn)行測(cè)量的優(yōu)點(diǎn)是能夠直接獲取地面點(diǎn)的三維坐標(biāo)，并且設(shè)站靈活，自動(dòng)記錄，自動(dòng)計(jì)算；缺點(diǎn)是測(cè)量工作受地形和人為因素影響較大，并且要求通視，需建立足夠的控制點(diǎn)，外業(yè)時(shí)間較長(zhǎng)。GPS－RTK能夠進(jìn)行全天候測(cè)量，測(cè)站之間無(wú)需通視，工作效率較高，定位精度均勻，在地形簡(jiǎn)單、天空開(kāi)闊地區(qū)，GPS－RTK作業(yè)優(yōu)勢(shì)更加明顯。但在遇到高大障礙物的情況下，GPS接收機(jī)很難接收到衛(wèi)星和無(wú)線電信號(hào)，即使能夠得到數(shù)據(jù)，精確度也受到一定程度影響，并且單基站模式下的作業(yè)半徑也具有一定的局限性。

1.4 GPS－RTK與全站儀聯(lián)合作業(yè)方式分析

目前，單獨(dú)使用GPS－RTK或全站儀已經(jīng)無(wú)法滿足實(shí)際測(cè)量工作的需要，在施工中通常需要同時(shí)采用2種方法，即在施工進(jìn)行中使用GPS－RTK，在施工場(chǎng)地范圍內(nèi)布設(shè)少量施工控制點(diǎn)，當(dāng)GPSRTK的精度受外界環(huán)境影響時(shí)，使用全站儀。施工過(guò)程中可以隨機(jī)選取GPS－RTK測(cè)量成果并用全站儀檢核。這樣GPS－RTK的測(cè)量成果可為全站儀所用，全站儀測(cè)量值又可作為檢校GPS作業(yè)的依據(jù)，既解決了水平方向遮擋（全站儀）問(wèn)題，也解決了上方遮擋（GPS－RTK）問(wèn)題，避免了單獨(dú)使用GPSRTK或全站儀作業(yè)產(chǎn)生的局限性。

2 GPS－RTK聯(lián)合全站儀在道路勘察施工領(lǐng)域的應(yīng)用實(shí)例

2.1 施工區(qū)域概況

此次試驗(yàn)工程為揚(yáng)州市某道路地基處理工程，測(cè)區(qū)位于江都市沿江開(kāi)發(fā)園區(qū)，北臨長(zhǎng)江大堤，南距長(zhǎng)江100m，作業(yè)區(qū)呈東西方向，地勢(shì)平坦，有利于GPS－RTK作業(yè)方式的使用。

測(cè)區(qū)附近有當(dāng)?shù)貒?guó)土局布設(shè)的三等GPS控制點(diǎn)E12、E13以及業(yè)主單位布設(shè)的施工控制GPS點(diǎn)JD01、JD02、JD03、JD06，分布均勻，涵蓋場(chǎng)地全部，可以作為平面、高程起算依據(jù)。

2.2 作業(yè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

本次試驗(yàn)所采用的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)為①CH 20012－92全球定位系統(tǒng)（GPS）測(cè)量規(guī)范；②CH 10022－95測(cè)繪產(chǎn)品驗(yàn)收規(guī)定；③CH 10032－95測(cè)繪產(chǎn)品的評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)；④GPS RTK《測(cè)量技術(shù)規(guī)范》；⑤GB50208－93《工程測(cè)量規(guī)范》；⑥ GBJ202－2002《地基與基礎(chǔ)工程及驗(yàn)收規(guī)范》。

本次測(cè)量采用中海達(dá)V8雙頻GPS接收機(jī)1＋1臺(tái)套（使用GSM卡模式）；平面坐標(biāo)系統(tǒng)采用該地區(qū)獨(dú)立坐標(biāo)系；高程系統(tǒng)采用1985國(guó)家高程基準(zhǔn)。

2.3 作業(yè)過(guò)程

2.3.1 基準(zhǔn)站架設(shè)

V8雙頻接收機(jī)的優(yōu)點(diǎn)之一是可以任意設(shè)站，不需在已有控制點(diǎn)上架設(shè)儀器，此次工程使用輕便靈活、覆蓋范圍較大的手機(jī)卡發(fā)射模式作為作業(yè)模式。

2.3.2 參數(shù)轉(zhuǎn)換及公式

GPS－RTK測(cè)量所使用的坐標(biāo)系統(tǒng)為 WGS－84坐標(biāo)系，而本工程控制坐標(biāo)系統(tǒng)是地方坐標(biāo)系，因此，必須進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。通常已知地面網(wǎng)的三維坐標(biāo)是在參心坐標(biāo)系中以大地坐標(biāo)的形式表示，設(shè)為（B，L，H）；GPS的三維坐標(biāo)一般是在協(xié)議地球坐標(biāo)系中以空間直角坐標(biāo)或大地坐標(biāo)的形式給出的，設(shè)為（X84，Y84，Z84），坐標(biāo)轉(zhuǎn)換解算一般選用高斯3度帶模型，數(shù)學(xué)表達(dá)式為

式中：[Δx，Δy，Δz]為3個(gè)平移參數(shù)，εx，εy，εz為3個(gè)旋轉(zhuǎn)參數(shù)，k為尺度變化。

為求得這7個(gè)轉(zhuǎn)換參數(shù)至少需要3個(gè)公共點(diǎn)，當(dāng)多于3個(gè)公共點(diǎn)時(shí)可以按照最小二乘法求得7個(gè)參數(shù)的最或然值，對(duì)于7參數(shù)而言，參數(shù)k＝0.999987093501727，數(shù)轉(zhuǎn)換模型比較嚴(yán)密，它是既有旋轉(zhuǎn)又有平移的兩個(gè)空間直角坐標(biāo)系的坐標(biāo)換算。

當(dāng)測(cè)得已有控制點(diǎn)WGS－84坐標(biāo)并輸入相應(yīng)控制點(diǎn)（當(dāng)?shù)刈鴺?biāo)系下）的實(shí)際坐標(biāo)，進(jìn)行一一配對(duì)后，RTK手簿會(huì)自動(dòng)結(jié)算出以上轉(zhuǎn)換參數(shù)和高程改正量。一般在地形起伏變化不大的場(chǎng)地，只需兩個(gè)相應(yīng)的控制點(diǎn)做轉(zhuǎn)換參數(shù)計(jì)算，由于施工對(duì)測(cè)量精度要求較高，為能得到較精確的高程擬合網(wǎng)，選擇可以覆蓋整個(gè)測(cè)區(qū)的E12、E13、JD01、JD03、JD06等5個(gè)控制點(diǎn)進(jìn)行四參數(shù)轉(zhuǎn)換，控制點(diǎn)位置如圖1所示。

圖1 控制點(diǎn)位置

在剔除不穩(wěn)定控制點(diǎn)坐標(biāo)后，解算得平面坐標(biāo)X平移量ΔX＝101.008787190835，平面坐標(biāo)Y改正量ΔY＝ －100.61633255811，旋 轉(zhuǎn) 參 數(shù)0.000203679，尺度K＝0.999987093501727，高程改正量＝5.53815718939156，應(yīng)用后，參數(shù)轉(zhuǎn)換完成。

2.3.3 流動(dòng)站的設(shè)置及點(diǎn)校驗(yàn)

流動(dòng)站的各項(xiàng)參數(shù)設(shè)置如電臺(tái)發(fā)射頻率，電臺(tái)發(fā)射模式要與基準(zhǔn)站保持一致。在連接流動(dòng)站后手薄顯示測(cè)區(qū)上空有效衛(wèi)星數(shù)多于5顆，差分電文數(shù)為固定解1.0后，即可正常工作。為驗(yàn)證在不同時(shí)段、不同天氣下測(cè)得RTK－GPS測(cè)點(diǎn)精度的誤差是否符合施工要求及規(guī)范要求，選用測(cè)區(qū)中JD06控制點(diǎn)作為校正點(diǎn)，與其距離為800m的JD04作為檢核點(diǎn)，測(cè)量10次取其平均值，每次觀測(cè)均為180s，其結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 已知點(diǎn)檢核結(jié)果

分析可得全天候檢核觀測(cè)X坐標(biāo)誤差最大值為－2.0cm，Y坐標(biāo)誤差最大值為－1.79cm，高程誤差最大值為1.86cm，符合施工要求。

2.3.4 施工過(guò)程中的精度檢測(cè)

1）施工準(zhǔn)備階段場(chǎng)地補(bǔ)充勘察放線。利用GPS－RTK補(bǔ)充勘察階段放樣點(diǎn)18個(gè)，經(jīng)檢核放點(diǎn)精度符合勘察規(guī)范規(guī)定的平面放點(diǎn)精度為±50cm的精度要求。

2）施工準(zhǔn)備階段場(chǎng)地施工控制網(wǎng)布設(shè)。利用全站儀對(duì)甲方提供的控制網(wǎng)進(jìn)行附合導(dǎo)線測(cè)量，并進(jìn)行平差計(jì)算，計(jì)算結(jié)果應(yīng)滿足平差要求。

3）實(shí)施階段前期為場(chǎng)地15m的方格網(wǎng)測(cè)量及土方量計(jì)算。利用GPS－RTK在全場(chǎng)范圍內(nèi)進(jìn)行15m方格網(wǎng)測(cè)量，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)證明在平坦且無(wú)明顯高程變化地形下，GPS－RTK與南方全站儀測(cè)量的數(shù)據(jù)在南方CASS軟件計(jì)算所得區(qū)域土方平衡平均標(biāo)高值與數(shù)學(xué)加權(quán)平均數(shù)計(jì)算結(jié)果相同。并且該方式與全站儀測(cè)量方式相比具有簡(jiǎn)單、高效、省時(shí)、省力、精度高，無(wú)通視限制的優(yōu)勢(shì)。

4）施工期間排水板、強(qiáng)夯、CFG樁測(cè)量放線。本實(shí)驗(yàn)利用GPS－RTK進(jìn)行放線測(cè)量，并利用全站儀進(jìn)行定期復(fù)測(cè)檢核，根據(jù)校驗(yàn)所得GPS－RTK最大放線平面誤差為2cm，符合施工及規(guī)范放線要求。

5）施工后期場(chǎng)地砂墊層標(biāo)高測(cè)量。對(duì)場(chǎng)地砂墊層過(guò)程標(biāo)高測(cè)量以及砂墊層結(jié)束之后的驗(yàn)收測(cè)量，利用GPS－RTK進(jìn)行分區(qū)控制，并用水準(zhǔn)儀配合測(cè)量即可滿足精度要求。

3 結(jié) 論

1）在道路勘察工程中，RTK可滿足全部地形的放線測(cè)量需要。

2）在施工工程前期控制網(wǎng)布設(shè)及檢核的過(guò)程中，由于GPS－RTK確定整周模糊度的可靠性最高為95%，GPS－RTK比靜態(tài) GPS多出一些誤差因素，如數(shù)據(jù)傳輸鏈誤差等。因此，為避免誤差，在布設(shè)控制網(wǎng)時(shí)需用靜態(tài)GPS或全站儀進(jìn)行布設(shè)并用全站儀進(jìn)行檢核測(cè)量。

3）在低精度地基處理施工中完全可以使用GPS－RTK進(jìn)行放點(diǎn)、放線以及輔助測(cè)量工作，對(duì)精度要求較高的工藝流程可用全站儀做配合檢核測(cè)量或由全站儀獨(dú)立完成。

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