GPS-RTK技術(shù)在工程測(cè)量中的應(yīng)用

文|胡雪寒

GPS-RTK技術(shù)在工程測(cè)量中的應(yīng)用

文|胡雪寒

基于筆者多年從事工程測(cè)量的相關(guān)工作經(jīng)驗(yàn)，以RTK技術(shù)在鄭州市工程測(cè)量中的應(yīng)用為研究對(duì)象，結(jié)合兩個(gè)筆者參與的鄭州市測(cè)量工程案例，詳細(xì)分析了RTK工程測(cè)量的步驟，流程和方法，在此基礎(chǔ)上，筆者結(jié)合研究體會(huì)給出了幾條建議，全文是筆者長(zhǎng)期研究基礎(chǔ)上的理論總結(jié)，相信對(duì)從事相關(guān)工作的同行有著重要的參考價(jià)值和借鑒意義。

城市控制測(cè)量是為市政工程建設(shè)、規(guī)劃紅線(xiàn)定位、工程測(cè)圖、房產(chǎn)圖測(cè)繪、地籍變更測(cè)量等服務(wù)的城市測(cè)量的基礎(chǔ)性工作。傳統(tǒng)的方法一般采用導(dǎo)線(xiàn)測(cè)量，隨著全球衛(wèi)星定位技術(shù)（GPS）的飛速發(fā)展，它以高效率、高精度等優(yōu)點(diǎn)，迅速在城市控制測(cè)量中已被廣泛采用。目前GPS實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位技術(shù)（RTK測(cè)量模式），更是以實(shí)時(shí)、快速、操作簡(jiǎn)單而越來(lái)越受到城市測(cè)繪單位的青睞。

采用Trimble 5700雙頻GPS接收機(jī)，運(yùn)用RTK模式完成了多個(gè)控制測(cè)量項(xiàng)目，取得了良好的效果。本文主要結(jié)合工程實(shí)踐，就RTK技術(shù)在城市控制測(cè)量中的運(yùn)用談點(diǎn)體會(huì)。

RTK技術(shù)

GPS實(shí) 時(shí) 動(dòng) 態(tài) 測(cè) 量（Real-Time Kinematic）簡(jiǎn)稱(chēng)RTK，是實(shí)時(shí)處理兩個(gè)測(cè)站載波相位觀(guān)測(cè)值的差分方法。具體作業(yè)方法是設(shè)置GPS基準(zhǔn)站一臺(tái)，并將一些必要的數(shù)據(jù)，如坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換參數(shù)、預(yù)設(shè)精度指標(biāo)、基準(zhǔn)站坐標(biāo)等輸人GPS手簿，一臺(tái)或多臺(tái)GPS流動(dòng)站在若干個(gè)待測(cè)點(diǎn)上設(shè)站；基準(zhǔn)站與流動(dòng)站同時(shí)接收衛(wèi)星信號(hào)；同時(shí)基準(zhǔn)站通過(guò)電臺(tái)將其觀(guān)測(cè)值和設(shè)站信息一起傳送給流動(dòng)站；流動(dòng)站將接收到的來(lái)自基準(zhǔn)站的數(shù)據(jù)及GPS觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)，組成差分觀(guān)測(cè)值進(jìn)行實(shí)時(shí)處理。

表1 兩次測(cè)量結(jié)果的坐標(biāo)差值統(tǒng)計(jì)

工程案例一

工程概況。測(cè)區(qū)位于鄭州市某開(kāi)發(fā)區(qū)，控制網(wǎng)布設(shè)面積約8km2，設(shè)計(jì)點(diǎn)位27座，起算點(diǎn)采用位于測(cè)區(qū)南側(cè)、東側(cè)約0．8 km的J市四等平面控制點(diǎn)各一座，測(cè)區(qū)北側(cè)、西側(cè)邊緣四等平面控制點(diǎn)各一座。

RTK GPS測(cè)量。為了保證測(cè)量成果的精度及可靠性，在測(cè)區(qū)北側(cè)及東側(cè)的起算點(diǎn)分別設(shè)置基準(zhǔn)站，分別采集起算點(diǎn)空間坐標(biāo)解算坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換參數(shù)；并分別測(cè)量待測(cè)點(diǎn)平面坐標(biāo)，然后取兩次測(cè)量的平均值作為最終成果；兩次測(cè)量結(jié)果的坐標(biāo)差值統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1。

根據(jù)上述兩次測(cè)量坐差值的統(tǒng)計(jì)，可算得兩次測(cè)量平均值的點(diǎn)位中誤差為±1．25cm。

RTK成果的外部檢驗(yàn)

相鄰點(diǎn)間邊長(zhǎng)檢測(cè)。檢測(cè)采用TOPCONG GTS-311S全站儀，以?xún)纱螠y(cè)量平均值作為實(shí)測(cè)邊長(zhǎng)值，共檢測(cè)通視邊17條；進(jìn)行實(shí)測(cè)邊長(zhǎng)與RTK測(cè)量成果坐標(biāo)反算所得邊長(zhǎng)的差值統(tǒng)計(jì)。根據(jù)上述邊長(zhǎng)差值統(tǒng)計(jì)，可算得相鄰點(diǎn)間邊長(zhǎng)中誤差為11．08cm。

采用導(dǎo)線(xiàn)測(cè)量方式的坐標(biāo)檢驗(yàn)。在測(cè)區(qū)南測(cè)選擇待測(cè)點(diǎn)6座，按一級(jí)導(dǎo)線(xiàn)測(cè)量方式觀(guān)測(cè)，起算點(diǎn)為以上述J市四等平控制點(diǎn)為起算的按GPS靜態(tài)方式觀(guān)測(cè)的城市一級(jí)控制點(diǎn)；統(tǒng)計(jì)測(cè)量結(jié)果與上述RTK測(cè)量成果的坐標(biāo)差值，估算RTK測(cè)量成果的點(diǎn)位中誤差為±1．22cm。

工程案例二

由于RTK測(cè)量在20KM內(nèi)點(diǎn)位平面標(biāo)稱(chēng)精度為±3cm， 根據(jù)控制測(cè)量規(guī)范要求Ⅰ 級(jí)導(dǎo)線(xiàn)點(diǎn)的點(diǎn)位誤差為±3cm， 從理論上講RTK測(cè)量完全可以滿(mǎn)足Ⅰ級(jí)以下導(dǎo)線(xiàn)點(diǎn)的技術(shù)規(guī)范要求。

在某工程道路放樁RTK測(cè)量中，對(duì)距離基準(zhǔn)站1～6km的一些四等GPS控制點(diǎn)采用一點(diǎn)法進(jìn)行檢核比較，結(jié)果表明平面坐標(biāo)分量最大差值為3．1cm， 高程最大差值為4．9cm， 完全符合Ⅰ級(jí)導(dǎo)線(xiàn)點(diǎn)的規(guī)范精度要求。

在某工程1：1000數(shù)字地形圖測(cè)繪任務(wù)中， 測(cè)區(qū)長(zhǎng)約7km， 寬0．7km， 面積約5km2。 整個(gè)測(cè)區(qū)采用Trimble 5700雙頻GPS接收機(jī)用靜態(tài)法共布測(cè)了5個(gè)四等GPS 點(diǎn)， 21個(gè)一級(jí)GPS點(diǎn)， 點(diǎn)位均勻分布， 最弱點(diǎn)點(diǎn)位中誤差為（Mx： 4．0cm,My: 3．9cm)， 并聯(lián)測(cè)了四等水準(zhǔn)高程。 為了進(jìn)一步檢核Trimble 5700雙頻GPS系統(tǒng)的測(cè)量精度，采用GPS控制點(diǎn)聯(lián)測(cè)法均勻地檢測(cè)了其中12個(gè)GPS控制點(diǎn)，基準(zhǔn)站設(shè)在測(cè)區(qū)中間。 GPS測(cè)量坐標(biāo)值與靜態(tài)聯(lián)測(cè)法坐標(biāo)值的較差見(jiàn)表2， 其X坐標(biāo)中誤差為±3．1cm，Y坐標(biāo)中誤差為±2．3cm， H高程中誤差為±5．0cm， 結(jié)果完全可滿(mǎn)足Ⅰ級(jí)導(dǎo)線(xiàn)點(diǎn)（5″以下）的規(guī)范精度要求。

盡管GPS 測(cè)量的標(biāo)稱(chēng)精度及實(shí)測(cè)精度完全滿(mǎn)足Ⅰ級(jí)導(dǎo)線(xiàn)點(diǎn)5″點(diǎn)以下的規(guī)范精度要求， 但目前的規(guī)范對(duì)利用GPS 測(cè)量進(jìn)行Ⅰ級(jí)導(dǎo)線(xiàn)甚至更高的精度的控制測(cè)量， 其采集數(shù)據(jù)的方法， 數(shù)量等等還沒(méi)有明確的規(guī)定， 因此還需要用大量的實(shí)踐來(lái)證實(shí)。 實(shí)際測(cè)量中還必須采取足夠的檢核手段， 確保測(cè)量的確性。

表2 RTK測(cè)量坐標(biāo)值與靜態(tài)聯(lián)測(cè)法坐標(biāo)值較差表

建議

RTK 測(cè)量與靜態(tài)GPS測(cè)量相同，首先得到的是WGS-84坐標(biāo)，必須通過(guò)一定的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換關(guān)系才能得到用戶(hù)坐標(biāo)系坐標(biāo)，轉(zhuǎn)換參數(shù)的求取精度對(duì)測(cè)量成果有很大影響，因此在實(shí)際應(yīng)用中首先應(yīng)注意起算點(diǎn)精度，特別應(yīng)注意采用一定的方法檢核起算點(diǎn)的相對(duì)精度；同時(shí)，轉(zhuǎn)換參數(shù)有一定的區(qū)域性，它僅適用于起算點(diǎn)所圈定的一定區(qū)域，外推精度隨距離增加降低明顯，因此在實(shí)際工作中應(yīng)盡量選擇能覆蓋整個(gè)測(cè)區(qū)且分布均勻的起算點(diǎn)。

若已知起算點(diǎn)為靜態(tài)GPS控制網(wǎng)成果，可利用已有WGS-84坐標(biāo)及用戶(hù)坐標(biāo)建立坐標(biāo)轉(zhuǎn)換關(guān)系，這樣可節(jié)省采集起算點(diǎn)WGS-84坐標(biāo)的時(shí)間、提高工作效率；但在利用原有成果時(shí)應(yīng)注意所采用的WGS-84坐標(biāo)應(yīng)是在同一網(wǎng)平差中得到的，因?yàn)樗怯蓡吸c(diǎn)定位的WGS-84坐標(biāo)推算得到的，只代表某個(gè)特定的坐標(biāo)對(duì)應(yīng)關(guān)系。

基準(zhǔn)站應(yīng)選擇位置較高的點(diǎn)位，這樣可明顯擴(kuò)大流動(dòng)站作業(yè)范圍，但根據(jù)筆者對(duì)多個(gè)工程成果的統(tǒng)計(jì)分析，基準(zhǔn)站與流動(dòng)站間的距離對(duì)測(cè)量成有一定的影響，當(dāng)流動(dòng)站與基準(zhǔn)站間的距離達(dá)到5～6 km時(shí)，兩次測(cè)得的坐標(biāo)差值及相鄰點(diǎn)間距離與全站儀邊長(zhǎng)測(cè)量的成果差值超過(guò)5cm的明顯增多；筆者建議在采用RTK技術(shù)進(jìn)行控制測(cè)量時(shí)，為保證成果的精度及可靠性，流動(dòng)站的作業(yè)半徑應(yīng)控制在5km以?xún)?nèi)；

根據(jù)上述第一、第三點(diǎn)，在采用RTK方式進(jìn)行較大區(qū)域控制測(cè)量時(shí)可將測(cè)區(qū)劃分成若干個(gè)工作區(qū)；各工作區(qū)的劃分應(yīng)有一定的交叉，觀(guān)測(cè)時(shí)應(yīng)進(jìn)行相互檢核；也可以采用兩次工作區(qū)劃分不同的方式進(jìn)行觀(guān)測(cè)。

在城市控制測(cè)量中，點(diǎn)位一般可埋設(shè)在建成的城市道路，選點(diǎn)時(shí)應(yīng)充分考慮使用的方便及安全，但同時(shí)應(yīng)盡量避開(kāi)高壓線(xiàn)、高大建筑、電臺(tái)發(fā)射塔等；因此RTK方式不適合應(yīng)用于建筑密集的老城區(qū)，而在新建開(kāi)發(fā)區(qū)一般均能取得較好的效果，本文列舉的兩個(gè)工程實(shí)例均是在這樣的測(cè)區(qū)完成的；另外，基準(zhǔn)站更應(yīng)避開(kāi)高壓線(xiàn)、微波站、變電所等。

RTK測(cè)量存在明顯的時(shí)間段影響，一般上午11點(diǎn)前、及下午3點(diǎn)之后測(cè)得的數(shù)據(jù)精度較好，在上述工程實(shí)例觀(guān)測(cè)時(shí)，筆者曾嘗試在中午12點(diǎn)進(jìn)行觀(guān)測(cè)，但很難達(dá)到解算狀態(tài)，即使得到了坐標(biāo)成果，其可靠性往往也較低；建議不要在中午12點(diǎn)至14點(diǎn)間進(jìn)行RTK測(cè)量。

由于RTK測(cè)量的誤差來(lái)源與導(dǎo)線(xiàn)測(cè)量不同，各點(diǎn)位精度沒(méi)有直接相關(guān)性，當(dāng)相鄰點(diǎn)間距離較短時(shí)邊長(zhǎng)相對(duì)誤差及角度誤差可能較大，為了提高相鄰點(diǎn)間的相對(duì)精度應(yīng)盡量增大相鄰點(diǎn)間的距離；為保證建設(shè)工程應(yīng)用的精度要求，建議利用本文方法進(jìn)行城市控制網(wǎng)測(cè)設(shè)時(shí)，相鄰點(diǎn)間距離不宜小于300m，因?yàn)榭刂泣c(diǎn)間無(wú)需連續(xù)通視，根據(jù)筆者的經(jīng)驗(yàn)這很容易做到。

利用RTK技術(shù)進(jìn)行城市控制測(cè)量操作靈活、簡(jiǎn)單，同時(shí)減少了大量的觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)后處理工作，大大提高了工作效率，徹底改變了城市控制測(cè)量的作業(yè)模式；但在實(shí)際工作中應(yīng)充分認(rèn)識(shí)這一技術(shù)的特點(diǎn)及其與傳統(tǒng)測(cè)量模式的區(qū)別，設(shè)法提高測(cè)量成果的可靠性。

中國(guó)地震局物理勘探中心）