GPS-RTK配合CASS軟件在中小河流治理中的應(yīng)用

曹紅勝　付銀娟

(1.鳳縣水資源管理站, 陜西 鳳縣　712700； 2.鳳縣水利局, 陜西 鳳縣　712700)

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GPS-RTK配合CASS軟件在中小河流治理中的應(yīng)用

曹紅勝1付銀娟2

(1.鳳縣水資源管理站, 陜西 鳳縣712700； 2.鳳縣水利局, 陜西 鳳縣712700)

本文結(jié)合鳳縣旺峪河防洪工程杜家河段工程實(shí)例, 對(duì)GPS-RTK技術(shù)和CASS軟件在中小河流治理項(xiàng)目中如何使用進(jìn)行了分析研究，并且闡述了野外地形測(cè)量、堤軸線點(diǎn)放樣、內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理與成圖計(jì)算等方法。在中小河流治理項(xiàng)目中，該方法的應(yīng)用提高了測(cè)量速度，能夠更加精確地控制工程量。尤其在堤線優(yōu)化調(diào)整中，該方法減少了內(nèi)業(yè)操作步驟，提高了工作效率。

GPS-RTK； CASS軟件； 操作應(yīng)用； 數(shù)據(jù)整理

1　概　述

隨著中小河流治理項(xiàng)目的多年發(fā)展，項(xiàng)目管理中的工程量問題最易引起糾紛，工程計(jì)量要能夠體現(xiàn)科學(xué)性和規(guī)范性。土方量計(jì)算是工程管理的一個(gè)重要組成部分，也是最關(guān)鍵最繁瑣的一項(xiàng)工作。土方量直接關(guān)系到工程造價(jià)，要求其一定要符合實(shí)際。一般工程土方量主要包括挖方、填方等。按照施工設(shè)計(jì)的精度要求，一般采用橫斷面法，近似計(jì)算工程量。即沿其縱斷面每20m(具體數(shù)值根據(jù)不同的設(shè)計(jì)精度要求而定)取一個(gè)斷面，計(jì)算其橫斷面面積(包括挖方、填方等)，再乘以斷面間距，得出土方量。對(duì)于一條若干公里的河道來說，按這種方法計(jì)算工作量非常大。如果按照一個(gè)斷面一個(gè)斷面的手工計(jì)算，不僅工作量大，而且誤差大、效率低。筆者研究發(fā)現(xiàn)，隨著CASS軟件技術(shù)的發(fā)展，在工程計(jì)量、堤線調(diào)整、地形測(cè)量方面其優(yōu)越性逐漸顯現(xiàn)出來，特別是對(duì)堤防橫斷面的套斷面和河道疏浚計(jì)量工作更為有利，減輕了工作量，提高了工作效率。

該軟件的計(jì)算是以RTK測(cè)量技術(shù)為前提。RTK測(cè)量技術(shù)是以載波相位觀測(cè)為根據(jù)的實(shí)時(shí)差分GPS 測(cè)量技術(shù), 是GPS 測(cè)量技術(shù)中的一個(gè)新突破, 可在野外獲取點(diǎn)位厘米級(jí)的水平精度。RTK的工作原理是將一臺(tái)接收機(jī)置于基準(zhǔn)站上，另一臺(tái)或幾臺(tái)接收機(jī)置于載體(稱為移動(dòng)站)上，基準(zhǔn)站和移動(dòng)站同時(shí)接收同一時(shí)間、同一GPS衛(wèi)星發(fā)射的信號(hào)，基準(zhǔn)站所獲得的觀測(cè)值與已知位置信息進(jìn)行對(duì)比，得到GPS差分改正值。然后將這個(gè)改正值通過無線電數(shù)據(jù)鏈電臺(tái)及時(shí)傳遞給共視衛(wèi)星的移動(dòng)站精化其GPS觀測(cè)值，從而得到經(jīng)差分改正后移動(dòng)站較準(zhǔn)確的實(shí)時(shí)位置。

該項(xiàng)目采用M500測(cè)地型GPS接收機(jī)與HCE200手簿配套使用， M500的初始化快速精確，具有固定點(diǎn)測(cè)量和移動(dòng)點(diǎn)測(cè)量的功能。HCE200是一款專門用于野外作業(yè)的手持?jǐn)?shù)據(jù)終端。它是集外業(yè)和辦公室功能于一體的手持式計(jì)算機(jī)，采用Windows CE6.0操作系統(tǒng)，配合M500的手簿測(cè)量軟件，是測(cè)地通軟件。該軟件功能專業(yè)、全面、界面清晰、易學(xué)易懂，可運(yùn)行于各種版本的CE系統(tǒng)及Mobile系統(tǒng)。測(cè)地通軟件集實(shí)時(shí)繪圖、電力設(shè)計(jì)、工程放樣、道路放樣、石油物探放樣、軌跡放樣、參考線放樣、直線庫放樣、面積周長(zhǎng)計(jì)算等功能于一身，可以滿足各種工程的需求。

本文以鳳縣旺峪河防洪工程杜家河段為例，系統(tǒng)講述其放線以及地形測(cè)量技術(shù)，整個(gè)過程按照先內(nèi)業(yè)后外業(yè)再內(nèi)業(yè)的順序進(jìn)行。

2　內(nèi)業(yè)準(zhǔn)備

2.1整理坐標(biāo)文件

?在電腦上新建txt文本，命名為“放線點(diǎn).txt”，輸入控制點(diǎn)坐標(biāo)，控制點(diǎn)不宜少于3個(gè)，且不應(yīng)在同一條直線上，控制點(diǎn)格式為點(diǎn)名、代碼、北坐標(biāo)、東坐標(biāo)、高程；?根據(jù)設(shè)計(jì)單位提供的施工圖原圖，對(duì)堤線執(zhí)行【繪圖/點(diǎn)/定距等分】命令，按照20m距離等分，堤線等分距離根據(jù)地形復(fù)雜程度而定，并依次編號(hào)各個(gè)放樣點(diǎn)，用ID命令在CAD原圖提取放樣點(diǎn)坐標(biāo)，將其復(fù)制到txt文本中，根據(jù)編號(hào)依次排列，點(diǎn)名、代碼、北坐標(biāo)、東坐標(biāo)、高程數(shù)據(jù)之間用英文狀態(tài)下的逗號(hào)隔開，保存退出(如圖1所示)。

圖1　放線點(diǎn)坐標(biāo)

2.2坐標(biāo)文件導(dǎo)入手簿

圖2　導(dǎo)入數(shù)據(jù)

用數(shù)據(jù)線連接電腦與手簿，將“放線點(diǎn).txt”復(fù)制到手簿移動(dòng)存儲(chǔ)設(shè)備中。在手簿桌面上打開RTK測(cè)量選項(xiàng)，執(zhí)行【打開/新建任務(wù)】，輸入任務(wù)名“djh”(以英文和數(shù)字命名)，配置坐標(biāo)系統(tǒng)，點(diǎn)擊接受，進(jìn)行坐標(biāo)系的設(shè)置(筆者默認(rèn)選擇beijing-54坐標(biāo)系統(tǒng))。執(zhí)行【文件/導(dǎo)入/當(dāng)?shù)攸c(diǎn)坐標(biāo)導(dǎo)入】(如圖2所示)，默認(rèn)選擇導(dǎo)入點(diǎn)文件格式，即“點(diǎn)名,代碼,X,Y,H”，選擇文件名稱旁邊的方框“…”，找到并打開移動(dòng)存儲(chǔ)位置，在類型中選擇“All files”，此時(shí)移動(dòng)存儲(chǔ)中的所有文件都會(huì)顯示出來，找到“放線點(diǎn).txt”，執(zhí)行【打開/確定】，會(huì)聽到連續(xù)點(diǎn)擊聲音，表示已經(jīng)導(dǎo)入成功。執(zhí)行【文件/元素管理器/點(diǎn)管理器】，會(huì)看到已經(jīng)導(dǎo)入的已知控制點(diǎn)和放樣點(diǎn)，逐個(gè)雙擊控制點(diǎn)，勾選下方控制點(diǎn)方框并確定覆蓋。注意選擇的導(dǎo)入點(diǎn)文件格式要與txt文本輸入的坐標(biāo)格式一致。

3　外業(yè)操作

3.1架設(shè)基站

基準(zhǔn)站應(yīng)當(dāng)選擇視野開闊、地勢(shì)較高的地方，盡量避免高壓線、光纜、大樹等障礙物，以有利于衛(wèi)星信號(hào)的接收和傳送。架設(shè)兩個(gè)三腳架，一個(gè)架設(shè)基準(zhǔn)站，另外一個(gè)架設(shè)天線，安裝好電臺(tái)發(fā)射天線，把電臺(tái)掛在三腳架上，將蓄電池放在電臺(tái)的下方，接通電源線與數(shù)據(jù)線；基準(zhǔn)站架設(shè)在已知點(diǎn)時(shí)要求對(duì)中和整平?；鶞?zhǔn)站腳架和天線腳架之間應(yīng)該保持至少3m的距離，避免電臺(tái)干擾GPS信號(hào)。接上移動(dòng)站的棒狀天線，并固定在2m高的碳纖對(duì)中桿上。

3.2配置參數(shù)

?開啟各個(gè)設(shè)備電源，在手簿上雙擊打開RTK測(cè)量，執(zhí)行【配置/手簿端口配置】，連接類型選擇藍(lán)牙，執(zhí)行【配置/搜索】，搜索到移動(dòng)站藍(lán)牙設(shè)備后，執(zhí)行綁定命令，此時(shí)被綁定的藍(lán)牙設(shè)備會(huì)顯示紅心，執(zhí)行【退出/確定】，顯示打開端口成功，自動(dòng)退回RTK主界面；?執(zhí)行【配置/基準(zhǔn)站參數(shù)/基準(zhǔn)站選項(xiàng)】，選擇廣播格式、天線類型高度等參數(shù)；?執(zhí)行【配置/移動(dòng)站參數(shù)/移動(dòng)站選項(xiàng)】，注意選擇廣播格式要與基準(zhǔn)站一致，選擇天線高度、測(cè)量到等參數(shù)；?啟動(dòng)移動(dòng)站接收機(jī)，如果無線電和衛(wèi)星接收正常，移動(dòng)站開始初始化，軟件的顯示順序?yàn)檎谒研?單點(diǎn)定位/浮動(dòng)/固定，固定后方可開始測(cè)量工作，否則測(cè)量精度較低，需重新設(shè)置參數(shù)。

3.3控制點(diǎn)校正

在地面找到對(duì)應(yīng)的已知控制點(diǎn)的實(shí)際位置，執(zhí)行【測(cè)量/測(cè)量點(diǎn)】，此時(shí)命名的點(diǎn)名應(yīng)與已知控制點(diǎn)名稱區(qū)別開來，否則重名自動(dòng)覆蓋，測(cè)量已知控制點(diǎn)坐標(biāo)，該點(diǎn)位信息即被存儲(chǔ)；一般至少用2個(gè)點(diǎn)進(jìn)行校正、執(zhí)行【測(cè)量/點(diǎn)校正/增加】，點(diǎn)擊確定，再次重復(fù)增加命令，選擇網(wǎng)格點(diǎn)名和GPS點(diǎn)名稱，執(zhí)行【確定/計(jì)算】，并一直確定，默認(rèn)坐標(biāo)系統(tǒng)已被替換為所需要的坐標(biāo)系統(tǒng)，自動(dòng)返回RTK測(cè)量主界面。

3.4實(shí)地放線

執(zhí)行【測(cè)量/點(diǎn)放樣/常規(guī)點(diǎn)放樣】，增加所有鍵入點(diǎn)，點(diǎn)擊確定，選擇放樣點(diǎn)，根據(jù)手簿顯示的往東、往西、往南、往北及左右方向指令，調(diào)整移動(dòng)站位置，直至找到放樣點(diǎn)的實(shí)地位置，進(jìn)行打樁標(biāo)記，依次類推，將所有放樣點(diǎn)進(jìn)行實(shí)地放樣，根據(jù)各個(gè)放樣點(diǎn)即可定出堤軸線。

3.5碎步測(cè)量

執(zhí)行【測(cè)量/測(cè)量點(diǎn)】，命名點(diǎn)名稱1、2、3......(筆者以阿拉伯?dāng)?shù)字命名，但不得與控制點(diǎn)和放樣點(diǎn)重名)，按照每隔15～20m設(shè)置一個(gè)斷面，垂直堤線方向，對(duì)迎水面和背水面15m范圍內(nèi)的地形地貌進(jìn)行碎步測(cè)量，不必對(duì)每個(gè)地形點(diǎn)進(jìn)行手動(dòng)命名，手簿會(huì)自動(dòng)根據(jù)阿拉伯?dāng)?shù)字順序進(jìn)行命名，默認(rèn)自動(dòng)保存碎步數(shù)據(jù)。

4　內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理

4.1導(dǎo)出測(cè)量點(diǎn)數(shù)據(jù)

?手簿操作：執(zhí)行【文件/打開】，選擇要打開的文件夾并選擇相應(yīng)的任務(wù)，點(diǎn)擊接受，使其成為當(dāng)前打開狀態(tài)，即可看到主界面下新打開的任務(wù)名，執(zhí)行【文件/導(dǎo)出/點(diǎn)坐標(biāo)導(dǎo)出】，默認(rèn)選擇顯示方式“當(dāng)?shù)仄矫孀鴺?biāo)”，選擇導(dǎo)出的文件類型，并在導(dǎo)出的文件名中輸入“shuju”，點(diǎn)擊確定，彈出對(duì)話框，顯示“數(shù)據(jù)導(dǎo)出成功”，自動(dòng)返回RTK主界面，導(dǎo)出的數(shù)據(jù)文件存儲(chǔ)在手簿內(nèi)。退出RTK測(cè)量，在手簿桌面上打開文檔，找到d;jh文件夾，選擇導(dǎo)出文件“shuju”，執(zhí)行【剪切/粘貼】至移動(dòng)存儲(chǔ)；?電腦操作：用數(shù)據(jù)線連接電腦與手簿，如同u盤一樣執(zhí)行【剪切/粘貼】至電腦。

4.2展測(cè)量點(diǎn)

?在電腦上運(yùn)行已經(jīng)成功安裝并且注冊(cè)的CASS軟件，系統(tǒng)自動(dòng)默認(rèn)新建文件，將“shuju.csv”更改后綴名為“shuju.dat”。執(zhí)行【繪圖處理(比例尺默認(rèn)1∶500)/展野外測(cè)點(diǎn)點(diǎn)號(hào)】，找到電腦存儲(chǔ)位置桌面，選擇數(shù)據(jù)文件“shuju.dat”，如圖3所示。點(diǎn)擊“打開”即可得到所有點(diǎn)名地形圖；?展高程點(diǎn)，執(zhí)行【繪圖處理/展高程點(diǎn)】，輸入注記高程點(diǎn)的距離(不設(shè)置，默認(rèn)為0)，得到如圖4所示地形圖(點(diǎn)名與高程點(diǎn)重合，為方便顯示，可暫時(shí)關(guān)閉某些圖層，待用時(shí)再自行打開)；?執(zhí)行【文件/圖形存盤】，選擇保存位置，默認(rèn)文件類型，文件命名為“測(cè)量地形圖.dwg”。

圖3　選擇數(shù)據(jù)文件

圖4　點(diǎn)名與高程地形圖

4.3復(fù)制堤線

運(yùn)行Auto CAD軟件，找到并打開“杜家河施工圖”，選擇好復(fù)制基點(diǎn)，通過帶基點(diǎn)復(fù)制的方式，將原設(shè)計(jì)堤線粘貼至“測(cè)量地形圖”上。

4.4斷面劃分

執(zhí)行【工程應(yīng)用/生成里程文件/由縱斷面生成/新建】，如圖5所示。

圖5　生成里程文件命令

選擇縱斷面線時(shí)，單擊堤線，彈出對(duì)話框，根據(jù)堤防起點(diǎn)與終點(diǎn)方向，選擇等分，按照每20m生成一個(gè)斷面，橫斷面左右分別取寬度為15m，點(diǎn)擊確定，即自動(dòng)在堤線上按照20m劃斷面線。執(zhí)行【工程應(yīng)用/生成里程文件/由縱斷面生成/生成】，再次選擇堤線，選擇高程點(diǎn)數(shù)據(jù)文件，把“生成的里程文件名”和“里程文件對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)文件名”同時(shí)命名“0”，輸入斷面線差值間距為3，如圖6所示，點(diǎn)擊確定，即沿堤線顯示樁號(hào)以及斷面線與堤線交點(diǎn)的高程，如圖7所示。

4.5生成斷面圖

執(zhí)行【工程應(yīng)用/繪斷面圖/根據(jù)里程文件】，彈出“輸入斷面里程數(shù)據(jù)文件名”對(duì)話框，選擇生成的里程文件“0.hdm”。單擊“打開”，彈出“繪制斷面圖”對(duì)話

圖6　生成里程文件對(duì)話框

圖7　斷面樁號(hào)與高程

框，設(shè)置相關(guān)參數(shù)，輸入或者在圖上選擇斷面圖放置位置，如圖8所示。單擊“確定”，得到所有節(jié)點(diǎn)斷面圖。該圖以堤線為中心，垂直堤線方向兩側(cè)15m的范圍內(nèi)，每3m的間距取點(diǎn)連線，生成紅色地面線。

圖8　繪制縱斷面圖對(duì)話框

4.6套斷面圖

?根據(jù)設(shè)計(jì)院技術(shù)資料，基點(diǎn)位置即迎水面與堤頂交點(diǎn)，在已成的橫斷面圖上找到0+000點(diǎn)，并在該處繪制堤頂高程線，與0+000距離線的交點(diǎn)即為基點(diǎn)，依次將所有斷面圖的基點(diǎn)找到；?根據(jù)設(shè)計(jì)高程，繪制堤防斷面圖，并附帶基槽開挖線、回填線等一切需在橫斷面圖上確定面積的范圍線，選擇堤防橫斷面圖并按基點(diǎn)復(fù)制粘貼至每一個(gè)生成的地形斷面圖；?執(zhí)行延伸或裁剪命令，將開挖、回填等線交于地面線，刪除堤頂高程線和輔助線等，如圖9所示。

圖9　套斷面圖

4.7計(jì)算工程量

執(zhí)行【工具/查詢/面積、長(zhǎng)度】，在圖上單擊相應(yīng)端點(diǎn)即可量取面積或長(zhǎng)度，根據(jù)一定的計(jì)算規(guī)則，即斷面面積與斷面間距離的乘積和即為工程量，其公式為Q=(S1+S2)/2×L(Q：相鄰兩斷面之間的填挖方量；S1、S2：相鄰兩斷面的填挖方面積；L：相鄰兩斷面的距離)，配合excel表格數(shù)據(jù)處理，即可得出土方開挖、回填工程量。

4.8堤線調(diào)整

若在實(shí)際施工中，須要進(jìn)一步調(diào)整優(yōu)化堤線，僅須重復(fù)4.3～4.7，便可立即生成新的斷面圖，便于調(diào)整，無須再次返回實(shí)測(cè)，也無須再次確定中心線與基點(diǎn)。

4.9河道疏浚應(yīng)用

同樣的原理，按照斷面圖法計(jì)算河道疏浚工程量，無須復(fù)制堤線，但須確定疏浚范圍線。

5　結(jié)　語

a.在原來的測(cè)量方式中，由于實(shí)際測(cè)量過程中受地形限制，很難沿測(cè)量斷面走直線，從而在將測(cè)點(diǎn)用多段線相連后，呈現(xiàn)的是彎彎曲曲的多段線，如圖10所示。

圖10　測(cè)量點(diǎn)距離平面圖

該方法在生成斷面時(shí)，是將多段線轉(zhuǎn)換為直線，從而導(dǎo)致該斷面計(jì)算寬度自動(dòng)增加，即系統(tǒng)將折線長(zhǎng)度(a+b+c+d)作為斷面的計(jì)算寬度，其遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于該斷面的近似實(shí)際寬度e,其誤差隨著斷面的寬度和地貌的復(fù)雜程度而變化，難以精確計(jì)算其工程量。筆者的研究解決了該問題，在測(cè)量數(shù)據(jù)處理時(shí)，自動(dòng)在堤線上根據(jù)固定距離與堤線的交點(diǎn)取切線的垂線，如圖11所示。把多段線優(yōu)化為直線，自動(dòng)在地形圖上拾取高程，減少了點(diǎn)與點(diǎn)之間的水平距離誤差，使測(cè)量的效率和精確度得到有效提高。

圖11　自動(dòng)生成斷面線

b.在外業(yè)測(cè)量中，對(duì)測(cè)量點(diǎn)的命名要求降低，手簿自動(dòng)按照數(shù)字順序進(jìn)行命名，每測(cè)一個(gè)點(diǎn)，無須再逐點(diǎn)進(jìn)行命名的更改，避免了因命名不便和錯(cuò)誤導(dǎo)致的數(shù)據(jù)錯(cuò)誤，減輕了測(cè)量工作量，提高了測(cè)量效率與精確度。

c.在堤線優(yōu)化調(diào)整中，該方法減輕了其作業(yè)量，一旦堤線有所調(diào)整，即可重新帶基點(diǎn)復(fù)制調(diào)整后的堤線，利用原地形測(cè)量數(shù)據(jù)，從而可快速生成斷面圖，無須重新確定中心線與基點(diǎn)，更無須再次進(jìn)行野外測(cè)量。

Application of GPS-RTK cooperated with CASS software in small and medium-sized river governance

CAO Hongsheng1, FU Yinjuan2

(1.FengxianWaterResourcesManagementStation,Fengxian712700,China;2.FengxianWaterConveyanceBureau,Fengxian712700,China)

In the paper, Fengxian Wangyu River Flood Control Project Dujia River Section Project is adopted as an example. Application of GPS-RTK technology and CASS software in small and medium-sized river governance project is analyzed and studied. In addition, field topographic survey, dam axis point layout, industry data processing, mapping calculation and other methods are described. In small and medium-sized river governance project, the method can improve measurement speed, and engineering quantity can be controlled more accurately. Especially in dam line optimization and adjustment, the application of the method can reduce the operation steps within the industry, and improve the working efficiency.

GPS-RTK; CASS software; operation application; data sorting

10.16616/j.cnki.11-4446/TV.2016.01.015

TV221.1

B

1005-4774(2016)01-0048-06