雙基站GPSRTK技術(shù)在沙漠區(qū)域公路施工測量中的應(yīng)用與研究

彭江濤+董洪全　崔永　張開榮

摘要：以敦煌市鳴沙山景觀大道建設(shè)工程項目為例，闡述了在高速施工狀態(tài)下的GPSRTK測量控制技術(shù)。項目位于三危山及黨河沖擊階地，地質(zhì)地貌復(fù)雜，分布不連續(xù)的帶狀沙漠、沙坑、林地、村莊等，存在經(jīng)常性的沙塵暴天氣等不利觀測因素，采用常規(guī)測量技術(shù)很難滿足施工進度及質(zhì)量要求?；陔p基站GPSRTK測量技術(shù)的應(yīng)用，提高了線路測量的效率，該技術(shù)經(jīng)筆者工程實踐，取得了良好的經(jīng)濟效益和社會效益，相信對類似工程有一定的借鑒及參考價值。

Abstract： Taking the construction project of Mingsha Mountain Landscape Road in Dunhuang as an example， the GPSRTK measurement and control technology in high speed construction is described. The project is located in the impact terraces of Sanwei Mountain and Danghe river， where the geology and geomorphology is complex， with uneven distribution of belt desert， bunkers， woodland， villages. There are frequent dust storms and other adverse observation factors， and the conventional measurement technology is difficult to meet the construction progress and quality requirements. Based on the application of dual-base station GPSRTK measurement technology， the efficiency of line measurement is improved. The technology has achieved good economic and social benefits through the engineering practice of the author， and it is believed that it has some reference and reference value for similar projects.

關(guān)鍵詞：GPSRTK；沙漠區(qū)域；參數(shù)轉(zhuǎn)換；公路測量

Key words： GPSRTK；desert area；parameter conversion；road survey

中圖分類號：P228.4 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-4311（2017）23-0171-03

0 引言

GPSRTK技術(shù)作為數(shù)字科學(xué)與信息化高度融合的產(chǎn)業(yè)，有著不同于經(jīng)典測量的技術(shù)優(yōu)勢，測站間無需通視，觀測時間短，能實時獲取待測點的高精度三維坐標(biāo)，在各類工程建設(shè)，特別是公路工程施工中獲得了極大的推廣與應(yīng)用。結(jié)合具體工程實踐，對GPSRTK技術(shù)的創(chuàng)新應(yīng)用成為解決工程測量難題，實現(xiàn)技術(shù)持續(xù)革新，促進技術(shù)向便捷化、實時化方面發(fā)展的新舉措。目前國內(nèi)GPSRTK的應(yīng)用還停留在基于儀器廠商開發(fā)時形成的成套技術(shù)。對于GPSRTK技術(shù)的創(chuàng)新應(yīng)用，獲得即能夠滿足工程質(zhì)量和進度要求，又能考慮到經(jīng)濟性指標(biāo)的測量手段，是廣大測量從業(yè)者的探索方向。

敦煌市鳴沙山景觀大道建設(shè)工程項目施工過程中，通過對GPSRTK測量技術(shù)的創(chuàng)新應(yīng)用，開發(fā)雙基站模式，以整條線路的施工測量為前提，在各種不利環(huán)境因素的影響下，實現(xiàn)了對沙漠區(qū)域中公路施工的準(zhǔn)確定位，提高了測量效率。

1 工程概況

敦煌市鳴沙山景觀大道建設(shè)工程項目起點位于314省道（敦煌莫高窟數(shù)字展示中心西側(cè)），終點與G215線K149+370處相交，全長32.306公里。工程范圍內(nèi)設(shè)30m×10鋼混組合結(jié)構(gòu)大橋1座，涵洞136道，路基填方量約150萬立方米，挖方量約20萬立方米，路面采用彩色環(huán)氧樹脂薄層罩面。開工日期2月18日，竣工日期8月20日，歷時184天。工期緊，任務(wù)重，測量難度大。

1.1 地質(zhì)地貌差異性大。帶狀線路分布區(qū)，穿越戈壁沙漠、砂礫采集區(qū)域、林地、村莊等，不同地質(zhì)地貌對整條線路觀測數(shù)據(jù)的一致性形成較大影響，沙坑、林地區(qū)域?qū)PS信號產(chǎn)生遮蔽，GPSRTK固定解獲取等待時間長，精度差；多路徑效應(yīng)及長時間的沙漠高溫使儀器產(chǎn)生變形，觀測質(zhì)量下降較。

1.2 環(huán)境因素影響大。沙漠區(qū)域極寒及高溫天氣，經(jīng)常性的沙塵風(fēng)暴，密集分布的電網(wǎng)，強磁場干擾等因素，增大了GPS信號發(fā)射與接受時偶然誤差影響的幾率，對觀測結(jié)果極為不利。

2 技術(shù)背景

2.1 連續(xù)運行基準(zhǔn)站的技術(shù)優(yōu)勢。連續(xù)運行基準(zhǔn)站（Continuous Operational Reference System）簡稱CORS系統(tǒng)，基準(zhǔn)站永久固定，24h不間斷的對衛(wèi)星進行觀測，獲取必要的數(shù)據(jù)鏈及觀測值改正信息。野外作業(yè)時不需要布設(shè)控制網(wǎng)，用戶僅需一臺GPS接收機即可獲取待測點的三維坐標(biāo)，真正實現(xiàn)單機測量模式。鑒于CORS基準(zhǔn)站建站復(fù)雜，費用昂貴，目前僅在中國中東部及沿海城市布設(shè)。

2.2 常規(guī)GPSRTK的測量弊端。常規(guī)GPSRTK采用基準(zhǔn)站+流動站的測量模式，施工放樣時，先架設(shè)基準(zhǔn)站，求取測區(qū)的轉(zhuǎn)換參數(shù)。由于GPSRTK電臺的有效覆蓋范圍較小，且隨著距離的增大，信號的強度減弱，GPS有效解解質(zhì)量下降，且施工中不斷進行遷站，參數(shù)求解，測量效率不高。經(jīng)測試單基站的GPSRTK測量范圍一般為10km。

2.3 雙基站GPSRTK技術(shù)的提出。綜合利用城市連續(xù)運行基準(zhǔn)站的技術(shù)優(yōu)勢和GPSRTK測量的實時性特點，在線路合適位置選擇固定基準(zhǔn)站站點，進行基準(zhǔn)站的整合和組裝，獲取全線路的GPS信號覆蓋，通過相對定位原理，在流動站上得到高精度的WGS84坐標(biāo)系坐標(biāo)，求取全線路測區(qū)的WGS84-XIAN80坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換參數(shù)，進行線路信息編輯，實現(xiàn)24h的測量技術(shù)支持，以較小的費用代價實現(xiàn)單兵測量模式。同時，采用雙基準(zhǔn)站雙信號通道的點位檢核模式，提高沙漠區(qū)域不良觀測條件下的數(shù)據(jù)質(zhì)量。

3 技術(shù)應(yīng)用關(guān)鍵點解析

3.1 基準(zhǔn)站站點選擇

GPS接收機在信號接收時，由于受到衛(wèi)星星歷、衛(wèi)星鐘差、對流層折射、大氣層折射、接收機相位中心偏差、接收機鐘差、多路徑效應(yīng)等的影響，信號會發(fā)生偏差。RTK技術(shù)在基準(zhǔn)站和流動站之間求差，根據(jù)誤差的相關(guān)性，將大量的系統(tǒng)誤差進行補償或者消除。但部分誤差仍然存在，對這些誤差必須采取一定的應(yīng)對措施，回避誤差源，達到減弱誤差影響的效果。

①根據(jù)電磁波的傳輸特性，經(jīng)某些物體表面反射后到達接收機的信號，將和直接來自衛(wèi)星的信號疊加進入接收機，使測量值產(chǎn)生誤差。選擇合適的測站，避開易發(fā)生多路徑的環(huán)境，如建構(gòu)筑物、山坡、成片水域等是解決這一問題的基本方法。

②在極寒、極熱環(huán)境或者受沙塵暴天氣的影響，接收機天線相位中心會產(chǎn)生偏差，尤其在臨時基準(zhǔn)站架設(shè)時，因風(fēng)沙的影響，基準(zhǔn)站傾斜或者移動，都會造成包含誤差的基站信號信息發(fā)送，使移動站接受帶有誤差的數(shù)據(jù)鏈，產(chǎn)生定位偏差，經(jīng)測試最大偏差可達10cm以上。采用強制對中裝置，將基準(zhǔn)站進行固定，加強防護措施，減少天線相位中心的偏差。

③RTK流動站對信號的接受強度，取決與基準(zhǔn)站信號的質(zhì)量與發(fā)射能力，也取決于周圍環(huán)境的影響程度，在基準(zhǔn)站布設(shè)時，充分考慮信號的發(fā)射及傳輸規(guī)律，提高信號傳輸?shù)馁|(zhì)量，增大信號的覆蓋范圍。

綜合以上考慮因素，得出站點選址條件：1）信號能有效覆蓋施工區(qū)域，綜合考慮測區(qū)的地形條件及施工段落內(nèi)的測量任務(wù)量，保證一個測區(qū)內(nèi)GPS信號的完全覆蓋；2）站點位置能夠提供穩(wěn)定的家庭電源，在條件不允許時可采用太陽能進行替代；3）地勢較高，便于信號發(fā)射；4）無高壓線，信號塔等強磁場干擾；5）避開山坡、成片水域等易產(chǎn)生多路徑效應(yīng)的區(qū)域；6）便于管理和維護。通過合理布局，在線路合適里程位置架設(shè)兩座基準(zhǔn)站。選址時綜合考慮大橋施工的復(fù)雜性，在該區(qū)域形成有效發(fā)射信號的重疊區(qū)。

3.2 系統(tǒng)組裝

①混凝土基礎(chǔ)?；炷粱A(chǔ)兩座，一座用于GPS接收機固定，一座用于發(fā)射天線固定?；炷粱叽?0cm×40cm×40cm，GPS接收機與發(fā)射天線之間的最佳距離為2m，澆筑混凝土?xí)r同時預(yù)埋強制對中基座并保證基座處于水平狀態(tài)。

②強制對中基座。長度300mm的Φ2螺栓3根；直徑100mm，帶螺栓孔的鋼板一塊，底部三個螺孔與腳螺栓連接，頂部螺孔與GPS連接桿對接。

③系統(tǒng)連接組裝。采用穩(wěn)定的家庭電源供電，蓄電瓶作為穩(wěn)壓源并提供斷電時的臨時電源供應(yīng)，安裝避雷針，防止雷電干擾，系統(tǒng)連接順序為：家庭電源→逆變器→ 蓄電瓶→GPS接收機→電臺→發(fā)射天線。

④其他附屬用具。電筆用于電壓測試；電箱用于電瓶、變壓器、插座等的封閉保護；薄層塑料紙用于融雪、雨水、風(fēng)沙等防護措施。

3.3 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)求解

各施工段落的地形地貌不同，將整個測區(qū)的轉(zhuǎn)換參數(shù)用于標(biāo)段施工會造成局部偏差；常規(guī)RTK測量時，需要不斷求解轉(zhuǎn)換參數(shù)，浪費大量時間，降低了觀測效率。雙基站GPSRTK測量模式采用分段求參方法，將整條線路劃分為三個測區(qū)，每個測區(qū)施工前單獨求解轉(zhuǎn)換參數(shù)，通過實驗對比，保證測區(qū)控制點擬合殘差最小，施工時僅需調(diào)用各標(biāo)段的擬合參數(shù)，保證施工段落測數(shù)據(jù)的連續(xù)性，摒棄測量前期的大量準(zhǔn)備工作。

3.4 線路信息編輯

采用GPSRTK放樣時必須進行線路及結(jié)構(gòu)物參數(shù)的編輯，根據(jù)設(shè)計圖紙平曲線、豎曲線的參數(shù)信息及結(jié)構(gòu)物交角、前距、后距等參數(shù)，獲取一定間隔的平面位置坐標(biāo)及高程。

①線路信息的編輯。主要方法有元素法、交點法、Execl表格計算方法。采用不同的方法進行數(shù)據(jù)編輯，對比分析，檢核設(shè)計圖紙中邊樁坐標(biāo)是否正確。元素法按照曲直表輸入時注意將直線的方位角一同輸入，參數(shù)編輯完成后，在每個段落內(nèi)取整樁號計算平面及高程，查看數(shù)據(jù)編輯是否正確。

②結(jié)構(gòu)物信息的編輯。參數(shù)信息有：結(jié)構(gòu)物交角、前邊線距離、后邊線距離、各部位高程，參數(shù)編輯完后進行驗算。

3.5 RTK放樣與檢核

①采用雙基站的不同差分模式。大橋施工中，充分利用雙基站在該區(qū)域形成的信號重疊，利用雙信號進行測區(qū)放樣點的檢核，提高測量的準(zhǔn)確度，防止偶然誤差對觀測值的影響。

②經(jīng)常進行控制點的復(fù)核。路線平面及高程放樣過程中，經(jīng)過控制點時，需要經(jīng)常性的復(fù)核，查看儀器的精度。如出現(xiàn)偏差，分析產(chǎn)生的原因，重新導(dǎo)入轉(zhuǎn)換參數(shù)，或者進行單點校準(zhǔn)，避免誤差會累計。

3.6 精度分析與評價

雙基站GPSRTK測量模式，采用相對定位原理，基準(zhǔn)站實現(xiàn)24h的不間斷衛(wèi)星觀測，終端接收機實時獲取待測點的三維坐標(biāo)，我們將雙基站GPSRTK測量數(shù)據(jù)與GPS靜態(tài)平面數(shù)據(jù)、四等水準(zhǔn)高程數(shù)據(jù)進行對比，發(fā)現(xiàn)此項技術(shù)獲取的三維坐標(biāo)精度已經(jīng)非常高，可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)測量。

4 技術(shù)優(yōu)勢

雙基站GPSRTK測量優(yōu)勢：①實現(xiàn)不間斷的GPS信號覆蓋，為單兵測量提供技術(shù)基礎(chǔ)；②基于固定基準(zhǔn)站的高精度的WGS84坐標(biāo)數(shù)據(jù)獲取，在理論上獲取了較為嚴(yán)密的WGS84坐標(biāo)解；③基于全線路高等級控制點的測區(qū)轉(zhuǎn)換參數(shù)的擬合，實現(xiàn)了WGS84坐標(biāo)向施工坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換；④基于雙信號通道的測量模式，提供多余觀測的檢核；⑤實時的測量放樣技術(shù)支持。

5 技術(shù)應(yīng)用效益分析

①節(jié)省工期：傳統(tǒng)RTK測量時，每次測量前的基準(zhǔn)站架設(shè)，參數(shù)校正等準(zhǔn)備工作平均耗時1h左右，以一天2次的基準(zhǔn)站架設(shè)，可以節(jié)省大量的測量準(zhǔn)備時間。

②節(jié)約成本：采用家庭電源及固定的基準(zhǔn)站，減少了GPS電池損耗及接收機精度維護損耗，減少了儀器維修及電池更換費用。

③提高工程質(zhì)量：單基準(zhǔn)CORS站實現(xiàn)全線路信號的統(tǒng)一覆蓋，保證測量數(shù)據(jù)的一致性，避免了因不斷的遷站及參數(shù)求解所造成的測量精度及效率的下降。

6 結(jié)語

雙基站GPSRTK技術(shù)在沙漠區(qū)域公路施工測量中的應(yīng)用，解決了高速施工狀態(tài)下的測量控制技術(shù)，以較小的費用實現(xiàn)了實時的測量技術(shù)支持，保證了測量的精度。由于西部地區(qū)資源的匱乏，后續(xù)施工中可以對系統(tǒng)電源部分進行改進，采用太陽能進行供電，實現(xiàn)綠色能源的應(yīng)用。

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