GPS-RTK測(cè)量技術(shù)在工程測(cè)繪中的應(yīng)用

李明

摘? 要：為了探討GPS-RTK測(cè)量技術(shù)在工程測(cè)繪中的應(yīng)用的可靠性，以上海市浦東新區(qū)海濱路新建工程為該技術(shù)的應(yīng)用研究案例，圍繞GPS-RTK測(cè)量技術(shù)進(jìn)行了深入研究。對(duì)該工程中的GPS-RTK測(cè)量技術(shù)進(jìn)行應(yīng)用分析，探討其構(gòu)成及原理，并在海濱路工程實(shí)際公路地形圖測(cè)繪中進(jìn)行驗(yàn)證，提出有助提高該技術(shù)精度的有效措施。該次測(cè)量，外業(yè)中使用的測(cè)量?jī)x器以及操作方法全部符合標(biāo)準(zhǔn)，內(nèi)業(yè)所得數(shù)據(jù)結(jié)果符合相關(guān)的測(cè)量規(guī)范，測(cè)量數(shù)據(jù)精度控制在標(biāo)準(zhǔn)值之內(nèi)，滿足規(guī)范要求，得出GPS-RTK測(cè)量技術(shù)可以被應(yīng)用在工程測(cè)繪中。

關(guān)鍵詞：公路工程;地形圖測(cè)繪;GPS-RTK

中圖分類號(hào)：TB22? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

城市化發(fā)展推動(dòng)了公路的建設(shè)進(jìn)程，目前我國(guó)的公路運(yùn)營(yíng)里程數(shù)正在逐年增加，公路網(wǎng)密度也發(fā)生了很大的變化，但是按照公路網(wǎng)密度的等級(jí)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)看，我國(guó)的公路網(wǎng)仍然存在短板，人均公路里程還是遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于發(fā)達(dá)國(guó)家。公路建設(shè)不僅帶動(dòng)了國(guó)家經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，也帶來(lái)了科技的進(jìn)步，其中以GPS全球定位系統(tǒng)為基礎(chǔ)的RTK載波相位差分技術(shù)被廣泛應(yīng)用。該技術(shù)具備多種先進(jìn)功能，包含測(cè)量、衛(wèi)星定位和無(wú)線電通訊等多種信息技術(shù)，精度高、效率高，對(duì)于測(cè)量壓力大以及要求較高的公路工程非常實(shí)用[1]。該文通過(guò)對(duì)GPS-RTK技術(shù)的整體探討，以海濱路工程為例，深入研究GPS-RTK技術(shù)的實(shí)際測(cè)量應(yīng)用效果。

1 GPS控制網(wǎng)技術(shù)

傳統(tǒng)的測(cè)量方式，在建立方位測(cè)量點(diǎn)時(shí)，需要點(diǎn)與點(diǎn)之間通視，而GPS定位技術(shù)的應(yīng)用中，則不要求控制點(diǎn)與點(diǎn)之間的可視。公路工程線路長(zhǎng)、面積廣，在對(duì)地形測(cè)繪中，顯然GPS控制網(wǎng)技術(shù)要比傳統(tǒng)測(cè)量要更加靈活適用。GPS控制網(wǎng)的布設(shè)方式多樣，包含點(diǎn)連、邊連、網(wǎng)連、邊點(diǎn)混連、三角鎖形、導(dǎo)線網(wǎng)形及星型布設(shè)等。其中的三角鎖型幾何強(qiáng)度、可靠性及精度都比較高，在公路中應(yīng)用的比較多。GPS控制網(wǎng)的精度依賴于非同步獨(dú)立觀測(cè)的邊構(gòu)成閉合環(huán)或復(fù)合線路，以此構(gòu)成GPS基準(zhǔn)網(wǎng)，從而達(dá)到預(yù)期的測(cè)量目標(biāo)[2]。

2 GPS-RTK構(gòu)成及其原理

2.1 GPS-RTK基本構(gòu)成

GPS-RTK系統(tǒng)主要由3部分構(gòu)成：基站、流動(dòng)站及通信系統(tǒng)?；居职薌PS接收機(jī)、GPS天線、電源、控制器及無(wú)線電通信發(fā)射設(shè)備等;流動(dòng)站包括無(wú)線電通信接收設(shè)備、電源、控制器、GPS天線及接收機(jī)等設(shè)備。

2.2 GPS-RTK工作原理

GPS-RTK技術(shù)系統(tǒng)具有絕對(duì)定位、相對(duì)定位以及差分定位3種定位模式，而在公路的地形測(cè)量設(shè)計(jì)中相對(duì)定位原理被應(yīng)用得更多，所以接下來(lái)對(duì)GPS-RTK相對(duì)定位技術(shù)的工作原理進(jìn)行闡述。

2.2.1 GPS信號(hào)接收

系統(tǒng)中的基準(zhǔn)站以及流動(dòng)站都會(huì)通過(guò)GPS接收機(jī)或者是無(wú)線電通信接收設(shè)備接收到GPS所傳輸?shù)男盘?hào)數(shù)據(jù)。基準(zhǔn)站接收GPS信號(hào)以及基準(zhǔn)站參數(shù)，然后通過(guò)電臺(tái)發(fā)射出所觀測(cè)到的坐標(biāo)及高程數(shù)據(jù)到流動(dòng)站。流動(dòng)站同樣也會(huì)接收流動(dòng)站參數(shù)以及GPS信號(hào)[3]。

2.2.2 參數(shù)轉(zhuǎn)換

流動(dòng)站接收到基準(zhǔn)站傳來(lái)的坐標(biāo)和高程數(shù)據(jù)，以及自身接收的數(shù)據(jù)，系統(tǒng)將會(huì)對(duì)兩站之間的實(shí)時(shí)基線進(jìn)行解算，然后求出流動(dòng)站的實(shí)時(shí)坐標(biāo)數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換參數(shù)，最后進(jìn)行坐標(biāo)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換形成流動(dòng)站格網(wǎng)坐標(biāo)。

2.2.3 用戶端接收

系統(tǒng)中的無(wú)線電傳輸設(shè)備會(huì)將測(cè)得的坐標(biāo)數(shù)據(jù)傳送給用戶端，并且能夠通過(guò)用戶端的內(nèi)置組件接收GPS數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)的修正處理之后，將會(huì)計(jì)算出精度非常高的三維坐標(biāo)，從而建立起GPS基準(zhǔn)網(wǎng)，準(zhǔn)確地對(duì)公路的地形圖實(shí)施測(cè)量和設(shè)計(jì)。

3 基于GPS-RTK技術(shù)的公路地形圖測(cè)繪

3.1 工程概況

海濱路新建工程位于上海市浦東新區(qū)，全程線路較長(zhǎng)，分成2部分的階段工程。第一段工程起于北部東靖路，向南止于金海路;第二段工程北起規(guī)劃六路，南至錦繡東路。海濱路的建設(shè)將東靖路、金海路、規(guī)劃六路以及錦繡東路等主要路段全部連接起來(lái)，打通了4條路段之間的相互聯(lián)系，使當(dāng)?shù)氐慕煌〒矶虑闆r得到很好的緩解，有利于臨港經(jīng)濟(jì)貿(mào)易區(qū)的建設(shè)，對(duì)浦東新區(qū)的經(jīng)濟(jì)格局有更好的幫助。然而由于道路沿線的高層住宅以及商業(yè)樓等建筑遮擋較多，采用傳統(tǒng)的公路測(cè)量方式測(cè)點(diǎn)通視性不好，于是采用GPS-RTK技術(shù)對(duì)公路工程進(jìn)行測(cè)繪，并探討該技術(shù)在工程測(cè)繪中的實(shí)際應(yīng)用效果。

3.2 建立測(cè)區(qū)平面控制網(wǎng)及高程測(cè)量

平面控制網(wǎng)以及高程測(cè)量是該項(xiàng)目測(cè)量中的一個(gè)難點(diǎn)，采用快速靜態(tài)測(cè)量的方法，利用上海CORS參考基準(zhǔn)站對(duì)圖根進(jìn)行控制測(cè)量。誤差不能大于±3 mm，天線標(biāo)志的指向方向?yàn)檎狈较?，天線高度的測(cè)量精度應(yīng)該在1 mm，需要在工程測(cè)量前后各測(cè)一次，以免出現(xiàn)太大的誤差。每一個(gè)控制點(diǎn)都要觀測(cè)2個(gè)時(shí)段，每個(gè)時(shí)段要在10 s以上，數(shù)據(jù)采樣的時(shí)間間隔為5 s，2個(gè)時(shí)段測(cè)得的數(shù)據(jù)平面點(diǎn)位差要小于2 cm。如果能夠滿足這些條件，可以取平均值數(shù)據(jù)作為控制結(jié)果。對(duì)于平面控制測(cè)量的成果要求比較高，需要有不能少于10%的重復(fù)抽樣檢查，而且抽樣檢查的點(diǎn)數(shù)不能低于3個(gè)點(diǎn)，檢測(cè)時(shí)測(cè)量?jī)x器必須全部初始化，抽樣檢測(cè)數(shù)據(jù)與初次采集的數(shù)據(jù)差應(yīng)該小于3 cm。該工程一共測(cè)得平面控制點(diǎn)32個(gè)，而測(cè)量結(jié)果以及精度滿足了相關(guān)的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。

3.3 控制網(wǎng)平差結(jié)果分析

控制網(wǎng)的平差離不開(kāi)測(cè)量區(qū)域內(nèi)平面控制網(wǎng)的建立，對(duì)于控制網(wǎng)的平差結(jié)果的分析是為了能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)GPS-RTK技術(shù)應(yīng)用中是否存在太大的誤差，以便出現(xiàn)數(shù)據(jù)偏差及時(shí)調(diào)整。對(duì)控制網(wǎng)平差結(jié)果的有效分析是保證測(cè)量數(shù)據(jù)精度的重要方式之一，在分析時(shí)也應(yīng)該注意3個(gè)問(wèn)題。1）該工程對(duì)控制網(wǎng)中的32個(gè)控制點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，如有個(gè)別點(diǎn)附和不良，則固定網(wǎng)中任意高程起算點(diǎn)，平差解算剩余點(diǎn);如附和依舊不良，則是因?yàn)闇y(cè)量結(jié)果粗差較大所致。2）在對(duì)公路的平面控制網(wǎng)布設(shè)過(guò)程中，起算點(diǎn)要根據(jù)實(shí)際道路的走向、道路中控制點(diǎn)的數(shù)量及分布情況合理選擇分配，這樣能保證分段平差中所需的起算點(diǎn)個(gè)數(shù)合理。3）進(jìn)行分段平差時(shí)，要及時(shí)的將各段的平差結(jié)果與上一段的平差結(jié)果進(jìn)行比較，如果出現(xiàn)了比較大的誤差，一定要準(zhǔn)確調(diào)整，如果誤差過(guò)大，超出了測(cè)量計(jì)算允許的范圍，就要檢查起算點(diǎn)是不是出現(xiàn)了問(wèn)題。

對(duì)該工程的測(cè)量中，除了平面控制網(wǎng)的測(cè)量比較重要，容易出現(xiàn)粗差之外，其他測(cè)量過(guò)程也可能會(huì)有較大影響，下面這2個(gè)測(cè)量難點(diǎn)也可能對(duì)平面控制網(wǎng)的平差結(jié)果產(chǎn)生偏移。1）對(duì)道路斷面測(cè)量的外業(yè)測(cè)量。按照道路設(shè)計(jì)要求選用的是中線號(hào)樁，每隔20 m處設(shè)立一個(gè)中樁，在測(cè)量道路的中線樁號(hào)的平面位置及高程中，如果高程突然變化就需要在這個(gè)地方加設(shè)一個(gè)中樁，然后進(jìn)行測(cè)量，并且根據(jù)相關(guān)的設(shè)計(jì)要求，利用縱斷面格式得出道路縱斷面的測(cè)量數(shù)據(jù)。在橫斷面的測(cè)量中，橫斷面的直線間距及曲線間距都為20 m，橫斷面必須是整10 m的樁號(hào)，測(cè)量寬度是規(guī)劃道路中線兩側(cè)各20 m。橫斷面的測(cè)量數(shù)據(jù)，應(yīng)在路中心及車行道的邊緣處都標(biāo)高，而且標(biāo)高要在道路地形起伏的地區(qū)加密標(biāo)識(shí)。對(duì)于這種野外的數(shù)據(jù)采集，要以控制網(wǎng)中的控制點(diǎn)為基本標(biāo)準(zhǔn)，利用GPS-RTK技術(shù)測(cè)量平面位置，用電子水準(zhǔn)儀測(cè)量出高程，最終得到道路斷面點(diǎn)的平面及高程的準(zhǔn)確數(shù)據(jù)。2）繪制道路縱斷面圖形。縱斷面的圖形要根據(jù)坐標(biāo)圖繪制，將里程樁作為圖紙的橫坐標(biāo)，縱坐標(biāo)為高程，比例尺根據(jù)道路的中線長(zhǎng)度調(diào)整為合適比值，1∶200，最后在毫米為單位的方格紙上繪制縱斷面圖。樁號(hào)間距仍然是20 m，在地勢(shì)起伏出加密[4]。

以上這些測(cè)量要點(diǎn)都必須嚴(yán)格按照規(guī)定執(zhí)行測(cè)量工作，該工程GPS-RTK測(cè)量成果與靜態(tài)觀測(cè)成果差值符合規(guī)范要求，可見(jiàn)，GPS-RTK技術(shù)只要嚴(yán)格按照規(guī)定的測(cè)量方法使用，完全可以應(yīng)用到公路工程地形圖的測(cè)繪當(dāng)中。

4 提高GPS-RTK成果精度措施

通過(guò)測(cè)量數(shù)據(jù)的分析對(duì)比來(lái)看，該次公路工程中GPS-RTK技術(shù)的測(cè)量結(jié)果符合標(biāo)準(zhǔn)，測(cè)量方式更為高效簡(jiǎn)便，可行性也比較高，但是由于該技術(shù)會(huì)受到測(cè)量?jī)x器的測(cè)量誤差、GPS衛(wèi)星狀況以及電離層的一些外界因素干擾，對(duì)測(cè)量的結(jié)果造成影響，所以GPS-RTK技術(shù)的實(shí)際準(zhǔn)確性也就在95%～99%左右，相比于受外界干擾因素較小的全站儀和水準(zhǔn)儀等傳統(tǒng)測(cè)量手段，GPS-RTK系統(tǒng)的測(cè)量精度還是相對(duì)較低的。根據(jù)該工程中應(yīng)用GPS-RTK技術(shù)測(cè)量的實(shí)際問(wèn)題，提出相關(guān)的措施提高GPS-RTK測(cè)量的精確度，為GPS-RTK在公路測(cè)繪中的廣泛應(yīng)用提供一定的參考。

4.1 GPS-RTK受衛(wèi)星狀況影響

GPS-RTK系統(tǒng)的技術(shù)中心就在于GPS全球定位系統(tǒng)的支撐，而GPS系統(tǒng)由美國(guó)于1973年開(kāi)發(fā)研制，系統(tǒng)的研發(fā)時(shí)間較早。但是隨著GPS系統(tǒng)用戶的不斷增加，GPS系統(tǒng)覆蓋區(qū)域會(huì)出現(xiàn)一定的盲區(qū)，盲區(qū)中每天接收的信號(hào)可能會(huì)比較弱。而且GPS基站及通信基站如果是建立在室內(nèi)或者被高層建筑遮擋，那么GPS信號(hào)的接收速度也明顯減緩，這也就導(dǎo)致了GPS-RTK系統(tǒng)測(cè)量時(shí)會(huì)出現(xiàn)信號(hào)延遲，使數(shù)據(jù)出現(xiàn)誤差。為了降低衛(wèi)星信號(hào)情況對(duì)于測(cè)量的影響，在使用GPS-RTK技術(shù)進(jìn)行公路地形測(cè)繪時(shí)，對(duì)所測(cè)區(qū)域的衛(wèi)星信號(hào)接收狀況要有所了解，是否是GPS信號(hào)盲區(qū)，如果是盲區(qū)，就要知道盲區(qū)的時(shí)長(zhǎng)及發(fā)生時(shí)段，以免在盲區(qū)時(shí)段進(jìn)行測(cè)量工作。

4.2 GPS-RTK受電離層影響

大氣中的電離層是被太陽(yáng)高能輻射和宇宙線激勵(lì)后形成的大氣層，距離地面60 km以上，電離層的大氣全部是一種電離狀態(tài)。太陽(yáng)的輻射程度越大，電離越強(qiáng)，對(duì)GPS-RTK的信號(hào)接收干擾越大。尤其是在12：00～13：40時(shí)間段內(nèi)測(cè)量結(jié)果受到的影響最大，測(cè)量精度相對(duì)較低。因此，在使用GPS-RT測(cè)量時(shí)，應(yīng)該避開(kāi)中午太陽(yáng)輻射最強(qiáng)的時(shí)間段，測(cè)量的精度會(huì)更高。

4.3 GPS-RTK受數(shù)據(jù)鏈電臺(tái)傳輸信號(hào)及對(duì)空通視條件的影響

通過(guò)工程測(cè)量作業(yè)的過(guò)程可以看出，通視條件不是很好的時(shí)候，GPS的信號(hào)也會(huì)被阻擋，而且電臺(tái)傳輸數(shù)據(jù)的信號(hào)也會(huì)明顯降低。在這種衛(wèi)星信號(hào)及數(shù)據(jù)傳輸信號(hào)都比較差的條件下，GPS-RTK測(cè)量數(shù)據(jù)的精度一定會(huì)降低。為了減小數(shù)據(jù)鏈電臺(tái)傳輸信號(hào)及通視條件對(duì)測(cè)量精度的影響，在設(shè)計(jì)平面控制網(wǎng)的時(shí)候，要選擇通視性較好一些的控制點(diǎn)，如果能夠避開(kāi)崎嶇的建筑及地形最好，以免對(duì)信號(hào)產(chǎn)生干擾，當(dāng)然要保證不會(huì)加大工程量，否則就得不償失了。

5 結(jié)語(yǔ)

該文通過(guò)對(duì)GPS—RTK技術(shù)在公路工程測(cè)繪中的應(yīng)用進(jìn)行詳細(xì)的分析，介紹了GPS控制網(wǎng)的布設(shè)方式，闡述了GPS—RTK技術(shù)的構(gòu)成以及工作原理，通過(guò)實(shí)際公路工程測(cè)量的應(yīng)用舉例分析，同時(shí)提出增強(qiáng)測(cè)量精度的有效方式，最后得出結(jié)論：在測(cè)量?jī)?nèi)業(yè)及外業(yè)100%自查的前提下，外業(yè)的工作流程符合要求，儀器的準(zhǔn)確度經(jīng)過(guò)檢定符合標(biāo)準(zhǔn)，外業(yè)人員對(duì)測(cè)量?jī)x器的操作符合操作規(guī)范，內(nèi)業(yè)的全部數(shù)據(jù)準(zhǔn)確。根據(jù)《1∶5001∶10001∶2000數(shù)字化地形測(cè)量規(guī)范》（DGTJ08-86-2010）及《全球定位系統(tǒng)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量（RTK）技術(shù)規(guī)范》（CH/T2009―2010）等相關(guān)測(cè)量規(guī)定，該次工程針對(duì)1∶500地形測(cè)量中，主要地物點(diǎn)平面小于5 cm，高程精度小于2 cm，斷面點(diǎn)高程采用水準(zhǔn)測(cè)量，硬化路面高程精度1 cm，得出本次公路工程的測(cè)量結(jié)果滿足數(shù)字化地形測(cè)量規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，GPS—RTK測(cè)量技術(shù)在公路工程測(cè)繪中具有較大的可行性。

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