GPS-RTK后處理在公路工程中的探討應(yīng)用

楊傳棟 劉德軍 馬春萍

摘 要：文章以尼日利亞KIYAWA公路項(xiàng)目為背景，論述GPS-RTK后處理的詳細(xì)步驟，其中著重于GPS高程的人工校正處理過程，靈活運(yùn)用Trimble公司TSC2手簿中的各種功能，來進(jìn)行快速簡潔的測量設(shè)計(jì);目的是在有限的時(shí)間內(nèi)，完成測量設(shè)計(jì)，為公路施工設(shè)備進(jìn)場提供時(shí)間保證。

關(guān)鍵詞：GPS-RTK;RTK后處理;人工校正;TBC;EGM96;公路項(xiàng)目

1 項(xiàng)目背景

KIYAWA公路項(xiàng)目屬于JIGAWA州政府投資的一個(gè)公路項(xiàng)目，總長47.3公里，合同金額1.76億人民幣，最大高差50米左右，且地勢坡度變化比較平緩，屬于丘陵地帶。

該項(xiàng)目原咨詢公司屬于法國公司，設(shè)計(jì)圖紙距現(xiàn)在已經(jīng)30余年。因?yàn)闀r(shí)間跨度比較大，原來咨詢提供的IV等控制點(diǎn)已經(jīng)完全丟失，沒有任何控制成果可以聯(lián)測。故現(xiàn)場無法根據(jù)相關(guān)的參考物來確定原來的設(shè)計(jì)線路，因此由承包商參考咨詢提供的工程量單和大概線路來重新測量設(shè)計(jì)成果并給工程提供足夠的施工控制點(diǎn)。

測量設(shè)計(jì)時(shí)間要求2個(gè)月;當(dāng)時(shí)正值莊稼成熟季節(jié)，莊稼比較高，用普通的全站儀測量難度比較大，因此選用GPS來進(jìn)行測量設(shè)計(jì)。

2 測量設(shè)計(jì)思路

（1）直接用GPS RTK功能沿途大概每3、4公里做上一定數(shù)量的IV等首級GPS控制點(diǎn)，把線路兩邊的相關(guān)地物平面位置測量下來，做這個(gè)工作的同時(shí);另外一個(gè)IV等幾何水準(zhǔn)測量組同步進(jìn)行，得到所有IV等GPS控制點(diǎn)的精確高程。

（2）根據(jù)所有IV等GPS控制點(diǎn)高程在TBC軟件中進(jìn)行RTK后處理，人工校正得到所有IV等GPS控制點(diǎn)和相關(guān)地物的準(zhǔn)確高程。展到CASS軟件中編輯圖形，這樣就可以在生成的地形圖上設(shè)計(jì)出平面線路。

（3）再用GPS-RTK功能根據(jù)IV等GPS控制點(diǎn)來精確的測量縱橫斷面，供設(shè)計(jì)使用。

（4）利用GPS-RTK的高程誤差不累積原理，在線路沿線兩側(cè)約300米左右加密一定數(shù)量的一級GPS施工控制點(diǎn)。

（5）如果平面線路中有重要的建筑設(shè)施，例如橋涵之類的，把該重要設(shè)施兩端的一級GPS施工控制點(diǎn)高程誤差平均分配即可。

注意：步驟3、4、5可以穿插進(jìn)行，以便于先行提交部分測量設(shè)計(jì)成果，業(yè)主確認(rèn)后即可施工，沒必要一次提交完畢。

3 RTK后處理

該項(xiàng)目使用Trimble公司的R8&GNSS GPS接收機(jī)2臺。測量作業(yè)開始，TSC2手簿選擇UTM投影、投影帶號、Minna（Nigeria）投影基準(zhǔn)、EGM96（Global）大地水準(zhǔn)面高程模型建立WGS84坐標(biāo)高程系。在這里簡單介紹一下EGM96地球重力場模型，EGM96地球重力場模型（大地水準(zhǔn)面模型）是美國國家宇航局哥達(dá)飛行中心（NASA/GSFC）、美國國家影像制圖局（NMA）和美國國防部（DOD）共同完成的最新高精度地球重力場模型，使用的數(shù)據(jù)有地面重力異常數(shù)據(jù)、衛(wèi)星跟蹤數(shù)據(jù)和衛(wèi)星測高數(shù)據(jù)。模型提供高達(dá)360階的球諧系數(shù)，共有130 317個(gè)系數(shù)，為計(jì)算全球以及中國大陸重力場提供了高精度資料。且該模型在國內(nèi)諸多工程中已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用。

作業(yè)之初，在線路中間附近，直接使用TSC2手簿中RTK方法的HERE功能測得該IV等GPS控制點(diǎn)坐標(biāo)高程，將該高程作為整個(gè)線路的起始高程點(diǎn)BY14。然后向線路兩側(cè)開始測量相關(guān)地物，并在大約3、4公里處使用RTK的測量控制點(diǎn)功能測得下一個(gè)IV等GPS控制點(diǎn)坐標(biāo)高程，再在此處建立基準(zhǔn)站，繼續(xù)往下，依此類推。

測量部分?jǐn)?shù)據(jù)后，把數(shù)據(jù)導(dǎo)入到TBC軟件中，再修改當(dāng)?shù)攸c(diǎn)投影為測區(qū)中心附近經(jīng)緯度和WGS84坐標(biāo)系下的投影高度，投影高度大約為測區(qū)的WGS84平均高度（大地高），改好后把文件導(dǎo)入到TSC2手簿中，因?yàn)門SC2手簿中沒有設(shè)立當(dāng)?shù)攸c(diǎn)投影功能;設(shè)立當(dāng)?shù)赝队包c(diǎn)后，TSC2手簿中的原項(xiàng)目文件就沒用了，可以將其覆蓋或建立新項(xiàng)目文件，以后使用新項(xiàng)目文件即可。繼續(xù)進(jìn)行以后的相關(guān)地物和IV等GPS控制點(diǎn)測量。這樣所有IV等GPS控制點(diǎn)和相關(guān)地物測完之后，另外一個(gè)IV等幾何水準(zhǔn)組也測量完成，然后計(jì)算所有IV等GPS點(diǎn)的精確高程。在進(jìn)行相關(guān)地物平面位置測量的同時(shí)，可以分別在兩端和線路中心附近適當(dāng)位置驗(yàn)證一定的平面位置誤差，這里采用的是Leica TS06-2”全站儀，標(biāo)準(zhǔn)測距標(biāo)稱精度1.5 mm+2 ppm。

雖然用全站儀測得的平面距離不能簡單同GPS相對坐標(biāo)相對比，要先歸算到參考橢球面，再歸算到UTM投影，才能進(jìn)行比較，但是從上面數(shù)據(jù)中可以得出結(jié)論：用此方法求得的坐標(biāo)對于公路工程，應(yīng)用完全沒有問題。

下面講述利用GPS測量得到的IV等GPS坐標(biāo)和IV等幾何水準(zhǔn)成果來對RTK后處理進(jìn)行人工校正。

在TBC軟件新項(xiàng)目中插入至少4個(gè)校正點(diǎn)網(wǎng)格坐標(biāo)成果，每個(gè)IV等GPS校正點(diǎn)用易區(qū)分的點(diǎn)名輸入坐標(biāo)高程，坐標(biāo)采用原來的坐標(biāo)保持不變，高程采用IV等水準(zhǔn)高程成果，成果類型選取控制質(zhì)量，這樣插入點(diǎn)完成后，就可以在項(xiàng)目中看到呈三角形的校正點(diǎn)標(biāo)志，下一步選取測量/GPS點(diǎn)校正，選取三參數(shù)、水平平差（H）、垂直平差（V）、設(shè)置比例尺為（F）?！咀⒁猓簣D中設(shè)置比例尺選項(xiàng)要選上，此處意思：用校正點(diǎn)和原來的同物點(diǎn)比例為1：1，即不縮放;選擇該檢查框可以避免使GPS 網(wǎng)的幾何圖形失真，但要注意校正殘差將會比較高。】。

點(diǎn)擊點(diǎn)列表，在相應(yīng)域中輸入同物理點(diǎn)的校正網(wǎng)格點(diǎn)名稱和WGS-84 點(diǎn)名稱;兩個(gè)點(diǎn)的名稱不必相同，但它們應(yīng)該對應(yīng)于同一個(gè)物理點(diǎn)，至少輸入4個(gè)，此處第一個(gè)最好輸入這個(gè)項(xiàng)目前面定義的起始高程BY14，因?yàn)榇怪逼讲钤c(diǎn)使用的是帶高程的校正中的第一個(gè)點(diǎn)，輸入完成，確認(rèn)。

點(diǎn)擊計(jì)算可以看到各種殘差值：

如果殘差可以接受，點(diǎn)擊 確認(rèn) 軟鍵，存儲校正;如果殘差不可以接受，重新計(jì)算校正。這個(gè)時(shí)候需要?jiǎng)h除或增加校正網(wǎng)格點(diǎn)的名稱，直到殘差可以接受為止，保存GPS校正報(bào)告?！咀?- 每個(gè)校正計(jì)算都獨(dú)立于先前的那一個(gè)，當(dāng)應(yīng)用新的校正時(shí)，它將覆蓋任何先前計(jì)算的校正。】也可以查看報(bào)告中的【垂直平差參數(shù)】和【GPS 和已知坐標(biāo)間的殘差差異】兩項(xiàng)。這個(gè)步驟后導(dǎo)出所有IV等GPS點(diǎn)和相關(guān)地物成果，展到CASS中就是我們采集的所有相關(guān)地物，把所有IV等GPS控制成果保存為正式成果。

退出，復(fù)制該項(xiàng)目備份，在備份項(xiàng)目中刪除所有相關(guān)地物點(diǎn)，僅保留所有IV等GPS控制點(diǎn)導(dǎo)入到TSC2手簿中，RTK后處理的所有步驟就完成了。以后就可以用該項(xiàng)目文件來測量線路設(shè)計(jì)平面的縱橫斷面和一級GPS控制點(diǎn)了。

把平面設(shè)計(jì)的曲線要素輸入到TSC2手簿中，利用TSC2測量縱橫斷面的同時(shí)，同步放樣中樁，給工程設(shè)備提前進(jìn)場提供更多的工作面。

再利用放樣好的中樁來進(jìn)一步加密一級GPS施工控制點(diǎn)。

如果工程線路中有比較重要的建筑設(shè)施，比如橋涵等，只需要把重要設(shè)施兩端的一級GPS控制點(diǎn)水準(zhǔn)聯(lián)測幾個(gè)，高程誤差平均分配即可;此處利用了GPS-RTK功能的高程誤差不累積原理。

下面圖表，僅僅為了驗(yàn)證RTK測量得到的一級GPS控制點(diǎn)高程和水準(zhǔn)高程數(shù)據(jù)。

表中數(shù)據(jù)為所有相鄰一級GPS控制點(diǎn)和沿線經(jīng)過的IV等GPS控制點(diǎn)高程差，總共154個(gè)數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)誤差分布和高程中誤差。誤差分布表：

將水準(zhǔn)高程作為外部檢核條件，計(jì)算得到高程中誤差=±8 mm;由上表可以得出結(jié)論：如果在某個(gè)項(xiàng)目高程不是要求非常嚴(yán)格、且工程進(jìn)度要求非常緊的情況下，GPS-RTK后處理功能得到的GPS擬合高程完全可以替代五等及以下幾何水準(zhǔn)高程;例如該公路項(xiàng)目，也沒必要全部檢核所有一級GPS控制點(diǎn)高程，僅核對重要建筑設(shè)施兩端的控制點(diǎn)高程即可。

4 結(jié)論

實(shí)踐檢驗(yàn)表明，在某些高程不是要求非常嚴(yán)格的公路項(xiàng)目中，直接利用GPS的單基準(zhǔn)站RTK功能，再經(jīng)過RTK后處理完全可以達(dá)到五等及以下幾何水準(zhǔn)測量的要求。

5 結(jié)束語

有時(shí)候?yàn)榱耸构こ虦y量盡快完工，給設(shè)計(jì)提供依據(jù)，就要求必須在很短時(shí)間內(nèi)完成測量工作，因此我們必須采取必要的手段和方法來保證工程的快速開展。例如該公路項(xiàng)目，全部工程測量設(shè)計(jì)僅用37天完成，比要求時(shí)間提前23天;且開始測量設(shè)計(jì)15天后，已經(jīng)先行把設(shè)計(jì)出來的前7公里線路和設(shè)計(jì)成果提交給業(yè)主，業(yè)主確認(rèn)后，工程設(shè)備在第20天就開始分多個(gè)工作面同時(shí)展開，這樣算下來，施工設(shè)備提前進(jìn)場40天，為公路工程項(xiàng)目提前開工提供了一定的時(shí)間保證;在這里一并感謝Trimble公司的TBC軟件。

參考文獻(xiàn)：

[1]寧津生，羅志才，楊沾吉，等.深圳市1km高分辨率厘米級高精度大地水準(zhǔn)面確定[J].測繪學(xué)報(bào)，2003（02）：102-107.

[2]馮林剛，楊潤甫，李勝.基于EG96的GPS高程轉(zhuǎn)換方法[J].測繪通報(bào)，2006（03）：22-23.