GPS-RTK技術在山區(qū)公路測量中的應用探討

文/曾勇、彭柳華

1 GPS-RTK測量技術概述

1.1 測量原理

GPS-RTK實時動態(tài)測量技術是GPS測量技術和數(shù)據(jù)實時傳輸技術的有機結(jié)合，主要基于載波相位觀測結(jié)果完成動態(tài)定位，并能在坐標系內(nèi)進行觀測點三維坐標的實時定位，定位及測量結(jié)果可達厘米級精度。傳統(tǒng)水準測量、三角高程測量等技術受山區(qū)地形復雜、通視條件差、高差大等的影響，難以正常施測，GPSRTK測量技術不需要測點之間通視便能實時提供任意測點三維坐標，且不受天氣條件影響而全天候施測[1]。GPS-RTK測量技術由基準站和流動站等部分組成，基準站通常設置于地勢較高且視野開闊的區(qū)域進行GPS衛(wèi)星數(shù)據(jù)的持續(xù)跟蹤并與數(shù)據(jù)站配合，將觀測數(shù)據(jù)信號實時傳送至流動站，以發(fā)揮控制作用。流動站通過數(shù)據(jù)連接技術將所接收到的來自基準站的衛(wèi)星數(shù)據(jù)差分觀測值進行實時處理，并最終確定出厘米級精度的測量定位結(jié)果。

1.2 測量流程

首先，進行測區(qū)控制網(wǎng)布設。以待測路線的已知點為起點，根據(jù)異步閉合網(wǎng)的形式沿路線進行GPS控制網(wǎng)布設，對于山區(qū)平緩區(qū)域最佳間距應為2000-3000m，而對于山區(qū)高差變化較大的區(qū)域，GPS信號可能受到阻擋，故應根據(jù)高差變化趨勢及測量精度要求進行控制點間距設置，且不超過2000m。在測區(qū)控制網(wǎng)布設完畢，進行各控制點WGS84點位坐標和大地標高的靜態(tài)觀測，基準站應選擇點位環(huán)境較好的控制點，并與其余控制點進行就近聯(lián)測和RTK測量精度控制。

其次，進行坐標系轉(zhuǎn)換。將控制點WGS84點位坐標及地方坐標系成果等基礎數(shù)據(jù)輸入控制器，并運用PowerADJ5.0軟件解算基線和網(wǎng)平差，最終得出WGS84點位坐標系地方坐標系轉(zhuǎn)換系數(shù)及各控制點高程擬合系數(shù)。

第三，進行公路中線樁實際點位測定。將公路中線樁坐標設計值傳輸至RTK手薄內(nèi)的坐標數(shù)據(jù)庫，基于事先坐標系轉(zhuǎn)換及高程擬合結(jié)果進行公路中線樁測放，并在公路實地埋樁標記。

第四，進行中線放樣?？紤]到GPS-RTK測量技術放樣功能較為全面，公路工程中線測放應采用其放樣點平面位置功能。在RTK手薄放樣界面輸入放樣點編號，根據(jù)所顯示的放樣信息進行導航數(shù)據(jù)測算，并在導航圖內(nèi)顯示出放樣點位置。測出RTK天線所處地方坐標后顯示其坐標位置和實際位置的偏移程度，并將RTK天線的調(diào)整距離與方向顯示于導航圖內(nèi)，若其位置與放樣點真實位置重合，則應將實際位置坐標高程等信息存儲于坐標文件[2]。

最后，整理并輸出坐標數(shù)據(jù)文件。通過對比坐標設計值與實際點位值以防止人為誤差引起放樣錯誤，并儲存中線樁高程相關數(shù)據(jù)便于公路橫縱斷面測量之用。

2 GPS-RTK測量技術應用實例

2.1 工程概況

某山嶺重丘一級公路起止樁號K16+460-K28+960，線路全長12.5km，且呈東西走向，其中K16+611.5-K19+241段為山地，長2.63km，相對高程405-743m，高差相對值338m；K23+102.7-K24+447.9段為山間盆地，高程為474-489m，高差相對值15m，地勢平緩，植被茂盛。本公路設計時速40km/h，路基寬28.5m，路面寬25.5m，公路設計荷載為汽車-20，掛車-100。公路施工段路基開挖土方量1.7587萬m3，石方開挖量1.1520萬m3，20cm厚水泥混凝土碎石基層施工量0.7150萬㎡，8cm厚水泥混凝土碎石基層施工量0.4681萬㎡，15cm厚填隙碎石底基層施工量0.773萬㎡，25cm厚水泥混凝土路面工程量0.6636萬㎡。

本山嶺重丘一級公路位于東南沿海平原丘陵區(qū)華夏長樂-南澳新斷裂帶地質(zhì)段，區(qū)域地層主要為中生代火山巖及第四紀沉積物，且線路周圍多呈現(xiàn)丘陵、海濱平地地貌，并覆蓋較厚的亞黏土、壓砂土殘積-坡積地層。工程沿線屬典型的亞熱帶海洋性季風氣候，雨量豐富，氣候潮濕，年均氣溫在20℃以上，年均降水量至少1250mm，年平均風速7.20m/s。

2.2 儀器選擇及控制點布置

本山嶺重丘一級公路GPS-RTK測量主要采用Trimble5700-RTK儀器，其具有較高的實時動態(tài)標稱精度（水平向和垂直向分別為10mm+10-6和20mm+10-6）和快速靜態(tài)標稱精度（水平向和垂直向均為10mm+10-6）。

圖1 某山嶺重丘一級公路線路簡圖

在該山嶺重丘一級公路線路簡圖中將起算點設置為線路起點A西北向相距約1.5km以及東南方向相距約2.3km的兩個國家控制點，并在公路全線設置45個等級為Ⅳ級的GPS點，以構成異步閉合性控制網(wǎng)，對點按照2.6km的間隔設置，而且對點之間的距離不能超出0.5km。通過持續(xù)24h的靜態(tài)觀測以取得不同控制點WGS84點位坐標以及大地標高值，再計算出WGS84點位坐標-地方坐標系的轉(zhuǎn)換系數(shù)和高程擬合系數(shù)[3]。

2.3 測量質(zhì)量控制

在該山嶺重丘一級公路線路簡圖中的AB段控制點處設置基準站，并進行數(shù)據(jù)初始化處理，再連續(xù)12h進行周邊其余控制點數(shù)據(jù)的聯(lián)測，按照5min的時間間隔進行定位數(shù)據(jù)的采集，并根據(jù)數(shù)據(jù)取值進行本次測量結(jié)果的校核。

3 測量精度分析

通過分析各施測點所取得數(shù)據(jù)的精度，目的在于找出影響山嶺重丘一級公路RTK測量精度的主要因素，并通過因素控制以提升測量精度。

3.1 衛(wèi)星分布的影響

幾何精度衰減因子PDOP是衡量GPS衛(wèi)星空間幾何分布對GPS測量結(jié)果精度影響程度的主要指標[4]，在1954北京坐標系下計算設置于該山嶺重丘一級公路AB段的RTK放樣點的約束平差以及點位中位差，根據(jù)結(jié)果進行衛(wèi)星空間幾何分布對GPS-RTK測量精度影響程度的分類統(tǒng)計，結(jié)果見表1。

表1 該山嶺重丘一級公路AB段的RTK放樣點PDOP值誤差統(tǒng)計結(jié)果

由上表統(tǒng)計結(jié)果可知，在初始化RTK測量數(shù)據(jù)后，其測量精度已完全符合儀器標稱精度及相關規(guī)范，在衛(wèi)星空間幾何分布狀態(tài)的影響下，PDOP值的增大導致標準差也隨之增大，且PDOP∈[0，2)時，觀測結(jié)果精度最高；PDOP∈[2，5)時，觀測數(shù)據(jù)標準差與PDOP∈[0，2)時相當接近，當PDOP∈[5，99.9)時，觀測結(jié)果標準差明顯增大，但是仍符合標稱精度的相關規(guī)定。

3.2 控制點分布的影響

本公路測量中以2005年所設置的E級GPS點為比測控制點，且各個測點都顯示精度，施測控制手簿中的精度缺省值按平面0.015m、高程0.020m設置，比測點誤差均應小于此限值，且將點位移最值控制在0.290m，其與基準站的距離不能超出5.30km，高程較差應低于0.245m，測點位移中誤差應控制在0.095m。

根據(jù)本山嶺重丘一級公路測量結(jié)果，描繪基站距離與點位關系圖（圖2），并根據(jù)《工程測量規(guī)范》（GB50026-2007），將圖根電磁波測距所要求的坐標閉合差控制在0.4mm以內(nèi)，測站點導線坐標閉合差控制在0.8mm以內(nèi)。

圖2 基站距離與點位關系圖

根據(jù)基站距離與點位關系圖進行1：500比例尺測圖，當基準站和流動站相距不足6.0km時，平面點位移在0.25m范圍內(nèi)變化，且滿足相關規(guī)范所規(guī)定的圖根級測量精度要求，高程誤差在0.1m以內(nèi)。

3.3 遮擋物的影響

考慮到本公路線路處于山嶺重丘區(qū)域，在測量過程中遮擋物較多，衛(wèi)星信號接收、無線電信號傳輸?shù)染鶗艿秸趽跷锏挠绊?。為此，本工程在該山嶺重丘一級公路線路簡圖（圖1）中選擇BC段茂林區(qū)進行測試。先進行無遮擋數(shù)據(jù)的初始化，并待進入茂林區(qū)后在林木相對稀疏區(qū)域展開測量，因初始化數(shù)據(jù)頻繁丟失，難以繼續(xù)展開測量[5]。同時在BC段高壓線區(qū)域進行的測量結(jié)果也存在較大偏差，表明遮擋物的存在對本公路工程GPS-RTK測量結(jié)果精度影響較大。

3.4 基準站點位影響

根據(jù)前述分析結(jié)果，基準站與測點距離只要控制在合理范圍內(nèi)就可弱化兩者距離對測量精度的影響。此外，還應考慮測點與基準站高差對測量精度的影響，在該山嶺重丘一級公路線路簡圖中分別在AB、BC、CD段設置水平距離相同但高差不同的測點進行比測，結(jié)果顯示，測點于基準站高差對測量結(jié)果精度并無明顯影響。

4 結(jié)語

通過本公路工程測量實踐，GPS-RTK測量技術在山嶺重丘區(qū)域的應用能顯著提升測量效率，降低成本且縮短工期，測量過程簡便，測量結(jié)果精度高，對于山區(qū)公路工程測量提供了技術途徑。但是，GPS-RTK測量結(jié)果的準確程度受到衛(wèi)星空間幾何分布、控制點設置、遮擋物及基準站點位等的影響較大，為保證測量精度，必須嚴格遵守相應的測量規(guī)程，增強控制點位布設的準確性，并將PDOP取值控制在[2，5)范圍內(nèi)，測量點位與基準站距離不超出6.0km，通過不間斷的質(zhì)量校核，并盡量避免在密林區(qū)域、通訊信號發(fā)射塔區(qū)、高壓線等處展開GPS-RTK測量施工，以保證測量結(jié)果精度，為公路工程施工提供可靠的依據(jù)。