GPS-RTK在校園道路施工測量中的應(yīng)用探析

涂榮譽(yù)，曹智翔，林孝松，程 植

(1.重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，重慶 400074；2.重慶交通大學(xué) 建筑與規(guī)劃學(xué)院，重慶 400074)

1 引言

傳統(tǒng)的測量技術(shù)在工程測量中效率相對(duì)較低，很多傳統(tǒng)測量方式難以應(yīng)對(duì)比較復(fù)雜的情況，導(dǎo)致技術(shù)人員需要投入較多的時(shí)間與精力[1]。針對(duì)傳統(tǒng)測量的不足，將RTK技術(shù)引入工程測量后主要應(yīng)用在控制測量、中線測量、縱橫斷面放樣中：在放樁測量中使用一點(diǎn)法復(fù)核分析基準(zhǔn)站附近的控制點(diǎn)按照2.5 cm左右的標(biāo)準(zhǔn)控制平面的坐標(biāo)分量從而達(dá)到導(dǎo)線精度標(biāo)準(zhǔn)[2]。在斷面測量中，可以不考慮分站測量和具體的斷面方向，使用這樣的技術(shù)，能夠直觀地獲取斷面真實(shí)的信息以及實(shí)地狀況[3]。

目前，在無基站RTK技術(shù)方面，使用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的數(shù)據(jù)模塊，將數(shù)據(jù)源作為其基準(zhǔn)站，僅需一臺(tái)接收機(jī)和通訊方法即可完成測量工作，即虛擬基準(zhǔn)站(Virtual Reference Station)。在相關(guān)研究中，主要通過電離層加權(quán)策略，輔助基線模糊度的快速解算，采用擴(kuò)展卡爾曼濾波(EKF)技術(shù)估計(jì)浮點(diǎn)模糊度，利用模糊度解算方法，最后通過最小二乘模糊度將相關(guān)(LAMBDA)算法和比率(RATIO)檢測對(duì)模糊度進(jìn)行固定解算[4]。但在進(jìn)行測量時(shí)測量精度仍然會(huì)受地形限制、電離層干擾以及衛(wèi)星數(shù)量等因素影響。

為了研究GPS-RTK技術(shù)是否能滿足工程要求，筆者結(jié)合具體試驗(yàn)，對(duì)GPS-RTK技術(shù)在重慶交通大學(xué)南岸校區(qū)校園部分道路施工測量中的應(yīng)用進(jìn)行模擬研究。在傳統(tǒng)的道路橫斷面以及土方計(jì)算過程中由于人工參與占比過多容易造成更多的誤差，因此采用RTK進(jìn)行橫縱斷面放樣、CASS土方計(jì)算方法來替代傳統(tǒng)測量方式，以降低測繪過程中可能造成的誤差概率，保證所有監(jiān)測點(diǎn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、連續(xù)性和可靠性，降低測繪人員的勞動(dòng)負(fù)荷，提高測繪效率，提供科學(xué)比對(duì)參考。

2 設(shè)備與方法

2.1 設(shè)備采用

研究相關(guān)設(shè)備為接收機(jī)、天線、卷尺、腳架、手簿、RTK對(duì)中桿、電池(蓄電池)、南方測繪全站儀(2+2×10-6)、計(jì)算機(jī)、南方CASS軟件和緯地軟件等。

2.2 步驟及方法

(1)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)準(zhǔn)備。在進(jìn)行試驗(yàn)前，先獲取相關(guān)資料，包括測區(qū)或測段的平面圖、高程控制成果等，依照情況，進(jìn)行基平測量、加密或者重新布設(shè)控制網(wǎng)。本試驗(yàn)用緯地軟件進(jìn)行道路設(shè)計(jì)，輸出為實(shí)驗(yàn)所需數(shù)據(jù)。

(2)儀器設(shè)備準(zhǔn)備。根據(jù)信息制定好方案后，測繪人員需確保所有需要的儀器準(zhǔn)備完畢，包括接收機(jī)、天線、卷尺等。

(3)具體操作?；鶞?zhǔn)站應(yīng)設(shè)置在高一級(jí)控制點(diǎn)上；宜選擇測區(qū)相對(duì)較高的位置；應(yīng)正確設(shè)置基準(zhǔn)站坐標(biāo)、數(shù)據(jù)單位、尺度因子、投影參數(shù)等[5]。應(yīng)在3 個(gè)方向上測量基準(zhǔn)站儀器高度，基準(zhǔn)站的衛(wèi)星數(shù)量大于4 顆，小于8 顆，高度角設(shè)置在15°及以上。斷開與參考站的鏈接，轉(zhuǎn)而連接到移動(dòng)站，在手簿上對(duì)流動(dòng)站進(jìn)行設(shè)置，輸入天線高和轉(zhuǎn)換參數(shù)。大多數(shù)情況下需要對(duì)2個(gè)不同的坐標(biāo)系進(jìn)行轉(zhuǎn)換，選取3 個(gè)控制點(diǎn)進(jìn)行聯(lián)合測量，通過控制點(diǎn)計(jì)算4 個(gè)參數(shù)。

2.3 驗(yàn)證方法

根據(jù)GPS—RTK測量技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，RTK成果外業(yè)檢查可以采用下列方法進(jìn)行：①與已知點(diǎn)的比較檢核法；②再次測量同一點(diǎn)的檢驗(yàn)比較法；③已知基線長度的測量檢驗(yàn)；④雙基站實(shí)時(shí)檢測法。

3 RTK技術(shù)在施工測量中的應(yīng)用

3.1 道路縱橫斷面施測

縱斷面是捕捉道路垂直走向的斷面。傳統(tǒng)測量中一般采用全站儀進(jìn)行測量，要求有良好的通視效果，這就需要在施工過程中必須在設(shè)計(jì)時(shí)提供GPS控制點(diǎn)之間的布設(shè)導(dǎo)線，然后根據(jù)所提供的布設(shè)導(dǎo)線在點(diǎn)放樣功能里面再進(jìn)行導(dǎo)線測量和平差，最后才能進(jìn)行放樣工作[6]。一般情況下，RTK野外作業(yè)前，找到放樣的各樁位置，需要在RTK手冊(cè)中依次添加里程、高程、坡比、傾斜點(diǎn)豎曲線，還需要導(dǎo)入路段的線文件。在放樣程序中，同時(shí)還需要在所需程序中有平面設(shè)計(jì)文件。

3.2 縱斷面測量

路線縱橫斷面測量又稱路線水準(zhǔn)測量，其主要任務(wù)是沿路中線設(shè)立水準(zhǔn)點(diǎn)，測定路中線上各里程樁和加樁的地面高程；然后根據(jù)各里程樁的高程繪制縱斷面圖[7]。如果是在中樁采集的數(shù)據(jù)，則需要在上方屏幕中檢查橫截面，然后手簿會(huì)自動(dòng)保存其高程，這些點(diǎn)會(huì)保存到點(diǎn)庫中，并且實(shí)時(shí)顯示點(diǎn)的偏移量和高差數(shù)據(jù)。最后導(dǎo)出文件數(shù)據(jù)，在CASS軟件中繪制輸出橫縱斷面圖(圖1、圖2)。

圖1 縱斷面成果圖

圖2 橫斷面成果(部分)

在試驗(yàn)中將收集到的點(diǎn)于CASS中將高程點(diǎn)平面展平，在軟件輸出前用復(fù)合線將中樁坐標(biāo)連接。采用工程應(yīng)用中的繪制斷面圖操作，選擇根據(jù)已知坐標(biāo)的命令欄進(jìn)行斷面線的選擇，設(shè)置需求相關(guān)參數(shù)后自動(dòng)輸出縱斷面圖。

3.3 橫斷面測量及成圖

對(duì)橫斷面進(jìn)行測量，根據(jù)地形的不同，進(jìn)行的流程也存在差異。當(dāng)對(duì)一些復(fù)雜地形進(jìn)行測量工作時(shí)，要對(duì)測量特征點(diǎn)進(jìn)行加密，如果地勢較為平坦，就要對(duì)主要的邊界點(diǎn)進(jìn)行采集，草圖的繪制工作在現(xiàn)場便可完成，這樣就能對(duì)內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)進(jìn)行及時(shí)有效的處理[8]。

在實(shí)際工作中，橫斷面的測設(shè)需要綜合考慮地表土和設(shè)計(jì)寬度，比如對(duì)于左右線中間橫斷面只需分別對(duì)左右中線開展測量工作即可[9]。

測量結(jié)束后，在CASS軟件中進(jìn)行橫斷面輸出操作，采用工程應(yīng)用的生成里程文件操作，由縱斷面文件生成斷面線，工具建立數(shù)模構(gòu)建三角網(wǎng)，進(jìn)行橫縱斷面插值，選擇復(fù)合線的縱斷面，在彈框中選擇自己的中樁點(diǎn)獲取方式，按20 m(中樁采集間隔不超過20 m)相鄰橫斷面的間距以及10 m路寬，根據(jù)地面反映的地形確認(rèn)無誤后，即可輸出橫斷面成果圖。

3.4 土方量模擬計(jì)算

土石方工程量計(jì)算在土石方工程中是非常重要的工作，它不僅影響到工程造價(jià)，而且還關(guān)系到工程進(jìn)度[10]。在道路土石方數(shù)量計(jì)算過程中，選用恰當(dāng)?shù)挠?jì)算方法，合理控制相應(yīng)的計(jì)算參數(shù)是提高土石方數(shù)量計(jì)算精度的有效途徑[11]。在模擬工程應(yīng)用的試驗(yàn)中，根據(jù)設(shè)計(jì)文件測量放線，控制網(wǎng)要求閉合，在地勢較高、通視較好的地方架設(shè)基準(zhǔn)站，設(shè)置各項(xiàng)參數(shù)，校正參與計(jì)算的點(diǎn)，測量即可開始。測量完成后，在CASS軟件上對(duì)其進(jìn)行計(jì)算繪圖，一般對(duì)于大面積的土石方計(jì)算以及地形起伏不大、坡度變化較緩的場地采用格網(wǎng)法。程序設(shè)置中填寫設(shè)計(jì)上的平場高，經(jīng)CASS計(jì)算后可以選擇自動(dòng)輸出到Excel表。

南方CASS軟件在兩期間土方計(jì)算中有很大的優(yōu)勢，兩期間土方計(jì)算是指對(duì)相同面積的地方前后進(jìn)行兩次勘測和計(jì)算，在兩次測量數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上建立計(jì)算模型，比較前后兩次計(jì)算得到的土方差異。在實(shí)際過程中，將測量數(shù)據(jù)導(dǎo)入南方CASS軟件，通過簡單操作就能快速得到土方量數(shù)據(jù)，在工程中計(jì)算兩期土方量的方法有兩斷面線間法、方格網(wǎng)法、DTM (三角網(wǎng))法[12]，在本次試驗(yàn)中根據(jù)地形以及環(huán)境采用的是方格網(wǎng)法以適應(yīng)實(shí)際需要。

3.5 測量結(jié)果分析

為了驗(yàn)證試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，采用比較檢核方法進(jìn)行驗(yàn)證，用全站儀將RTK放樣的中樁點(diǎn)進(jìn)行復(fù)測，得到的數(shù)據(jù)與RTK放樣數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比(表1)。

表1 RTK和全站儀部分同點(diǎn)號(hào)坐標(biāo)較差對(duì)比

由表1可知，路中線放樣測量時(shí)，通過RTK手簿系統(tǒng)的合理應(yīng)用可達(dá)到厘米級(jí)的精度。結(jié)合地形分析，研究區(qū)地形比較復(fù)雜，從K0+000處低洼路線兩旁生長著高大又茂密的植物，K0+556.857地勢較高，路線中段空間較為開闊，因此信號(hào)較好，RTK數(shù)據(jù)與全站儀數(shù)據(jù)較為吻合，K0+520 到K0+556 均有大樹遮擋，位置處于小山包環(huán)繞，信號(hào)較差，有失鎖情況發(fā)生，因此和全站儀數(shù)據(jù)相差較大。相對(duì)傳統(tǒng)測量方法，該技術(shù)的綜合應(yīng)用效果更為突出，例如點(diǎn)位間無誤差積累的情況，從源頭上提高測量結(jié)果的精度，操作更為便捷[13]。

3.6 RTK應(yīng)用優(yōu)化

在RTK應(yīng)用過程中，難以避免會(huì)受到各種因素影響，導(dǎo)致測量結(jié)果不準(zhǔn)確，造成數(shù)據(jù)失真。為了獲取更精確的數(shù)據(jù)，通常可以通過以下幾個(gè)方面進(jìn)行選擇和控制。

(1)GPS設(shè)備盡量選擇高質(zhì)量、高新、高精度的測量儀器設(shè)備。對(duì)GPS接收機(jī)可以通過安裝抑徑板方式，或者選用對(duì)極化特性不同的反射信號(hào)具有極強(qiáng)抑制作用的天線，以有效降低多路徑效應(yīng)帶來的影響[14]。

(2)控制點(diǎn)的精度等級(jí)最好統(tǒng)一，并且采用高精度的控制點(diǎn)。

(3)在開闊地帶設(shè)置測區(qū)，避開山坡、盆地以及附近有影響衛(wèi)星信號(hào)的基站、高樓、高壓線等不良因素，防止其降低測量的準(zhǔn)確性。

(4)布設(shè)控制點(diǎn)形成的控制網(wǎng)應(yīng)當(dāng)囊括測區(qū)所有測點(diǎn)，且控制點(diǎn)的點(diǎn)位具備良好的天空開闊度。

4 結(jié)論與討論

綜合來看，GPS-RTK技術(shù)作為一項(xiàng)實(shí)時(shí)觀測技術(shù)，與傳統(tǒng)靜態(tài)觀測技術(shù)相比具有明顯的優(yōu)勢，尤其是在復(fù)雜環(huán)境下，可以大大提高測量效率和精度[15]。試驗(yàn)研究中筆者針對(duì)傳統(tǒng)公路建設(shè)測量技術(shù)的不足對(duì)RTK在進(jìn)行橫縱斷面放樣與土石方量計(jì)算進(jìn)行了分析。通過介紹現(xiàn)目前部分學(xué)者在RTK領(lǐng)域進(jìn)行的探索，并結(jié)合案例分析其精度情況，提出了一些應(yīng)用優(yōu)化方法。筆者通過緯地軟件設(shè)計(jì)，導(dǎo)入手簿放樣道路元素，然后根據(jù)橫縱斷面放樣繪圖情況以及與全站儀測量數(shù)據(jù)對(duì)比，依據(jù)方格網(wǎng)法進(jìn)行土方量模擬計(jì)算，說明了RTK技術(shù)總體上在公路工程施工測量中的應(yīng)用效果良好。

雖然GPS-RTK技術(shù)具有比較明顯的優(yōu)勢，但是在實(shí)際工作中，當(dāng)處于地形復(fù)雜、信號(hào)不佳時(shí)仍然存在浮動(dòng)解甚至失鎖等情況出現(xiàn)；用于高精度測量時(shí)，盡量使基準(zhǔn)點(diǎn)、校正點(diǎn)均勻分布且能覆蓋整個(gè)作業(yè)區(qū)域。后續(xù)研究筆者認(rèn)為可以從以下兩方面進(jìn)行：一方面，可以通過對(duì)導(dǎo)致誤差的因素進(jìn)行深入分析，控制影響因素以提高穩(wěn)定性、可靠性，進(jìn)一步試驗(yàn)時(shí)可以通過海量數(shù)據(jù)，采用數(shù)據(jù)融合的方法進(jìn)行建模，獲取高精度的道路線形信息，以剔除整周固定外的數(shù)據(jù)；另一方面，可以引入高斯徑向基核函數(shù)進(jìn)行道路線性建模，以可靠統(tǒng)計(jì)模型來對(duì)比表明參數(shù)的有效性，對(duì)誤差影響因素進(jìn)行控制再加上對(duì)獲取成果進(jìn)行篩選，進(jìn)而滿足高精度的測量應(yīng)用需要。

相信隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，無論在哪種環(huán)境、哪種條件下都能使RTK的測量更加穩(wěn)定、更加精密，為國家工程建設(shè)添磚加瓦。