GPSRTK技術在南水北調工程施工測量中的應用

周建平, 肖 健

(中國水利水電第七工程局有限公司 一分局,四川 彭山 620860)

GPS測量技術在工程測量領域已得到了廣泛應用,不僅應用在控制測量,其實時動態測量技術(RTK)更是為工程測量帶來了極大的便利。RTK測量技術是全球衛星導航定位技術與數據通信技術相結合的載波相位實時動態差分定位技術,它能夠實時地提供測站點在指定坐標系中的三維定位結果。在 RTK測量模式下,參考站通過數據鏈將其觀測值和測站坐標信息一起傳送給流動站,流動站不僅采集衛星觀測數據,還通過數據鏈接收來自參考站的數據,并在系統內組成差分觀測值進行實時處理。該方法的精度一般可達到厘米級,且 RTK提供的是三維坐標,可取代傳統的縱橫斷面測繪方法。該技術大大減少了測量人員的勞動強度,自動化程度高,省工省時,精度高,全天候,提高了工作效率,使工程變得更經濟。現以南水北調中線工程潮河段二標橫斷面測量中的應用為例進行說明。

1 工程概況

南水北調中線工程潮河段二標全長 4.4 km,位于鄭州市的新鄭市,地勢平坦,沿線村莊較多,通視條件差。主要建筑物有三座:總干渠、廟后李溝排水渡槽及梅河倒虹吸。業主在總干渠岸邊提供了 24個控制點,因控制點離施工區域較遠、建筑物阻擋視線、控制點間通視條件很差,故本工程使用 GPS靜態定位技術進行首級控制網的復測和加密,用 RTK技術進行斷面測量和工程放樣。

2 施工控制網的復測和加密

2.1 測量儀器

本工程使用 3臺(套)南方 S86T雙頻 GPS接收機,儀器標稱精度:平面:靜態 ±(3 mm+1 ppm),RTK±(10mm+1 ppm);高程:靜態 ±(5 mm+2 ppm),RTK ±(20mm+1 ppm)。

2.2 測前準備

(1)根據施工需要現場勘踏,進行圖上設計。

(2)按優化設計原則和相關規范的要求進行網型設計,實測前,根據星歷預報制訂合理的觀測計劃。

2.3 GPS靜態測量

根據施工需要,共計劃復測 22個首級施工控制點,加密 15個二級控制點。控制網采用邊點混合式布網形式,衛星截止高度角為 15°,同時觀測有效衛星數≧ 4,觀測時段≧ 1.6,時段長度≧ 60 min。在進行基線處理之前要觀測各點的星歷預報,剔除質量差的星歷,以保證基線處理有較高的精度。內業基線解算使用隨機南方測繪 GPS數據處理軟件,經過基線計算和數據處理,控制網同步環坐標分量閉合差最大dx=0.006m,dy=0.004 m,最大環閉合差 0.0075 m等各項精度指標均符合規范要求。

由于 GPS高程達不到相當于三等水準精度要求,各施工控制點的高程采用聯測三等水準的方法求解。

3 GPSRTK放樣

3.1 坐標轉換參數的求定

GPSRTK測量的重要環節是 WGS-84坐標系到工程坐標系的轉換,求解高精度的轉換參數對提高 GPSRTK測量精度有很大的幫助。南方GPSRTK測量前,須利用已知控制點求解坐標系轉換的七個參數。南方工程之星軟件可保存已求解的七個參數,每次測量前只需調用已求解的七個參數并在已知點上校核即可。

3.2 校正導向

校正導向是靈活運用轉換參數的一個工具。由于 GPS輸出的是 WGS84坐標,而且 RTK基準站的輸入坐標也只認 WGS84坐標,所以,大多數GPS在使用轉化參數時的普遍方式為:把基準站架設在已知點上,在基準站直接或間接的輸入WGS84坐標啟動基準站。這種方式的缺點是每次都必須用控制器與基準站連接后啟動基準站,該模式在測量外業作業時在操作上會帶來一定麻煩。而使用校正導向可以避免用控制器啟動基準站,可以選擇將基準站架設在任意點上自動啟動,從而大大提高了使用的靈活性。需要注意的是:校正導向需要在已經打開轉換參數的基礎上進行。

3.3 斷面測量

南水北調潮河段二標原始斷面測量工程量特別巨大,如果采用傳統的測量方法,需要大量的人力物力,而采用 GPS RTK測量結合施工坐標,只需兩人兩天即可完成以前需要兩組全站儀 5 d的工作,工效提高了 5倍。

在進行橫斷面測量前,首先調入設計線路文件及橫斷面設計文件。點擊“打開橫斷面設計文件”界面,根據自己的測量要求調入文件完畢后進入橫斷面線路測量界面,根據圖示移動當前點使其里程和要放樣的設計里程相同或里程差在允許范圍內就可以根據狀態欄上的“距離”進行橫斷面的測量采點。橫斷面測量的采點方式和普通采點方式相同。在測量過程中,可以通過快捷鍵“7”在線路圖和橫斷面圖中進行切換。在橫斷面測量采集前,應查看或設置采集的參數以滿足測量要求。采集完畢,用戶可以根據自己的需求把數據格式進行轉換,例如生成普遍使用的緯地橫斷面數據格式,單擊“橫斷面成果輸出”,在“橫斷面成果輸出”界面中也可以選擇保存成*.txt文件。不同的用戶對于橫斷面的數據格式要求也不同,可以在此界面下選擇“成果文件格式”。

3.4 施工放樣

采用 RTK技術放樣時,僅需把放樣點位坐標輸入到事先編制好的放樣文件*.dat并選擇放樣點或直接輸入放樣點坐標,確定后進入放樣指示界面,放樣界面顯示了當前點與放樣點之間的距離,根據提示進行移動放樣。

在放樣過程中,當前點移動到離目標點 0.9 m距離以內時,軟件會進入局部精確放樣界面,同時軟件會給控制器發出聲音提示指令,控制器會有“嘟”的一聲長鳴音提示,在此界面中有三個半徑分別為 0.9 m、0.6 m、0.3 m的圈,當前點位每進行一個圈都會有一次提示音,點擊精確局部放樣的按鈕出現局部精確放樣設置界面,此界面中的設置分別為放樣提示設置和放樣顯示設置。放樣提示設置可設置放樣圈的最小圈半徑和最大半徑以及放樣時的聲音提示。點放樣圈的數量為最大值整除最小值的數量。在放樣界面下還可以同時進行測量,按下保存鍵 A即可儲存當前點坐標。在點放樣時使用快捷鍵方式會提高放樣的效率。在放樣界面下按數字鍵 8放樣上一點,9鍵為查找放樣點。工程放樣有很強的實用性,本工程開挖回填以及基礎處理均采用 RTK線放樣功能放樣。

3.5 線放樣

在工程之星中的線放樣系指放樣直線。

打開線放樣坐標庫,放樣坐標庫的庫文件為*.lnb,選擇要放樣的線(有已經編輯好的放樣線文件),如果線放樣坐標庫沒有線放樣文件,點擊“增加”,輸入線的起點和終點坐標就可以在線放樣坐標庫中生成線文件。如果需要里程信息的話,在圖中可以輸入起點里程,這樣,在放樣時就可以實時顯示出當前位置的里程,線放樣設置分為提示設置和顯示設置。提示設置中的最小值是離放樣直線最近的兩條平行虛線距離,最大值是指距放樣直線最遠的兩條平行虛線的距離。平行虛線的數量為最大值除最小值結果的整數部分。整里程提示指的是當前點的垂足移動到所選擇的整里程時會有提示音。

3.6 影響 GPSRTK測量精度的因素

根據南水北調潮河段二標 GPS RTK斷面圖測量和施工放樣的使用經驗,筆者認為:作業時應注意以下問題。

3.6.1 有關基準站的問題

(1)因為 RTK技術的關鍵在于數據處理技術和數據傳輸技術,RTK定位時要求基準站接收機實時地把觀測數據(偽距觀測值,相位觀測值)及已知數據傳輸給流動站接收機。故:①電臺天線要盡量高。如果距離較遠,則要使用高增益天線或將基站架設在位置比較高的已知點上,否則將影響到作業距離。②電源電量要充足,否則也將影響到作業距離。③基站盡量不要架設在有標架,特別是鋼標架的底下,因為標架對基站的 GPS接收衛星有很大的影響,將直接導致流動站固定緩慢和數據精度降低。

(2)設站時,要限制最大衛星使用數,一般為8顆。如果太多,則將影響作業距離;太少,則影響 RTK初始化。

(3)如果不是使用七個參數,則在設置基準站時要使 Transform To wGS84(轉換到 wGs84坐標系)處于 of(關閉)狀態。

(4)如果使用七個參數,則△X、△Y、△Z都小于 ±100較好,否則重求。

(5)在求轉換參數前,要使參數轉換和一 t參數關閉。

(6)在 RTK作業模式下,基準站通過數據鏈將其觀測值和測站坐標信息一起傳送給流動站。流動站不僅通過數據鏈接收來自基準站的數據,還要采集 GPS觀測數據,并在系統內組成差分觀測值進行實時處理,同時給出厘米級定位結果,且歷時不到 1 s。基準站和移動站必須要保持四顆以上相同衛星相位觀測值的跟蹤和必要的幾何圖形,則流動站可隨時給出厘米級的定位結果。

3.6.2 有關流動站的問題

(1)解的模式要使用 RTK Extrap(外推)模式。

(2)數據鏈接受間隔要與基準站設置的發射間隔一致,都要為 1。

(3)高程改正應在天線高里進行改正。

(4)為了能真正反映地面高程。我們給流動站的碳纖維桿(原來是尖的)下面改裝了一塊 3 cm×3 cm的平面底板,從而保障了地面高程的準確性。

(5)差分天線要盡可能的高。

3.6.3 有關求轉換參數的問題

已知兩點在測程及測區內要盡量遠。同時,這兩點不能在同一條經線或同一條緯線上。

(1)觀測衛星的圖形強度。圖形強度越好,RTK的準確性和可靠性越高。

(2)基站作業環境。基站的選擇要遠離大功率無線電發射臺、變電站、高壓線等無線電干擾源,遠離大面積水域,避免產生 GPS信號的多路徑效應。

(3)人為因素。測量員的作業熟練程度也會影響 RTK的作業精度。測量作業時,如果屏幕顯示的不是固定解時就記錄,則數據的精度會很低,甚至會記錄到錯誤的數據。如果測量時接收機天線未保持垂直,測量數據的精度同樣會很低。

3.7 GPSRTK測量的優點

(1)RTK在無需通視的條件下,具有遠距離傳遞三維坐標的優勢。

(2)節約人員。觀測數據不再采用手工記錄,同時還避免了粗差。只需一個人,就可以通過操作流動站進行測量。

(3)定位精度高。精度可達到厘米級。根據施工中全站儀與 GPS的對比試驗得知,GPS RTK放樣點中誤差為 ±20mm;成果可靠,每個點的誤差均隨機產生,處于同一數量級,不會像傳統測量那樣產生誤差的積累。

(4)實時數據處理。手持控制器可顯示位置成果。這一功能使測量師在離開測區前就可以知道全部測量成果是否滿足要求。

(5)接收機性能穩定。可以全天候工作。每臺儀器略加配置,即可做靜態定位、快速靜態定位及動態測量定位等工作。

(6)RTK測量系統可實現自動記錄數據。既可減少外業工作量,又便于內業數據的整理和檢查。

4 結 語

筆者根據工程實踐得到以下認識:隨著 GPS測量精度的進一步提高,GPSRTK技術已滿足大比例尺測圖、縱橫斷面測量以及開挖施工放樣等工作,完全可以替代全站儀等傳統測繪儀器,為測繪工作開創出了新的局面,在工程建設領域發揮出了更重要的作用。