GPS-RTK 與全站儀聯(lián)合使用在公路測(cè)量中的應(yīng)用

王志強(qiáng)

(山西路橋第二工程有限公司，山西臨汾 041051)

0 引言

隨著GPS測(cè)量技術(shù)的快速發(fā)展和日益普及，其所具有的定位精度高、作業(yè)迅速、無(wú)需通視及全天候作業(yè)等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于各種測(cè)量工作中。彌補(bǔ)了“傳統(tǒng)測(cè)量中全站儀無(wú)法在光學(xué)‘通視’不能滿足要求的環(huán)境工作，并還要大量布設(shè)測(cè)量點(diǎn)，容易造成誤差累積和傳播，影響測(cè)量精度”的缺陷。如果將GPS-RTK和全站儀聯(lián)合使用，集合了兩種測(cè)量方法的優(yōu)點(diǎn)，減輕了測(cè)繪人員的工作強(qiáng)度，提高了工作效率和測(cè)繪精度，尤其在地形復(fù)雜的區(qū)域，聯(lián)合測(cè)量采集更顯示了不可替代的優(yōu)越性。我公司通過(guò)詳細(xì)分析GPS-RTK和全站儀兩種測(cè)量?jī)x器的使用方法及優(yōu)缺點(diǎn)，在幾條高速公路測(cè)量中采用了“GPS-RTK與全站儀聯(lián)合測(cè)量技術(shù)”，快速、準(zhǔn)確、高效的完成測(cè)量任務(wù)。

1 GPS-RTK測(cè)量的優(yōu)點(diǎn)

1.1 作業(yè)效率高

RTK測(cè)量時(shí)只需較少的控制點(diǎn)，也就不需要經(jīng)常遷站，一個(gè)基準(zhǔn)站數(shù)據(jù)鏈可以控制十幾千米的測(cè)程距離，節(jié)省了遷站上的時(shí)間，另一方面RTK測(cè)量投入的人員少，一般一組只需1人～2人，而全站儀一組則要配3人～4人，特別是在山嶺建設(shè)區(qū)高速公路中，路基路面工程更能發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)。因此利用RTK進(jìn)行碎部測(cè)量，可以提高外業(yè)測(cè)量效率，能大大節(jié)省人力、物力，減少野外砍伐工作量，減少一些不必要的過(guò)渡點(diǎn)。

1.2 定位精度高

用RTK技術(shù)在線路測(cè)量工作中，可以使各次測(cè)量的點(diǎn)位誤差各自獨(dú)立，互不影響，不會(huì)累積和疊加，在使用RTK技術(shù)測(cè)量的有效半徑內(nèi)，水平、豎直方向的精度可以達(dá)到厘米級(jí)別。實(shí)驗(yàn)證明:RTK精度為5 mm±1 ppm，而全站儀標(biāo)準(zhǔn)精度為5 mm±5 ppm。

1.3 測(cè)站點(diǎn)間無(wú)須通視

RTK測(cè)量在測(cè)站之間無(wú)須通視，只需要電磁波“通視”即可，所以受自然環(huán)境和條件的影響較小，測(cè)站選點(diǎn)更加靈活方便，可以實(shí)現(xiàn)全天候作業(yè)。

1.4 自動(dòng)化程度高

目前GPS接收機(jī)已趨小型化，輕便化，實(shí)測(cè)人員只需將天線對(duì)中、整平，量取儀器高、打開(kāi)電源、監(jiān)視儀器的工作狀態(tài)即可進(jìn)行自動(dòng)觀測(cè)，利用數(shù)據(jù)處理軟件對(duì)獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行內(nèi)業(yè)處理后，即求得測(cè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)，大大減少了工作量。

2 GPS-RTK測(cè)量的基本原理

GPS-RTK測(cè)量有兩種測(cè)量模式，即動(dòng)態(tài)測(cè)量和靜態(tài)測(cè)量。

1)動(dòng)態(tài)測(cè)量技術(shù)是基于載波相位觀測(cè)量為依據(jù)的實(shí)時(shí)差分測(cè)量技術(shù)，它由三部分組成:基準(zhǔn)站接收機(jī)，流動(dòng)站和數(shù)據(jù)傳輸鏈路。基準(zhǔn)站接收機(jī)架設(shè)在已知坐標(biāo)的參考點(diǎn)上，連續(xù)接收所有可視GPS衛(wèi)星信號(hào)進(jìn)行定位計(jì)算，顯示出流動(dòng)站所處位置的三維坐標(biāo)，同時(shí)也可顯示出測(cè)量精度，以判斷是否滿足測(cè)量要求。兩臺(tái)GPS流動(dòng)站接收機(jī)在初始化后，通過(guò)無(wú)線數(shù)據(jù)鏈，接收來(lái)自基準(zhǔn)站的載波相位觀測(cè)值、偽距觀測(cè)值等數(shù)據(jù)的同時(shí)也同步觀測(cè)采集GPS衛(wèi)星載波相位數(shù)據(jù)，通過(guò)系統(tǒng)內(nèi)差分處理求解載波相位整周模糊度，實(shí)時(shí)求算出流動(dòng)站的平面坐標(biāo)和高程。

2)靜態(tài)測(cè)量技術(shù)是用3臺(tái)或3臺(tái)以上GPS接收機(jī)同步觀測(cè)，對(duì)觀測(cè)值進(jìn)行處理，利用GPS控制器內(nèi)置的實(shí)時(shí)處理軟件求解基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換參數(shù)，最終測(cè)到測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)。

3 GPS-RTK測(cè)量的操作要點(diǎn)

以我公司施工的“忻保高速公路路基L21標(biāo)”為例，簡(jiǎn)述如下:

忻保高速公路路基L21標(biāo)全長(zhǎng)8.8 km，位于岢嵐縣與保德縣的交界之中，線路處于山嶺區(qū)、山高溝深、溝壑縱橫，溝谷多呈“V”字形，而且本段橋梁多，規(guī)模大，并且處在河道中，河道最深達(dá)50 m左右。測(cè)區(qū)處于深山腹地，動(dòng)態(tài)測(cè)量除幾處外都不適合GPS-RTK測(cè)量，作業(yè)時(shí)將基準(zhǔn)站設(shè)在大致全線山體最高處，由于山體阻擋的原因信號(hào)接收差，距離最遠(yuǎn)待放樣點(diǎn)300 m左右，所以選用GPS靜態(tài)測(cè)量。RTK在靜態(tài)作業(yè)模式中的測(cè)量步驟如下。

3.1 控制網(wǎng)點(diǎn)

本合同段設(shè)計(jì)院給出15個(gè)平面控制點(diǎn)，經(jīng)過(guò)尋找，找出8個(gè)，有7個(gè)被破壞。結(jié)合路線的地形特點(diǎn)及今后隧道、橋梁、路基的施工放樣為工程施工提高放樣精度，決定在原基礎(chǔ)上進(jìn)行控制點(diǎn)的加密。加密的控制點(diǎn)布設(shè)方案為:以路線走向布設(shè)Ⅰ級(jí)附合加密導(dǎo)線點(diǎn)，每300 m左右的長(zhǎng)度布設(shè)一點(diǎn)、共加密了13個(gè)點(diǎn)，且通視良好;并以D級(jí)GPS網(wǎng)組成，以相鄰標(biāo)段的兩個(gè)已知點(diǎn)作為導(dǎo)線起點(diǎn)，采用3臺(tái)GPS接收機(jī)觀測(cè)，網(wǎng)形布設(shè)成邊連式，且每個(gè)網(wǎng)交接處公共邊均進(jìn)行聯(lián)測(cè)，并且滿足Ⅰ級(jí)導(dǎo)線測(cè)量規(guī)范要求。

RTK對(duì)于我段的平面控制、高程控制，測(cè)量技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)主要以GTJ1980為依據(jù)，測(cè)量要求以D級(jí)GPS網(wǎng)作為測(cè)區(qū)平面控制的首級(jí)控制網(wǎng)。

3.2 外業(yè)實(shí)施

1)觀測(cè)。

在3個(gè)點(diǎn)上同時(shí)安置3臺(tái)GPS-RTK接收機(jī)，操作步驟為:a.架站:認(rèn)真地架好儀器，對(duì)中、整平。b.量測(cè)天線高:GPS天線高的量測(cè)一般都是量的斜高，不要人為地改為垂直高，要對(duì)稱量幾個(gè)方向，然后取平均值。c.觀測(cè)過(guò)程:開(kāi)始觀測(cè)時(shí)，只需按下電源開(kāi)關(guān)即可，GPS可進(jìn)行自動(dòng)觀測(cè)，這時(shí)記錄好測(cè)點(diǎn)名、開(kāi)機(jī)時(shí)間、開(kāi)機(jī)時(shí)天線高;觀測(cè)時(shí)段長(zhǎng)度要對(duì)每個(gè)測(cè)站點(diǎn)至少觀測(cè)45 min以上。d.觀測(cè)結(jié)束:結(jié)束時(shí)，先關(guān)電源，不要馬上拆機(jī)，還要再量天線高，以判斷觀測(cè)過(guò)程中儀器是否動(dòng)過(guò);這時(shí)再記錄好關(guān)機(jī)時(shí)間。

2)數(shù)據(jù)處理。

將GPS測(cè)量的網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)诫娔X中，用GPS解算軟件處理完成。經(jīng)過(guò)平差處理，網(wǎng)中最弱點(diǎn)位中誤差為4.11 cm，平均點(diǎn)位中誤差3.18 cm;最弱邊相對(duì)中誤差1/27 699，平均邊長(zhǎng)相對(duì)中誤差1/453 578。

將近9 km的GPS控制網(wǎng)僅用1個(gè)外業(yè)組、3名測(cè)量員、3臺(tái)GPS接收機(jī)、僅花了6 d時(shí)間，其效率較高，比常規(guī)測(cè)量至少提高3倍，若采用常規(guī)測(cè)量方法，在相同人手的情況下至少需要17 d的時(shí)間才能完成。

4 控制措施

為了保證RTK測(cè)量的精度、速度(初始化時(shí)間)和可靠性，除了正確求解坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)、合理設(shè)置基準(zhǔn)站和限制作業(yè)半徑外，在RTK測(cè)量中還應(yīng)注意以下幾點(diǎn):

1)觀測(cè)衛(wèi)星的圖形強(qiáng)度要高。

在進(jìn)行坐標(biāo)解算時(shí)，所采用的衛(wèi)星數(shù)越多，分布越均勻，則PDOP值越大，RTK的精確性和可靠性越高，且初始化的時(shí)間也越短。因此，一般情況下，在接收衛(wèi)星數(shù)保持5顆以上，且PDOP＜6時(shí)，才能進(jìn)行RTK測(cè)量。

2)作業(yè)人員的責(zé)任心要強(qiáng)。

作業(yè)員的專業(yè)水平、經(jīng)驗(yàn)和責(zé)任心對(duì)RTK成果的精確性和可靠性有著嚴(yán)重的影響。作業(yè)時(shí)，接收機(jī)的對(duì)中、整平、天線高的量取及輸入已知點(diǎn)坐標(biāo)、坐標(biāo)參數(shù)轉(zhuǎn)換及天線高等數(shù)據(jù)的任何誤差，都將影響RTK測(cè)量成果的精度。因此，要求作業(yè)員必須具有強(qiáng)烈的責(zé)任心，認(rèn)真嚴(yán)格地按規(guī)程操作。另外，對(duì)儀器基座和測(cè)桿上的水準(zhǔn)器等必須定期嚴(yán)格校正，以避免系統(tǒng)誤差的影響。

3)觀測(cè)成果要注意復(fù)核。

RTK測(cè)量具有顯著的實(shí)時(shí)、快捷等優(yōu)點(diǎn)，但其初始化(整周模糊值)的置信度通常為95% ～99%，且作業(yè)中缺乏檢核條件，個(gè)別點(diǎn)可能會(huì)出現(xiàn)粗差。因此，為了保證RTK的實(shí)測(cè)精度和可靠性，作業(yè)中必須注重成果的復(fù)核。成果的復(fù)核分為作業(yè)前復(fù)核和作業(yè)中復(fù)核。作業(yè)前復(fù)核是指在RTK作業(yè)前，先在已知點(diǎn)上檢測(cè)，新測(cè)坐標(biāo)與已知坐標(biāo)較差符合要求后，才能進(jìn)行RTK測(cè)量;作業(yè)中復(fù)核一般是指在作業(yè)中采用不同起算點(diǎn)測(cè)定部分重合點(diǎn)，或在同一點(diǎn)上采用兩次觀測(cè)法(失鎖或關(guān)機(jī))觀測(cè)。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)GPS-RTK靜態(tài)測(cè)量和全站儀驗(yàn)證的方式獲取了21個(gè)控制點(diǎn)的大地坐標(biāo)和高程，最后控制點(diǎn)成果對(duì)比得出精度能夠滿足測(cè)量規(guī)范要求。另外，為檢驗(yàn)GPS-RTK導(dǎo)線測(cè)量的精度，我們用全站儀測(cè)量下的數(shù)據(jù)結(jié)果作為參考值，兩種作業(yè)模式的成果比較如下:由于RTK測(cè)量不存在誤差積累問(wèn)題，從大量的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析其測(cè)點(diǎn)精度基本滿足施測(cè)控制和碎部測(cè)量的要求，但要滿足一級(jí)導(dǎo)線的精度要求還應(yīng)采取相應(yīng)的措施，且其高程精度不是太穩(wěn)定，有時(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn)一些明顯的測(cè)點(diǎn)高程偏差，而全站儀施測(cè)過(guò)程中則不會(huì)產(chǎn)生這樣的情況。經(jīng)用全站儀對(duì)RTK所測(cè)的導(dǎo)線點(diǎn)進(jìn)行檢核，根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果分析，它們的坐標(biāo)之差均在1 cm～2 cm，高程之差在2 cm～3 cm，基本沒(méi)有超過(guò)3 cm。最大平面較差為1 cm，因此，我們認(rèn)為RTK測(cè)量成果質(zhì)量可信。雖然測(cè)量的速度慢一點(diǎn)，但是測(cè)量結(jié)果很精確，能達(dá)到四等導(dǎo)線的測(cè)量精度。同時(shí)從測(cè)量結(jié)果來(lái)看，RTK測(cè)量點(diǎn)位精度可達(dá)毫米級(jí)，完全能夠滿足高速公路工程測(cè)量的需要。