GPS-RTK測量技術在工程測繪中的應用

李明

摘? 要：為了探討GPS-RTK測量技術在工程測繪中的應用的可靠性，以上海市浦東新區海濱路新建工程為該技術的應用研究案例，圍繞GPS-RTK測量技術進行了深入研究。對該工程中的GPS-RTK測量技術進行應用分析，探討其構成及原理，并在海濱路工程實際公路地形圖測繪中進行驗證，提出有助提高該技術精度的有效措施。該次測量，外業中使用的測量儀器以及操作方法全部符合標準，內業所得數據結果符合相關的測量規范，測量數據精度控制在標準值之內，滿足規范要求，得出GPS-RTK測量技術可以被應用在工程測繪中。

關鍵詞：公路工程;地形圖測繪;GPS-RTK

中圖分類號：TB22? ? ? ? 文獻標志碼：A

0 引言

城市化發展推動了公路的建設進程，目前我國的公路運營里程數正在逐年增加，公路網密度也發生了很大的變化，但是按照公路網密度的等級評價標準來看，我國的公路網仍然存在短板，人均公路里程還是遠遠落后于發達國家。公路建設不僅帶動了國家經濟的發展，也帶來了科技的進步，其中以GPS全球定位系統為基礎的RTK載波相位差分技術被廣泛應用。該技術具備多種先進功能，包含測量、衛星定位和無線電通訊等多種信息技術，精度高、效率高，對于測量壓力大以及要求較高的公路工程非常實用[1]。該文通過對GPS-RTK技術的整體探討，以海濱路工程為例，深入研究GPS-RTK技術的實際測量應用效果。

1 GPS控制網技術

傳統的測量方式，在建立方位測量點時，需要點與點之間通視，而GPS定位技術的應用中，則不要求控制點與點之間的可視。公路工程線路長、面積廣，在對地形測繪中，顯然GPS控制網技術要比傳統測量要更加靈活適用。GPS控制網的布設方式多樣，包含點連、邊連、網連、邊點混連、三角鎖形、導線網形及星型布設等。其中的三角鎖型幾何強度、可靠性及精度都比較高，在公路中應用的比較多。GPS控制網的精度依賴于非同步獨立觀測的邊構成閉合環或復合線路，以此構成GPS基準網，從而達到預期的測量目標[2]。

2 GPS-RTK構成及其原理

2.1 GPS-RTK基本構成

GPS-RTK系統主要由3部分構成：基站、流動站及通信系統。基站又包括了GPS接收機、GPS天線、電源、控制器及無線電通信發射設備等;流動站包括無線電通信接收設備、電源、控制器、GPS天線及接收機等設備。

2.2 GPS-RTK工作原理

GPS-RTK技術系統具有絕對定位、相對定位以及差分定位3種定位模式，而在公路的地形測量設計中相對定位原理被應用得更多，所以接下來對GPS-RTK相對定位技術的工作原理進行闡述。

2.2.1 GPS信號接收

系統中的基準站以及流動站都會通過GPS接收機或者是無線電通信接收設備接收到GPS所傳輸的信號數據。基準站接收GPS信號以及基準站參數，然后通過電臺發射出所觀測到的坐標及高程數據到流動站。流動站同樣也會接收流動站參數以及GPS信號[3]。

2.2.2 參數轉換

流動站接收到基準站傳來的坐標和高程數據，以及自身接收的數據，系統將會對兩站之間的實時基線進行解算，然后求出流動站的實時坐標數據，轉換參數，最后進行坐標數據的轉換形成流動站格網坐標。

2.2.3 用戶端接收

系統中的無線電傳輸設備會將測得的坐標數據傳送給用戶端，并且能夠通過用戶端的內置組件接收GPS數據，對數據進行實時的修正處理之后，將會計算出精度非常高的三維坐標，從而建立起GPS基準網，準確地對公路的地形圖實施測量和設計。

3 基于GPS-RTK技術的公路地形圖測繪

3.1 工程概況

海濱路新建工程位于上海市浦東新區，全程線路較長，分成2部分的階段工程。第一段工程起于北部東靖路，向南止于金海路;第二段工程北起規劃六路，南至錦繡東路。海濱路的建設將東靖路、金海路、規劃六路以及錦繡東路等主要路段全部連接起來，打通了4條路段之間的相互聯系，使當地的交通擁堵情況得到很好的緩解，有利于臨港經濟貿易區的建設，對浦東新區的經濟格局有更好的幫助。然而由于道路沿線的高層住宅以及商業樓等建筑遮擋較多，采用傳統的公路測量方式測點通視性不好，于是采用GPS-RTK技術對公路工程進行測繪，并探討該技術在工程測繪中的實際應用效果。

3.2 建立測區平面控制網及高程測量

平面控制網以及高程測量是該項目測量中的一個難點，采用快速靜態測量的方法，利用上海CORS參考基準站對圖根進行控制測量。誤差不能大于±3 mm，天線標志的指向方向為正北方向，天線高度的測量精度應該在1 mm，需要在工程測量前后各測一次，以免出現太大的誤差。每一個控制點都要觀測2個時段，每個時段要在10 s以上，數據采樣的時間間隔為5 s，2個時段測得的數據平面點位差要小于2 cm。如果能夠滿足這些條件，可以取平均值數據作為控制結果。對于平面控制測量的成果要求比較高，需要有不能少于10%的重復抽樣檢查，而且抽樣檢查的點數不能低于3個點，檢測時測量儀器必須全部初始化，抽樣檢測數據與初次采集的數據差應該小于3 cm。該工程一共測得平面控制點32個，而測量結果以及精度滿足了相關的規范標準。

3.3 控制網平差結果分析

控制網的平差離不開測量區域內平面控制網的建立，對于控制網的平差結果的分析是為了能夠及時發現GPS-RTK技術應用中是否存在太大的誤差，以便出現數據偏差及時調整。對控制網平差結果的有效分析是保證測量數據精度的重要方式之一，在分析時也應該注意3個問題。1）該工程對控制網中的32個控制點進行測量，如有個別點附和不良，則固定網中任意高程起算點，平差解算剩余點;如附和依舊不良，則是因為測量結果粗差較大所致。2）在對公路的平面控制網布設過程中，起算點要根據實際道路的走向、道路中控制點的數量及分布情況合理選擇分配，這樣能保證分段平差中所需的起算點個數合理。3）進行分段平差時，要及時的將各段的平差結果與上一段的平差結果進行比較，如果出現了比較大的誤差，一定要準確調整，如果誤差過大，超出了測量計算允許的范圍，就要檢查起算點是不是出現了問題。

對該工程的測量中，除了平面控制網的測量比較重要，容易出現粗差之外，其他測量過程也可能會有較大影響，下面這2個測量難點也可能對平面控制網的平差結果產生偏移。1）對道路斷面測量的外業測量。按照道路設計要求選用的是中線號樁，每隔20 m處設立一個中樁，在測量道路的中線樁號的平面位置及高程中，如果高程突然變化就需要在這個地方加設一個中樁，然后進行測量，并且根據相關的設計要求，利用縱斷面格式得出道路縱斷面的測量數據。在橫斷面的測量中，橫斷面的直線間距及曲線間距都為20 m，橫斷面必須是整10 m的樁號，測量寬度是規劃道路中線兩側各20 m。橫斷面的測量數據，應在路中心及車行道的邊緣處都標高，而且標高要在道路地形起伏的地區加密標識。對于這種野外的數據采集，要以控制網中的控制點為基本標準，利用GPS-RTK技術測量平面位置，用電子水準儀測量出高程，最終得到道路斷面點的平面及高程的準確數據。2）繪制道路縱斷面圖形。縱斷面的圖形要根據坐標圖繪制，將里程樁作為圖紙的橫坐標，縱坐標為高程，比例尺根據道路的中線長度調整為合適比值，1∶200，最后在毫米為單位的方格紙上繪制縱斷面圖。樁號間距仍然是20 m，在地勢起伏出加密[4]。

以上這些測量要點都必須嚴格按照規定執行測量工作，該工程GPS-RTK測量成果與靜態觀測成果差值符合規范要求，可見，GPS-RTK技術只要嚴格按照規定的測量方法使用，完全可以應用到公路工程地形圖的測繪當中。

4 提高GPS-RTK成果精度措施

通過測量數據的分析對比來看，該次公路工程中GPS-RTK技術的測量結果符合標準，測量方式更為高效簡便，可行性也比較高，但是由于該技術會受到測量儀器的測量誤差、GPS衛星狀況以及電離層的一些外界因素干擾，對測量的結果造成影響，所以GPS-RTK技術的實際準確性也就在95%～99%左右，相比于受外界干擾因素較小的全站儀和水準儀等傳統測量手段，GPS-RTK系統的測量精度還是相對較低的。根據該工程中應用GPS-RTK技術測量的實際問題，提出相關的措施提高GPS-RTK測量的精確度，為GPS-RTK在公路測繪中的廣泛應用提供一定的參考。

4.1 GPS-RTK受衛星狀況影響

GPS-RTK系統的技術中心就在于GPS全球定位系統的支撐，而GPS系統由美國于1973年開發研制，系統的研發時間較早。但是隨著GPS系統用戶的不斷增加，GPS系統覆蓋區域會出現一定的盲區，盲區中每天接收的信號可能會比較弱。而且GPS基站及通信基站如果是建立在室內或者被高層建筑遮擋，那么GPS信號的接收速度也明顯減緩，這也就導致了GPS-RTK系統測量時會出現信號延遲，使數據出現誤差。為了降低衛星信號情況對于測量的影響，在使用GPS-RTK技術進行公路地形測繪時，對所測區域的衛星信號接收狀況要有所了解，是否是GPS信號盲區，如果是盲區，就要知道盲區的時長及發生時段，以免在盲區時段進行測量工作。

4.2 GPS-RTK受電離層影響

大氣中的電離層是被太陽高能輻射和宇宙線激勵后形成的大氣層，距離地面60 km以上，電離層的大氣全部是一種電離狀態。太陽的輻射程度越大，電離越強，對GPS-RTK的信號接收干擾越大。尤其是在12：00～13：40時間段內測量結果受到的影響最大，測量精度相對較低。因此，在使用GPS-RT測量時，應該避開中午太陽輻射最強的時間段，測量的精度會更高。

4.3 GPS-RTK受數據鏈電臺傳輸信號及對空通視條件的影響

通過工程測量作業的過程可以看出，通視條件不是很好的時候，GPS的信號也會被阻擋，而且電臺傳輸數據的信號也會明顯降低。在這種衛星信號及數據傳輸信號都比較差的條件下，GPS-RTK測量數據的精度一定會降低。為了減小數據鏈電臺傳輸信號及通視條件對測量精度的影響，在設計平面控制網的時候，要選擇通視性較好一些的控制點，如果能夠避開崎嶇的建筑及地形最好，以免對信號產生干擾，當然要保證不會加大工程量，否則就得不償失了。

5 結語

該文通過對GPS—RTK技術在公路工程測繪中的應用進行詳細的分析，介紹了GPS控制網的布設方式，闡述了GPS—RTK技術的構成以及工作原理，通過實際公路工程測量的應用舉例分析，同時提出增強測量精度的有效方式，最后得出結論：在測量內業及外業100%自查的前提下，外業的工作流程符合要求，儀器的準確度經過檢定符合標準，外業人員對測量儀器的操作符合操作規范，內業的全部數據準確。根據《1∶5001∶10001∶2000數字化地形測量規范》（DGTJ08-86-2010）及《全球定位系統實時動態測量（RTK）技術規范》（CH/T2009―2010）等相關測量規定，該次工程針對1∶500地形測量中，主要地物點平面小于5 cm，高程精度小于2 cm，斷面點高程采用水準測量，硬化路面高程精度1 cm，得出本次公路工程的測量結果滿足數字化地形測量規范標準，GPS—RTK測量技術在公路工程測繪中具有較大的可行性。

參考文獻

[1]劉浩.GPS-RTK測量技術在工程測繪中的應用和特點分析[J].智能城市，2019， 5（8）：70-71.

[2]唐俊.GPS-RTK測量技術在測量工程中的應用分析[J].科學與信息化， 2019（17）：12，17.

[3]劉杰.GPS-RTK測量技術在測量工程中的應用[J].房地產導刊， 2019（23）：255.

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