基于GPS-RTK定位技術(shù)在道路改擴(kuò)建中的應(yīng)用

摘要：基于GPS-RTK差分定位技術(shù)及時(shí)反算出作業(yè)位置信息，并獲取整個(gè)道路施工區(qū)域的加密控制點(diǎn)靜態(tài)數(shù)據(jù)。然后將路面設(shè)計(jì)參數(shù)和數(shù)據(jù)輸入到毫米級(jí)GPS流動(dòng)站，進(jìn)行道路中心點(diǎn)位布設(shè)，實(shí)現(xiàn)路網(wǎng)理論樁號(hào)、埋設(shè)樁號(hào)、空間坐標(biāo)位置X、Y、H三維立體坐標(biāo)控制，改變了傳統(tǒng)需要等交切測(cè)量完后才能進(jìn)行中線中平、橫斷面測(cè)量的局面，可保證測(cè)量的精度和施工的質(zhì)量。對(duì)道路攤鋪機(jī)施工過程實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化控制，以減少施工過程的人為誤差。

關(guān)鍵詞：GPS-RTK定位;定測(cè)放線;高精度;攤鋪控制

0" "引言

GPS定位技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距、實(shí)時(shí)、精確、快速、全天候的特點(diǎn)，在現(xiàn)階段橋梁施工過程中發(fā)揮了巨大作用[1]。在RTK作業(yè)模式下，基準(zhǔn)站通過數(shù)據(jù)鏈將其觀測(cè)值和測(cè)站坐標(biāo)信息一起傳送給流動(dòng)站。流動(dòng)站不僅通過數(shù)據(jù)鏈接收來自基準(zhǔn)站的數(shù)據(jù)，還采集GPS觀測(cè)數(shù)據(jù)，并在系統(tǒng)內(nèi)組成差分觀測(cè)值，進(jìn)行實(shí)時(shí)處理。同時(shí)通過輸入相應(yīng)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)和投影參數(shù)，實(shí)時(shí)得到流動(dòng)站的三維坐標(biāo)及精度[2]。

本文工程案例，提出了基于GPS-RTK差分定位技術(shù)，實(shí)現(xiàn)路網(wǎng)理論樁號(hào)、埋設(shè)樁號(hào)、空間坐標(biāo)位置的三統(tǒng)一，克服了改擴(kuò)建道路曲線段和變寬段平面位置不易計(jì)算和精度不易控制的問題，提高了道路中心測(cè)量與高程測(cè)量的精度。

1" "工程概況

杭金衢拓寬二期第03標(biāo)段長(zhǎng)約36.084km（扣除先行段后剩余32.801km），起點(diǎn)順接杭金衢一期改擴(kuò)建工程終點(diǎn)，起點(diǎn)左幅樁號(hào)K320+056 ，沿線跨金華市迎賓大道增設(shè)婺城互通。路面面層為4cm SMA改性瀝青混凝土+6cm SUP-20改性瀝青混凝土+8cm SUP-25瀝青混凝土+透、封層+36cm水泥穩(wěn)定碎石基層+18cm低劑量水泥穩(wěn)定碎石底基層，路面結(jié)構(gòu)總厚度為72cm。

2" "GPS-RTK系統(tǒng)構(gòu)建

GPS-RTK系統(tǒng)由GPS接收設(shè)備、無線電通訊設(shè)備、電子手薄及配套設(shè)備組成，整套設(shè)備具有操作簡(jiǎn)便性、實(shí)時(shí)可靠性、厘米級(jí)精度等方面的特點(diǎn)，完全可以滿足數(shù)據(jù)采集和工程放樣的要求[3]。鑒于GPS系統(tǒng)在軌衛(wèi)星數(shù)有限，在對(duì)空通視被遮擋的條件下，不能保證正常解算，影響定位的精度和可靠性。GPS-RTK系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

PDA（道路放樁系統(tǒng)）采用數(shù)據(jù)流量與連續(xù)運(yùn)行（衛(wèi)星定位服務(wù)）參考站（簡(jiǎn)稱Cors站）連接。放樁前，PDA設(shè)備需安裝流量卡或連接無線熱點(diǎn)，以保證數(shù)據(jù)流量連接。GPS-RTK平板電腦放樁界面如圖2所示。利用GPS快速定位功能，配合提前錄入的道路線型信息快速處理采集數(shù)據(jù)，可反算顯示作業(yè)人員在工作區(qū)域內(nèi)準(zhǔn)確位置信息。

3" "道路控制點(diǎn)布設(shè)原理

所謂GPS（樁號(hào)+偏距）中的樁號(hào)指的是道路設(shè)計(jì)線中的樁號(hào)里程。偏距是指線路設(shè)計(jì)中結(jié)構(gòu)物構(gòu)件的某個(gè)點(diǎn)距路線設(shè)計(jì)線的垂直距離。兩者關(guān)系類似于平面的（x，y） 坐標(biāo)，通過“樁號(hào)+偏距”就可以確定待測(cè)點(diǎn)的平面位置。

在道路攤鋪過程中，控制點(diǎn)加密是利用相對(duì)坐標(biāo)系，通過計(jì)算找到道路中心線在相對(duì)坐標(biāo)系下偏距不受樁號(hào)的影響一個(gè)固定常數(shù)。通過偏距測(cè)量確定路面位置，便可控制攤鋪機(jī)所在位置。利用設(shè)計(jì)方給的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)和高等級(jí)控制點(diǎn)數(shù)據(jù)，根據(jù)施工作業(yè)范圍布設(shè)加密控制點(diǎn)，通過在加密點(diǎn)上架設(shè)GPS接收機(jī)做靜態(tài)測(cè)量，之后再對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行后處理，便可獲取能夠控制整個(gè)施工區(qū)域的加密控制點(diǎn)。

利用設(shè)計(jì)方給定的高等級(jí)控制點(diǎn)的高程坐標(biāo)，采用水準(zhǔn)閉合導(dǎo)線測(cè)量的方式，在控制點(diǎn)上或合適位置可測(cè)得高程控制點(diǎn)。激光發(fā)射器的有效工作半徑為300m，因此高程控制點(diǎn)選擇的間距應(yīng)在此范圍之內(nèi)。道路施工水準(zhǔn)點(diǎn)需在距場(chǎng)地邊界30m范圍內(nèi)，點(diǎn)間距150m，可沿道路場(chǎng)地周邊布設(shè)。

4" "關(guān)鍵施工技術(shù)

4.1" "GPS-RTK快速靜態(tài)定位模式

要求GPS接收機(jī)在每一流動(dòng)站上，靜止的進(jìn)行觀測(cè)。在觀測(cè)過程中，同時(shí)接收基準(zhǔn)站和衛(wèi)星的同步觀測(cè)數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)解算未知數(shù)和用戶站的三維坐標(biāo)。如果解算結(jié)果的變化趨于穩(wěn)定，且其精度已滿足設(shè)計(jì)要求，便可以結(jié)束實(shí)時(shí)觀測(cè)[4]。

其一般應(yīng)用在控制測(cè)量中，如控制網(wǎng)加密。若采用常規(guī)測(cè)量方法（如全站儀測(cè)量），受客觀因素影響較大，在自然條件比較惡劣的地區(qū)實(shí)施起來比較困難。而采用RTK快速靜態(tài)測(cè)量，可起到事半功倍的效果。其單點(diǎn)定位只需要5～10min，不及靜態(tài)測(cè)量所需時(shí)間的1/5，在道路測(cè)量中可以代替全站儀完成導(dǎo)線測(cè)量等控制點(diǎn)加密工作[5]。

4.2 基準(zhǔn)站選定

根據(jù)道路平面位置走向以及路面攤鋪過程中的設(shè)計(jì)需求進(jìn)行整體線形的設(shè)計(jì)，以保障GPS作業(yè)過程中能夠及時(shí)提供點(diǎn)位信息，并反算作業(yè)位置信息。根據(jù)需求進(jìn)行數(shù)據(jù)鏈模式選用，在短距離以及短時(shí)間段施工過程中，可選用內(nèi)置電臺(tái)完成數(shù)據(jù)的傳輸作業(yè)。在距離未知點(diǎn)3km范圍內(nèi)可架設(shè)GPS基站，要求架設(shè)在開闊的野外無遮擋和強(qiáng)烈磁場(chǎng)干擾位置。然后在已知的導(dǎo)線點(diǎn)位置進(jìn)行對(duì)點(diǎn)校正，確保基站工作的穩(wěn)定性和安全性。校正完后對(duì)已知點(diǎn)進(jìn)行坐標(biāo)測(cè)量，與已知坐標(biāo)進(jìn)行誤差對(duì)比，要求x、y方向誤差累計(jì)值小于1cm。

4.3 高程控制測(cè)量

用mmGPS測(cè)量地面高程，并標(biāo)記攤鋪合適高度，將攤鋪機(jī)熨平板調(diào)整到合適高度（可借助一些其他物體，如墊木塊等）。通過在加密點(diǎn)上架設(shè)GPS接收機(jī)做靜態(tài)測(cè)量，之后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行后處理，以獲取能夠控制整個(gè)施工區(qū)域的加密控制點(diǎn)。

利用設(shè)計(jì)方給定的高等級(jí)控制點(diǎn)的高程坐標(biāo)，采用水準(zhǔn)閉合導(dǎo)線測(cè)量的方式，在控制點(diǎn)上或合適位置測(cè)得高程控制點(diǎn)。通過mmGPS流動(dòng)站實(shí)時(shí)檢測(cè)攤鋪的效果，根據(jù)反饋值對(duì)兩側(cè)的箭頭進(jìn)行調(diào)整，正常工作狀態(tài)下調(diào)整箭頭變動(dòng)很小，幾乎為零。GPS主屏幕高程調(diào)節(jié)箭頭如圖3所示。點(diǎn)擊高程控制按鈕，點(diǎn)擊match使高程調(diào)整值歸零，消除之前由于測(cè)量不準(zhǔn)確存在的誤差。

4.4" "樁號(hào)布設(shè)及攤鋪過程控制

計(jì)算路線實(shí)地復(fù)核無誤后進(jìn)行樁號(hào)布設(shè)，推薦在定位精度最高狀態(tài)固定解情況下進(jìn)行樁號(hào)布設(shè)。一般采用車載模式進(jìn)行樁號(hào)布設(shè)，車輛沿道路邊線形式，從上行起點(diǎn)位置依次進(jìn)行樁號(hào)布設(shè)。

GPS-RTK設(shè)備固定在車體頂部靠近道路邊線一側(cè)，使用自噴漆實(shí)地標(biāo)定樁號(hào)。推薦RTK設(shè)備與使用自噴漆實(shí)地標(biāo)定人員處于同一水平線，以便標(biāo)定人員根據(jù)設(shè)備位置在道路邊線位置處進(jìn)行樁號(hào)標(biāo)定，放樁時(shí)實(shí)地里程樁標(biāo)注點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)GPS-RTK設(shè)備位置。利用GPS-RTK設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)布樁如圖4所示。

選擇GPS手部程序里的道路放線，目標(biāo)選擇主線線型SJHZX，開始在道路中心線位置進(jìn)行放線。首先放道路外邊線，觀察RTK手部中偏距值顯示的偏距與計(jì)算k內(nèi)、k外一致時(shí)，做上標(biāo)記畫線;然后進(jìn)行道路中心線的放線;定位道路中心線直接觀察RTK手部的樁號(hào)里程，與計(jì)算樁號(hào)一致時(shí)即可畫線。對(duì)于道路曲線段，需要通過GPS放樣道路內(nèi)側(cè)及外側(cè)，通過標(biāo)記出的內(nèi)外側(cè)點(diǎn)位彈墨線做出道路中心線。

通過GPS實(shí)時(shí)RTK差分定位技術(shù)，攤鋪設(shè)備在施工作業(yè)面上及時(shí)確定≤2cm的絕對(duì)定位，通過域激光發(fā)射器提供毫米級(jí)的高程定位，再結(jié)合GPS-RTK平面和域激光設(shè)備在對(duì)應(yīng)坐標(biāo)點(diǎn)上的高程，便可實(shí)現(xiàn)X、Y、H三維立體的自動(dòng)化攤鋪?zhàn)鳂I(yè)，最大程度上減少施工過程的人為誤差以及傳統(tǒng)施工工藝存在的系統(tǒng)誤差。攤鋪機(jī)外側(cè)應(yīng)采用鋼絲繩引導(dǎo)的高程控制方式，攤鋪機(jī)內(nèi)側(cè)分別采用架設(shè)鋼梁或雪橇式控制基層攤鋪厚度。鋼絲繩應(yīng)張拉平順，鋪料時(shí)不得對(duì)基準(zhǔn)鋼絲繩造成干擾。

4.5 內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理

將每一天的GPS-RTK觀測(cè)文件中的道路坐標(biāo)、方位角、路面標(biāo)高等數(shù)據(jù)文件，通過Data Transfer導(dǎo)入到TGO中。采用高程擬合的方式求出所測(cè)點(diǎn)的高程值，然后按規(guī)定的格式導(dǎo)出到EXCEL中。最后，控制點(diǎn)通過平差軟件處理后生成控制點(diǎn)平面坐標(biāo)TXT、水準(zhǔn)點(diǎn)坐標(biāo)TXT，以便導(dǎo)入到Pocket-3D和3DMC軟件編輯成正式文件。為檢驗(yàn)GPS-RTK測(cè)量的精度，事先用全站儀放樣一段道路，并將結(jié)果作為參考值。兩種作業(yè)模式的成果比較如表1所示。

根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果分析，最大平面交差為3mm，因此認(rèn)為GPS-RTK數(shù)據(jù)成果可信。本次作業(yè)采用GPS-RTK高程擬合的方式獲取中樁高程。由于在高程擬合方面的經(jīng)驗(yàn)不是很多，為保證程的擬合精度，事先也擬合了一段中樁的高程值。用水準(zhǔn)儀對(duì)其進(jìn)行了檢測(cè)，比較結(jié)果如表2所示。

根據(jù)表1、表2統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分析可知，在該測(cè)區(qū)對(duì)布設(shè)的高等級(jí)水準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行擬合，所得高程值滿足測(cè)量外業(yè)檢測(cè)驗(yàn)收的相關(guān)精度要求，完全滿足設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求。

4.6" "質(zhì)量控制措施

GPS設(shè)備必須遵守年檢制度，應(yīng)按期送往國(guó)家授權(quán)測(cè)繪儀器質(zhì)量監(jiān)督檢測(cè)機(jī)構(gòu)進(jìn)行檢定，檢定有效期內(nèi)也應(yīng)定期按照全站儀操作規(guī)程進(jìn)行自檢，以確保儀器正常運(yùn)行。測(cè)量腳架和對(duì)點(diǎn)基座應(yīng)定期檢查校正，杜絕使用故障設(shè)備。測(cè)量成果的計(jì)算應(yīng)由具備測(cè)量專業(yè)技術(shù)資格的人員來完成，計(jì)算人員必須認(rèn)真抄錄原始記錄及起算數(shù)據(jù)。

5" "結(jié)語

基于GPS-RTK差分定位技術(shù)能夠及時(shí)反算出作業(yè)位置信息，獲取能夠控制整個(gè)施工區(qū)域的加密控制點(diǎn)靜態(tài)數(shù)據(jù)，對(duì)道路攤鋪機(jī)施工過程實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化控制，有效避免因攤鋪質(zhì)量問題造成的返工現(xiàn)象。

該定位技術(shù)相對(duì)于普通全站儀具有一定的優(yōu)勢(shì)，它不受通視條件的限制，不受天氣及溫度的影響，可做到全天候作業(yè)，有利于提高測(cè)量質(zhì)量與工作效率。通過相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理程序，測(cè)量中控制網(wǎng)直接與測(cè)點(diǎn)聯(lián)系，不存在中間點(diǎn)的累積誤差，也減少了置儀誤差，減輕了測(cè)量人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。

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