GPS-RTK技術在工程測量中的應用

趙國政

（天津水泥工業設計研究院有限公司 天津 300400）

0 引言

在工程測量中應用GPS-RTK技術，其具有定位精準度高、自動化水平高等優點，且能突破時間與空間的約束，實現24 h全天候定位，其現場觀測時，不會耗用較多的時間成本，能給工程測量人員提供可靠的信息支持。實踐中，技術人員可以依照GPS-RTK技術定位要求，立足于工程現場實際，分析并確定工程測繪內容，采用GPS-RTK技術實現整體統籌規劃，進而顯著提升測量工作質量與效率。

1 GPS-RTK技術概述

1.1 概念

GPS-RTK即實時動態載波相位差分技術，其主要是采用合理的方式將兩個測量站接收的載波相位傳送至相應的用戶接收機上，隨后按照一定規則處理數據進而完成相應坐標的計算工作。同傳統的地籍測量相比，CPS-RTK的測量精準度更高，速度更快，能明顯提升工程測量效率。

1.2 工作原理

將接收機安裝在基準站上，連續觀察所有可能觀察到的GPS衛星，利用無線電傳輸裝置（也稱為數據鏈）把觀測所得數據實時傳送至用戶觀測站（流動站）。在觀測站上，GPS接收機不僅能精準接收GPS衛星信號，還能以數據鏈為傳輸媒介接收基準站的觀測數據，繼而結合相對定位機理，動態計算并呈現用戶站的三維坐標及其精準度，定位精準度能夠達到1～2 cm。

1.3 技術優勢

能為項目工程管理提供精準的測量依據，確保相關測量工作能穩定推進。

滿足現代城市持續發展過程中基建工程施工建造面積龐大、點位繁多及工期緊張等特點，測量操作過程簡單，并且測量所得結果的精準度能得到一定保障，為城市建設及發展提供可靠支撐。

傳統測量工作推進過程中需要投入大量的人力、物力資源，對人員之間的操作協調性提出較高要求，而規范應用GPS-RTK測量技術能明顯減少人力成本投入，顯著提升測量工作效率。

1.4 誤差分析

盡管GPS-RTK測量技術在實體工程內應用時表現出很多優勢，但仍存在不足，故而在選用該項技術前要對其數據誤差成因有較全面的了解，進而工作人員能結合現場情況更好地編制相應方法去規避誤差問題，力爭將其影響降到最低，顯著提升工程測量施工水平。GPS-RTK現場測量時，誤差成因主要集中在如下幾個方面。

基準換站內形成誤差。坐標系統轉換過程是引起誤差的常見原因，也可能引發控制點誤差問題，均會對最后所得測量結果的精準度產生不良影響。

用戶操作接收裝置過程中形成誤差。天線相位中心改變是引起誤差的常見原因，針對這種情況，工作人員要及時采用適宜的方法將其解除。雖然一些誤差是難以規避的，但是其對測量結果形成的影響程度可以被控制到最小，為此工作人員要以最嚴謹的態度參與到測量工作實踐中。

2 工程測量中GPS-RTK技術的應用

2.1 控制測量

（1）GPS控制測量的現場工作：①一名合格的測量人員，要了解整個測區的范圍、地理條件及既有控制點位，以此為基礎選擇并部署GPS測點；②在GPS定位選擇環節中，盡量在視野相對寬闊的區域布置觀測點，測量操作中，視場內障礙物的高度角＜15°，并且周邊不可以分布反射衛星信號較強的物體，比如高大建筑物等[1]。

（2）GPS現場觀測與數據處理：GPS-RTK和常規工程技術之間有很大差別，采用GPS-RTK測量時，工作人員要先在測區內布置天線，把其安置在三腳架上，維持水平居中，隨后才可以進行開機觀測，指派專人詳細記錄觀測信息。記錄方式通常有兩種，一種是GPS接收機自動記錄和存儲，第二種是GPS測量手簿存儲。

2.2 數據采集

首先，測量人員要做好所得控制點位的分析工作，結合分析結果進行地形測量。其次，工作人員要確保人員外部無線電臺與基站覆蓋范疇能達到10 km，進而從基礎環節使測量工作結果的精準度得到保障。最后，正式進行工程測量前工作人員要嚴格依照相關規程校準流動站，把其測量精度控制在厘米級，以上環節中配合使用RTK控制測量誤差。現場測量操作中，工作人員要盡可能提高輸入轉換闡述的精準性，并利用適宜、科學的方法布置點位，加強幾何強度的控制力度，立足于具體測量區域實際情況進行準確、規范的測量。

2.3 數字地形圖的測量

應用GPS-RTK執行數字地形圖的測量任務。在實際工程測量時，通常所需的控制點位數目較少，這一點有效彌補了我國傳統工程測量技術應用時暴露的不足，采集所有點位的坐標信息并將其完整輸入到相應計算機軟件內，便能順利獲得測量人員所需的地形圖，繪圖工作效率與質量均較高，適用于環境相對復雜的工程測量[2]。

2.4 施工放樣測量工作

傳統工程施工放樣環節采用的測量儀器以全站儀為主，點位之間實現通視是其測量的必要條件，受地形、地物等因素的影響，容易影響工程施工放樣測量工作效率。而采用GPS-RTK技術，因為其系統軟件內自帶放樣功能，故而能高效實現工程點位及直線等測量工作，智能生成相應的放樣點。實際測量時，工作人員要提前把設計好的各類元素輸入到手冊內，一方面為現場放樣點自動生成創造便利條件，另一方面也能清晰地呈現出里程及偏移距離等信息，借此方式進一步提升現場施工放樣測量效率。

3 案例應用

某礦山工程地理坐標為東經114°42′—114°54′，北緯23°22′30″—23°31′，礦區處于南北長19.37 km、東西寬9.35～20.45 km的T型區內，面積304.4 km2左右。礦區距離市區直線距離35 ㎞，工作區南北部分均有省道通過，鋪筑公路、簡易公路直通礦區，交通運輸相對便捷。礦區屬于低山丘陵區，海拔最高292 m，最低44 m。礦區內每年4—8月份是雨季，最大年平均降雨量2 781.7 mm。礦區內村落局部分布，礦區中植被茂密，通視條件偏差，山間水系發育，時而發生山洪，有毒蛇出沒，增加了工程測量的難度。

3.1 布置控制網

嚴格依照D級GPS網測量規范布設GPS控制網，要符合圖像連通性檢查原則，要有適宜數目的重合點位，視野較寬闊且容易抵達。

GPS網盡量選擇三角形、多邊形或者由附和線路組成的閉合圖形，具體設計時多和國家高級控制點進行聯測，進而提供數據處置的起算值及增設最后結果測量的檢核條件[3]。

（1）結合測區交通運輸情況設計GPS網型，不要求GPS網各點之間通視，但要考慮傳統測量方法加密環節點位的利用效率。

（2）有效應用礦區舊的標識。

（3）D級GPS網內各閉合環的邊數＜8，本次平差閉合環邊數是3。

（4）控制網和本地原油等級GPS點進行聯測，總數≥3個。

3.2 GPS技術參數

3.2.1 坐標系統

選用1980西安坐標系，高斯一克呂格實現正形投影，3°帶第38帶作為測區投影分帶，中央子午線為114°。GPS網施測等級對應D級。

3.2.2 精準度要求

利用下式計算出GPS控制網內兩個相毗鄰點基線線內誤差（σ）[4]：

a、b、D分別是固定誤差、比例誤差系數、相鄰點間的平均邊長。

已知V30接收機的標稱精準度±（2.5 mm±1 ppm×D），依照本礦區精度要求，在GPS網平差時，利用（lO mm +1 ppm×D）執行平差解算過程，則每千米的基線測量內誤差10.65 mm。

3.3 選點和埋石

盡量選擇視野開闊、交通便捷易于后期開展工作的位置作為GPS埋石點，在其周邊布置可通視的方位點，選點要符合如下要求。

（1）符合技術設計要求、便于常規測量手段的拓展和聯測。

（2）點位一定穩固，方便長時間保留且不容易被破壞，為儀器操作及架設施工創造便利。

（3）點位處視野開闊，和水平夾角＞15°。

（4）點位200 m范圍中無大功率電臺，50 m內無高壓線經過。

（5）為規避多路徑效應帶來的影響，點位要遠離大面積水域。

（6）整個礦區共計埋設了12個D級標石，聯測3個C級GPS點，為礦區GPS點進行統一編號。

3.4 控制測量施測——靜態作業

應用書臺接收機同步觀測礦區GPS控制網以進行施測，首次觀測運用了7臺中海達V30接收機與1臺中海達V8接收機進行野外靜態作業。其中，V30接收機的靜態相對定位精度是：靜態平面±（2.5 mm±1 ppm×D），高程±（5 mm±1 ppm×D），選用的HGO數據處理軟件包滿足GPS測量數據處理的實際要求；地質測量應用GPS-RTK作業形式施測，RTK定位精度：平面±（lO mm+1 ppm×D），高程：±（20 mm+1 ppm×D）[5]。V8接收機定位精度指標和V30等同。局部工程用索佳Set230RK3全站儀測量，其測距精度±（2 mm+2 ppm×D），測角精度2″。經專業機構檢測并正式以上測量儀器質量合格，可以正常用在相應等級精度要求的測量工作。在GZJL、HO1...H07埋石點分別架站觀測，V8接收機被架設于H07設站上。2015年6月13日觀測一個時段，各時段≥20 min，測站認真記錄觀測要素。6月17日分別增設1臺V30和V8接收機開展靜態作業。維持H02、H06、H07 3臺接收機固定，其他儀器被遷站大牌新的站點H08、H09、H10、H11、H12、BGZ、STL，新增V8接收機架設在H12測站上，每站觀測一個時段，各時段≥120 min。本次共計觀測15個點，設站觀測兩天。

3.5 內業數據處置

開啟HGO軟件，創建新的項目，選出測量規范標準與控制級別，儀器精度輸入值10，比例誤差輸入1，能夠觀察到D級GPS網相應的限差要求[6]。

依照要求對坐標系統進行設置輸入操作，選擇國家80橢球、中央子午線114°、高斯3″進行帶投影。導入數據環境中，電機導入文件按鈕，于導入文件對話框中，依照靜態文件類型選中海達文件、衛星原始數據文件，單擊實現導入。數據預處理時，依次設置高度角、采樣間隔、最少歷元數，選中勻選GPS、GLONASS、COMPASS前的復選框。隨后在高級功能標簽中選擇默認，保存。在開啟文件的對話框內，單選或多選所需導入的靜態數據文件，單擊啟動按鈕，處理所有基線，這樣便能獲得預處理的GPS網圖，利用紅色表示不合格基線。

在數據成功導入后，需要對GPS網格做簡化處理，簡化時剔除基線以后確保網形依然能連通，結合誤差是橢圓的圖形狀況進行保存及刪除操作，三角形角度盡量≥15%，有助于增強GPS整網強度。結合以上經驗禁止使用或刪除多余不達標基線，實現簡化基線解算，完善結構，提升網形的美觀度，便于解算結果通過。

本工程GPS網平差解算數據：觀測文件共18個，基線33條，2條出現重復，形成同步、異步環分別有17個、4個。以上全部觀測量都解算合格。

3.6 二維約束平差

把ZJL、BGZ為已知點進行二維約束平差，對比平差結果的坐標值與STL的已知值。測算出兩者平面位置較差△X=6.8 mm、Y=-14.5 mm、△L=16 mm＜10 cm，據此可以初步認為己知點起算坐標準確。把C級控制點GZJL、BGZ、STL坐標值作為已知值進行網平差。分析到GPS網和地方坐標網權比合關系的合理性問題，決定用基線解的方差定權[7]。

歷經二維約束平差處理后，各基線的Tau測試檢驗均合格，基線分量改正數、標準差均符合限差值要求，最弱邊相對誤差1∶134 165 7，對應基線H 111 630.zsd～H 121 630.zsd，精度低于1∶45 000，符合現行規范要求。

4 RTK技術應用過程中的常見問題與處理方法

首先，RTK技術現場測量過程中衛星狀況會對其形成一定限制，這主要是因為RTK采用的是GPS衛星傳輸信息技術，故而衛星狀況會對其產生一定限制。為了使測量結果的精準度得到保障，要科學選擇作業時間以進行測量操作。

其次，在信息傳輸過程中，數據量自身的傳送也可能承受一定干擾和限制，容易滋生出作業的實際半徑比標稱距離短的問題。為規避以上這種情況，工人在布置精準站時，可以嘗試將其布置在測區中間的最高點上，減輕地物地形等給GPS-RTK技術測量帶來的影響，使測量結果的完整性得到更大保障。

最后，不論哪種測量技術實際使用過程中，難免在精準度及穩定性方面出現問題。盡管RTK技術的精準度已經可達很高層次，但也不能完全規避以上問題。為了使測量精準度及穩定性得到更大保障，要選用高品質的機種，布設控制點時多設置一些多余的控制點，將其作為測量結果質控的檢核點，通過實施這種辦法使工程測量質量得到更大的保障。

5 結語

同傳統的工程測量技術相比較，GPS-RTK的測量精準度顯著提高，并且在真實的工程測量實踐中，其所耗用的測量時間更短，操作過程簡單可靠，可以預測其在我國工程測量領域將會有更大的發展及應用。為此，相關工程建設單位應加大GPS-RTK技術的投入力度，完善配套設施，應用過程加強質量管理，進而使GPS-RTK技術優勢充分發揮出來，創造更多的效益。