ＲＴＫ在公路放樣中的應(yīng)用

伊云忠　賈江文　郭　微

摘要：為了發(fā)展GPS RTK技術(shù)，推廣GPS RTK的使用，論文簡(jiǎn)要介紹了傳統(tǒng)公路放樣、以及RTK在公路工程中的應(yīng)用現(xiàn)狀;研究了公路GPS RTK放樣的作業(yè)模式的特點(diǎn)以及應(yīng)用GPS RTK技術(shù)進(jìn)行公路放樣(包括公路中線、縱斷面、橫斷面)全過程。運(yùn)用對(duì)比的方法對(duì)傳統(tǒng)公路放樣和RTK放樣進(jìn)行比較，突出表現(xiàn)GPS RTK在公路建設(shè)領(lǐng)域中的應(yīng)用和發(fā)展。

關(guān)鍵詞：GPS 傳統(tǒng)公路放樣方法 對(duì)比分析

1.前 言

1.1研究的目的與意義

隨著全球定位系統(tǒng)(GPS)技術(shù)的快速發(fā)展，RTK(RealTime Kinematic)測(cè)量技術(shù)也日益成熟，RTK測(cè)量技術(shù)逐步在測(cè)繪中得到應(yīng)用。RTK測(cè)量技術(shù)因其精度高、實(shí)時(shí)性和高效性,使得其在測(cè)繪工程中的應(yīng)用越來越廣。

在高等級(jí)公路的路線放樣及中樁測(cè)量等工作中，經(jīng)常會(huì)遇到線路途經(jīng)丘陵、山地、密布的灌木叢或樹林等復(fù)雜地形地物，有時(shí)也會(huì)出現(xiàn)設(shè)計(jì)線路與整列規(guī)劃成排的居民房屋正交的情況，此時(shí),若采用常規(guī)全站儀按極坐標(biāo)法在實(shí)地做三維放測(cè)，將面臨較嚴(yán)重的通視困難或頻繁的轉(zhuǎn)放支點(diǎn), 基于載波相位觀測(cè)量進(jìn)行實(shí)時(shí)差分的動(dòng)態(tài)定位技術(shù)，它能在施測(cè)的過程中實(shí)時(shí)得到三維坐標(biāo),且測(cè)量精度可達(dá)到厘米級(jí)。這就使RTK應(yīng)用在高等級(jí)公路放樣測(cè)量中成為可能。

2.傳統(tǒng)的公路放樣

2.1傳統(tǒng)公路放樣的方法

傳統(tǒng)公路放樣使用方法很多，且也在不斷完善和發(fā)展。

2.2.1中線測(cè)量方法

放線的方法主要有

1）撥角放線法。 根據(jù)紙上交點(diǎn)的坐標(biāo)，預(yù)先在內(nèi)業(yè)計(jì)算出兩交點(diǎn)間的距離及直線的轉(zhuǎn)向角，然后根據(jù)資料放出交點(diǎn)，定出中線位置。

2）支距放線法。適用于地形不太復(fù)雜且初測(cè)導(dǎo)線與設(shè)計(jì)路線中線較近的地區(qū)。

3）全站儀坐標(biāo)法。只要將儀器架設(shè)在已知點(diǎn)上，輸入測(cè)站點(diǎn)A、后視點(diǎn)B以及待放樣點(diǎn)P的三角坐標(biāo)，瞄準(zhǔn)后視點(diǎn)定向，按下反算方位角鍵，儀器就能自動(dòng)將測(cè)站與后視的方位角設(shè)置在該方向上，然后按下放樣鍵，儀器自動(dòng)出現(xiàn)箭頭左右提示應(yīng)該將儀器進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)的方向，這樣就輕松使儀器到達(dá)設(shè)計(jì)的方向線上，接著通過測(cè)距儀，自動(dòng)提示前后移動(dòng)，直到放樣出設(shè)計(jì)距離。

2.2.2橫、縱斷面圖測(cè)繪方法

橫斷面測(cè)繪方法，方向的確定可以用方向架或者經(jīng)緯儀進(jìn)行。把儀器安置在中樁上瞄準(zhǔn)中線方向撥轉(zhuǎn)900，就可以直接定出橫斷面方向。地勢(shì)平坦時(shí)，具體測(cè)量方法是首先在定出橫斷面上丈量出各特征點(diǎn)距離中線樁的距離，并用水準(zhǔn)儀測(cè)得各個(gè)點(diǎn)到中樁的高差。起伏比較大時(shí)，儀器應(yīng)放置在中線樁上，讀取到橫斷面上的特征點(diǎn)的視距和垂直角，從而計(jì)算點(diǎn)相對(duì)中中樁的高程。然后根據(jù)數(shù)據(jù)繪制橫斷面圖。

3.RTK在公路放樣中的應(yīng)用

3.1RTK技術(shù)在路線中線放樣的應(yīng)用

3.1.1路線中線放樣

GPS RTK具有多種放樣功能，在路線中線放樣中最常用的是放樣點(diǎn)的平面位置。設(shè)置好基準(zhǔn)站和流動(dòng)站以后，在主菜單下進(jìn)入放樣功能，選擇點(diǎn)放樣界面，輸入放樣點(diǎn)點(diǎn)號(hào)，單擊解算按鈕，進(jìn)入解算界面，顯示放樣點(diǎn)信息,并計(jì)算出導(dǎo)航數(shù)據(jù)，將放樣點(diǎn)的位置顯示在導(dǎo)航圖中央。

單擊放樣進(jìn)行放樣測(cè)量，通過GPS RTK方式測(cè)量出RTK天線在地方坐標(biāo)系下的坐標(biāo)，并顯示出當(dāng)前RTK天線位置與放樣點(diǎn)的偏移量，同時(shí)在導(dǎo)航圖上顯示出RTK天線應(yīng)移動(dòng)的方向和距離。當(dāng)RTK天線位置與放樣點(diǎn)的實(shí)際位置重合時(shí)，即得到放樣點(diǎn)的位置。

3.1.2 中線放樣的方法

1）坐標(biāo)引數(shù)法。即預(yù)先知道公路中線待放樣點(diǎn)P的坐標(biāo)( XP , YP)。GPS實(shí)地放樣時(shí),只要測(cè)點(diǎn)G( XG , YG)逼近P ( X P , YP) ,在一定限差范圍內(nèi), 則認(rèn)為P點(diǎn)已放樣完畢。

2.）樁號(hào)引數(shù)法。即預(yù)先知道公路中線待放樣點(diǎn)P的里程樁號(hào)為L(zhǎng) p ,也就知道了點(diǎn)P的坐標(biāo)( X P , YP) 。因此,樁號(hào)引數(shù)法其實(shí)際等同于坐標(biāo)引數(shù)法。而對(duì)于任意加樁,如果采用上述2種方法來進(jìn)行時(shí),則可能會(huì)出現(xiàn)令人尷尬的現(xiàn)象 如水溝加樁不在溝心、水網(wǎng)區(qū)加樁落入水中等等。為此 ,必須尋求其它更合理、有效的方法。

3）測(cè)點(diǎn)引數(shù)法。以測(cè)點(diǎn)為引數(shù)可以采用“法線方向法”,:通過測(cè)點(diǎn)向路線中線做垂線 ,求出垂足點(diǎn)的坐標(biāo) ;也可以采用“任意方向法”通過兩測(cè)點(diǎn)確定的直線與路線中線的交點(diǎn) ,求得交點(diǎn)的坐標(biāo)無(wú)論采用何種方法 ,其關(guān)鍵是推求待放樣點(diǎn) P的坐標(biāo) 然后按坐標(biāo) (樁號(hào))引數(shù)法進(jìn)行處理。

3.2道路橫斷面測(cè)量的應(yīng)用

在測(cè)量路線中線的同時(shí)，可以獲得中線的高程，處理后生成縱斷面數(shù)據(jù)文件，用來繪制縱斷面圖，為縱斷面設(shè)計(jì)提供資料。

同時(shí)，由流動(dòng)站從中樁向兩側(cè)，逐點(diǎn)沿地形變化點(diǎn)測(cè)量，每一點(diǎn)記錄三維坐標(biāo)，經(jīng)數(shù)據(jù)處理后得到該點(diǎn)的橫斷面數(shù)據(jù)文件，繪制橫斷面圖，用于進(jìn)行橫斷面設(shè)計(jì)。

3.2.1RTK測(cè)量路線橫斷面的思路

路線橫斷面測(cè)量指測(cè)定路線中線上各中樁處垂直于中線方向上的地面起伏情況。即測(cè)定橫斷面方向上的相鄰變坡點(diǎn)間的水平距離和高差, 以供路基設(shè)計(jì)包括排水、用地、擋墻、防護(hù)工程及計(jì)算土石方數(shù)量等使用。橫斷面測(cè)量的質(zhì)量直接影響工程數(shù)量大小。用進(jìn)行橫斷面測(cè)量應(yīng)首先計(jì)算出待測(cè)橫斷面兩端點(diǎn)的坐標(biāo)并由實(shí)時(shí)測(cè)得, 從而標(biāo)定出橫斷面的方向線然后, 在標(biāo)定出的橫斷面方向線上測(cè)出各特征點(diǎn)的三維坐標(biāo), 由坐標(biāo)計(jì)算出兩相鄰特征點(diǎn)的水平距離和高差, 繪出橫斷面線

3.2.2橫斷面方向線端點(diǎn)的坐標(biāo)計(jì)算及方向線標(biāo)定

P為中線上任一中樁點(diǎn), 該點(diǎn)的坐標(biāo)（XP，YP ）與過該點(diǎn)的切線方位角均已求得。

直線AB為過P點(diǎn)的橫斷面方向, AB為橫斷面的兩端點(diǎn),距中點(diǎn)P的距離為d.可以求得AB的方位角，并推算出B和A的坐標(biāo)。

3.2.3GPS RTK測(cè)量橫斷面過程

1）計(jì)算各中樁處橫斷面上各端點(diǎn)的坐標(biāo)。根據(jù)線形設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)及待定斷面的里程按前述線路中線點(diǎn)位坐標(biāo)計(jì)算公式, 計(jì)算出各中樁和各加樁的坐標(biāo)及對(duì)應(yīng)點(diǎn)切線的方位角, 然后計(jì)算出相應(yīng)橫斷面上端點(diǎn)的設(shè)計(jì)坐標(biāo)。

2）將端點(diǎn)的設(shè)計(jì)坐標(biāo)輸人到GPS RTK的手持機(jī)中。設(shè)計(jì)坐標(biāo)數(shù)據(jù)可由一定的軟件輸送到手持機(jī)中, 也可由人工直接在手持機(jī)上進(jìn)行數(shù)據(jù)輸人, 但人工輸人工作效率較慢且容易出錯(cuò), 不適合于大量點(diǎn)的輸人。實(shí)際工程數(shù)據(jù)量較大, 宜采用軟件傳送數(shù)據(jù)。

3）轉(zhuǎn)換參數(shù)計(jì)算。首先確定采用哪些點(diǎn)進(jìn)行轉(zhuǎn)換參數(shù)的計(jì)算, 這些點(diǎn)應(yīng)具有線路坐標(biāo)和WGS一84坐標(biāo), 若沒有WGS一84坐標(biāo), 則可在野外利用技術(shù)實(shí)時(shí)測(cè)得。

4）野外實(shí)測(cè), 設(shè)置基準(zhǔn)站和流動(dòng)站。野外實(shí)測(cè)時(shí)基準(zhǔn)站設(shè)置于視野開闊的已知控制點(diǎn)上, 作好接收機(jī)、數(shù)據(jù)鏈電臺(tái)及電池等的連線工作, 輸人作為基準(zhǔn)站的控制點(diǎn)的坐標(biāo)及其它一些設(shè)置參數(shù)后, 啟動(dòng)基準(zhǔn)站設(shè)備進(jìn)人工作狀態(tài), 數(shù)據(jù)鏈不斷地發(fā)射校正信息, 此時(shí)移動(dòng)站可開始工作。移動(dòng)站應(yīng)從另一已知點(diǎn)出發(fā), 即先驗(yàn)證轉(zhuǎn)換參數(shù)及參考站參數(shù)設(shè)置的準(zhǔn)確性, 通過與已知點(diǎn)進(jìn)行坐標(biāo)驗(yàn)證實(shí)測(cè)的點(diǎn)位與已有點(diǎn)位之差均在2cm內(nèi), 吻合程度較好。然后, 測(cè)得橫斷面上各特征點(diǎn)的三維坐標(biāo), 在每次作業(yè)的最后應(yīng)再次回到已知點(diǎn)上檢查是否與已知數(shù)據(jù)相符, 以保證實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的量。

3.2.4繪制成圖

根據(jù)測(cè)得的相鄰點(diǎn)的三維坐標(biāo)計(jì)算水平距離和高差, 可以繪出橫斷面圖。采用常規(guī)全站儀放測(cè)極不方便且難以保證精度的地區(qū),使用該法是非常有利的。

4.傳統(tǒng)公路放樣與RTK技術(shù)放樣的比較

4.1應(yīng)用地域的比較

傳統(tǒng)測(cè)量在不能通視地區(qū)進(jìn)行測(cè)量，難度很大，而且精度不夠高，而GPS RTK測(cè)量能達(dá)到厘米級(jí)，只要能保證RTK的工作條件，完全可以使用。

4.2速度和經(jīng)濟(jì)效益的比較

傳統(tǒng)測(cè)量在野外區(qū)域進(jìn)行測(cè)量經(jīng)常需要對(duì)樹木進(jìn)行砍伐，工作量大。既浪費(fèi)了大量時(shí)間和金錢，又不能保證測(cè)量精度，RTK測(cè)量完全避免砍伐情況，速度可以是傳統(tǒng)測(cè)量的5倍以上。

4.3測(cè)量質(zhì)量的比較

傳統(tǒng)測(cè)量在中線放樣上放樣精度不均勻， 有誤差積累。GPS RTK測(cè)量采用衛(wèi)星定位技術(shù)，放樣速度快，精度均勻，而且沒有誤差積累。

4.4工作量的比較

傳統(tǒng)測(cè)量需要內(nèi)、外業(yè)精心大量的計(jì)算和測(cè)量放樣工作，程序復(fù)雜，工作量大。RTK技術(shù)測(cè)量外業(yè)操作簡(jiǎn)單，內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)可直接輸入計(jì)算機(jī)處理。

通過比較，可以看出RTK技術(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1) 實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)平面位置定位精度可達(dá)到厘米級(jí)的測(cè)量成果

(2) 徹底擺脫了由于粗差造成的返工,提高了GPS 作業(yè)效率。

(3) 作業(yè)效率高,每個(gè)放樣點(diǎn)只需要停留1～2s ,流動(dòng)站小組作業(yè),每小組(3～4 人) 每天可完成中線測(cè)量5～10km。

(4) 在中線放樣的同時(shí)可完成中平測(cè)量。

(5) 如輔助相應(yīng)的軟件,RTK可與全站儀聯(lián)合作業(yè),充分發(fā)揮RTK與全站儀各自的優(yōu)勢(shì)。

為了測(cè)定放樣的進(jìn)度和速度 ,利用 GPS - RTK技術(shù)測(cè)放中樁(1 +1模式 ),平均每個(gè)工作日可測(cè)放中線 4.2km ,每公里平均測(cè)放中樁 34. 7根。采用了比較的方法。

雙基站比較法。為了驗(yàn)證 GPS - RTK的測(cè)量成果 ,作者做了如下的實(shí)驗(yàn) ,首先將基準(zhǔn)站架設(shè)于已知控制點(diǎn) D4 (4 068 556. 543 ,353 286. 334 ,11. 362)上 ,利用流動(dòng)站分別測(cè)得 31個(gè)中樁點(diǎn)的坐標(biāo)。然后將基準(zhǔn)站遷移到另一已知控制點(diǎn) D9(4 072 563. 489 , 351 547. 624 ,13. 836)上 ,同樣利用流動(dòng)站分別測(cè)得與前述相同的31個(gè)中樁點(diǎn)的坐標(biāo) ,通過比較 2次測(cè)得的結(jié)果可以看出:在 2個(gè)基準(zhǔn)站下測(cè)得的中樁坐標(biāo)之差的最大值分別為 :ΔXmax =2.4 cm,ΔYmax =2.3cm, ΔHmax=2.2cm.

RTK 測(cè)量與全站儀測(cè)量的比較。在檢驗(yàn)中, 除了采用上述方法外,還做了GPS-RTK 的測(cè)量成果與全站儀測(cè)量結(jié)果的比較,對(duì)于相同的31 個(gè)中樁點(diǎn)分別用RTK 技術(shù)和全站儀技術(shù)進(jìn)行了坐標(biāo)的測(cè)定, 檢驗(yàn)時(shí)采用索佳2100型全站儀, 通過比較2種方法的測(cè)量結(jié)果可以看出: 在2 種方法下測(cè)得的同一中樁坐標(biāo)之差的最大值分別為: :ΔXmax = 3. 4cm,ΔYmax =3.3cm, ΔHmax=3.6cm.

以上差值都在容許范圍內(nèi)，說明GPS RTK的測(cè)量成果從角度是合理的。從定位精度看，GPS RTK放樣的點(diǎn)位精度可以達(dá)到厘米級(jí)，各放樣點(diǎn)之間不存在誤差積累，內(nèi)符精度較好，與全站儀測(cè)定的結(jié)果符合得好，能很好的滿足公路設(shè)計(jì)和施工的精度要求。由于GPS-RTK 技術(shù)在放樣中的采用,使得作業(yè)效率和精度得到了飛速的提高。用RTK 技術(shù)進(jìn)行公路中線放樣,流動(dòng)站與基準(zhǔn)站之間的聯(lián)系是建立在無(wú)線電波基礎(chǔ)上的,作業(yè)區(qū)域內(nèi)的站點(diǎn)之間不需要通視,對(duì)流動(dòng)站來講,儀器會(huì)引導(dǎo)你去相應(yīng)樁號(hào)的位置,如不合適,可自由調(diào)整樁號(hào),無(wú)須交流,從而提高作業(yè)的速度。而且由于其本身的特點(diǎn),不受天氣條件的影響,可全天候的工作。對(duì)于測(cè)設(shè)的精度來說,RTK技術(shù)測(cè)量時(shí),起點(diǎn)位的精度是實(shí)時(shí)顯示的,且每一根中樁放樣過程一致,所測(cè)放的點(diǎn)位精度大致相同,且能很好地滿足《規(guī)范》要求,不存在累積誤差,因此,保證了中樁點(diǎn)位精度的可靠性和均勻性。

5.總結(jié)

全球定位系統(tǒng)(GPS )是目前世界上應(yīng)用最廣泛的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，將在公路工程測(cè)量中有更大的作用。本論文是全球定位系統(tǒng)(GPS)用于公路工程測(cè)量研究系統(tǒng)的一個(gè)子課題，經(jīng)過努力完成了預(yù)期工作任務(wù)。RTK技術(shù)是GPS定位技術(shù)的一個(gè)新的里程碑,它不僅具有GPS技術(shù)的所有優(yōu)點(diǎn),而且可以實(shí)時(shí)獲得觀測(cè)結(jié)果及精度,大大地提高了作業(yè)效率并開拓了GPS新的應(yīng)用領(lǐng)域。通過實(shí)際工作得到了以下的結(jié)論:

(1) 研究表明由于載波相位測(cè)量、差分處理技術(shù)、整周未知數(shù)、快速求解技術(shù)以及移動(dòng)數(shù)據(jù)通信技術(shù)的融合,使RTK在精度、速度、實(shí)時(shí)性上達(dá)到了完滿的結(jié)合,并使得RTK定位技術(shù)大大擴(kuò)展了它的應(yīng)用范圍。

(2) 該法應(yīng)用于高等級(jí)公路放樣測(cè)量,其定位精度可達(dá)到厘米級(jí),完全能夠滿足規(guī)范要求。

(3) 該法在施測(cè)過程中,能實(shí)時(shí)檢驗(yàn)質(zhì)量控制指標(biāo),因而能實(shí)時(shí)提供經(jīng)檢驗(yàn)的成果資料,大大提高了生產(chǎn)效率。

(4) 在困難地區(qū)尤其是采用常規(guī)全站儀放測(cè)極不方便且難以保證精度的地區(qū),使用該法是非常有利的?！?/p>

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