基于RTK技術(shù)的城市工程測量研究

楊維林

(天津市勘察院測量公司，天津300191)

基于RTK技術(shù)的城市工程測量研究

楊維林

(天津市勘察院測量公司，天津300191)

以RTK技術(shù)在城市工程測量中的應(yīng)用為研究對象，從RTK技術(shù)在城市工程放樣測量、地形測量及控制測量三個方面對這一問題進行探討。

RTK技術(shù);工程測量;控制測量;地形測量

GPS問世以來，作為測量和空間定位新技術(shù)，已廣泛應(yīng)用于陸?？疹I(lǐng)域的定位、導(dǎo)航和測量，在大地測量及工程測量應(yīng)用領(lǐng)域中產(chǎn)生了前所未有的變革。隨著GPS技術(shù)的不斷發(fā)展，其應(yīng)用已遍及各種測量領(lǐng)域，特別是GPS實時動態(tài)差分RTK技術(shù)的迅速發(fā)展和完善在常規(guī)測量領(lǐng)域里得到了越來越廣泛的應(yīng)用。

一、測量的誤差源及局限性

1)GPS誤差源。GPS測量中出現(xiàn)的各種誤差按其來源大致分為三類:① 與衛(wèi)星有關(guān)的誤差:主要包括衛(wèi)星星歷誤差、衛(wèi)星鐘的誤差、地球自轉(zhuǎn)的影響和相對論效應(yīng)的影響等;② 信號傳播誤差:主要為電離層影響、對流層影響、多路徑效應(yīng)的影響等;③觀測設(shè)備和接收設(shè)備即儀器誤差的影響也很大。通?？赏ㄟ^采用適當(dāng)?shù)姆椒p弱或消除上述誤差的影響。

2)RTK的誤差源:①基準(zhǔn)站點位精度的影響;②模糊度解算誤差;③動態(tài)基線解算誤差;④坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換誤差;⑤天線對中等人為產(chǎn)生的誤差。其中②、③項的解算，程序已被編入主機，其誤差已得到了控制，坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換誤差在于如何解算坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)。因此，外業(yè)過程中特別注意氣泡居中等操作要求，以減少偶然誤差，消除人為誤差，提高精度。

3)局限性:① 在樹木茂密及城市高樓地區(qū)，GPS信號受到遮擋，無法作業(yè);② 數(shù)據(jù)鏈?zhǔn)馨l(fā)射功率及地形障礙物阻擋影響，致使RTK作用距離有限，一般丘陵地區(qū)，城區(qū)為5 km;③數(shù)據(jù)鏈容易受到干擾，距房屋、樹木較近處信號接收較難。在稍有樹木遮擋的地方需幾十分鐘才能測定坐標(biāo)。

二、RTK在測量工作中的應(yīng)用

1.用于工程放樣測量

一般作業(yè)方法是:首先確定控制點及其坐標(biāo)系、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)的求解方法。把放樣點的坐標(biāo)或線及樁號成批地存入掌上電腦RTK手簿中。選擇地勢高、無干擾、寬闊的已知點架設(shè)基準(zhǔn)站，設(shè)置好基準(zhǔn)站，使接收機至少能收到5顆以上衛(wèi)星，數(shù)據(jù)鏈發(fā)射正常，測量人員設(shè)置好流動站，在快速初始化完成后可以開始作業(yè)。從RTK手簿中讀取當(dāng)前測量點距放樣點或線的縱橫坐標(biāo)差Dx、Dy、S以及方位，并以圖形方式顯示出來，同時顯示測量的點位精度水平，當(dāng)精度水平達到期望值時可結(jié)束該點的放樣，操作起來比較直觀、方便。采用RTK放樣，單人就可以作業(yè)，工作效率很高。同時，作業(yè)時不必布測常規(guī)的導(dǎo)線，節(jié)省了大量的人力，在道路條件差的地方相當(dāng)方便。如在某廠區(qū)的道路放樁中，該地區(qū)灌木、小葉樹密度高，如果用全站儀放樁，必須花費大量的人力去砍樹開路以便通視，并且還需要布置導(dǎo)線，采用RTK方法能夠省去這些艱難的工作，常規(guī)方法需要10天的工作，使用該方法約2天即可完成。高程測量方面，GPS測量的高程誤差與常規(guī)水準(zhǔn)不同。它主要取決于擬合面與大地水準(zhǔn)面的符合程度。實踐已經(jīng)證明了GPS進行高程控制測量的可行性。為提高高程精度，可采用適當(dāng)控制流動站與基準(zhǔn)站的距離，以及選擇合適的高程擬合方法，在小范圍及地形起伏不大的地區(qū)，一般可獲得優(yōu)于±0.1 m的精度水平。

2.RTK技術(shù)用于定位測量

RTK技術(shù)定位有動態(tài)定位和快速靜態(tài)定位兩種測量模式。兩種定位模式相結(jié)合，在公路工程中的應(yīng)用中可以覆蓋公路勘測、施工放樣、監(jiān)理和GIS前端數(shù)據(jù)采集。

1)動態(tài)定位測量前需要在一個控制點上靜態(tài)觀測數(shù)分鐘(有的儀器只需2～10 s)以進行初始化工作，之后流動站就可以按預(yù)定的采樣間隔自動進行觀測，并連同基準(zhǔn)站的同步觀測數(shù)據(jù)，實時確定采樣點的空間位置。目前，其定位精度可以達到厘米級。動態(tài)定位模式在公路勘測階段有著廣闊的應(yīng)用前景，可以完成地形圖測繪、中樁測量、橫斷面測量、縱斷面地面線測量等工作。測量2～4 s，精度就可以達到±(1～3)cm，且整個測量過程不需通視，有著常規(guī)測量儀器(如全站儀)不可比擬的優(yōu)點。

2)快速靜態(tài)定位模式要求GPS接收機在每一流動站上，靜止地進行觀測。在觀測過程中，同時接收基準(zhǔn)站和衛(wèi)星的同步觀測數(shù)據(jù)，實時解算整周未知數(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)計要求，便可以結(jié)束實時觀測。一般應(yīng)用在控制測量中，如控制網(wǎng)加密;若采用常規(guī)測量方法(如全站儀測量)，受客觀因素影響較大，在自然條件比較惡劣的地區(qū)實施比較困難，而采用RTK快速靜態(tài)測量，可起到事半功倍的效果。單點定位只需要5～10 min(隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，定位時間還會縮短)，不及靜態(tài)測量所需時間的1/5，在公路測量中可以代替全站儀完成導(dǎo)線測量等控制點加密工作。

3.RTK用于控制測量

由于RTK測量在20 km內(nèi)點位平面標(biāo)稱精度為±3 cm，根據(jù)控制測量規(guī)范要求Ⅰ級導(dǎo)線點的點位誤差為±5 cm，從理論上講RTK測量完全可以滿足Ⅰ級以下導(dǎo)線點的技術(shù)規(guī)范要求。在某工程道路放樁RTK測量中，我們對距離基準(zhǔn)站1～6 km的一些四等GPS控制點采用一點法進行檢核比較，結(jié)果表明平面坐標(biāo)分量最大差值為3.1 cm，高程最大差值為4.9 cm，完全符合Ⅰ級導(dǎo)線點的規(guī)范精度要求。某工程1∶1 000數(shù)字地形圖測繪任務(wù)，測區(qū)長約7 km，寬0.7 km，面積約5 km2。整個測區(qū)采用Ashtech Z-X雙頻GPS接收機，用靜態(tài)法共布測了5個四等GPS點，21個一級GPS點，點位均勻分布，最弱點點位中誤差 Mx為 ±4.0 cm，My為 ±3.9 cm，并聯(lián)測了四等水準(zhǔn)高程。為了進一步檢核Ashtech Z-X雙頻GPS系統(tǒng)的測量精度，采用GPS控制點聯(lián)測法均勻地檢測了其中12個GPS控制點，基準(zhǔn)站布設(shè)在測區(qū)中間。GPS測量坐標(biāo)值與靜態(tài)聯(lián)測法坐標(biāo)值的較差X坐標(biāo)中誤差為±3.1 cm，Y坐標(biāo)中誤差為 ±2.3 cm，H高程中誤差為 ±5.0 cm，結(jié)果完全可滿足Ⅰ級導(dǎo)線點(5點以下)的規(guī)范精度要求。盡管GPS測量的標(biāo)稱精度及實測精度完全滿足Ⅰ級導(dǎo)線點5點以下的規(guī)范精度要求，但目前的規(guī)范對利用GPS測量進行Ⅰ級導(dǎo)線甚至更高精度的控制測量，其采集數(shù)據(jù)的方法、數(shù)量等還沒有明確的規(guī)定，因此還需要用大量的實踐來證實。實際測量中還必須采取足夠的檢核手段，確保測量的準(zhǔn)確性。

三、應(yīng)用RTK作業(yè)應(yīng)注意的問題

1)GPS作業(yè)時由于每個測點都是獨立的觀測量，缺乏相關(guān)聯(lián)的檢核手段，因此，在作業(yè)前后，在測區(qū)內(nèi)找均勻分布的已知控制點進行檢核，是目前較好的檢核手段。

2)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換方法，如控制聯(lián)測法、單點法等所測量的點位精度不同，作業(yè)時應(yīng)依據(jù)任務(wù)要求、測區(qū)大小使用不同的方法。

3)RTK采用VHF超高頻無線電波作數(shù)據(jù)鏈，容易受到電信發(fā)射塔、無線電臺、高壓電等干擾以及地形起伏條件的影響。因此，基準(zhǔn)站應(yīng)盡可能遠離干擾源，并位于地勢高處。

4)RTK系統(tǒng)測量時儀器的連線電纜配件較多，特別是基準(zhǔn)站發(fā)射電臺的鞭狀天線價格昂貴且目前國內(nèi)沒有替代產(chǎn)品，因此注意保護儀器、防止人為丟失及損壞而影響工作正常進行也是值得注意的問題。

四、結(jié)束語

RTK實時動態(tài)測量技術(shù)是繼GPS全球定位技術(shù)之后，測量領(lǐng)域的又一次技術(shù)革命。它改變了傳統(tǒng)的測量模式，能夠?qū)崟r提供厘米級定位精度，能夠在不通視的條件下遠距離傳輸三維坐標(biāo)。應(yīng)用于城市測量中，RTK能夠快速準(zhǔn)確地布設(shè)控制點，彌補由于城市日星月異的發(fā)展所造成低等級導(dǎo)線點毀壞的損失，減輕由于城市高速發(fā)展而給測繪人員造成的時間壓力。RTK測量需要的測量人員少，作業(yè)時間短，工作效率高，并且RTK測量成果都是獨立觀測值，不會像常規(guī)測量那樣造成誤差積累。當(dāng)然，RTK技術(shù)快速、靈活的作業(yè)方式有賴于足夠的衛(wèi)星數(shù)、穩(wěn)健的數(shù)據(jù)鏈、較小的多路徑效應(yīng)等外界條件，在城市環(huán)境下更顯得突出，有時會出現(xiàn)無法正常作業(yè)的情況，這就需要不斷完善RTK技術(shù)，探討先進的作業(yè)方式。隨著RTK技術(shù)的日趨成熟，它必將會更好地服務(wù)于城市測量。

［1］周忠漠，易杰軍，周琪.GPS衛(wèi)星測量原理與應(yīng)用［M］.北京:測繪出版社，1997.

［2］徐紹銓.GPS測量原理及應(yīng)用［M］.修訂版.武漢:武漢大學(xué)出版社，2000.

［3］沈?qū)W標(biāo).工程測量專業(yè)發(fā)展的探討［J］.現(xiàn)代測繪，1996(4):37-38.

On Urban Engineering Survey Based on Real-time Kinematic Technique

YANG Weilin

0494-0911(2010)11-0036-02

P258

B

2010-03-05

楊維林(1977—)，男，貴州安順人，工程師，主要從事城市工程測量工作。