RTK擬合高程在水利工程測(cè)量中的應(yīng)用及精度分析

摘要：GPS技術(shù)借助網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)得到了迅猛的發(fā)展，隨著RTK技術(shù)發(fā)展到網(wǎng)絡(luò)RTK（CORS技術(shù)）及1+n自設(shè)基站技術(shù)，同時(shí)作業(yè)半徑不斷擴(kuò)展。針對(duì)水利工程測(cè)區(qū)的帶狀特性，RTK作業(yè)半徑的擴(kuò)大無疑對(duì)測(cè)繪效率有較大的提高，但RTK測(cè)量精度一直備受關(guān)注，文章針對(duì)RTK測(cè)量中如何提高GPS高程測(cè)量精度進(jìn)行了探討分析，總結(jié)了一些方法和經(jīng)驗(yàn)，借此與測(cè)繪同仁共饗。

關(guān)鍵詞：水利工程;誤差;RTK高程;精度

1、概述

水利工程測(cè)量是為水利工程建設(shè)服務(wù)的專門測(cè)量，屬于工程測(cè)量學(xué)的范疇，在水利工程的第一階段它的主要任務(wù)主要是為水道及水利樞紐的規(guī)劃設(shè)計(jì)提供相應(yīng)比例尺的帶狀地形圖及縱橫斷面圖;第二階段的任務(wù)是水利水電工程施工測(cè)量;第三階段的任務(wù)為水利工程竣工后的變形監(jiān)測(cè)等。

水利工程往往投資比較大，關(guān)系國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展及人民生命財(cái)產(chǎn)安全，不言而喻，水利工程測(cè)量顯得至關(guān)重要。

RTK（Real-timekinematic）實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)差分法。這是一種新的常用的GPS測(cè)量方法，靜態(tài)、快速靜態(tài)、動(dòng)態(tài)測(cè)量都需后處理解算才能獲得厘米級(jí)的精度，而RTK是能夠在野外實(shí)時(shí)得到厘米級(jí)定位精度的測(cè)量方法，它采用了載波相位動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)差分方法，是GPS應(yīng)用的重大里程碑，它的出現(xiàn)為工程放樣、地形測(cè)圖，各種控制測(cè)量帶來了新曙光，極大地提高了外業(yè)作業(yè)效率。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，RTK技術(shù)（CORS）終于將工程GPS測(cè)量技術(shù)帶入網(wǎng)絡(luò)時(shí)代。

水利工程尤其是水電站工程，水庫(kù)工程工地往往位于偏遠(yuǎn)山區(qū)，對(duì)測(cè)區(qū)每個(gè)區(qū)域都引測(cè)等級(jí)水準(zhǔn)往往望塵莫及。我們經(jīng)過工程實(shí)踐，一般在壩區(qū)或主要水電樞紐區(qū)域引測(cè)四等以上的水準(zhǔn)，對(duì)于高差較大或者引測(cè)水準(zhǔn)較困難的地方則測(cè)量RTK高程作為圖根高程。經(jīng)過與全站儀三角高程及四等水準(zhǔn)高進(jìn)行了多次比較，結(jié)合工程測(cè)量規(guī)范要求，我們認(rèn)為能夠達(dá)到相應(yīng)要求。下面結(jié)合操作方法實(shí)例進(jìn)行分析比較。

2、RTK高程的測(cè)量原理及方法

RTK高程實(shí)際測(cè)量的是大地高，僅為一個(gè)幾何量，不具備實(shí)際的物理意義。大地高系統(tǒng)是以參考橢球面為基準(zhǔn)面的高程系統(tǒng)，某點(diǎn)的大地高是該點(diǎn)到通過該點(diǎn)的參考橢球的法線與參考橢球面的交點(diǎn)的距離，大地高是橢球高，大地高一般用符號(hào)H表示，所以同一個(gè)點(diǎn)，在不同的橢球上有不同的大地高。

正常高系統(tǒng)是以似大地水準(zhǔn)面為基準(zhǔn)的高程系統(tǒng)，某點(diǎn)的正常高是某點(diǎn)沿鉛垂線到似大地水準(zhǔn)面的距離，測(cè)量工程常用的高程為正常高Hr。

正常高與大地高之間存在高程異常：

§=H-Hr""""""""""""""""""""nbsp;""""""" （1）。

高程異常也是參考橢球面與似大地水準(zhǔn)面之間的差距。不難看出要將大地高（RTK高）轉(zhuǎn)換成正常高，就要求出高程異?！?，在一般工程測(cè)量中最常用的方法是高程擬合法，而較嚴(yán)密的方法為似大地水準(zhǔn)面精化法，后者在一般水利工程中難以實(shí)現(xiàn)，故而高程擬合法則較為普遍。

對(duì)于通用的高程擬合法有一次多行式和二次多行式擬合法，其基本思想是：將似大地水準(zhǔn)面看成是曲面（或者平面），高程異常§表示成為平面坐標(biāo)（x，y）的函數(shù)，通過網(wǎng)中的起算點(diǎn)（既進(jìn)行了RTK高程測(cè)量又進(jìn)行了等級(jí)水準(zhǔn)測(cè)量的公共點(diǎn)）已知的高程異常確定測(cè)區(qū)的似大地水準(zhǔn)面形狀，求出其余各點(diǎn)的高程異常，然后根據(jù)（1）式求出測(cè)區(qū)各點(diǎn)的高程異常，進(jìn)而求出各點(diǎn)的正常高。其基本理論式：

§=f（x，y）+ε"""""""""""""""""""""""" （2）。

3、GPS高擬合實(shí)例及精度分析

增城市增江小樓攔河壩樞紐工程位于增城的小樓鎮(zhèn)附近，本工程的主要任務(wù)是改善增江水環(huán)境和生態(tài)環(huán)境、航運(yùn)、連接增江兩岸交通及發(fā)展旅游。測(cè)區(qū)分兩大部分進(jìn)行，壩區(qū)部分位于小樓渡口，測(cè)區(qū)有部分屬于鎮(zhèn)區(qū)，河道中間有吉洲島，島上灌木叢生。庫(kù)區(qū)部分則往上游測(cè)量至正果鎮(zhèn)，測(cè)量任務(wù)是大約20公里1：1000帶狀地形圖，測(cè)區(qū)植被覆蓋率較高，且為山區(qū)。利用傳統(tǒng)水準(zhǔn)測(cè)量基本無法實(shí)施，經(jīng)過水準(zhǔn)測(cè)量人員一致討論認(rèn)為利用RTK擬合高作為圖根水準(zhǔn)高程。本次的RTK測(cè)量采用中海達(dá)V30接收機(jī)，信號(hào)來源于GDCORS，為了掌握RTK高程的精度及可靠性，我們將能夠控制測(cè)區(qū)的6個(gè)等級(jí)水準(zhǔn)點(diǎn)參入擬合以求取本地區(qū)的高程異?！?。

起算重合點(diǎn)表""""""""""""""""""" 單位：m

點(diǎn) 號(hào)

RTK大地高（H）

水準(zhǔn)高（Hr）

單點(diǎn)高程異常（§）

二次多項(xiàng)式擬合殘差

H1

17.2405

17.436

-0.1955

0.0106

II29

13.939

14.143

-0.204

0.0067

ZI17

13.9109

14.122

-0.2111

0.0263

ZI26

9.6795

9.8796

-0.2001

-0.0106

GPSE102

13.8422

14.009

-0.1668

0.0291

Y9

15.001

15.192

-0.191

0.0190

對(duì)以上6個(gè)重合點(diǎn)進(jìn)行分別進(jìn)行一次或二次多項(xiàng)式擬合，二次多項(xiàng)式擬合最大殘差為0.0291;測(cè)量組也進(jìn)行了一次多項(xiàng)式擬合，最大殘差為0.0328。對(duì)于一次多項(xiàng)式及二次多項(xiàng)式的擬合精度統(tǒng)計(jì)如下：

內(nèi)部符合精度（cm）：" 一次多項(xiàng)式擬合 ±0.8421""""""""" 二次多項(xiàng)式擬合" ±0.4233

外部符合精度（cm）：" 一次多項(xiàng)式擬合 ±1.0032""""""""" 二次多項(xiàng)式擬合" ±0.9678

在本工程測(cè)量中，我們利用二次多項(xiàng)式擬合的結(jié)果對(duì)已知高程點(diǎn)進(jìn)行了測(cè)量結(jié)果比對(duì)，選取檢查比對(duì)的高程控制點(diǎn)均勻分布在測(cè)區(qū)具有代表性的部位，比對(duì)結(jié)果如下表：

RTK測(cè)量擬合高程與水準(zhǔn)高對(duì)比表""""""""" 單位：m

點(diǎn)號(hào)

RTK擬合高

四等水準(zhǔn)高

差距

H7

13.1055

13.106

-0.0005

T20

13.987

13.987

0.0000

T36

14.0822

14.081

0.0012

ZI1

13.820

13.821

-0.0010

ZI22

13.147

13.149

-0.0020

ZI24

12.615

12.626

-0.0110

經(jīng)過以上擬合及檢核對(duì)比，我們認(rèn)為，在本次高程控制測(cè)量中，RTK擬合高程可以達(dá)到圖根水準(zhǔn)精度，在部分測(cè)區(qū)基本可以達(dá)到四等水準(zhǔn)精度。

水利工程測(cè)量大多需測(cè)量河道的縱橫斷面圖，特別在嶺南地區(qū)，因?yàn)橛晁浞?，植被覆蓋較豐富，河道水系發(fā)達(dá)，引測(cè)傳統(tǒng)水準(zhǔn)往往困難很大，鑒于工程實(shí)際情況，我們采用RTK高程擬合的方法，收到了較好的效果，大大節(jié)約了人力物力。例如：沿20km河道布置的每50米一條斷面的樁高，要測(cè)量400個(gè)樁位高程。以往我們引測(cè)四等水準(zhǔn)或三角高程，4個(gè)測(cè)量員配上一臺(tái)儀器大約需要5天時(shí)間，而利用RTK擬合高程測(cè)量，只需2個(gè)人配上一臺(tái)儀器2天即可輕松完成。

特別是隨著RTK網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，距離限制得到了解放，只要有信號(hào)的地方即可測(cè)量，我們可以同時(shí)分多臺(tái)儀器作業(yè)。當(dāng)然任何新技術(shù)的發(fā)展都有其過程，GPS的發(fā)展也不例外，由于受到信號(hào)的影響較大，衛(wèi)星信號(hào)和CORS基準(zhǔn)站信號(hào)隨時(shí)都可能導(dǎo)致測(cè)量中斷。故而，我們必須做好應(yīng)對(duì)各種制約條件的準(zhǔn)備。例如：測(cè)量人員要準(zhǔn)備一臺(tái)基準(zhǔn)站帶入工地隨時(shí)備用，一旦CORS基準(zhǔn)站由于維修或電力故障無法工作時(shí)，我們可以自設(shè)基準(zhǔn)站（1+n）模式進(jìn)行作業(yè)。在衛(wèi)星信號(hào)收到嚴(yán)重干擾，不便利用GPS作業(yè)時(shí)，為保證測(cè)繪工期，我們可以利用傳統(tǒng)水準(zhǔn)暫時(shí)彌補(bǔ)由于人力無法控制條件帶來的工期拖延。

4、水利工程GPS擬合高程的體會(huì)及幾點(diǎn)建議

水利工程往往相對(duì)偏遠(yuǎn)，作業(yè)條件艱苦。能夠利用先進(jìn)技術(shù)替代傳統(tǒng)技術(shù)，不僅節(jié)約了人力物力，也讓繁重的測(cè)量工作得到了有效減輕。同時(shí)，我們也要保證測(cè)量精度能夠滿足使用各方的需求。這就要求測(cè)量人員做到多檢查、多校核、反復(fù)對(duì)比。

進(jìn)過近幾年我單位幾十項(xiàng)同類工程測(cè)量的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，在高程擬合中，發(fā)現(xiàn)了一些問題。在解決問題的同時(shí)，總結(jié)如下經(jīng)驗(yàn)，先羅列出來與測(cè)繪同仁共同探討。

1、在部分測(cè)區(qū)，可能存在CORS信號(hào)的盲區(qū)或信號(hào)不連續(xù)區(qū)域，我們要做好自設(shè)基準(zhǔn)站的準(zhǔn)備。

2、對(duì)于水下RTK結(jié)合測(cè)深儀進(jìn)行測(cè)量時(shí)，橋底或者周圍由密集高大建筑區(qū)域難以達(dá)到效果，故而要求做好備用設(shè)備準(zhǔn)備。

3、RTK精度存在偶然性，要嚴(yán)格按執(zhí)行相應(yīng)規(guī)范，必須多對(duì)比，多檢查，以免造成損失。

4、在廣東，部分區(qū)域CORS信號(hào)往往上午比下午要好，中午較差，雖然搞不清造成該情況的原因，但這種情況在我們使用中的確存在。因此，應(yīng)盡量利用信號(hào)較好的時(shí)間段進(jìn)行測(cè)量。

以上為測(cè)量中總結(jié)的幾點(diǎn)體會(huì)，渴求得到測(cè)繪同仁的指正與批評(píng)。

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