GPS-RTK技術(shù)在公路地形圖測繪中的應(yīng)用

梁家明，劉 凡

(中國水利水電第五工程局有限公司第五分局，成都，6100661)

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GPS-RTK技術(shù)在公路地形圖測繪中的應(yīng)用

梁家明，劉 凡

(中國水利水電第五工程局有限公司第五分局，成都，6100661)

介紹RTK測圖的作業(yè)流程，簡要闡明它在公路地形測量中的應(yīng)用。結(jié)合國道321線納溪至瀘縣一級公路改建工程施工項目，利用實測數(shù)據(jù)成圖的過程，解決一些常見的問題，并給出解決的辦法及依據(jù)。同時，給出一些有益的結(jié)論，以適應(yīng)實際應(yīng)用的需要。

RTK技術(shù) 作業(yè)流程 地形測量

1 工程概況

國道321線納溪至瀘縣一級公路改建工程，位于四川省瀘州市龍馬潭區(qū)、瀘縣境內(nèi)，地理坐標(biāo)東經(jīng)105°21′48″～105°23′35″，北緯28°47′22″～29°11′27″。該公路改建工程起于龍馬潭區(qū)石洞鎮(zhèn)附近，與規(guī)劃的機場路相接，起點里程K1834+095.186m，向北沿原路布線經(jīng)雙加鎮(zhèn)，后穿玉蟾山、跨瀨溪河后在瀘縣福集水竹林村與國道321線相接，終點里程K1858+795.406m。線路全長24.9km，共有橋梁6座、隧道1座(分離式隧道)。

隨著測繪科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，利用GPS-RTK(以下簡稱RTK)技術(shù)進(jìn)行數(shù)字化測繪地形圖是一種行之有效的新方法，隨著GPS系統(tǒng)的不斷改進(jìn)，已經(jīng)達(dá)到了比較滿意的精度，可以滿足常規(guī)測量的要求。RTK定位技術(shù)在測量工作中應(yīng)用越來越廣泛，也越來越受到測量工作者的重視。結(jié)合國道321線納溪至瀘縣一級公路改建工程施工，采用RTK定位測量技術(shù)，即加快了測量工作，又減小了勞動強度。

2 RTK的基本原理

RTK技術(shù)是以載波相位觀測量為根據(jù)的動態(tài)實時差分(Real Time Kinematic)技術(shù)，其基本思想是在基準(zhǔn)站安置一臺GPS接收機，對所有可見GPS衛(wèi)星進(jìn)行連續(xù)的觀測，并將其觀測數(shù)據(jù)(偽距和載波相位觀測值)和測站坐標(biāo)信息(如基準(zhǔn)站坐標(biāo)和天線高度)通過無線電傳輸設(shè)備，實時地發(fā)送給用戶觀測站。用戶站在完成初始化后，一方面通過數(shù)據(jù)鏈接接收來自基準(zhǔn)站的數(shù)據(jù)，另外自身也采集GPS觀測數(shù)據(jù)，在系統(tǒng)內(nèi)組成差分觀測值進(jìn)行實時處理，再經(jīng)過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換和投影改正，即可給出實用的厘米級定位結(jié)果，實時計算并顯示用戶站三維坐標(biāo)。

RTK實時相對定位原理如圖1所示?；鶞?zhǔn)站把接收到的所有衛(wèi)星信息(包括偽距和載波相位觀測值)和基準(zhǔn)站的一些信息(如基站坐標(biāo)天線高等)都通過無線電通訊系統(tǒng)傳遞到流動站，流動站在接收衛(wèi)星數(shù)據(jù)的同時也接受基準(zhǔn)站傳遞的衛(wèi)星數(shù)據(jù)。在流動站完成初始化后，把接收到的基準(zhǔn)站信息傳送到控制器內(nèi)，并將基準(zhǔn)站的載波觀測信號與本身接收到的載波觀測信號進(jìn)行差分處理，即可實時求得未知點的坐標(biāo)。數(shù)據(jù)流程如圖2所示。

圖1 RTK實時相對定位示意

圖2 RTK數(shù)據(jù)流程

3 應(yīng)用GPS-RTK技術(shù)測繪公路地形圖

3.1 建立測區(qū)平面控制網(wǎng)

根據(jù)測區(qū)范圍，用GPS靜態(tài)測量方法建立測區(qū)控制網(wǎng)，選用I08-2、I09-1、I17-1、I025、I025-1、I032作為起算坐標(biāo)，沿國道321線改線工程設(shè)計線路左右兩側(cè)布設(shè)29個加密控制點，相鄰點間距500m左右，并與國家點聯(lián)測，求出各控制點平

面坐標(biāo)，同時需考慮投影變形。公路工程在縱向有時可達(dá)到幾百km，在橫向上卻一般只有幾十m，跨越范圍廣，線路走向、地形情況千差萬別，長度變形各不相同，因此必須采取相應(yīng)的措施消弱長度變形。

3.2 高程控制測量

GPS測得的大地高屬于WGS-84系統(tǒng)，因此必須采用高程擬合方法來求得正常高。而高程擬合的精度高低取決于參與擬合的水準(zhǔn)點的個數(shù)及分布的均勻程度。

3.3 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)的確定

由于所在區(qū)域地理環(huán)境的特殊性,采用常規(guī)測量方法很難在短時間內(nèi)完成如此大工作量的測量工作,因此采用了先進(jìn)的GPS-RTK技術(shù)。使用的儀器為南方靈銳S86型GPS雙頻接收機,利用各個控制點的大地經(jīng)緯度和測算的當(dāng)?shù)刈鴺?biāo),在內(nèi)業(yè)中計算得到坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù),直接將參數(shù)輸入測量控制器。實踐證明,這種方法計算得到的參數(shù)準(zhǔn)確、浪費時間較少。得到參數(shù)后,在現(xiàn)場核查測量控制點。將GPS靜態(tài)觀測成果與RTK觀測成果進(jìn)行對比(對比結(jié)果如表1)。從表1可知,RTK定位成果能滿足公路工程中地形圖測量工作的精度要求。

表1 RTK定位結(jié)果與靜態(tài)定位結(jié)果比較

3.4 選擇作業(yè)時段

根據(jù)衛(wèi)星可見預(yù)報和天氣預(yù)報選擇最佳觀測時段，衛(wèi)星的幾何分越好，定位精度就越高，根據(jù)預(yù)測結(jié)果合理安排工作計劃。

3.5 外業(yè)數(shù)據(jù)采集

對于開闊的地段(主要是田野、公路、河流、溝、渠、塘等)，直接采用RTK進(jìn)行全數(shù)字野外數(shù)據(jù)采集,實地繪制地形草圖；對于樹木較多或房屋密集的村莊等，采用RTK給定圖根點位，利用全站儀采集地形地物等特征點，實地繪制草圖。

RTK作業(yè)的具體操作：(1)采用RTK技術(shù)進(jìn)行碎部點采集，所采集的數(shù)據(jù)為當(dāng)?shù)仄矫孀鴺?biāo)；(2)應(yīng)用RTK采集碎部點時，遇到一些對衛(wèi)星信號有遮蔽的地帶，可采用RTK給出圖根點的點位坐標(biāo)，然后采用全站儀測碎部點坐標(biāo)。

3.6 RTK成果的質(zhì)量檢驗

為了檢驗RTK圖根點實際精度，RTK測量結(jié)束后，應(yīng)用徠卡全站儀實地檢查部分通視圖根點間的相對位置關(guān)系。檢查工作共布設(shè)了兩條附合導(dǎo)線，導(dǎo)線起算點為已知GPS點，共聯(lián)測檢查了20個圖根點。根據(jù)導(dǎo)線測量成果與RTK結(jié)果的較差，可算出圖根點相對于相鄰點點位中誤差和高程中誤差；根據(jù)數(shù)據(jù)可算出圖根點點位中誤差mp=±3.5cm，高程中誤差mh=±8.5cm，分別小于預(yù)設(shè)精度±10cm，完全符合圖根控制和碎部點精度要求。

3.7 內(nèi)業(yè)成圖

將野外采集的坐標(biāo)數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)傳輸線傳輸?shù)接嬎銠C，根據(jù)實地繪制的草圖，在計算機上利用CASS7.0成圖軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，繪制地形圖。

4 影響RTK成果精度的因素

雖然GPS技術(shù)有著常規(guī)儀器所不能比擬的優(yōu)點，但經(jīng)過工程實踐證明，GPS-RTK技術(shù)存在以下幾方面不足。

4.1 受衛(wèi)星狀況限制

GPS系統(tǒng)總體設(shè)計方案是在1973年完成的，受當(dāng)時技術(shù)限制，總體設(shè)計方案自身存在著很多不足。隨著時間推移和用戶要求的日益提高，GPS衛(wèi)星的空間組成和衛(wèi)星信號強度都不能滿足當(dāng)前所需，當(dāng)衛(wèi)星系統(tǒng)位置對美國是最佳的時候，世界上有些國家在某一確定的時間段仍然不能很好地被衛(wèi)星覆蓋。例如，在中、低緯度地區(qū)，每天總有兩次盲區(qū)，每次20min～30min，盲區(qū)時衛(wèi)星幾何圖形結(jié)構(gòu)強度低，RTK測量很難得到固定解。同時，由于信號強度較弱，對空遮擋比較嚴(yán)重的地方，GPS無法正常應(yīng)用。

4.2 受電離層影響

白天中午，受電離層的干擾較大，共用衛(wèi)星數(shù)少，因而初始化時間長甚至不能初始化，也就無法進(jìn)行常規(guī)測量。根據(jù)我們的實際經(jīng)驗，每天中午12時～13時，在RTK測量中很難得到固定解。

4.3 受數(shù)據(jù)鏈電臺傳輸距離影響

數(shù)據(jù)鏈電臺信號在傳輸過程中容易受到外界環(huán)境影響，如受高大的山峰、建筑物和各種高頻信號源的干擾，在傳輸過程中衰退嚴(yán)重，嚴(yán)重影響外業(yè)精度和作業(yè)半徑。另外，當(dāng)RTK作業(yè)半徑超過一定的距離時，測量結(jié)果誤差超限。所以，RTK的實際作業(yè)有效半徑比其標(biāo)稱半徑要小，工程實踐和專門研究都證明了這一點。

4.4 受對空通視環(huán)境影響

在山區(qū)、林區(qū)、城鎮(zhèn)密樓區(qū)等地進(jìn)行作業(yè)時，GPS衛(wèi)星信號被阻擋機會很多，信號強度較低，衛(wèi)星空間的結(jié)構(gòu)差，容易造成失鎖，重新初始化困難甚至無法完成，影響正常作業(yè)。

4.5 受高程異常問題影響

RTK作業(yè)模式要求高程轉(zhuǎn)換必須精確，但我國現(xiàn)有的高程異常分布圖在有些地區(qū)，尤其是山區(qū)，存在著很大的誤差，甚至在有些地區(qū)還是空白。這就使得將GPS大地高程轉(zhuǎn)換至海拔高程的工作變得比較困難，精度也很難均勻，影響RTK的高程測量精度。

4.6 不能達(dá)到100%的可靠度

RTK確定整周模糊度的可靠性為95%～99%，在穩(wěn)定性方面不如全站儀。這是由于RTK較容易受衛(wèi)星狀況、天氣狀況、數(shù)據(jù)鏈傳輸狀況影響的緣故。

綜上,影響RTK成果精度的因素除上述因素外,還有受基線解算精度、基準(zhǔn)站點位精度、坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換精度的影響,但是在RTK作業(yè)中,基線解算精度可以達(dá)到10cm+1μmD;基準(zhǔn)站點位精度平均在3cm之內(nèi)；坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換精度,對于10km基線亦在3cm以內(nèi)。動態(tài)作業(yè)由于測距偏心,天線高誤差等,一般也在3cm以內(nèi)。至于正常高擬合與內(nèi)插精度，取決于連測點數(shù)目與分布、擬合模型等,一般在5cm～10cm內(nèi)是能夠做到的。

5 結(jié)語

實踐證明，GPS-RTK測圖的方法比傳統(tǒng)的方法優(yōu)越，圖根點點位誤差不積累、不傳播，減少了人為的干預(yù)，自動化程度較高，在很大程度上避免了人為誤差，精度得到了提高，其測量精度完全滿足地形測量的要求，用這種方法可方便、高效、可靠地完成普通地形測量工作，具有常規(guī)測量儀器無法比擬的優(yōu)點。但是由于受衛(wèi)星信號、接收機狀態(tài)、測站周圍環(huán)境及儀器操作的影響，RTK定位有時會失真，其成果不可能100%可靠。因此，在作業(yè)中，要根據(jù)RTK技術(shù)的特點及測區(qū)狀況，采取有效措施，嚴(yán)格按操作規(guī)程作業(yè)，并加強成果的復(fù)核，以確保RTK測量成果的精確性和可靠性。

〔1〕劉基余.GPS衛(wèi)星導(dǎo)航定位原理與方法.北京：科學(xué)出版社，2003.8.

〔2〕劉大杰，施一民，過 靜.全球定位系統(tǒng)(GPS)的原理與數(shù)據(jù)處理[M].上海：同濟大學(xué)出版社，1996.

〔3〕李天文.GPS原理及應(yīng)用[M].北京：科學(xué)出版社，2003.

〔4〕王 強，徐 劍，全站儀與GPS共同作業(yè)方法討論[J].現(xiàn)代測繪，2009.

梁家明(1984.10-)，男，河南周口人，助理工程師，學(xué)士，從事水利水電工程施工技術(shù)與管理工作；

劉 凡(1986.1-)，男，甘肅定西人，助理工程師，本科，從事水利水電工程施工管理工作。

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U412.241：P228.4

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2095-1809(2015)03-0059-03