GPS RTK測(cè)繪技術(shù)在市政勘測(cè)中的應(yīng)用

景清錕

[摘要]隨著全球定位系統(tǒng)（GPS）技術(shù)的快速發(fā)展，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)（RTK）測(cè)繪技術(shù)日趨成熟；本文將介紹RTK技術(shù)的基本原理，對(duì)RTK技術(shù)在市政勘測(cè)測(cè)繪中的應(yīng)用及局限性進(jìn)行探討。RTK技術(shù)測(cè)量時(shí)不要求點(diǎn)間通視，誤差不傳播、不累積，并且外業(yè)生產(chǎn)中能夠?qū)崟r(shí)得知定位結(jié)果和定位精度，而且RTK可以全天侯地連續(xù)觀測(cè)，與傳統(tǒng)測(cè)量相比大大提高生產(chǎn)效率，這使得其在測(cè)繪領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。但RTK技術(shù)也因?yàn)樾l(wèi)星信號(hào)、基準(zhǔn)站與流動(dòng)站之間的障礙物、多路徑誤差、電波干擾、信號(hào)反射等因素的限制，在一定程度上影響測(cè)繪成果。本文提出RTK測(cè)繪技術(shù)在市政勘測(cè)中的應(yīng)用，并通過生產(chǎn)實(shí)例進(jìn)行驗(yàn)證。

[關(guān)鍵詞]GPS RTK 測(cè)繪應(yīng)用

[中圖分類號(hào)]P228.4 [文獻(xiàn)碼] B [文章編號(hào)] 1000-405X（2015）-3-222-1

1前言

在工程測(cè)量中，控制點(diǎn)建立的常用方法主要有GPS測(cè)量、導(dǎo)線測(cè)量、三角測(cè)量等。其中GPS RTK測(cè)量方法由于具備選點(diǎn)靈活、觀測(cè)時(shí)間短、高精度、實(shí)時(shí)、快速、操作簡便等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用，GPS RTK自身根據(jù)工程控制網(wǎng)的大小來決定其布設(shè)控制點(diǎn)的范圍。本文將結(jié)合控制點(diǎn)布設(shè)方案應(yīng)遵循的精度、可靠性、效率和費(fèi)用原則，探討不同GPS測(cè)量方法的優(yōu)缺點(diǎn)，并通過生產(chǎn)實(shí)例進(jìn)行驗(yàn)證。為實(shí)際生產(chǎn)中，根據(jù)不同的項(xiàng)目特點(diǎn)，選擇最優(yōu)的GPS測(cè)量方法提供參考。

2 RTK基本原理

RTK（real-time kinematic）實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位系統(tǒng)，是集計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)字通訊技術(shù)、無線電技術(shù)和GPS測(cè)量定位技術(shù)為一體的組合系統(tǒng)，它能夠?qū)崟r(shí)獲得測(cè)站點(diǎn)在指定坐標(biāo)系中的三維定位結(jié)果。RTK實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位系統(tǒng)主要包括3個(gè)部分：①基準(zhǔn)站；②流動(dòng)站；③電臺(tái)（數(shù)據(jù)鏈）?；鶞?zhǔn)站接收機(jī)設(shè)在具有已知坐標(biāo)的參考點(diǎn)位上，連續(xù)接收所有可視GPS衛(wèi)星信號(hào)，并將測(cè)站坐標(biāo)、觀測(cè)值、衛(wèi)星跟蹤狀態(tài)及接收機(jī)工作狀態(tài)等通過電臺(tái)發(fā)送出去，流動(dòng)站接收機(jī)在跟蹤GPS衛(wèi)星信號(hào)的同時(shí)接收來自基準(zhǔn)站的數(shù)據(jù)，通過實(shí)時(shí)差分處理求解載波相位整周模糊度，并計(jì)算顯示用戶站的三維坐標(biāo)及精度。

3 GPS RTK在市政勘測(cè)中的應(yīng)用

市政勘測(cè)中的應(yīng)用

RTK測(cè)量具有高精度、高效率的優(yōu)點(diǎn)，在控制測(cè)量領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。實(shí)時(shí)GPS RTK測(cè)量在市政勘測(cè)中可以完成多種工作。

（1）繪制大比例尺地形圖。市政道路設(shè)計(jì)大多是在大比例尺（1：500）帶狀地形圖上進(jìn)行。用傳統(tǒng)方法測(cè)圖，首先建立控制網(wǎng)，布設(shè)圖根，然后進(jìn)行碎部測(cè)量，繪制成大比例尺地形圖。其工作量大，速度慢，花費(fèi)時(shí)間長。用實(shí)時(shí)GPS RTK動(dòng)態(tài)測(cè)量，在范圍內(nèi)每個(gè)碎部點(diǎn)僅需幾秒，即可獲得坐標(biāo)，之后編輯輸入的點(diǎn)特征編碼及屬性信息，組成碎部點(diǎn)原始數(shù)據(jù)，在室內(nèi)利用繪圖軟件進(jìn)行內(nèi)業(yè)成圖。GPS RTK不但只需要采集碎部點(diǎn)的坐標(biāo)及點(diǎn)位屬性，而且采集速度快，大大降低了測(cè)圖的時(shí)間，效率倍增。在GPS靜態(tài)測(cè)量中，不同坐標(biāo)系的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換是在數(shù)據(jù)后處理時(shí)進(jìn)行的。而對(duì)于RTK測(cè)量，要求實(shí)時(shí)得出待測(cè)點(diǎn)在實(shí)用坐標(biāo)系80西安坐標(biāo)系、54北京坐標(biāo)系或地方獨(dú)立坐標(biāo)系等中的坐標(biāo)，因此，坐標(biāo)轉(zhuǎn)換問題就顯得尤為重要。坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)求取方法有兩種：一種是使用已有的靜態(tài)數(shù)據(jù)，求出轉(zhuǎn)換參數(shù)；另一種是現(xiàn)場(chǎng)采集，通過鍵入一定數(shù)量（要求3點(diǎn)以上）控制點(diǎn)的地方坐標(biāo)，然后利用后處理軟件或GPS控制器內(nèi)置的實(shí)時(shí)處理軟件求解坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)。當(dāng)然，轉(zhuǎn)換參數(shù)的準(zhǔn)確性與控制點(diǎn)的數(shù)量及控制點(diǎn)的分布圖形有關(guān)，在求解坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)時(shí)，應(yīng)采取不同基準(zhǔn)點(diǎn)的匹配方案，用不同的計(jì)算方法求得坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)，比較后選擇殘差較小、精度較高的一組參數(shù)使用。坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)是有區(qū)域性的，因此，在一個(gè)測(cè)區(qū)求解的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)不能直接應(yīng)用到其它測(cè)區(qū)。

（2）工程控制點(diǎn)測(cè)量。由于是屬于市政一般道路工程，可采用GPS RTK實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量，即可滿足要求。這種方法在測(cè)量過程中能夠?qū)崟r(shí)獲得定位精度，即可停止觀測(cè)，大大提高了作業(yè)效率。由于RTK控制點(diǎn)之間不要求必須通視，使的野外控制點(diǎn)測(cè)量更簡單方便。由于GPS—RTK定位的數(shù)據(jù)處理過程屬于計(jì)算基準(zhǔn)站和移動(dòng)站之間基線向量（坐標(biāo)差）的過程，不存在網(wǎng)平差處理，所以精度平定跟靜態(tài)測(cè)量基線處理的精度評(píng)定相似。一般使用指標(biāo)為：①載波相位的整周模糊度是否固定，GPS—RTK測(cè)量儀器的標(biāo)稱范圍，一般規(guī)定移動(dòng)站距基準(zhǔn)站的距離不能超過15 km，因?yàn)樵?5 km之內(nèi)RTK數(shù)據(jù)處理的載波相位整周模糊度能夠得到固定解，這樣定位精度才能達(dá)到厘米級(jí)；②均方根（RMS）。RMS在這里表示RTK定位點(diǎn)的觀測(cè)值精度，是包括約70%的定位數(shù)據(jù)的誤差圓半徑，根據(jù)實(shí)際情況，在城市測(cè)量實(shí)際作業(yè)中，一般把基準(zhǔn)站與移動(dòng)站的距離控制在6 km之內(nèi)。只有點(diǎn)位觀測(cè)值精度達(dá)到要求時(shí)，載波相位的整周模糊度才能得到固定解，坐標(biāo)精度才能滿足精度要求。一般使用平面和高程兩種均方根：①平面均方根HRMS，表示平面坐標(biāo)的定位精度；②高程均方根VRMS，表示高程坐標(biāo)的定位精度。

（3）市政道路中線測(cè)設(shè)。設(shè)計(jì)人員在大比例尺帶狀地形圖上定線后，需將道路中線在實(shí)地標(biāo)定出來。采用實(shí)時(shí)GPS RTK測(cè)量，只需將中線樁點(diǎn)的坐標(biāo)導(dǎo)入GPS接收機(jī)（或手薄）中，系統(tǒng)就會(huì)定出放線的點(diǎn)位。由于每個(gè)中樁點(diǎn)位測(cè)量都是獨(dú)立完成，所以點(diǎn)位與點(diǎn)位之間不會(huì)產(chǎn)生累計(jì)誤差，只是各點(diǎn)位的精度不同而已。RTK基準(zhǔn)站設(shè)置需要考慮以下幾個(gè)方面的問題：首先要考慮基準(zhǔn)站周圍的環(huán)境，因?yàn)镚PS接受的衛(wèi)星信號(hào)經(jīng)過20 000 km的空間傳播，且有對(duì)流層、電離層、大氣折射、反射等干擾，到達(dá)接收機(jī)的信號(hào)已經(jīng)很微弱，通常只有50～180 dB。其電臺(tái)采用功率小（5 w）超高頻（UHF）電磁波，其頻率一般為450～470 MHz，波長很短，其傳輸?shù)木嚯x跟天線高、地球的曲率半徑和大氣折射有關(guān)。同時(shí)，為了減少多路徑效應(yīng)的影響，基準(zhǔn)站周圍應(yīng)無明顯的大面積的信號(hào)反射物（如大面積水域、高山及大型建筑等）；所以基準(zhǔn)站設(shè)置既要選擇避開高層建筑物和各種強(qiáng)電磁干擾源（如微波站、尋呼臺(tái)發(fā)射塔、變電站、高壓線、電視臺(tái)等），又要考慮讓發(fā)射電臺(tái)有一定的高度。對(duì)于高等級(jí)道路工程，布設(shè)的導(dǎo)線一般應(yīng)與附近的高級(jí)控制點(diǎn)進(jìn)行聯(lián)測(cè)，構(gòu)成附和導(dǎo)線?；蚶肎PS每隔5km左右設(shè)立2個(gè)GPS點(diǎn)，將路線導(dǎo)線點(diǎn)與GPS點(diǎn)聯(lián)測(cè)構(gòu)成附和導(dǎo)線。聯(lián)測(cè)一方面可以獲得必要的起始數(shù)據(jù)即起始坐標(biāo)和起始方位角，另一方面可對(duì)觀測(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行校核。過去如果高級(jí)控制點(diǎn)離測(cè)區(qū)較遠(yuǎn)，聯(lián)測(cè)工作就十分困難?，F(xiàn)使用全站儀，測(cè)距精度高，測(cè)程均可達(dá)到2km，聯(lián)測(cè)時(shí)可將導(dǎo)線延長直接與高級(jí)控制點(diǎn)連接，一般無須采用方向交會(huì)法。如沿線有國家三角點(diǎn)和水準(zhǔn)點(diǎn)，可與之聯(lián)測(cè)，增加校核。利用全站儀，高程控制可與平面控制同時(shí)進(jìn)行，也可按三角高程測(cè)量的方法單獨(dú)進(jìn)行，高程控制點(diǎn)一般不另埋設(shè)，而是由導(dǎo)線點(diǎn)或GPS點(diǎn)兼作水準(zhǔn)點(diǎn)。

（4）市政道路縱、橫斷面測(cè)量。道路中線確定后，利用中線樁點(diǎn)坐標(biāo)，通過繪圖軟件，即可繪制出線路縱斷面和個(gè)樁點(diǎn)的橫斷面。由于所用數(shù)據(jù)都是外業(yè)采集所繪制的地形圖，因此內(nèi)業(yè)處理斷面數(shù)據(jù)時(shí)，不在需要到現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量縱、橫斷面數(shù)據(jù)。若已有地形圖需要進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)斷面測(cè)量時(shí)，可采用實(shí)時(shí)GPS RTK測(cè)量縱、橫斷面數(shù)據(jù)。路線經(jīng)過水文地質(zhì)條件不良地段時(shí)，應(yīng)提高路基標(biāo)高以保證路基穩(wěn)定。當(dāng)受規(guī)劃控制標(biāo)高限制不能提高時(shí)，應(yīng)采取穩(wěn)定路基措施。舊路改建在舊路面上加鋪結(jié)構(gòu)層時(shí)，不得影響沿路范圍的排水。沿河道路應(yīng)根據(jù)路線位置確定路基標(biāo)高。位于河堤頂?shù)穆坊吘墤?yīng)高于河道防洪水位0.5m.當(dāng)岸邊設(shè)置擋水設(shè)施時(shí)，不受此限。位于河岸外側(cè)道路的標(biāo)高應(yīng)按一般道路考慮，符合規(guī)劃控制標(biāo)高要求，并應(yīng)根據(jù)情況解決地面水及河堤滲水對(duì)路基穩(wěn)定的影響。道路縱斷面設(shè)計(jì)要妥善處理地下管線覆土的要求。道路最小縱坡度應(yīng)大于或等于0.5%，困難時(shí)可大于或等于0.3%，遇特殊困難縱坡度小于0.3%時(shí)，應(yīng)設(shè)置鋸齒形偏溝或采取其他排水措施。山城道路應(yīng)控制平均縱坡度。越嶺路段的相對(duì)高差為200～500m時(shí)，平均縱坡度宜采用4.5%；相對(duì)高差大于500m時(shí)，宜采用4%，任意連續(xù)3000m長度范圍內(nèi)的平均縱坡度不宜大于4.5%。

（5）河涌、魚塘測(cè)量。實(shí)時(shí)GPS RTK測(cè)量能夠在幾秒鐘固定解后，完成河涌、魚塘底部高程測(cè)量，很方便、快捷、精度可達(dá)厘米級(jí)。控制測(cè)量作業(yè)：第一步，要將被測(cè)區(qū)的不同參照坐標(biāo)系坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)輸入到基準(zhǔn)點(diǎn)GPS接收機(jī)的軟件后臺(tái)系統(tǒng)中；第二步，打開基準(zhǔn)點(diǎn)的GPS接收機(jī)，并輸入基準(zhǔn)點(diǎn)的地方坐標(biāo)和天線高，由軟件后臺(tái)系統(tǒng)將地方坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為WGS-84坐標(biāo)；第三步，基準(zhǔn)站的GPS接收機(jī)連續(xù)接收可見GPS衛(wèi)星信息，并實(shí)時(shí)送出觀測(cè)值、測(cè)站坐標(biāo)、衛(wèi)星跟蹤狀態(tài)以及接收機(jī)工作狀態(tài)等數(shù)據(jù)；第四步，流動(dòng)站的GPS接收機(jī)將自身接收的GPS衛(wèi)星信息與接收到的基準(zhǔn)站接收信息進(jìn)行處理，獲得流動(dòng)站位置的WGS-84坐標(biāo)，然后再由軟件后臺(tái)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換得到西安80坐標(biāo)或地方坐標(biāo)，并實(shí)時(shí)顯示出來。地形測(cè)量作業(yè)：由于受到視距的限制，在利用全站儀采集數(shù)據(jù)之前，需要在被測(cè)區(qū)內(nèi)建立圖根控制點(diǎn)，且要求碎部點(diǎn)能夠與測(cè)站點(diǎn)之間相互通視?？紤]到測(cè)區(qū)通視情況較差，本次地形測(cè)量采取GPS RTK數(shù)字化地形測(cè)量技術(shù)，在測(cè)量設(shè)備完成初始化后，單點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集時(shí)間為1～2s，幾乎可以忽略不計(jì)。隨后再利用專業(yè)軟件對(duì)所采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，即可編輯得到所需要的1：500地形圖。

3.1RTK作業(yè)優(yōu)缺點(diǎn)

相比傳統(tǒng)測(cè)量技術(shù)，常規(guī)RTK技術(shù)存在以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）觀測(cè)時(shí)間短，有效提高了工作效率，縮短野外工作時(shí)間，大大減少了工作強(qiáng)度。

（2）定位精度高。只要滿足RTK的基本工作條件，電臺(tái)的作業(yè)半徑范圍如下圖：（3.7.1）；網(wǎng)絡(luò)RTK在測(cè)區(qū)范圍內(nèi)不受距離控制。RTK的平面精度和高程精度能達(dá)到厘米級(jí)，這是常規(guī)測(cè)量方法較難達(dá)到的精度。

（3）全天侯作業(yè)。RTK測(cè)量不要求基準(zhǔn)站、流動(dòng)站光學(xué)通視，只要求滿足“電磁波”通視即可，所以與傳統(tǒng)測(cè)量相比，RTK測(cè)量受通視、能見度、氣候、季節(jié)等因素的影響和限制小，在傳統(tǒng)測(cè)量難于開展的地區(qū)，只要滿足RTK的測(cè)量工作條件即可。它能夠?qū)崟r(shí)快速高精度定位，有利于按時(shí)、高效率地完成測(cè)量任務(wù)。

（4）RTK實(shí)時(shí)測(cè)量自動(dòng)化程度高、數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)。實(shí)時(shí)RTK能夠完成測(cè)量外業(yè)多種方面任務(wù)；流動(dòng)站利用自帶軟件，能夠自動(dòng)處理多種測(cè)繪任務(wù)，減少輔助測(cè)量工作和人為誤差，保障作業(yè)精度。

常規(guī)RTK技術(shù)本身也存在一定的局限性，使得其在應(yīng)用中受到限制，主要表現(xiàn)為：

①用戶需要架設(shè)本地發(fā)基準(zhǔn)站；

②誤差隨距離增長，可靠性和可行性隨距離加大而精度降低；

③誤差橢圓增長使流動(dòng)站與基準(zhǔn)站距離受到限制。

4結(jié)束語

綜上所述實(shí)時(shí)GPS RTK技術(shù)在市政勘測(cè)中應(yīng)用，首先要確定運(yùn)用哪種校正法，進(jìn)行校正；然后實(shí)時(shí)GPS RTK測(cè)量時(shí)運(yùn)用網(wǎng)絡(luò)撥號(hào)、電臺(tái)（數(shù)據(jù)鏈），都有一定的局限性；所以在進(jìn)行測(cè)區(qū)撥號(hào)最好先選擇網(wǎng)絡(luò)撥號(hào)進(jìn)行校正及控制點(diǎn)檢查，之后實(shí)時(shí)RTK測(cè)量時(shí)在換作電臺(tái)（數(shù)據(jù)鏈），這樣取長補(bǔ)短效率更高，進(jìn)度更有保障。實(shí)時(shí)RTK測(cè)量已為測(cè)量行業(yè)普遍接受，并得到廣泛應(yīng)用。不斷嘗試新技術(shù)的方法，提高RTK外業(yè)觀測(cè)精度，擴(kuò)展RTK的應(yīng)用領(lǐng)域，是測(cè)量工作者一直努力的目標(biāo)。利用其優(yōu)勢(shì)提高工作效率，為社會(huì)創(chuàng)造更高的經(jīng)濟(jì)效益。

參考文獻(xiàn)

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