淺談GPS—RTK測量技術(shù)在公路工程中的運(yùn)用

賈勇杰++裘松立

DOI：10.16661/j.cnki.1672-3791.2017.22.068

摘 要：GPS-RTK測量技術(shù)在公路工程中應(yīng)用具有很大的優(yōu)勢，其具有精度高、效率高、測量便捷等優(yōu)點(diǎn)。通過高速公路項(xiàng)目建設(shè)測量中的應(yīng)用實(shí)例，介紹GPS-RTK測量過程和注意事項(xiàng)，供應(yīng)用參考。

關(guān)鍵詞：GPS-RTK 公路工程 實(shí)時動態(tài)測量 存在問題 措施

中圖分類號：P228 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2017）08（a）-0068-03

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，公路工程測量技術(shù)從經(jīng)緯儀測量技術(shù)→全站儀測量技術(shù)→GPS→GPS-RTK發(fā)展。實(shí)時動態(tài)測量（GPS-RTK）技術(shù)是GPS測量技術(shù)與數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)的結(jié)合，是建立在載波相位觀測值基礎(chǔ)上的實(shí)時動態(tài)定位技術(shù)，是GPS測量技術(shù)的一個新的突破。該文介紹GPS-RTK測量技術(shù)在浙江省寧海縣某高速公路項(xiàng)目建設(shè)測量中的應(yīng)用，該方法具有測量精度高、速度快、效益好等優(yōu)點(diǎn)，能快速完成公路測區(qū)高精度控制，為控制網(wǎng)靜態(tài)測量及線位、橋位等動態(tài)測量提供可靠的數(shù)據(jù)。

1 GPS測量系統(tǒng)的選擇

在項(xiàng)目前期就開始策劃GPS測量系統(tǒng)的建設(shè)，項(xiàng)目部對多種GPS設(shè)備進(jìn)行比較，以精度高、實(shí)用性強(qiáng)為原則，根據(jù)項(xiàng)目線路長、結(jié)構(gòu)多、工程復(fù)雜的特點(diǎn)，選擇3臺GPS接收機(jī)+2個Hi-RTK手簿，組成1+2通訊模式。Hi-RTK軟件是一款基于道路施工測量的多功能手簿軟件，集實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)和GPS作業(yè)優(yōu)勢于一體，具有中英文界面實(shí)時切換功能、內(nèi)置各國常用橢球參數(shù)、轉(zhuǎn)換基準(zhǔn)、投影方式多（包括了高斯投影、UTM投影、蘭勃托投影、墨卡托投影等世界常用）、基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換方面（提供三參數(shù)轉(zhuǎn)換、平面四參數(shù)轉(zhuǎn)換、七參數(shù)轉(zhuǎn)換、一步法、點(diǎn)校驗(yàn)等多種實(shí)用轉(zhuǎn)換方法，支持Trimble和泰雷茲格式）和高程擬合方面（提供支持天寶、泰雷茲的格網(wǎng)、高程異常改正）。

2 GPS測量技術(shù)的應(yīng)用

2.1 平面控制網(wǎng)GPS靜態(tài)測量

平面控制網(wǎng)靜態(tài)測量是利用3臺GPS接收機(jī)對控制點(diǎn)進(jìn)行定位測量，在平面控制網(wǎng)靜態(tài)測量中利用GPS天線在靜止?fàn)顟B(tài)下對衛(wèi)星信號的連續(xù)跟蹤觀測進(jìn)行定位，通過接收到的衛(wèi)星數(shù)據(jù)的變化來解算基線，利用已知點(diǎn)坐標(biāo)算出其余加密控制點(diǎn)坐標(biāo)。

項(xiàng)目部根據(jù)設(shè)計(jì)提供的控制點(diǎn)，按照施工現(xiàn)場測量放樣的需求對控制點(diǎn)進(jìn)行加密，加密控制點(diǎn)布點(diǎn)沿路線一左一右交叉布置，位置應(yīng)該選擇在視野開闊、基礎(chǔ)穩(wěn)定的地方。

平面控制網(wǎng)復(fù)測的等級根據(jù)工程項(xiàng)目中的結(jié)構(gòu)物等級來確定，如橋梁、隧道的等級。確定好GPS網(wǎng)等級后對GPS接收機(jī)工作模式進(jìn)行設(shè)置，模式為靜態(tài)模式。平面控制網(wǎng)分內(nèi)業(yè)和外業(yè)進(jìn)行。

GPS靜態(tài)測量內(nèi)業(yè)如下。

（1）內(nèi)業(yè)準(zhǔn)備。根據(jù)所有的控制點(diǎn)在CAD中畫出三角網(wǎng)示意圖（圖1），并標(biāo)上點(diǎn)名，相鄰兩個三角網(wǎng)的公共邊保持儀器相同。

（2）數(shù)據(jù)下載。整個平面控制網(wǎng)結(jié)束后進(jìn)行U盤式數(shù)據(jù)下載，利用數(shù)據(jù)線連接電腦USB接口對數(shù)據(jù)GNSS文件直接下載。

（3）數(shù)據(jù)處理（圖2）。運(yùn)行HG0數(shù)據(jù)處理軟件，新建項(xiàng)目并設(shè)置控制網(wǎng)等級和坐標(biāo)系統(tǒng)；導(dǎo)入數(shù)據(jù)，修改每個觀測文件的天線高等基本數(shù)據(jù)；處理全部基線，刪除和屏蔽不好的衛(wèi)星或部分觀測數(shù)據(jù)；檢查重復(fù)基線、基線閉合差、同步環(huán)是否合格；設(shè)置平差參數(shù)、已知點(diǎn)坐標(biāo)和高程進(jìn)行平差；導(dǎo)出成果報(bào)告。

在數(shù)據(jù)處理前，需要對控制網(wǎng)設(shè)置坐標(biāo)系統(tǒng)，設(shè)置內(nèi)容包括橢球、投影等內(nèi)容，在設(shè)置時尤其是中央經(jīng)線，一定要設(shè)置正確，否則將影響平差。

這個殘差圖顯示，G31衛(wèi)星的質(zhì)量不太穩(wěn)定，刪除部分?jǐn)?shù)據(jù)。

外業(yè)靜態(tài)測量如下。

第一步：根據(jù)三角網(wǎng)示意圖對應(yīng)的儀器型號在控制點(diǎn)上架設(shè)儀器，對點(diǎn)器嚴(yán)格對中、整平。根據(jù)繪制的局部平面控制網(wǎng)的三角網(wǎng)圖，靜態(tài)測量控制點(diǎn)對應(yīng)的儀器如表1所示。第二步：利用卷尺量取儀器高3次，儀器高為控制點(diǎn)到儀器設(shè)定的刻度線距離，各次間差值不超過3 mm，取平均數(shù)作為最后的儀器高。第三步：3臺GPS架設(shè)完成后同時開機(jī)，并分別記錄點(diǎn)名、儀器型號、儀器高、開始觀測時間。第四步：GPS接收數(shù)據(jù)狀態(tài)，多臺接收機(jī)同時開機(jī)進(jìn)行衛(wèi)星數(shù)據(jù)記錄工作，每個測站進(jìn)行1～1.5 h，在這個過程中，測量人員需要定時對儀器狀態(tài)、氣泡等進(jìn)行檢查。第五步：一站觀測完成后同時關(guān)機(jī)，并記錄關(guān)機(jī)時間。第六步：觀測完成后，對記錄的數(shù)據(jù)進(jìn)行檢查，保證數(shù)據(jù)的完整性。

2.2 GPS-RTK測量系統(tǒng)1+2通訊模式

隨著GPS-RTK測量技術(shù)的不斷發(fā)展，其功能也越來越強(qiáng)大，備受廣大測繪人員的青睞，1+2通訊模式，即1臺基準(zhǔn)站+2臺移動臺，利用同一臺基準(zhǔn)站發(fā)射信號，2臺移動臺可同時進(jìn)行野外測量工作，可為前期繁重的測量任務(wù)減少壓力和測量時間。利用GPRS-3G功能開通中國移動GPRS業(yè)務(wù)，直接采用手機(jī)卡插在GPS接收機(jī)上使用，與電臺相比，3G網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸有更優(yōu)的網(wǎng)絡(luò)體驗(yàn)。Hi-RTK手簿利用藍(lán)牙與GPS接收機(jī)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)連接，輕松實(shí)現(xiàn)無視遠(yuǎn)程操作的iRTK主機(jī)。

由于在公路工程中線路長的特點(diǎn)，為提高參數(shù)計(jì)算結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)確性，在測取控制點(diǎn)坐標(biāo)時，可以選擇起點(diǎn)2個控制點(diǎn)、終點(diǎn)2個控制點(diǎn)、線路中間若干個控制點(diǎn)進(jìn)行參數(shù)計(jì)算。

在設(shè)置基準(zhǔn)站時，場地選擇在項(xiàng)目部內(nèi)開闊地選取一個點(diǎn)作為永久的基準(zhǔn)站點(diǎn)進(jìn)行設(shè)置。然后進(jìn)行參數(shù)轉(zhuǎn)換計(jì)算，具體步驟如下。

第一步：選取基準(zhǔn)站站點(diǎn)，用混凝土埋設(shè)十字測釘。第二步：設(shè)置儀器工作模式，GPS儀器1882設(shè)置為基準(zhǔn)站模式，架設(shè)儀器，對中整平。第三步：手簿連接基準(zhǔn)站，設(shè)置坐標(biāo)系統(tǒng)、中央子午線、網(wǎng)絡(luò)、服務(wù)器等參數(shù)，設(shè)置好后退出。第四步：手簿連接移動臺1961，設(shè)置坐標(biāo)系統(tǒng)、中央子午線、網(wǎng)絡(luò)、服務(wù)器等參數(shù)。參數(shù)與上一步相同。第五步：移動臺野外測取控制點(diǎn)坐標(biāo)（原點(diǎn)），該次參數(shù)計(jì)算利用6個控制點(diǎn)，分別為A109、A12、J2、A28、A45、HTM2。測取的坐標(biāo)保存至記錄點(diǎn)庫。第六步：進(jìn)行參數(shù)計(jì)算，將測量的控制點(diǎn)坐標(biāo)（原點(diǎn)）與目標(biāo)控制點(diǎn)坐標(biāo)（目標(biāo)點(diǎn)）一一對應(yīng)，然后進(jìn)行參數(shù)計(jì)算，查看復(fù)核計(jì)算結(jié)果，將計(jì)算結(jié)果保存。具體參數(shù)計(jì)算如表2所示。第七步：現(xiàn)場放樣測試，對A15控制點(diǎn)進(jìn)行放樣，在手簿中輸入控制點(diǎn)A21的坐標(biāo)，放樣結(jié)果準(zhǔn)確。endprint

根據(jù)以上步驟設(shè)計(jì)儀器1853移動臺，GPS-RTK測量系統(tǒng)1+2模式設(shè)置完成（圖3）。

參數(shù)計(jì)算完成后，便可以在施工中進(jìn)行測量放樣。

施工放樣中，只需選擇測量程序中的點(diǎn)放樣，輸入放樣坐標(biāo)X、Y便可，根據(jù)手簿中顯示的方向和距離移動至點(diǎn)位。

如圖4手簿中所示，放樣點(diǎn)Pt15需要向南移動20.993 3 m，向西移動30.581 8 m，直觀簡單的導(dǎo)航式指導(dǎo)放樣。

現(xiàn)場在對某橋左幅Z22-0#樁基護(hù)筒定位放樣中采用GPS-RTK測量技術(shù)，具體放樣步驟如下：第一步：在項(xiàng)目部中加好基準(zhǔn)站，手簿連接基準(zhǔn)站1882和移動臺1961。第二步：控制網(wǎng)點(diǎn)校驗(yàn)，對控制點(diǎn)A14進(jìn)行點(diǎn)校驗(yàn)，確保放樣結(jié)果準(zhǔn)確無誤。第三步：在手簿中選擇程序測量-點(diǎn)放樣，輸入樁基Z22-0#的中心坐標(biāo)，X=3 238 852.070，Y=522 388.254，點(diǎn)擊確定。第四步：根據(jù)手簿中顯示屏左下方的放樣指示顯示向南12.854 3、向西5.112 4。將移動臺向南、向西大致移動到放樣點(diǎn)位置后顯示向南0.214 5、向西0.5214。第五步：精確定位，根據(jù)手簿中顯示屏左下方的放樣指示顯示向南0.214 5、向西0.521 4移動后，利用固定架將移動臺氣泡嚴(yán)格居中，再根據(jù)放樣指示進(jìn)行微移動，最后放樣指示為向南0.003、向東0.002。該偏差滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求。

該次放樣任務(wù)完成。

3 GPS-RTK測量技術(shù)在公路工程運(yùn)用中的優(yōu)點(diǎn)

3.1 GPS靜態(tài)測量優(yōu)點(diǎn)

（1）精度高：四等GPS網(wǎng)靜態(tài)測量精度可達(dá)到0.000 1級。（2）效率高：多臺GPS接收機(jī)同時觀測，觀測時間40分鐘～2小時不等，只需要整平對中和量取天線高度，GPS接收機(jī)自動化工作。（3）不受視線影響：不要求測站之間通視，因此在選擇加密控制點(diǎn)時布點(diǎn)比較靈活，能保證控制點(diǎn)三角網(wǎng)的圖形。（4）全天持續(xù)工作：24小時都能接收衛(wèi)星數(shù)據(jù)，受天氣影響較小。

3.2 GPS-RTK測量技術(shù)優(yōu)點(diǎn)

（1）支持線路的平斷面、縱斷面、橫斷面、可視化橫斷面采集，大大提高了線路原地面測量效率高和準(zhǔn)確性。（2）線路放樣點(diǎn)實(shí)時計(jì)算，可以按任意里程加樁，并顯示放樣點(diǎn)里程。（3）直觀快捷的放樣指導(dǎo)方式，按東南西北方向指導(dǎo)，對中桿上設(shè)置指南針，坐標(biāo)放樣和高程放樣可以同時進(jìn)行。（4）方便地設(shè)置線路平曲線，也可自由地定義出任意形態(tài)的線路，例如匝道。（5）儀器簡單，攜帶方便，在固定點(diǎn)設(shè)置好基準(zhǔn)站后，外業(yè)測量只需一人攜帶一個移動臺便可。（6）數(shù)據(jù)傳輸便捷，對臨時性的坐標(biāo)可以利用電腦Excel表格直接導(dǎo)入手簿后進(jìn)行施工放樣。

4 GPS-RTK測量技術(shù)存在的問題和建議措施

4.1 存在問題

（1）衛(wèi)星信號受豎向障礙物影響，例如在橋下、樹木下測量對GPS信號的質(zhì)量干擾較大，測量的結(jié)果誤差較大。因此在外業(yè)進(jìn)行測量工作時，要求測站上空應(yīng)盡可能的開闊，在15°高度角以上不能有成片的障礙物。（2）在測站周圍約200 m的范圍內(nèi)不能有強(qiáng)電磁波干擾，如電視塔、微波站等。

4.2 建議措施

（1）控制點(diǎn)點(diǎn)位選擇在視線空曠，無遮擋物，遠(yuǎn)離高建筑物、高壓線、樹林等，避免對信號的干擾。（2）放樣時升高立桿，使移動臺升至最高高度，觀察手簿上顯示的衛(wèi)星數(shù)量和固定解狀態(tài)，當(dāng)衛(wèi)星數(shù)量達(dá)到最高值和固定解狀態(tài)時進(jìn)行放樣，減小誤差。

5 結(jié)語

GPS-RTK測量技術(shù)在公路工程中應(yīng)用有著很大的優(yōu)勢，其具有精度高、效率高、測量便捷等優(yōu)點(diǎn)。如果GPS-RTK和一般的路線CAD程序共同應(yīng)用，將真正實(shí)現(xiàn)內(nèi)外業(yè)數(shù)據(jù)共享，從而使勘察設(shè)計(jì)工作更為快速、高效，使公路路線優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法大為簡化。特別是在當(dāng)前高等級公路逐漸向山嶺重丘區(qū)發(fā)展的情況下，往往由于這些地區(qū)地形條件的限制，常規(guī)測量的困難較大，且精度低， GPS-RTK測量是一種有效的手段，具有更大的優(yōu)勢。

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