RTK在道路測量中的操作及應(yīng)用研究

衛(wèi)耀平

(中交一公局海外事業(yè)部，北京 030024)

0 引 言

道路的測量工作是一項(xiàng)漫長的工作，在方案階段要經(jīng)歷初測與定測階段，在實(shí)施階段則要經(jīng)歷施工測量以及竣工測量階段。傳統(tǒng)測量方法要進(jìn)行導(dǎo)線測量、高程測量以及水準(zhǔn)測量，最后還要開展縱斷面及橫斷面的繪制工作。采用全站儀及測圖軟件進(jìn)行測量，需要在測站上對(duì)每個(gè)地物地貌的碎部點(diǎn)進(jìn)行測定，而且還必須確保測站與這些碎部點(diǎn)可以通視，且每臺(tái)儀器需要3～4個(gè)人來配合操作，當(dāng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理時(shí)一點(diǎn)拼圖的精度不足，還必須進(jìn)行返測[1]。常規(guī)的測量方法受到作業(yè)條件的限制很大，而且工作強(qiáng)度大、工作效率低。利用實(shí)時(shí)差分定位(real-time kinematic,RTK)測量技術(shù)進(jìn)行道路測量時(shí)，可以略去控制網(wǎng)布設(shè)工作，在確保高精確度的同時(shí)，還兼具有實(shí)時(shí)性與高效性，只要能夠保持4～5顆以上衛(wèi)星相對(duì)觀測值的跟蹤，就能夠得到很好的測量結(jié)果。基于其特點(diǎn)與優(yōu)勢，RTK測量技術(shù)在道路測量中的應(yīng)用越來越廣泛[2]。

1 RTK測量技術(shù)簡介

1.1 RTK系統(tǒng)的組成

RTK是基于載波相位觀測值的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位技術(shù)，是一種可全天候、全方位進(jìn)行測量工作的新型系統(tǒng)，是能夠?qū)崟r(shí)準(zhǔn)確的確定近距離待測點(diǎn)位置的最佳方式之一。其主要由三大部分組成，即基準(zhǔn)站接收機(jī)、數(shù)據(jù)鏈以及移動(dòng)站接收機(jī)。通過已數(shù)據(jù)鏈為載體，將基準(zhǔn)站的相位觀測數(shù)據(jù)和坐標(biāo)信息發(fā)送給動(dòng)態(tài)用戶，動(dòng)態(tài)用戶將基準(zhǔn)站的數(shù)據(jù)和自己采集到的相位觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)差分處理，進(jìn)而得到其自身的實(shí)時(shí)三維位置。

1.2 RTK技術(shù)的工作原理

RTK測量技術(shù)是一種高效的定位技術(shù)，是建立在載波相位測量和數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)基礎(chǔ)之上的一種以載波相位測量為依據(jù)的實(shí)時(shí)差分GPS測量技術(shù)。利用2臺(tái)以上的GPS接收機(jī)，即基準(zhǔn)站與移動(dòng)站同時(shí)接收衛(wèi)星信號(hào)，其中基準(zhǔn)站根據(jù)其準(zhǔn)確的坐標(biāo)計(jì)算出其與衛(wèi)星之間的距離并將這個(gè)數(shù)據(jù)傳送給移動(dòng)站，移動(dòng)站則根據(jù)這個(gè)數(shù)據(jù)來對(duì)其自身的位置進(jìn)行測量計(jì)算，如圖1所示。以此可得到指定坐標(biāo)系的三維定位結(jié)果，能夠達(dá)到厘米級(jí)精度[3]。根據(jù)計(jì)算方法的不同可將RTK技術(shù)分為修正法與差分法兩種，其中修正法是通過基準(zhǔn)站將載波相位的修正值傳輸給移動(dòng)站，改正其接收到的載波相位再對(duì)三維坐標(biāo)進(jìn)行計(jì)算求解；差分法是基準(zhǔn)站直接將載波相位傳輸給移動(dòng)站，移動(dòng)站接收到信號(hào)之后進(jìn)行求差解算三維坐標(biāo)。RTK的關(guān)鍵技術(shù)是確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃砸约翱垢蓴_性。

圖1 RTK工作原理示意圖

1.3 RTK技術(shù)的優(yōu)勢

相比于傳統(tǒng)的測量方法，RTK具有以下幾方面的技術(shù)優(yōu)勢：

(1)操作簡單、易于使用。所采用的儀器具備中文菜單，操作簡單，具有很強(qiáng)的數(shù)據(jù)輸入、輸出以及存儲(chǔ)能力，且能夠與計(jì)算機(jī)及其他儀器之間進(jìn)行通信。

(2)具有高度的自動(dòng)化、集成化。能夠進(jìn)行多種內(nèi)外業(yè)測量工作，自動(dòng)化程度高，移動(dòng)站不需要人工干預(yù)，通過系統(tǒng)軟件的控制來進(jìn)行測繪，消除人工測量的誤差，提高測量精度。

(3)可全天候進(jìn)行作業(yè)。由于基準(zhǔn)站與移動(dòng)站之間是通過數(shù)據(jù)傳輸來進(jìn)行測量工作，不需要光學(xué)通視，不會(huì)受到氣候與能見度的影響。

(4)測量精度高。在任何地區(qū)只要符合工作條件都能夠快捷的完成高精度的定位測量工作，且精度能夠達(dá)到厘米級(jí)。

(5)工作效率高。只需要將基準(zhǔn)站設(shè)置好，通過移動(dòng)站就能夠快速的完成作業(yè)半徑區(qū)域內(nèi)的測量工作，不需要頻繁的設(shè)站，還可減少控制點(diǎn)的數(shù)量，降低工作強(qiáng)度，提高工作效率。

RTK測量與全站儀測量的應(yīng)用優(yōu)劣對(duì)比結(jié)果見表1。

表1 RTK和全站儀在測量中的優(yōu)劣對(duì)比

1.4 RTK技術(shù)的誤差來源

導(dǎo)致RTK測量產(chǎn)生誤差的原因主要來自兩個(gè)方面：即因信號(hào)干擾、氣象因素等產(chǎn)生的干擾因素，干擾因素導(dǎo)致的誤差可以通過各種校正方法進(jìn)行削弱；還有因?yàn)榫嚯x因素產(chǎn)生的誤差，距離因素導(dǎo)致的誤差會(huì)隨著基準(zhǔn)站與接收站之間距離的增加而變大，導(dǎo)致了RTK的有效作業(yè)半徑受到限制，這種誤差可通過多基準(zhǔn)站技術(shù)來進(jìn)行削弱。

1.5 RTK技術(shù)的局限性

RTK技術(shù)的局限性不是其自身導(dǎo)致的，而是源于GPS系統(tǒng)。衛(wèi)星發(fā)射的無線信號(hào)的頻率很高，但是信號(hào)弱，當(dāng)衛(wèi)星與移動(dòng)站之間有障礙物阻攔時(shí)，導(dǎo)致無線信號(hào)不能穿透，影響移動(dòng)站的信號(hào)接收效果。事實(shí)上，衛(wèi)星與移動(dòng)站之間存在的任何物體都會(huì)對(duì)信號(hào)接收產(chǎn)生影響，如房屋甚至?xí)耆帘螣o線信號(hào)，導(dǎo)致移動(dòng)站接收不到，因此在特殊的區(qū)域內(nèi)RTK測量是不能夠使用的，如室內(nèi)、隧道以及水下。而有的物體會(huì)阻擋部分無線信號(hào)或者是對(duì)其造成反射或者折射，導(dǎo)致移動(dòng)站接收到的信號(hào)弱，影響精度。如在樹木茂盛的地區(qū)，無線信號(hào)會(huì)特別弱，導(dǎo)致定位困難，或者是只能計(jì)算出大概位置，無法達(dá)到厘米級(jí)的精度要求。通常情況下，只要能夠接收到5顆衛(wèi)星的信號(hào)，就可以進(jìn)行精確可靠的定位測量。

受其自身局限性的的限制，在進(jìn)行RTK測量時(shí)選點(diǎn)要注意以下事項(xiàng)：

(1)點(diǎn)位應(yīng)設(shè)置在易于安裝設(shè)備、視野開闊的地方，如山頂或者高層建筑物的樓頂。

(2)點(diǎn)位要遠(yuǎn)離大功率無線信號(hào)發(fā)射器200 m以上，如信號(hào)塔等設(shè)施，需要注意的是為了防止強(qiáng)電干擾，點(diǎn)位要距離高壓電線50 m以上。

(3)點(diǎn)位附近不能有大面積的水域或者強(qiáng)干擾物體。

2 RTK技術(shù)在道路測量中的應(yīng)用

2.1 測量前的準(zhǔn)備工作

2.1.1 內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

在進(jìn)行測量工作之前，提前根據(jù)外業(yè)工作的需求在外業(yè)坐標(biāo)庫中將要素資料數(shù)據(jù)進(jìn)行輸入操作，包括終點(diǎn)坐標(biāo)、起點(diǎn)坐標(biāo)以及折點(diǎn)坐標(biāo)等。在直線段，每隔20 m放一個(gè)點(diǎn)，曲線段則每隔10 m放一個(gè)點(diǎn)，必要時(shí)可提高放點(diǎn)的密度。在加入點(diǎn)時(shí)要考慮到外業(yè)測量的可操作性，以方便外業(yè)調(diào)用，提高工作效率。

2.1.2 基準(zhǔn)站選定

基準(zhǔn)站的選定要考慮以下幾點(diǎn)需求：

(1)滿足GPS靜態(tài)觀測條件。

(2)設(shè)置在道路中線放樣資料范圍以內(nèi)，且地勢較高的制高點(diǎn)上。

(3)周邊無磁場的影響。

(4)確保作業(yè)區(qū)域不超過校正點(diǎn)范圍。

2.1.3 外業(yè)操作

應(yīng)將基準(zhǔn)站接收機(jī)設(shè)置在未知點(diǎn)或者已知基準(zhǔn)點(diǎn)上，開機(jī)之后進(jìn)行系統(tǒng)及無線電設(shè)置工作。流動(dòng)站接收機(jī)開機(jī)之后要進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)置，輸入轉(zhuǎn)換參數(shù)，通過校正點(diǎn)來獲得其所在位置的坐標(biāo)參數(shù)。

2.2 地形圖測量

使用RTK測量技術(shù)進(jìn)行地形圖測圖，只需要依據(jù)少量的基準(zhǔn)點(diǎn)就可完成對(duì)地形地貌地標(biāo)點(diǎn)的測量，當(dāng)采用專業(yè)的測圖軟件時(shí)，還可借助電子手簿進(jìn)行記錄完成數(shù)字化測圖。使用全站儀進(jìn)行地形圖測量時(shí)，由于受到通視條件的影響，測站需要頻繁的進(jìn)行轉(zhuǎn)移，且作業(yè)半徑小。兩者相比，RTK測量技術(shù)具備以下優(yōu)點(diǎn)：

(1)RTK測量所需作業(yè)人員少，最多兩人就可以完成測量工作，而全站儀每臺(tái)組需要四人。

(2)RTK測量作業(yè)范圍廣，可對(duì)已基準(zhǔn)站為圓心，完成20 km半徑的圓形區(qū)域范圍內(nèi)的測量工作，而全站儀的觀測半徑通常只能達(dá)到300 m。

(3)RTK測量所獲取的三維數(shù)據(jù)可以隨時(shí)獲取，操作方便。

2.3 定線測量

使用RTK測量技術(shù)能夠廣泛的應(yīng)用于地形地勢相對(duì)開闊區(qū)域的定線及放樣工作，如圖2所示。而且，在電子手簿上進(jìn)行加樁處理特別方便，能夠即時(shí)的顯示出加樁的詳細(xì)樁號(hào)，最大限度的規(guī)避掉傳統(tǒng)加樁期間樁號(hào)及距離確定、測量的問題。只要基準(zhǔn)站的架設(shè)無誤，則測量工作就能夠順利的開展。

圖2 RTK定線測量

2.4 道路中線測量

在大比例帶狀地形圖上完成定線工作之后，標(biāo)定出道路的中線，并獲取中樁點(diǎn)的坐標(biāo)數(shù)據(jù)文件，在電子手簿中輸入中樁點(diǎn)坐標(biāo)之后，系統(tǒng)軟件會(huì)自動(dòng)定位放樣點(diǎn)。由于系統(tǒng)軟件進(jìn)行點(diǎn)位確定是獨(dú)立完成測量的，因此各放樣點(diǎn)的精度是趨于一致的，避免了累計(jì)誤差的產(chǎn)生。

2.5 縱橫斷測量

使用RTK測量技術(shù)進(jìn)行縱橫斷面測量最突出的優(yōu)勢表現(xiàn)在橫斷面測量上，在進(jìn)行橫斷面數(shù)據(jù)測量是，能夠確保橫斷面與縱斷面方向始終保持垂直，對(duì)距離可以進(jìn)行精確的控制，且可以隨時(shí)進(jìn)行橫斷面加樁操作。所得到的數(shù)據(jù)滿足相關(guān)規(guī)范要求，可以很方便的進(jìn)行下載，計(jì)算簡單。

2.6 水下地形測量

使用RTK技術(shù)測量水下地形數(shù)據(jù)是很方便的，尤其是采集河道數(shù)據(jù)?？梢栽谙到y(tǒng)軟件中設(shè)置好按照時(shí)間間隔或者是距離間隔自動(dòng)導(dǎo)航并進(jìn)行采集數(shù)據(jù)，只要確保接收站天線處于水面上方就可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集，并通過專業(yè)軟件進(jìn)行成圖作業(yè)。

3 結(jié)束語

隨著技術(shù)的不斷發(fā)展完善，RTK測量技術(shù)相比于傳統(tǒng)方法的優(yōu)勢也將得到長足的發(fā)揮，在大幅度提高工作效率的基礎(chǔ)上，測量結(jié)果的精確性也得到保障，而且其受到地形、天氣等因素的影響也很小。綜合以上優(yōu)勢，RTK測量技術(shù)在道路測量中會(huì)得到越來越廣泛的普及與應(yīng)用。