GNSS-RTK技術(shù)在港口工程圍堤水平位移監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用分析

◎ 黃海 中交第三航務(wù)工程局有限公司廈門(mén)分公司

1.前言

GNSS-RTK是一類以衛(wèi)星導(dǎo)航為基礎(chǔ)，以定位系統(tǒng)為載體的導(dǎo)航設(shè)備。相較于其他類型的導(dǎo)航設(shè)備，其顯著特點(diǎn)在于其可以精準(zhǔn)、便捷、快速、全方位和全時(shí)段地提供定位服務(wù)以及導(dǎo)航服務(wù)。將南方GNSS-RTK系統(tǒng)應(yīng)用到圍堤的變形監(jiān)控和測(cè)量時(shí)，可以有效的實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)點(diǎn)放樣，對(duì)于圍堤的水平移動(dòng)過(guò)程，提供靜態(tài)測(cè)試數(shù)據(jù)。因此，GNSS-RTK可以顯著提升圍堤的變形監(jiān)控的工作效率以及大幅縮減監(jiān)測(cè)過(guò)程所需的費(fèi)用。

2.GNSS-RTK定位技術(shù)的基本原理

GNSS-RTK是一項(xiàng)以載波相位監(jiān)測(cè)作為理論依據(jù)的實(shí)時(shí)差分相對(duì)定位動(dòng)態(tài)測(cè)量技術(shù)。其實(shí)現(xiàn)原理如下：在基站或者特定的站點(diǎn)上安裝一臺(tái)GNSS-RTK接收機(jī),用于持續(xù)收取GNSS衛(wèi)星信號(hào)，然后借助無(wú)線通信技術(shù)，將其所接收到的信息實(shí)時(shí)發(fā)送到監(jiān)測(cè)點(diǎn)，最后通過(guò)相對(duì)位置計(jì)算原理進(jìn)行坐標(biāo)信息的解析。其具體的操作過(guò)程如下：將GNSS-RTK接收機(jī)安裝在特定的站點(diǎn)上，建立基準(zhǔn)站點(diǎn)，然后開(kāi)啟接收機(jī)，并手動(dòng)錄入所選取的坐標(biāo)系統(tǒng)，接著開(kāi)始特定參數(shù)的轉(zhuǎn)換以及校準(zhǔn)，其他的接收機(jī)則在需要觀測(cè)的位點(diǎn)上完成RTK測(cè)量。

3.GNSS-RTK技術(shù)在港口工程圍堤監(jiān)測(cè)中應(yīng)用

3.1 監(jiān)測(cè)點(diǎn)位放樣應(yīng)用

港口工程圍堤監(jiān)測(cè)項(xiàng)目大都遠(yuǎn)離岸邊，基準(zhǔn)點(diǎn)位置需設(shè)置在陸上不受施工影響的穩(wěn)定區(qū)域內(nèi)，其位置遠(yuǎn)離施工現(xiàn)場(chǎng)，工作基點(diǎn)與基準(zhǔn)點(diǎn)相距較遠(yuǎn)且受現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境影響，與基準(zhǔn)點(diǎn)之間常因條件限制不能兩兩完全通視，故利用傳統(tǒng)的全站儀進(jìn)行放樣時(shí)需要進(jìn)行多次的轉(zhuǎn)站，多次轉(zhuǎn)站后其精度大大減小且耗時(shí)較大。對(duì)于欽州港東航道擴(kuò)建工程（一期）吹填區(qū)平整工程圍堤變形監(jiān)測(cè)工程項(xiàng)目，其在工程項(xiàng)目之初，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)放樣所使用的是全站儀極坐標(biāo)放樣方式。因?yàn)閲痰姆艠狱c(diǎn)之間相距比較遠(yuǎn)，而且放樣分布不規(guī)則，采用該放樣方式時(shí)，需要提前進(jìn)行基準(zhǔn)點(diǎn)位的距離計(jì)算與角度計(jì)算，才能精準(zhǔn)地完成現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的放樣。相比于其他類型的放樣方式，全站儀極坐標(biāo)放樣雖然能夠在一定程度上提升放樣效率，但是提升幅度非常有限。采購(gòu)和應(yīng)用兩套南方GNSS-RTK系統(tǒng)，則可以借助其動(dòng)態(tài)測(cè)量模式，預(yù)先進(jìn)行測(cè)量的七個(gè)參數(shù)的校正，然后將所得到的轉(zhuǎn)換參數(shù)用于現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位的放樣?；贕NSS-RTK的放樣方式，可以有效地提升現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位放樣的準(zhǔn)確性，達(dá)到工程項(xiàng)目的放樣要求。此外，該放樣方式還可以明顯加速測(cè)量進(jìn)程，顯著提升測(cè)量效率以及縮減測(cè)量所需的費(fèi)用。

3.2 水平位移靜態(tài)測(cè)量應(yīng)用

3.2.1 水平位移靜態(tài)測(cè)量可靠性分析

就圍堤監(jiān)測(cè)而言，其中的水平位移監(jiān)測(cè)工作大都由全站儀來(lái)完成。然而，因?yàn)樵谑褂萌緝x進(jìn)行水平位移測(cè)量時(shí)，是以極坐標(biāo)法來(lái)進(jìn)行定位的，所以其觀測(cè)結(jié)果必然會(huì)受到觀測(cè)距離和通視條件的變化而發(fā)生改變。相比之下，GNSS-RTK測(cè)量方式則可以借助其衛(wèi)星來(lái)傳送信號(hào)，能夠有效地避免全站儀在圍堤水平位移監(jiān)測(cè)應(yīng)用中的弊端，為了分析其可靠性，結(jié)合欽州港東航道擴(kuò)建工程（一期）吹填區(qū)平整工程，在基準(zhǔn)點(diǎn)HJ09E和HJ10E附近做4個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)WY1、WY2、WY3、WY4,使用TS09 Plus l" R500全站儀（測(cè)距精度1mm+1.5ppm.測(cè)角精度1"）采用一級(jí)導(dǎo)線法連續(xù)三天測(cè)出4個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)值，然后同時(shí)利用GNSSRTK連續(xù)三天在同一時(shí)段分別進(jìn)行相同監(jiān)測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)采集，共進(jìn)行三組數(shù)據(jù)比對(duì)觀測(cè)，按要求進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后的數(shù)據(jù)比較結(jié)果見(jiàn)表1-表3。同時(shí)對(duì)于全站儀和RTK的觀測(cè)數(shù)據(jù)各自分別以第1組數(shù)據(jù)作為初始值，之后的兩組數(shù)據(jù)分別與初始值對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表4。

表1 第一組RTK觀測(cè)成果與全站儀數(shù)據(jù)對(duì)比

表2 第二組RTK觀測(cè)成果與全站儀數(shù)據(jù)對(duì)比

表3 第三組RTK觀測(cè)成果與全站儀數(shù)據(jù)對(duì)比

表4 RTK與全站儀各自三組觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比結(jié)果匯總表

對(duì)照表1-表3中數(shù)據(jù)比對(duì)結(jié)果可知，兩種儀器對(duì)同1點(diǎn)觀測(cè)的坐標(biāo)X差值最大為0.008m,坐標(biāo)Y差值最大為0.006m,GNSS-RTK與全站儀測(cè)得的監(jiān)測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)分量差異在扣除誤差因素影響的情況下，其結(jié)論一致；同時(shí)從表4顯示的各自坐標(biāo)相對(duì)變化量顯示，RTK 觀測(cè)的相對(duì)變化量最大為3mm，全站儀觀測(cè)的相對(duì)變化量最大為2mm，作為以觀測(cè)結(jié)構(gòu)位置相對(duì)變化量的水平位移監(jiān)測(cè)來(lái)說(shuō)，兩種儀器的觀測(cè)結(jié)果也是一致的，所以利用GNSS-RTK進(jìn)行水平位移靜態(tài)測(cè)量具備可靠性能滿足工程變形要求。

3.2.2 水平位移靜態(tài)測(cè)量工程實(shí)例應(yīng)用

在欽州港東航道擴(kuò)建工程（一期）吹填區(qū)平整工程中，由于部分處在圍堤邊沿處的觀測(cè)點(diǎn)與測(cè)試的基準(zhǔn)點(diǎn)的距離相對(duì)較遠(yuǎn)，甚至已經(jīng)超出了全站儀的測(cè)量范圍。而如果選取GNSS-RTK靜態(tài)測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行水平位移監(jiān)測(cè)，則可以將南方GNSSRTK接收機(jī)安裝在業(yè)主所選定的兩個(gè)站點(diǎn)上，也即HJ09E與HJ10E，再在LSBZ60和LSBZ70兩個(gè)觀測(cè)點(diǎn)上分別安裝兩臺(tái)接收機(jī)。其中，在圍堤水平位移監(jiān)測(cè)過(guò)程中，要保證至少有四個(gè)衛(wèi)星進(jìn)行水平位移觀測(cè)，而每個(gè)站點(diǎn)的觀測(cè)時(shí)長(zhǎng)至少為45min，采樣周期設(shè)定為10s。在獲取定位數(shù)據(jù)信息后，借助南方數(shù)據(jù)處理軟件，可以得到LSBZ60和LSBZ70的坐標(biāo)數(shù)據(jù)。借助全站儀，選取LSBZ70和LSBZ60分別為前視點(diǎn)和后視點(diǎn)，根據(jù)極坐標(biāo)法換算出LSBZ61-LSBZ69的坐標(biāo)數(shù)據(jù)。在陸域吹填過(guò)程中，將GNSS-RTK與全站儀結(jié)合起來(lái)，共同完成對(duì)LSBZ60-LSBZ70的持續(xù)監(jiān)測(cè)。

在獲取和分析了圍堤內(nèi)側(cè)回填施工過(guò)程中的圍堤水平位移實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)后，可以得出，在回填過(guò)程中，圍堤的水平位移量增加比較快，而在完成回填后，水平位移數(shù)據(jù)變化速度明顯減弱且最終保持恒定，整個(gè)圍堤回填過(guò)程都是在安全狀態(tài)下完成的。由上述成功實(shí)施的工程案例可知，將GNSS-RTK與全站儀結(jié)合在一起，用于監(jiān)測(cè)港口工程圍堤項(xiàng)目水平位移狀態(tài)，具有良好的可操作性與準(zhǔn)確性，可以有效地降低監(jiān)測(cè)場(chǎng)地附近難以設(shè)定基準(zhǔn)點(diǎn)的水平位移觀測(cè)工作難度。

4.GNSS-RTK定位技術(shù)的誤差分析與控制

4.1 誤差分析

GNSS-RTK在定位過(guò)程中的誤差包括系統(tǒng)性誤差與偶然性誤差。其中，前者指的是由于信號(hào)發(fā)射、接收以及傳輸設(shè)備等產(chǎn)生的誤差。而后者指的是因?yàn)槿藶橐蛩?、工作環(huán)境因素以及數(shù)據(jù)處理方式等產(chǎn)生的誤差。

4.2 誤差控制

4.2.1 儀器性能保證

應(yīng)保證參與工作的所有儀器工作狀態(tài)正常、參數(shù)準(zhǔn)確，處于合格的檢定期內(nèi)并定期進(jìn)行自校]2.2進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)對(duì)比觀測(cè)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)比對(duì)觀測(cè)試驗(yàn)結(jié)果以及觀測(cè)環(huán)境等因素，分析RTK監(jiān)測(cè)技術(shù)的誤差來(lái)源及其影響因素，進(jìn)而完善監(jiān)測(cè)方法，以減小誤差，最終確保數(shù)據(jù)的可靠性。

4.2.3 采用EXECL軟件

先對(duì)外業(yè)獲取的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行匯總，再借助EXECL完成計(jì)算并分析差值較大的觀測(cè)點(diǎn)，全面地分析可能對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果產(chǎn)生波動(dòng)的各項(xiàng)因素，針對(duì)部分系統(tǒng)誤差，則需要對(duì)其進(jìn)行校正，而另一部分難以確定誤差因素的數(shù)據(jù)，則應(yīng)當(dāng)將其從對(duì)比數(shù)據(jù)中剔除，這樣才能最大限度地確保對(duì)比結(jié)果的科學(xué)性與客觀性。

5.結(jié)語(yǔ)

使用GNSS-RTK進(jìn)行測(cè)量作業(yè)，具有攜帶方便、方法簡(jiǎn)捷、定位速度快等優(yōu)點(diǎn)，能夠較好應(yīng)用于港口工程圍堤監(jiān)測(cè)測(cè)量工作，能夠提高工作效率，但也存在測(cè)量精度不高、受外界條件干擾產(chǎn)生誤差不定等缺點(diǎn)。通過(guò)對(duì)誤差進(jìn)行分析，采取相應(yīng)的誤差控制，可以大大減小誤差。