探究GPS-RTK標(biāo)準(zhǔn)化測(cè)量技術(shù)在河道斷面測(cè)量應(yīng)用

馬君濤

北京創(chuàng)億鑫環(huán)境有限公司 北京 101200

GPS（Global Positioning System）全球定位系統(tǒng)，是20世紀(jì)70年代開發(fā)的新一代衛(wèi)星導(dǎo)航和定位系統(tǒng)。GPS具有全球，全天候，連續(xù)，實(shí)時(shí)精密三維導(dǎo)航和定位功能，而其中RTK（Real Time Kinematic）實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量技術(shù)是GPS應(yīng)用的重要技術(shù)。它可以單人來進(jìn)行測(cè)量工作，并且能夠?qū)崟r(shí)的提供出厘米級(jí)的定位精度，極大提高了外業(yè)的工作效率。因此，GPS-RTK在大地測(cè)量，工程測(cè)量，城市測(cè)量等領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。

本文以平谷泃河（海子水庫～上紙寨）治理工程（一期）第一標(biāo)段中河道斷面測(cè)量的應(yīng)用為例，簡(jiǎn)單介紹GPSRTK的基本原理以及參數(shù)轉(zhuǎn)換和點(diǎn)校驗(yàn)的方法，并且闡述了GPS-RTK的技術(shù)特點(diǎn)在河道原地貌測(cè)量中的應(yīng)用，對(duì)其實(shí)用性進(jìn)行分析。

1 工程概況

泃河主河道長(zhǎng)89.4km，北京市境內(nèi)長(zhǎng)54.4km。本次工程治理范圍為泃河上段海子水庫至上紙寨（非城區(qū)段）段河道，全長(zhǎng)15.4km。工程包括：防洪工程：治理河道15.4公里，包括河道擴(kuò)挖、砂石坑回填防護(hù)、堤防防護(hù)及彎道段防沖護(hù)砌等；治理將軍關(guān)石河、橋頭營(yíng)支溝、土門石河、豹子峪石河、黃松峪石河、魚子山石河6條支溝；新建雨水口23處等。非防洪工程包括：2.7公里子槽開挖，生態(tài)水面開挖，8%水泥土換填，干砌石擋水壩、河坡綠化等。此次測(cè)量任務(wù)為進(jìn)行河道占地線、河道中心線、岸坡的上下開口線的放樣工作，以50m為一個(gè)斷面來進(jìn)行河道原地貌測(cè)量，繪制河道斷面圖，為計(jì)算土方量及后期施工提供了有效的依據(jù)。外業(yè)測(cè)量依據(jù)《全球定位系統(tǒng)（GPS）測(cè)量規(guī)范》（GB/T 18314—2009）；《水利水電工程施工測(cè)量規(guī)范》（SL52—93）。

2 GPS-RTK的基本原理

GPS-RTK的儀器一般由兩臺(tái)或兩臺(tái)以上來進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地測(cè)量工作，其中分為基準(zhǔn)站和移動(dòng)站兩種[1]?；鶞?zhǔn)站建立在已知控制點(diǎn)或未知點(diǎn)上，將基準(zhǔn)站采集的載波相位通過無線通信網(wǎng)實(shí)時(shí)發(fā)給移動(dòng)站，移動(dòng)站將接收到的衛(wèi)星信號(hào)和收到基準(zhǔn)站信號(hào)實(shí)時(shí)求差解算坐標(biāo)，坐標(biāo)差值加基準(zhǔn)站坐標(biāo)就可以得到移動(dòng)站的WGS84坐標(biāo)，然后通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)轉(zhuǎn)換得出每個(gè)移動(dòng)站在使用當(dāng)?shù)氐钠矫孀鴺?biāo)x、y和高程h。

3 RTK求轉(zhuǎn)換參數(shù)及點(diǎn)校驗(yàn)

3.1 求轉(zhuǎn)換參數(shù)

首先說明一下，北京及周邊地區(qū)常用的幾個(gè)坐標(biāo)系：Beijing54（1954北京坐標(biāo)系）、Xian80（1980西安坐標(biāo)系）、CGCS2000（2000國(guó)家大地坐標(biāo)系）、WGS-84（1984年世界大地坐標(biāo)系統(tǒng)）[2]。無論什么牌子的GPS基準(zhǔn)站和移動(dòng)站輸出的數(shù)據(jù)都是WGS-84坐標(biāo)系，需要轉(zhuǎn)換參數(shù)的設(shè)置，來轉(zhuǎn)化到施工現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的地方坐標(biāo)，轉(zhuǎn)換參數(shù)就成為了完成這一項(xiàng)工作的主要內(nèi)容。轉(zhuǎn)換參數(shù)的重要工作就是測(cè)定已知重合點(diǎn)，重合點(diǎn)指的是同一控制點(diǎn)擁有兩種坐標(biāo)系。重合點(diǎn)的坐標(biāo)一種是進(jìn)行實(shí)地測(cè)量得到；另一種是通過參數(shù)轉(zhuǎn)換獲取已有控制點(diǎn)的地方坐標(biāo)。求轉(zhuǎn)換參數(shù)主要是計(jì)算四參數(shù)或七參數(shù)，本工程用的的是計(jì)算七參數(shù)。在進(jìn)行七參數(shù)的計(jì)算時(shí)，至少需要三個(gè)控制點(diǎn)的已知地方坐標(biāo)和實(shí)測(cè)的WGS-84坐標(biāo)，通過手簿里自帶的轉(zhuǎn)換參數(shù)，把WGS-84坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到地方坐標(biāo)的七個(gè)轉(zhuǎn)換參數(shù)。七參數(shù)要比四參數(shù)的控制范圍和精度高，X、Y、Z軸一般都必須是秒級(jí)的，X、Y、Z軸平移一般小于1000。若超出了限值，則RTK是無法使用的。

由于河道斷面測(cè)量工作的復(fù)雜性,所以在進(jìn)行跨野外數(shù)據(jù)采集時(shí),首先要對(duì)GPS測(cè)區(qū)內(nèi)地形、橫軸和河流中線等各種要素進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理。對(duì)于不同地形條件下的斷面上所對(duì)應(yīng)參數(shù)也應(yīng)該采取相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)。由于河道斷面測(cè)量工作是一個(gè)復(fù)雜龐大繁瑣的過程,其數(shù)據(jù)采集點(diǎn)之間可能存在重疊或交叉問題因此在進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí),我們可以采用統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)來對(duì)這些斷面測(cè)量點(diǎn)參數(shù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理。同時(shí)也可以將數(shù)據(jù)信息直接提供給現(xiàn)場(chǎng)工作人員。通過對(duì)不同參數(shù)進(jìn)行合理配置和組合，從而達(dá)到最優(yōu)效果。

3.2 點(diǎn)校驗(yàn)

由于GPS-RTK基準(zhǔn)站和移動(dòng)站輸出和輸入坐標(biāo)都是WGS-84坐標(biāo)，所以很多在使用GPS儀器使用轉(zhuǎn)換參數(shù)的方式為：把基準(zhǔn)站用三腳架架設(shè)在已經(jīng)控制點(diǎn)上，在基準(zhǔn)站間接輸入WGS84坐標(biāo)啟動(dòng)基準(zhǔn)站。這種方式的缺點(diǎn)在于每次測(cè)量之前都要把基準(zhǔn)站架設(shè)在已知控制點(diǎn)上，從而帶來的測(cè)量人員的一定麻煩。而在使用點(diǎn)校正向?qū)Э梢员苊膺@種情況，直接把基準(zhǔn)站架設(shè)在任意點(diǎn)上來啟動(dòng)基準(zhǔn)站，很大的提高了測(cè)量人員的靈活性以及便捷性。

在進(jìn)行GPS測(cè)量工作時(shí),我們要保證點(diǎn)和線的準(zhǔn)確性。首先,我們需要對(duì)整個(gè)斷面圖上所有的控制點(diǎn)都做好詳細(xì)地校驗(yàn)。其次是確定好控制網(wǎng)中每個(gè)方向所對(duì)應(yīng)到測(cè)線上是否符合測(cè)控要求;同時(shí)還需確保各個(gè)平面坐標(biāo)、高程以及坡度等參數(shù)與實(shí)際地形相一致并滿足設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定要求即可進(jìn)行測(cè)量工作。最后再將上述數(shù)據(jù)繪制成線位圖中的曲線,通過對(duì)這些曲線在斷面上所繪制出相應(yīng)的點(diǎn)和線然后進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理,得到斷面中線坐標(biāo)。在測(cè)量工作中,我們需要對(duì)曲線上所繪制出來的點(diǎn)和線進(jìn)行平差校正。如果出現(xiàn)了誤差較大或者是沒有滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求等情況則需通過調(diào)整直線間、緩和曲線以及斜率來修正。

GPS測(cè)量的點(diǎn)位需要進(jìn)行校驗(yàn),在野外施工中,為了保證數(shù)據(jù)采集的標(biāo)準(zhǔn),應(yīng)該對(duì)其進(jìn)行一定量程和精度等方面因素。（1）GPS點(diǎn)距誤差應(yīng)達(dá)到最小。（2）平面控制網(wǎng)布設(shè)時(shí)采用全站儀、經(jīng)緯儀、自動(dòng)測(cè)高系統(tǒng)相結(jié)合來完成觀測(cè)工作;在斷面上設(shè)置控制測(cè)量桿系及水準(zhǔn)基線以確保其穩(wěn)定性與可靠性,同時(shí)保證施工過程中所使用的各種儀器設(shè)備均能滿足要求和精度等級(jí)在斷面測(cè)量中,應(yīng)采用全站儀、經(jīng)緯儀進(jìn)行點(diǎn)位的控制。（3）水準(zhǔn)基線外業(yè)工作完成后,應(yīng)該對(duì)其精度和穩(wěn)定性做進(jìn)一步檢查與復(fù)核:①基準(zhǔn)高差必須達(dá)到規(guī)范要求;②基準(zhǔn)線外業(yè)誤差不得超過±0.1mm;③觀測(cè)值要滿足設(shè)計(jì)及施工驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定內(nèi)要求。

4 河道原地貌測(cè)量

在河道斷面上，由于地形起伏變化的原因，會(huì)產(chǎn)生不同程度上地貌形態(tài)的差異[3]。為了能夠準(zhǔn)確地反映河流斷面特征、特點(diǎn)和規(guī)律等因素，對(duì)河床輪廓控制點(diǎn)所形成位置以及面積大小進(jìn)行合理安排與規(guī)劃設(shè)計(jì)，師河道測(cè)量工作中一個(gè)重要環(huán)節(jié)。

本次測(cè)量任務(wù)為平谷泃河（海子水庫-上紙寨）治理工程（一期）第一標(biāo)段其中的一部分，即從海子水庫起點(diǎn)（樁號(hào)0+000）處至胡黑路大橋（樁號(hào)5+000）處，全長(zhǎng)共5公里，在六個(gè)三等GPS控制點(diǎn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行靜態(tài)測(cè)量，新加出4個(gè)控制點(diǎn)，共10個(gè)控制點(diǎn)均勻分布在此測(cè)區(qū)范圍內(nèi)。使用GPS-RTK進(jìn)行河道施工放樣和原地貌測(cè)量工作。河道施工放樣工作包括河道中心線放樣，岸坡上口線及下口線放樣，占地紅線放樣。原地貌測(cè)量工作是從起點(diǎn)（樁號(hào)0+000）處開始，每50米進(jìn)行一個(gè)原地貌橫斷面測(cè)量，河道的橫斷面通常垂直于河道中心線，以此類推，直至測(cè)到胡黑路大橋（樁號(hào)5+000）處。如果出現(xiàn)局部地形復(fù)雜，要進(jìn)行局部地形測(cè)量。

河道斷面測(cè)量中對(duì)數(shù)據(jù)的處理和采集都要進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化。在GPS技術(shù)成熟之后，可以采用統(tǒng)一、標(biāo)準(zhǔn)的作業(yè)方法，這樣就能夠避免由于人為因素，而造成測(cè)量工作誤差。通過規(guī)范化程序來實(shí)現(xiàn)河流斷點(diǎn)控制線精度，以及高程準(zhǔn)確度等方面問題，是目前我國(guó)主要采取措施。

4.1 測(cè)量前期準(zhǔn)備工作

1.在進(jìn)行測(cè)量前,要根據(jù)設(shè)計(jì)的控制點(diǎn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工所需的工作和數(shù)據(jù)資料等做好詳細(xì)地調(diào)查。同時(shí)還要注意的是要保證在實(shí)地勘察過程中不出現(xiàn)錯(cuò)誤與遺漏。注重?cái)?shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化。2.對(duì)于GPS接收機(jī)、信號(hào)調(diào)理設(shè)備以及測(cè)放架都需要提前準(zhǔn)備好,確保不會(huì)因?yàn)椴僮魇д`而導(dǎo)致誤差值超出正常范圍；并且還應(yīng)該將測(cè)量?jī)x器安裝在適當(dāng)位置上,并保證其能夠滿足設(shè)計(jì)要求的精度和穩(wěn)定性等；3.在測(cè)量過程中,要保證儀器的準(zhǔn)確度,并且確保其能夠滿足野外實(shí)測(cè)要求。4.對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)施工所需資料和數(shù)據(jù)必須按照設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行整理、存檔。5.以上工作完成后還應(yīng)該對(duì)相關(guān)的工作人員做好培訓(xùn)工作以提高他們處理信息能力以及技術(shù)水平；6.在確定好了GPS接收機(jī)與測(cè)放架之后還要將測(cè)量方法標(biāo)準(zhǔn)化,保證不會(huì)產(chǎn)生誤差值超出正常范圍等問題發(fā)生時(shí)能夠及時(shí)地采取措施避免出現(xiàn)不必要的損失和浪費(fèi)情況。

要根據(jù)工作量進(jìn)行人員分組和分工，收集設(shè)計(jì)平面施工圖紙、制定測(cè)量計(jì)劃、準(zhǔn)備需要的GPS儀器（儀器要在測(cè)量之前進(jìn)行檢測(cè)，以保障工程測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性）。因?yàn)樵O(shè)計(jì)提供的軸線坐標(biāo)一般都與實(shí)測(cè)的斷面位置不符，需要用AutoCAD軟件來確定每個(gè)斷面軸線上兩側(cè)占地紅線的位置坐標(biāo)，將坐標(biāo)在電腦中“記事本”里按照（點(diǎn)號(hào)，X，Y，Z）格式保存為“平谷泃河測(cè)量數(shù)據(jù).txt”，在用數(shù)據(jù)線導(dǎo)入到GPS手簿里。測(cè)量之前只要做足了準(zhǔn)備工作，才能更加順利、更加效率的完成任務(wù)，為下一步的施工打好基礎(chǔ)。

4.2 外業(yè)測(cè)量數(shù)據(jù)

外業(yè)測(cè)量數(shù)據(jù)主要是指GPS和RTK的野外工作，在河道斷面測(cè)量中，由于河流地形條件復(fù)雜、觀測(cè)人員技術(shù)水平不高以及其他因素等原因可能會(huì)導(dǎo)致誤差較大。因此需要對(duì)其進(jìn)行一定程度上的檢測(cè)處理。

首先要把基準(zhǔn)站架設(shè)在高出測(cè)區(qū)的地方，然后用移動(dòng)站在已經(jīng)控制點(diǎn)上進(jìn)行校正向?qū)?，一切?zhǔn)備就緒后，就可以開始現(xiàn)場(chǎng)原地貌斷面測(cè)量。將兩側(cè)占地紅線按每個(gè)橫斷面50m進(jìn)行放樣完成后，下一步就可以進(jìn)行原地貌測(cè)量，要反映出每個(gè)斷面測(cè)點(diǎn)和測(cè)點(diǎn)之間地勢(shì)變化，采集原地貌的標(biāo)準(zhǔn)是只要有高差≥10厘米的測(cè)點(diǎn)處就要采集點(diǎn)。GPS-RTK有個(gè)缺點(diǎn)，如果在樹木較多或移動(dòng)站上方有遮擋物的情況下，遮擋物會(huì)導(dǎo)致測(cè)量信號(hào)不穩(wěn)定，無法精準(zhǔn)采集坐標(biāo)。在這種時(shí)候發(fā)生時(shí)，就要采用全站儀來進(jìn)行采集點(diǎn)，對(duì)于測(cè)量的數(shù)據(jù)精準(zhǔn)度來說，兩者所使用到的方法不同，但是最后得出來的結(jié)果不會(huì)有很大的區(qū)別。

根據(jù)實(shí)際情況將GPS-RTK內(nèi)控點(diǎn)接收到河流河道斷面勘測(cè)成果后再使用內(nèi)控線解算出河道斷面上所有高程及其與邊樁坐標(biāo)信息相對(duì)應(yīng)的控制網(wǎng)及相應(yīng)位置；在測(cè)量過程中,通過GPS-RTK技術(shù)可以對(duì)其進(jìn)行自動(dòng)處理和校核工作這樣可以保證在河道斷面測(cè)量的結(jié)果準(zhǔn)確度,并且能夠滿足河流斷面上控制點(diǎn)和邊樁坐標(biāo)信息。

為了保證外業(yè)測(cè)圖精度及成果完整性標(biāo)準(zhǔn)化，要求內(nèi)控點(diǎn)與控制樁之間距離至少為20cm以上才能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)；同時(shí)因?yàn)镚PS-RTK應(yīng)用范圍較廣且操作簡(jiǎn)單，所以在河道斷面測(cè)量中采用的方法是RTK外業(yè)數(shù)據(jù)采集過程中采用的方法是直接利用GPS-RTK控制點(diǎn)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)，在斷面測(cè)圖上用內(nèi)控點(diǎn)接收外業(yè)測(cè)量工作后所獲得的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)。

4.3 內(nèi)業(yè)斷面圖繪制

在河道斷面測(cè)量中,內(nèi)業(yè)線繪制的標(biāo)準(zhǔn)化是保證河流斷面上控制點(diǎn)、河床中線及標(biāo)高準(zhǔn)確。

所有外業(yè)數(shù)據(jù)測(cè)量完成后，其測(cè)量的數(shù)據(jù)會(huì)直接儲(chǔ)存到GPS手簿當(dāng)中，將GPS手簿里的測(cè)量數(shù)據(jù)按照（點(diǎn)號(hào)，編號(hào)，X，Y，Z）格式保存為“平谷泃河原地貌測(cè)量數(shù)據(jù).dat”，把這個(gè)文件導(dǎo)出到電腦，用南方CASS軟件把這個(gè)文件所有測(cè)到的點(diǎn)，展開到AutoCAD里，把每個(gè)斷面測(cè)到的點(diǎn)用多段線連接起來，量出點(diǎn)與點(diǎn)之間的距離，按照兩點(diǎn)之間的高差，來繪制原地貌斷面圖，見圖1。原地貌斷面圖繪制中一般顯示的內(nèi)容有：樁號(hào)、設(shè)計(jì)線、原貌線、河道中心位置、原地貌每個(gè)測(cè)點(diǎn)的高程及距離、設(shè)計(jì)堤頂高程及設(shè)計(jì)河底高程。

圖1 原地貌橫斷面圖

5 結(jié)束語

以上就是針對(duì)GPS-RTK測(cè)量技術(shù)等相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行的論述，本文結(jié)合近幾年的測(cè)量經(jīng)驗(yàn)，在河道測(cè)量中采用的GPS測(cè)量技術(shù)，測(cè)量精度高、效率高。通過對(duì)GPS-RTK技術(shù)在河道斷面測(cè)量中的應(yīng)用進(jìn)行了研究，主要是為了解決如何經(jīng)GPS測(cè)高精度控制點(diǎn)與河流斷面精確連接，以及怎樣有效地提高河道護(hù)岸質(zhì)量。簡(jiǎn)而言之，隨著GPS-RTK測(cè)量技術(shù)的發(fā)展及精度的提高，從目前來看GPS-RTK測(cè)量技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)多行業(yè)的測(cè)繪工作，該測(cè)量方法在測(cè)繪領(lǐng)域中會(huì)得到更大的推廣和應(yīng)用。