楊維林

(天津市勘察院測(cè)量公司，天津300191)

基于RTK技術(shù)的城市工程測(cè)量研究

楊維林

(天津市勘察院測(cè)量公司，天津300191)

以RTK技術(shù)在城市工程測(cè)量中的應(yīng)用為研究對(duì)象，從RTK技術(shù)在城市工程放樣測(cè)量、地形測(cè)量及控制測(cè)量三個(gè)方面對(duì)這一問(wèn)題進(jìn)行探討。

RTK技術(shù);工程測(cè)量;控制測(cè)量;地形測(cè)量

GPS問(wèn)世以來(lái)，作為測(cè)量和空間定位新技術(shù)，已廣泛應(yīng)用于陸?？疹I(lǐng)域的定位、導(dǎo)航和測(cè)量，在大地測(cè)量及工程測(cè)量應(yīng)用領(lǐng)域中產(chǎn)生了前所未有的變革。隨著GPS技術(shù)的不斷發(fā)展，其應(yīng)用已遍及各種測(cè)量領(lǐng)域，特別是GPS實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)差分RTK技術(shù)的迅速發(fā)展和完善在常規(guī)測(cè)量領(lǐng)域里得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。

一、測(cè)量的誤差源及局限性

1)GPS誤差源。GPS測(cè)量中出現(xiàn)的各種誤差按其來(lái)源大致分為三類:① 與衛(wèi)星有關(guān)的誤差:主要包括衛(wèi)星星歷誤差、衛(wèi)星鐘的誤差、地球自轉(zhuǎn)的影響和相對(duì)論效應(yīng)的影響等;② 信號(hào)傳播誤差:主要為電離層影響、對(duì)流層影響、多路徑效應(yīng)的影響等;③觀測(cè)設(shè)備和接收設(shè)備即儀器誤差的影響也很大。通?？赏ㄟ^(guò)采用適當(dāng)?shù)姆椒p弱或消除上述誤差的影響。

2)RTK的誤差源:①基準(zhǔn)站點(diǎn)位精度的影響;②模糊度解算誤差;③動(dòng)態(tài)基線解算誤差;④坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換誤差;⑤天線對(duì)中等人為產(chǎn)生的誤差。其中②、③項(xiàng)的解算，程序已被編入主機(jī)，其誤差已得到了控制，坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換誤差在于如何解算坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)。因此，外業(yè)過(guò)程中特別注意氣泡居中等操作要求，以減少偶然誤差，消除人為誤差，提高精度。

3)局限性:① 在樹(shù)木茂密及城市高樓地區(qū)，GPS信號(hào)受到遮擋，無(wú)法作業(yè);② 數(shù)據(jù)鏈?zhǔn)馨l(fā)射功率及地形障礙物阻擋影響，致使RTK作用距離有限，一般丘陵地區(qū)，城區(qū)為5 km;③數(shù)據(jù)鏈容易受到干擾，距房屋、樹(shù)木較近處信號(hào)接收較難。在稍有樹(shù)木遮擋的地方需幾十分鐘才能測(cè)定坐標(biāo)。

二、RTK在測(cè)量工作中的應(yīng)用

1.用于工程放樣測(cè)量

一般作業(yè)方法是:首先確定控制點(diǎn)及其坐標(biāo)系、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)的求解方法。把放樣點(diǎn)的坐標(biāo)或線及樁號(hào)成批地存入掌上電腦RTK手簿中。選擇地勢(shì)高、無(wú)干擾、寬闊的已知點(diǎn)架設(shè)基準(zhǔn)站，設(shè)置好基準(zhǔn)站，使接收機(jī)至少能收到5顆以上衛(wèi)星，數(shù)據(jù)鏈發(fā)射正常，測(cè)量人員設(shè)置好流動(dòng)站，在快速初始化完成后可以開(kāi)始作業(yè)。從RTK手簿中讀取當(dāng)前測(cè)量點(diǎn)距放樣點(diǎn)或線的縱橫坐標(biāo)差Dx、Dy、S以及方位，并以圖形方式顯示出來(lái)，同時(shí)顯示測(cè)量的點(diǎn)位精度水平，當(dāng)精度水平達(dá)到期望值時(shí)可結(jié)束該點(diǎn)的放樣，操作起來(lái)比較直觀、方便。采用RTK放樣，單人就可以作業(yè)，工作效率很高。同時(shí)，作業(yè)時(shí)不必布測(cè)常規(guī)的導(dǎo)線，節(jié)省了大量的人力，在道路條件差的地方相當(dāng)方便。如在某廠區(qū)的道路放樁中，該地區(qū)灌木、小葉樹(shù)密度高，如果用全站儀放樁，必須花費(fèi)大量的人力去砍樹(shù)開(kāi)路以便通視，并且還需要布置導(dǎo)線，采用RTK方法能夠省去這些艱難的工作，常規(guī)方法需要10天的工作，使用該方法約2天即可完成。高程測(cè)量方面，GPS測(cè)量的高程誤差與常規(guī)水準(zhǔn)不同。它主要取決于擬合面與大地水準(zhǔn)面的符合程度。實(shí)踐已經(jīng)證明了GPS進(jìn)行高程控制測(cè)量的可行性。為提高高程精度，可采用適當(dāng)控制流動(dòng)站與基準(zhǔn)站的距離，以及選擇合適的高程擬合方法，在小范圍及地形起伏不大的地區(qū)，一般可獲得優(yōu)于±0.1 m的精度水平。

2.RTK技術(shù)用于定位測(cè)量

RTK技術(shù)定位有動(dòng)態(tài)定位和快速靜態(tài)定位兩種測(cè)量模式。兩種定位模式相結(jié)合，在公路工程中的應(yīng)用中可以覆蓋公路勘測(cè)、施工放樣、監(jiān)理和GIS前端數(shù)據(jù)采集。

1)動(dòng)態(tài)定位測(cè)量前需要在一個(gè)控制點(diǎn)上靜態(tài)觀測(cè)數(shù)分鐘(有的儀器只需2～10 s)以進(jìn)行初始化工作，之后流動(dòng)站就可以按預(yù)定的采樣間隔自動(dòng)進(jìn)行觀測(cè)，并連同基準(zhǔn)站的同步觀測(cè)數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)確定采樣點(diǎn)的空間位置。目前，其定位精度可以達(dá)到厘米級(jí)。動(dòng)態(tài)定位模式在公路勘測(cè)階段有著廣闊的應(yīng)用前景，可以完成地形圖測(cè)繪、中樁測(cè)量、橫斷面測(cè)量、縱斷面地面線測(cè)量等工作。測(cè)量2～4 s，精度就可以達(dá)到±(1～3)cm，且整個(gè)測(cè)量過(guò)程不需通視，有著常規(guī)測(cè)量?jī)x器(如全站儀)不可比擬的優(yōu)點(diǎn)。

2)快速靜態(tài)定位模式要求GPS接收機(jī)在每一流動(dòng)站上，靜止地進(jìn)行觀測(cè)。在觀測(cè)過(guò)程中，同時(shí)接收基準(zhǔn)站和衛(wèi)星的同步觀測(cè)數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)解算整周未知數(shù)和用戶站的三維坐標(biāo)，如果解算結(jié)果的變化趨于穩(wěn)定，且其精度已滿足設(shè)計(jì)要求，便可以結(jié)束實(shí)時(shí)觀測(cè)。一般應(yīng)用在控制測(cè)量中，如控制網(wǎng)加密;若采用常規(guī)測(cè)量方法(如全站儀測(cè)量)，受客觀因素影響較大，在自然條件比較惡劣的地區(qū)實(shí)施比較困難，而采用RTK快速靜態(tài)測(cè)量，可起到事半功倍的效果。單點(diǎn)定位只需要5～10 min(隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，定位時(shí)間還會(huì)縮短)，不及靜態(tài)測(cè)量所需時(shí)間的1/5，在公路測(cè)量中可以代替全站儀完成導(dǎo)線測(cè)量等控制點(diǎn)加密工作。

3.RTK用于控制測(cè)量

由于RTK測(cè)量在20 km內(nèi)點(diǎn)位平面標(biāo)稱精度為±3 cm，根據(jù)控制測(cè)量規(guī)范要求Ⅰ級(jí)導(dǎo)線點(diǎn)的點(diǎn)位誤差為±5 cm，從理論上講RTK測(cè)量完全可以滿足Ⅰ級(jí)以下導(dǎo)線點(diǎn)的技術(shù)規(guī)范要求。在某工程道路放樁RTK測(cè)量中，我們對(duì)距離基準(zhǔn)站1～6 km的一些四等GPS控制點(diǎn)采用一點(diǎn)法進(jìn)行檢核比較，結(jié)果表明平面坐標(biāo)分量最大差值為3.1 cm，高程最大差值為4.9 cm，完全符合Ⅰ級(jí)導(dǎo)線點(diǎn)的規(guī)范精度要求。某工程1∶1 000數(shù)字地形圖測(cè)繪任務(wù)，測(cè)區(qū)長(zhǎng)約7 km，寬0.7 km，面積約5 km2。整個(gè)測(cè)區(qū)采用Ashtech Z-X雙頻GPS接收機(jī)，用靜態(tài)法共布測(cè)了5個(gè)四等GPS點(diǎn)，21個(gè)一級(jí)GPS點(diǎn)，點(diǎn)位均勻分布，最弱點(diǎn)點(diǎn)位中誤差 Mx為 ±4.0 cm，My為 ±3.9 cm，并聯(lián)測(cè)了四等水準(zhǔn)高程。為了進(jìn)一步檢核Ashtech Z-X雙頻GPS系統(tǒng)的測(cè)量精度，采用GPS控制點(diǎn)聯(lián)測(cè)法均勻地檢測(cè)了其中12個(gè)GPS控制點(diǎn)，基準(zhǔn)站布設(shè)在測(cè)區(qū)中間。GPS測(cè)量坐標(biāo)值與靜態(tài)聯(lián)測(cè)法坐標(biāo)值的較差X坐標(biāo)中誤差為±3.1 cm，Y坐標(biāo)中誤差為 ±2.3 cm，H高程中誤差為 ±5.0 cm，結(jié)果完全可滿足Ⅰ級(jí)導(dǎo)線點(diǎn)(5點(diǎn)以下)的規(guī)范精度要求。盡管GPS測(cè)量的標(biāo)稱精度及實(shí)測(cè)精度完全滿足Ⅰ級(jí)導(dǎo)線點(diǎn)5點(diǎn)以下的規(guī)范精度要求，但目前的規(guī)范對(duì)利用GPS測(cè)量進(jìn)行Ⅰ級(jí)導(dǎo)線甚至更高精度的控制測(cè)量，其采集數(shù)據(jù)的方法、數(shù)量等還沒(méi)有明確的規(guī)定，因此還需要用大量的實(shí)踐來(lái)證實(shí)。實(shí)際測(cè)量中還必須采取足夠的檢核手段，確保測(cè)量的準(zhǔn)確性。

三、應(yīng)用RTK作業(yè)應(yīng)注意的問(wèn)題

1)GPS作業(yè)時(shí)由于每個(gè)測(cè)點(diǎn)都是獨(dú)立的觀測(cè)量，缺乏相關(guān)聯(lián)的檢核手段，因此，在作業(yè)前后，在測(cè)區(qū)內(nèi)找均勻分布的已知控制點(diǎn)進(jìn)行檢核，是目前較好的檢核手段。

2)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換方法，如控制聯(lián)測(cè)法、單點(diǎn)法等所測(cè)量的點(diǎn)位精度不同，作業(yè)時(shí)應(yīng)依據(jù)任務(wù)要求、測(cè)區(qū)大小使用不同的方法。

3)RTK采用VHF超高頻無(wú)線電波作數(shù)據(jù)鏈，容易受到電信發(fā)射塔、無(wú)線電臺(tái)、高壓電等干擾以及地形起伏條件的影響。因此，基準(zhǔn)站應(yīng)盡可能遠(yuǎn)離干擾源，并位于地勢(shì)高處。

4)RTK系統(tǒng)測(cè)量時(shí)儀器的連線電纜配件較多，特別是基準(zhǔn)站發(fā)射電臺(tái)的鞭狀天線價(jià)格昂貴且目前國(guó)內(nèi)沒(méi)有替代產(chǎn)品，因此注意保護(hù)儀器、防止人為丟失及損壞而影響工作正常進(jìn)行也是值得注意的問(wèn)題。

四、結(jié)束語(yǔ)

RTK實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量技術(shù)是繼GPS全球定位技術(shù)之后，測(cè)量領(lǐng)域的又一次技術(shù)革命。它改變了傳統(tǒng)的測(cè)量模式，能夠?qū)崟r(shí)提供厘米級(jí)定位精度，能夠在不通視的條件下遠(yuǎn)距離傳輸三維坐標(biāo)。應(yīng)用于城市測(cè)量中，RTK能夠快速準(zhǔn)確地布設(shè)控制點(diǎn)，彌補(bǔ)由于城市日星月異的發(fā)展所造成低等級(jí)導(dǎo)線點(diǎn)毀壞的損失，減輕由于城市高速發(fā)展而給測(cè)繪人員造成的時(shí)間壓力。RTK測(cè)量需要的測(cè)量人員少，作業(yè)時(shí)間短，工作效率高，并且RTK測(cè)量成果都是獨(dú)立觀測(cè)值，不會(huì)像常規(guī)測(cè)量那樣造成誤差積累。當(dāng)然，RTK技術(shù)快速、靈活的作業(yè)方式有賴于足夠的衛(wèi)星數(shù)、穩(wěn)健的數(shù)據(jù)鏈、較小的多路徑效應(yīng)等外界條件，在城市環(huán)境下更顯得突出，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)無(wú)法正常作業(yè)的情況，這就需要不斷完善RTK技術(shù)，探討先進(jìn)的作業(yè)方式。隨著RTK技術(shù)的日趨成熟，它必將會(huì)更好地服務(wù)于城市測(cè)量。

［1］周忠漠，易杰軍，周琪.GPS衛(wèi)星測(cè)量原理與應(yīng)用［M］.北京:測(cè)繪出版社，1997.

［2］徐紹銓.GPS測(cè)量原理及應(yīng)用［M］.修訂版.武漢:武漢大學(xué)出版社，2000.

［3］沈?qū)W標(biāo).工程測(cè)量專業(yè)發(fā)展的探討［J］.現(xiàn)代測(cè)繪，1996(4):37-38.

On Urban Engineering Survey Based on Real-time Kinematic Technique

YANG Weilin

0494-0911(2010)11-0036-02

P258

B

2010-03-05

楊維林(1977—)，男，貴州安順人，工程師，主要從事城市工程測(cè)量工作。