苑慶中，李 莉

(山東省聊城市水利局，山東 聊城 252000)

GPS在南水北調(diào)工程測量中的應(yīng)用

苑慶中，李 莉

(山東省聊城市水利局，山東 聊城 252000)

GPS和RTK已是非常成熟的測量技術(shù)，在長跨度的帶狀測區(qū)中將二者結(jié)合，利用GPS的靜態(tài)定位技術(shù)進行首級控制，用RTK技術(shù)進行斷面基樁放樣及施測，在南水北調(diào)東線一期魯北段的5標段斷面復(fù)測中得到很好應(yīng)用，實踐表明E級GPS網(wǎng)二維約束平差精度遠優(yōu)于規(guī)范要求，RTK測量成果，經(jīng)用多種常規(guī)測量手段檢查后，其精度較高。GPS和RTK相結(jié)合的關(guān)鍵技術(shù)是整周模糊度的確定，差分數(shù)據(jù)的傳輸，坐標轉(zhuǎn)換參數(shù)的未定三個方面。RTK作業(yè)距離受衛(wèi)星狀況、天氣狀況、數(shù)據(jù)傳輸狀況等影響，應(yīng)使各點與基準站電臺準“電磁波通視”。

GPS(RTK);南水北調(diào);靜態(tài)定位;斷面基樁測量;精度分析

1 工程概況

南水北調(diào)東線一期工程魯北段主要利用小運河、七一河和六五河輸水。工程于2011年4月開工，單位承擔(dān)了第5標段的斷面復(fù)測任務(wù)，該標段橫跨馬頰河，總長度12.5 km。測區(qū)位于山東省聊城市的中北部，地面平均海拔30 m左右。位于東經(jīng) 116°，北緯 36°03'～32'，地勢平坦，平均海拔約 33 m。有些村莊緊靠河道堤岸，不便于通視，水工建筑物較多，人工地形地貌比較復(fù)雜，若用傳統(tǒng)的測量方法，效率低且費時、費力。用GPS靜態(tài)定位技術(shù)進行首級控制，用RTK技術(shù)進行斷面基樁放樣及施測。

2 GPS控制測量

2.1 設(shè)備介紹

本次測量使用3臺套拓普康公司的 TopCon HiPer雙頻RTK GPS接收機。整周模糊度初始化采用 OTF(L1，L1/L2)技術(shù)，發(fā)射和接收電臺是內(nèi)置 PDL電臺，采用 UHF通訊，速率為38 400 b/s，使用標準天線的35 W基準站電臺，作業(yè)距離可達20 km左右，靜態(tài)定位精度:平面3mm+1ppm×D;高程5mm+1ppm×D;RTK實時定位精度:平面:10mm+1.5ppm ×D;高程:20mm+1.5ppm ×D，F(xiàn)C－1000測量手簿具有300 MIPS超快運算速度的 Hitachi SH4微處理器162.2 mHz。

根據(jù)斷面復(fù)測及施工測量的具體任務(wù)要求和測區(qū)地形、交通狀況收集測區(qū)資料并分析研究、現(xiàn)場踏勘、按優(yōu)化設(shè)計原則和相關(guān)規(guī)范的要求進行圖上網(wǎng)形設(shè)計。根據(jù)衛(wèi)星星歷預(yù)報，制訂了合理的觀測計劃，對個別有較多或較大障礙物的測站，需要評估障礙物對GPS觀測可能產(chǎn)生的不良影響。對儀器的基座圓水準器和光學(xué)對中器、信號燈、按鍵和顯示系統(tǒng)、接收機鎖定衛(wèi)星時間長短、信號強弱等項目進行檢驗，完全合乎要求。

2.2 E級 GPS網(wǎng)測量

控制網(wǎng)平面坐標采用1954年北京坐標系，3°分帶，中央經(jīng)線為東經(jīng)117°，高程系采用1985國家高程基準。根據(jù)測區(qū)是帶狀特點，布設(shè)11個 GPS點，聯(lián)測6個已知 D級 GPS點，分別為 GB71、GB74、LB154、LB156、GB95、LB168，點位分布均勻，控制點選取恰當(dāng)。將 GB71、GB74、LB154、LB156、LB168五點作為強制約束的固定點，以LB167作為檢核點，以邊連接布網(wǎng)形式，采用靜態(tài)定位模式觀測，衛(wèi)星截止高度角為15°，同時觀測有效衛(wèi)星數(shù)≥4，觀測時段數(shù)≥1.6，時段長度≥45 min，儀器對中誤差不大于3 mm，在天線互為120°方向上量取的天線高互差小于3 mm，選點埋石等各項操作嚴格按照相關(guān)規(guī)范要求施測，為了進行GPS高程擬合，在GPS網(wǎng)中聯(lián)測均勻分布于測區(qū)的5個Ⅲ等精度水準點。

內(nèi)業(yè)基線解算與平差計算均采用隨機 Pinnacle V1.07軟件進行?；€解算模型選擇 L1＆L2c模型，三維無約束平差后的基線向量改正數(shù) VΔX，VΔY，VΔZ≤3σ 在進行約束平差前對已知點的兼容性進行檢驗，基線分量的改正數(shù)與經(jīng)過粗差剔除后的無約束平差結(jié)果的同一基線相應(yīng)改正數(shù)較差的絕對值 dVΔX，dVΔY，dVΔZ≤2σ。經(jīng)過基線解算和數(shù)據(jù)處理，E 級GPS網(wǎng)的同步環(huán)坐標分量閉合差最大dX=0.001 9 m dY=0.002 m、最大環(huán)閉合差 0.004 5 m，相對閉合差 1/7309163等各項精度遠優(yōu)于規(guī)范要求。

表1 E級GPS網(wǎng)二維約束平差精度統(tǒng)計表 cm

表2 E級GPS網(wǎng)二維約束平差基線邊長精度統(tǒng)計表

本測區(qū)布設(shè)的E級GPS網(wǎng)還擬合了區(qū)域大地水準面。通常的方法是:1)采用一定密度及合理分布的GPS水準高程聯(lián)測點(即GPS點上聯(lián)測高程點)，用數(shù)學(xué)手段擬合區(qū)域大地水準面。2)利用區(qū)域地球重力場模型來改化GPS大地高為水準高。本測區(qū)用 GPS聯(lián)測5個 III等精度水準點為已知點。擬合時將高程異常表示為二次多項式的形式擬合區(qū)域大地水準面，求解其他控制點高程。平差后內(nèi)符合精度基于0.880E+00(cm)，說明高程擬合得很好。

2.3 GPS RTK進行斷面基樁測量

由于測區(qū)路線長達12.5 km，考慮到儀器的作業(yè)半徑和測量精度等因素，全線建立了2個基準站，平均每個基站作業(yè)半徑為3.5 km。求轉(zhuǎn)換參數(shù)時各基準站聯(lián)測的平面和高程控制點數(shù)量均≥7個，且均勻分布于測區(qū)，各基準站轉(zhuǎn)換參數(shù)的 H和 V參差均在厘米級，尺度比ρ值很接近于1，∣ ρ－1∣＜1/40 000，保證了測量成果的精度。

圖1 控制網(wǎng)網(wǎng)形圖

為了保證整個控制網(wǎng)在坐標系統(tǒng)上的一致統(tǒng)一，每次架設(shè)基準站時都要求解轉(zhuǎn)換參數(shù)，通常的做法是每個基準站聯(lián)測7個以上的能覆蓋整個測區(qū)的均勻分布的平面和高程控制點，由系統(tǒng)內(nèi)部自動求解。首先將欲作為RTK測量聯(lián)測控制點的E級GPS點的三維坐標輸入計算機，檢查無誤后，用傳輸電纜導(dǎo)入FC－1000手簿。比較分析控制點的地理位置，從中選取地勢較高、無遮擋的控制點作為基準站的架設(shè)點，并且這些點必須遠離大功率無線電發(fā)射臺、變電站、高壓輸電線等無線電干擾源，以避免其周圍磁場對GPS衛(wèi)星信號的干擾影響?；鶞收炯茉O(shè)后，對基準站及電臺進行必要的設(shè)置，待FC－1000手簿的屏幕提示“基準站設(shè)置成功并已經(jīng)開始工作”，拔下手簿與基準站接收機的連接電纜，用另一臺接收機進行E級GPS點的聯(lián)測，完成上述操作后，手簿內(nèi)部自動進行轉(zhuǎn)換參數(shù)的求解，然后就可進行具體的測量工作。有時為了提高工作效率，常常是先求出轉(zhuǎn)換參數(shù):將控制點的54系坐標和WGS－84坐標直接輸入到手簿求解轉(zhuǎn)換參數(shù)。架設(shè)基準站時，可以架在已知點上也可以架在未知點上，后者選點較為靈活但設(shè)置時增加了自動定位的步驟。因為測區(qū)呈帶狀，需架設(shè)2個基準站，為使各站成果保持高度一致，相鄰測站求轉(zhuǎn)換參數(shù)時聯(lián)測的控制點都有2個相同的點。

根據(jù)經(jīng)驗，在測量過程中要時刻注意手簿屏幕上系統(tǒng)的狀態(tài)，基準站和流動站之間的共用衛(wèi)星應(yīng)不少于5顆，電臺連接不低于70%，每個測點要取15個歷元以上的觀測值，要等到電臺連接達95%以上，公共衛(wèi)星多于5顆時取固定解，如兩次測量結(jié)果平面≤2 cm，高程≤3 cm取平均數(shù)，基準站和流動站的距離一般不要超過5 km。

2.4 斷面樁測量

在野外用FC－1000手簿隨機程序隨時算出相鄰控制點的間距，斷面樁距離丈量用手簿的線放樣功能測設(shè)了5～20 m斷面樁，并測量了各個樁的三維坐標，方便了斷面測量工作，節(jié)省了距離丈量的人力、物力，提高了工作效率和經(jīng)濟效益。

2.5 精度分析

在GPS測量工作完成后，為了檢查GPS RTK技術(shù)測量成果的精度，隨機選擇了兩段進行了一級導(dǎo)線測量和四等水準測量，各項操作都是嚴格按照《水利水電工程測量規(guī)范》的要求執(zhí)行，RTK測量的平面坐標和高程與一級導(dǎo)線和四等水準高程部分成果比較見表3。

除了用常規(guī)測量手段與RTK測量成果比較外，還在不同的基準站對部分點進行了測量試驗，兩個基準站的測量成果見表4。

2.6 作業(yè)中的問題及對策

求解轉(zhuǎn)換參數(shù)聯(lián)測的控制點要能覆蓋整個測區(qū)，分布要均勻合理，還要有足夠的數(shù)量，求解轉(zhuǎn)換參數(shù)的殘差應(yīng)在厘米級。

在通過橋涵或高大樹林時會出現(xiàn)失鎖的情況，重新初始化后要在已測點位或高等級控制點進行檢核，確認無誤后再進行測量。

基準站要架在盡量高且開闊的地方，附近不要有無線電信號干擾源，流動站在采集數(shù)據(jù)時要避免晃動，要時刻關(guān)注系統(tǒng)狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)問題及時采取相應(yīng)措施，要保證儀器及電瓶的電量充足。

將流動站的作業(yè)半徑控制在5 km以內(nèi)，架設(shè)多個基準站時，求轉(zhuǎn)換參數(shù)聯(lián)測的控制點相鄰的基站至少要有2個公共點，以保證整個測區(qū)坐標系統(tǒng)的統(tǒng)一。

表3 RTK測量的平面坐標和高程與一級導(dǎo)線和四等水準高程部分成果比較 m

表4 兩個基準站的測量成果比較

3 結(jié)語

GPS RTK測量的關(guān)鍵技術(shù)是整周模糊度的確定、差分數(shù)據(jù)的傳輸、坐標轉(zhuǎn)換參數(shù)的求定，RTK系統(tǒng)的質(zhì)量越高，其初始化能力越強，受環(huán)境的限制越小，所需時間越短，精度越高。

RTK作業(yè)距離受衛(wèi)星狀況、天氣狀況、數(shù)據(jù)鏈傳輸狀況影響，應(yīng)盡量使各點與基準站電臺準“電磁波通視”。

坐標轉(zhuǎn)換參數(shù)有區(qū)域性、時間性、完整性等特點，要根據(jù)工程的具體情況，選擇適當(dāng)?shù)膮?shù)。

由本次作業(yè)可以看出，GPS RTK技術(shù)在帶狀工程中也得到了很好的應(yīng)用，其精度和可靠性也相當(dāng)好，很大程度上提高了工作效率和經(jīng)濟效益，在以后類似工程中值得推廣。

［1］徐紹銓，張華海，楊志強，王澤民編著.GPS測量原理及應(yīng)用［M］.武漢大學(xué)出版社.1998.

［2］SL52－93.水利水電工程施工測量規(guī)范［S］.

［3］GB/T 18314－2009.全球定位系統(tǒng)(GPS)測量規(guī)范［S］.

［4］CJJ/T 73－2010.衛(wèi)星定位城市測量規(guī)范［S］.

S275.9

B

1004－1184(2012)05－0153－02

2012－05－02

苑慶中(1978－)，男，河南周口人，工程師，主要從事工程測量、GPS應(yīng)用及數(shù)據(jù)處理等工作。