梁家明，劉 凡

(中國(guó)水利水電第五工程局有限公司第五分局，成都，6100661)

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GPS-RTK技術(shù)在公路地形圖測(cè)繪中的應(yīng)用

梁家明，劉 凡

(中國(guó)水利水電第五工程局有限公司第五分局，成都，6100661)

介紹RTK測(cè)圖的作業(yè)流程，簡(jiǎn)要闡明它在公路地形測(cè)量中的應(yīng)用。結(jié)合國(guó)道321線納溪至瀘縣一級(jí)公路改建工程施工項(xiàng)目，利用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)成圖的過(guò)程，解決一些常見的問(wèn)題，并給出解決的辦法及依據(jù)。同時(shí)，給出一些有益的結(jié)論，以適應(yīng)實(shí)際應(yīng)用的需要。

RTK技術(shù) 作業(yè)流程 地形測(cè)量

1 工程概況

國(guó)道321線納溪至瀘縣一級(jí)公路改建工程，位于四川省瀘州市龍馬潭區(qū)、瀘縣境內(nèi)，地理坐標(biāo)東經(jīng)105°21′48″～105°23′35″，北緯28°47′22″～29°11′27″。該公路改建工程起于龍馬潭區(qū)石洞鎮(zhèn)附近，與規(guī)劃的機(jī)場(chǎng)路相接，起點(diǎn)里程K1834+095.186m，向北沿原路布線經(jīng)雙加鎮(zhèn)，后穿玉蟾山、跨瀨溪河后在瀘縣福集水竹林村與國(guó)道321線相接，終點(diǎn)里程K1858+795.406m。線路全長(zhǎng)24.9km，共有橋梁6座、隧道1座(分離式隧道)。

隨著測(cè)繪科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，利用GPS-RTK(以下簡(jiǎn)稱RTK)技術(shù)進(jìn)行數(shù)字化測(cè)繪地形圖是一種行之有效的新方法，隨著GPS系統(tǒng)的不斷改進(jìn)，已經(jīng)達(dá)到了比較滿意的精度，可以滿足常規(guī)測(cè)量的要求。RTK定位技術(shù)在測(cè)量工作中應(yīng)用越來(lái)越廣泛，也越來(lái)越受到測(cè)量工作者的重視。結(jié)合國(guó)道321線納溪至瀘縣一級(jí)公路改建工程施工，采用RTK定位測(cè)量技術(shù)，即加快了測(cè)量工作，又減小了勞動(dòng)強(qiáng)度。

2 RTK的基本原理

RTK技術(shù)是以載波相位觀測(cè)量為根據(jù)的動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)差分(Real Time Kinematic)技術(shù)，其基本思想是在基準(zhǔn)站安置一臺(tái)GPS接收機(jī)，對(duì)所有可見GPS衛(wèi)星進(jìn)行連續(xù)的觀測(cè)，并將其觀測(cè)數(shù)據(jù)(偽距和載波相位觀測(cè)值)和測(cè)站坐標(biāo)信息(如基準(zhǔn)站坐標(biāo)和天線高度)通過(guò)無(wú)線電傳輸設(shè)備，實(shí)時(shí)地發(fā)送給用戶觀測(cè)站。用戶站在完成初始化后，一方面通過(guò)數(shù)據(jù)鏈接接收來(lái)自基準(zhǔn)站的數(shù)據(jù)，另外自身也采集GPS觀測(cè)數(shù)據(jù)，在系統(tǒng)內(nèi)組成差分觀測(cè)值進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，再經(jīng)過(guò)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換和投影改正，即可給出實(shí)用的厘米級(jí)定位結(jié)果，實(shí)時(shí)計(jì)算并顯示用戶站三維坐標(biāo)。

RTK實(shí)時(shí)相對(duì)定位原理如圖1所示?；鶞?zhǔn)站把接收到的所有衛(wèi)星信息(包括偽距和載波相位觀測(cè)值)和基準(zhǔn)站的一些信息(如基站坐標(biāo)天線高等)都通過(guò)無(wú)線電通訊系統(tǒng)傳遞到流動(dòng)站，流動(dòng)站在接收衛(wèi)星數(shù)據(jù)的同時(shí)也接受基準(zhǔn)站傳遞的衛(wèi)星數(shù)據(jù)。在流動(dòng)站完成初始化后，把接收到的基準(zhǔn)站信息傳送到控制器內(nèi)，并將基準(zhǔn)站的載波觀測(cè)信號(hào)與本身接收到的載波觀測(cè)信號(hào)進(jìn)行差分處理，即可實(shí)時(shí)求得未知點(diǎn)的坐標(biāo)。數(shù)據(jù)流程如圖2所示。

圖1 RTK實(shí)時(shí)相對(duì)定位示意

圖2 RTK數(shù)據(jù)流程

3 應(yīng)用GPS-RTK技術(shù)測(cè)繪公路地形圖

3.1 建立測(cè)區(qū)平面控制網(wǎng)

根據(jù)測(cè)區(qū)范圍，用GPS靜態(tài)測(cè)量方法建立測(cè)區(qū)控制網(wǎng)，選用I08-2、I09-1、I17-1、I025、I025-1、I032作為起算坐標(biāo)，沿國(guó)道321線改線工程設(shè)計(jì)線路左右兩側(cè)布設(shè)29個(gè)加密控制點(diǎn)，相鄰點(diǎn)間距500m左右，并與國(guó)家點(diǎn)聯(lián)測(cè)，求出各控制點(diǎn)平

面坐標(biāo)，同時(shí)需考慮投影變形。公路工程在縱向有時(shí)可達(dá)到幾百km，在橫向上卻一般只有幾十m，跨越范圍廣，線路走向、地形情況千差萬(wàn)別，長(zhǎng)度變形各不相同，因此必須采取相應(yīng)的措施消弱長(zhǎng)度變形。

3.2 高程控制測(cè)量

GPS測(cè)得的大地高屬于WGS-84系統(tǒng)，因此必須采用高程擬合方法來(lái)求得正常高。而高程擬合的精度高低取決于參與擬合的水準(zhǔn)點(diǎn)的個(gè)數(shù)及分布的均勻程度。

3.3 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)的確定

由于所在區(qū)域地理環(huán)境的特殊性,采用常規(guī)測(cè)量方法很難在短時(shí)間內(nèi)完成如此大工作量的測(cè)量工作,因此采用了先進(jìn)的GPS-RTK技術(shù)。使用的儀器為南方靈銳S86型GPS雙頻接收機(jī),利用各個(gè)控制點(diǎn)的大地經(jīng)緯度和測(cè)算的當(dāng)?shù)刈鴺?biāo),在內(nèi)業(yè)中計(jì)算得到坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù),直接將參數(shù)輸入測(cè)量控制器。實(shí)踐證明,這種方法計(jì)算得到的參數(shù)準(zhǔn)確、浪費(fèi)時(shí)間較少。得到參數(shù)后,在現(xiàn)場(chǎng)核查測(cè)量控制點(diǎn)。將GPS靜態(tài)觀測(cè)成果與RTK觀測(cè)成果進(jìn)行對(duì)比(對(duì)比結(jié)果如表1)。從表1可知,RTK定位成果能滿足公路工程中地形圖測(cè)量工作的精度要求。

表1 RTK定位結(jié)果與靜態(tài)定位結(jié)果比較

3.4 選擇作業(yè)時(shí)段

根據(jù)衛(wèi)星可見預(yù)報(bào)和天氣預(yù)報(bào)選擇最佳觀測(cè)時(shí)段，衛(wèi)星的幾何分越好，定位精度就越高，根據(jù)預(yù)測(cè)結(jié)果合理安排工作計(jì)劃。

3.5 外業(yè)數(shù)據(jù)采集

對(duì)于開闊的地段(主要是田野、公路、河流、溝、渠、塘等)，直接采用RTK進(jìn)行全數(shù)字野外數(shù)據(jù)采集,實(shí)地繪制地形草圖；對(duì)于樹木較多或房屋密集的村莊等，采用RTK給定圖根點(diǎn)位，利用全站儀采集地形地物等特征點(diǎn)，實(shí)地繪制草圖。

RTK作業(yè)的具體操作：(1)采用RTK技術(shù)進(jìn)行碎部點(diǎn)采集，所采集的數(shù)據(jù)為當(dāng)?shù)仄矫孀鴺?biāo)；(2)應(yīng)用RTK采集碎部點(diǎn)時(shí)，遇到一些對(duì)衛(wèi)星信號(hào)有遮蔽的地帶，可采用RTK給出圖根點(diǎn)的點(diǎn)位坐標(biāo)，然后采用全站儀測(cè)碎部點(diǎn)坐標(biāo)。

3.6 RTK成果的質(zhì)量檢驗(yàn)

為了檢驗(yàn)RTK圖根點(diǎn)實(shí)際精度，RTK測(cè)量結(jié)束后，應(yīng)用徠卡全站儀實(shí)地檢查部分通視圖根點(diǎn)間的相對(duì)位置關(guān)系。檢查工作共布設(shè)了兩條附合導(dǎo)線，導(dǎo)線起算點(diǎn)為已知GPS點(diǎn)，共聯(lián)測(cè)檢查了20個(gè)圖根點(diǎn)。根據(jù)導(dǎo)線測(cè)量成果與RTK結(jié)果的較差，可算出圖根點(diǎn)相對(duì)于相鄰點(diǎn)點(diǎn)位中誤差和高程中誤差；根據(jù)數(shù)據(jù)可算出圖根點(diǎn)點(diǎn)位中誤差mp=±3.5cm，高程中誤差mh=±8.5cm，分別小于預(yù)設(shè)精度±10cm，完全符合圖根控制和碎部點(diǎn)精度要求。

3.7 內(nèi)業(yè)成圖

將野外采集的坐標(biāo)數(shù)據(jù)通過(guò)數(shù)據(jù)傳輸線傳輸?shù)接?jì)算機(jī)，根據(jù)實(shí)地繪制的草圖，在計(jì)算機(jī)上利用CASS7.0成圖軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，繪制地形圖。

4 影響RTK成果精度的因素

雖然GPS技術(shù)有著常規(guī)儀器所不能比擬的優(yōu)點(diǎn)，但經(jīng)過(guò)工程實(shí)踐證明，GPS-RTK技術(shù)存在以下幾方面不足。

4.1 受衛(wèi)星狀況限制

GPS系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案是在1973年完成的，受當(dāng)時(shí)技術(shù)限制，總體設(shè)計(jì)方案自身存在著很多不足。隨著時(shí)間推移和用戶要求的日益提高，GPS衛(wèi)星的空間組成和衛(wèi)星信號(hào)強(qiáng)度都不能滿足當(dāng)前所需，當(dāng)衛(wèi)星系統(tǒng)位置對(duì)美國(guó)是最佳的時(shí)候，世界上有些國(guó)家在某一確定的時(shí)間段仍然不能很好地被衛(wèi)星覆蓋。例如，在中、低緯度地區(qū)，每天總有兩次盲區(qū)，每次20min～30min，盲區(qū)時(shí)衛(wèi)星幾何圖形結(jié)構(gòu)強(qiáng)度低，RTK測(cè)量很難得到固定解。同時(shí)，由于信號(hào)強(qiáng)度較弱，對(duì)空遮擋比較嚴(yán)重的地方，GPS無(wú)法正常應(yīng)用。

4.2 受電離層影響

白天中午，受電離層的干擾較大，共用衛(wèi)星數(shù)少，因而初始化時(shí)間長(zhǎng)甚至不能初始化，也就無(wú)法進(jìn)行常規(guī)測(cè)量。根據(jù)我們的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，每天中午12時(shí)～13時(shí)，在RTK測(cè)量中很難得到固定解。

4.3 受數(shù)據(jù)鏈電臺(tái)傳輸距離影響

數(shù)據(jù)鏈電臺(tái)信號(hào)在傳輸過(guò)程中容易受到外界環(huán)境影響，如受高大的山峰、建筑物和各種高頻信號(hào)源的干擾，在傳輸過(guò)程中衰退嚴(yán)重，嚴(yán)重影響外業(yè)精度和作業(yè)半徑。另外，當(dāng)RTK作業(yè)半徑超過(guò)一定的距離時(shí)，測(cè)量結(jié)果誤差超限。所以，RTK的實(shí)際作業(yè)有效半徑比其標(biāo)稱半徑要小，工程實(shí)踐和專門研究都證明了這一點(diǎn)。

4.4 受對(duì)空通視環(huán)境影響

在山區(qū)、林區(qū)、城鎮(zhèn)密樓區(qū)等地進(jìn)行作業(yè)時(shí)，GPS衛(wèi)星信號(hào)被阻擋機(jī)會(huì)很多，信號(hào)強(qiáng)度較低，衛(wèi)星空間的結(jié)構(gòu)差，容易造成失鎖，重新初始化困難甚至無(wú)法完成，影響正常作業(yè)。

4.5 受高程異常問(wèn)題影響

RTK作業(yè)模式要求高程轉(zhuǎn)換必須精確，但我國(guó)現(xiàn)有的高程異常分布圖在有些地區(qū)，尤其是山區(qū)，存在著很大的誤差，甚至在有些地區(qū)還是空白。這就使得將GPS大地高程轉(zhuǎn)換至海拔高程的工作變得比較困難，精度也很難均勻，影響RTK的高程測(cè)量精度。

4.6 不能達(dá)到100%的可靠度

RTK確定整周模糊度的可靠性為95%～99%，在穩(wěn)定性方面不如全站儀。這是由于RTK較容易受衛(wèi)星狀況、天氣狀況、數(shù)據(jù)鏈傳輸狀況影響的緣故。

綜上,影響RTK成果精度的因素除上述因素外,還有受基線解算精度、基準(zhǔn)站點(diǎn)位精度、坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換精度的影響,但是在RTK作業(yè)中,基線解算精度可以達(dá)到10cm+1μmD;基準(zhǔn)站點(diǎn)位精度平均在3cm之內(nèi)；坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換精度,對(duì)于10km基線亦在3cm以內(nèi)。動(dòng)態(tài)作業(yè)由于測(cè)距偏心,天線高誤差等,一般也在3cm以內(nèi)。至于正常高擬合與內(nèi)插精度，取決于連測(cè)點(diǎn)數(shù)目與分布、擬合模型等,一般在5cm～10cm內(nèi)是能夠做到的。

5 結(jié)語(yǔ)

實(shí)踐證明，GPS-RTK測(cè)圖的方法比傳統(tǒng)的方法優(yōu)越，圖根點(diǎn)點(diǎn)位誤差不積累、不傳播，減少了人為的干預(yù)，自動(dòng)化程度較高，在很大程度上避免了人為誤差，精度得到了提高，其測(cè)量精度完全滿足地形測(cè)量的要求，用這種方法可方便、高效、可靠地完成普通地形測(cè)量工作，具有常規(guī)測(cè)量?jī)x器無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)。但是由于受衛(wèi)星信號(hào)、接收機(jī)狀態(tài)、測(cè)站周圍環(huán)境及儀器操作的影響，RTK定位有時(shí)會(huì)失真，其成果不可能100%可靠。因此，在作業(yè)中，要根據(jù)RTK技術(shù)的特點(diǎn)及測(cè)區(qū)狀況，采取有效措施，嚴(yán)格按操作規(guī)程作業(yè)，并加強(qiáng)成果的復(fù)核，以確保RTK測(cè)量成果的精確性和可靠性。

〔1〕劉基余.GPS衛(wèi)星導(dǎo)航定位原理與方法.北京：科學(xué)出版社，2003.8.

〔2〕劉大杰，施一民，過(guò) 靜.全球定位系統(tǒng)(GPS)的原理與數(shù)據(jù)處理[M].上海：同濟(jì)大學(xué)出版社，1996.

〔3〕李天文.GPS原理及應(yīng)用[M].北京：科學(xué)出版社，2003.

〔4〕王 強(qiáng)，徐 劍，全站儀與GPS共同作業(yè)方法討論[J].現(xiàn)代測(cè)繪，2009.

梁家明(1984.10-)，男，河南周口人，助理工程師，學(xué)士，從事水利水電工程施工技術(shù)與管理工作；

劉 凡(1986.1-)，男，甘肅定西人，助理工程師，本科，從事水利水電工程施工管理工作。

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2095-1809(2015)03-0059-03