李景

摘要：城市管線設(shè)施的測(cè)量和定位均是市政建設(shè)管理中的重要內(nèi)容，幾年來(lái)隨著測(cè)繪技術(shù)的不斷發(fā)展革新，基于GPS、COPS等測(cè)量定位方法的應(yīng)用很大程度上提高市政人員的工作效率和準(zhǔn)確度，同時(shí)降低了操作的難度。但是基于不同平臺(tái)的測(cè)量定位方法其優(yōu)缺點(diǎn)各有不同，因此在實(shí)踐操作過(guò)程中可以將多種測(cè)定方法聯(lián)合使用，在規(guī)避其缺點(diǎn)的同時(shí)確保測(cè)繪的精確度和效率，本文則簡(jiǎn)單探討GPS-RTK協(xié)同全站儀在城市管線設(shè)施測(cè)量定位中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：城市管線設(shè)施；全站儀；GPS-RTK；精確度

中圖分類號(hào)：TU990.3文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1674-3024（2016）09-156-02

前言

隨著國(guó)內(nèi)城鎮(zhèn)化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，城市的數(shù)量和規(guī)模日益擴(kuò)大，為了滿足居民的生活、生產(chǎn)等需求，城市間管線如水管道、電路、燃?xì)獾扰挪荚絹?lái)越密集和復(fù)雜；與此同時(shí)被稱之為“生命線”的城市管線設(shè)施肩負(fù)能源、水資源、電、數(shù)據(jù)信息等的傳輸和傳送功能，是整個(gè)城市得以快速、健康、穩(wěn)定發(fā)展的保證。所以一旦設(shè)施出現(xiàn)人為、自然破損，市政工作者需要快速定位和響應(yīng)，本文則簡(jiǎn)單探討傳統(tǒng)全站儀測(cè)定聯(lián)合基于GPS的GPS-RTK測(cè)量定位法在城市管線測(cè)定中的應(yīng)用。

1.全站儀、GPS-RTK測(cè)定方法的基本原理

1.1全站儀的基本原理

全站型電子速測(cè)儀簡(jiǎn)稱“全站儀”，其主要有3個(gè)功能即距離測(cè)定、角度測(cè)定和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)距離、角度自動(dòng)測(cè)量，同時(shí)快速測(cè)算高度差、水平距以及坐標(biāo)增量，所測(cè)量和計(jì)算的數(shù)據(jù)均自動(dòng)顯示、傳輸和儲(chǔ)存。全站儀使用極坐標(biāo)方式獲取待定點(diǎn)的坐標(biāo)數(shù)據(jù)，即以測(cè)站為中心，借助故障發(fā)生位置附近的己知方向，測(cè)量故障點(diǎn)和已知方向問(wèn)的夾角最終計(jì)算出所求點(diǎn)的實(shí)際距離。

全站儀的優(yōu)點(diǎn)即集合了水平距離測(cè)定、角度測(cè)定、高差測(cè)定、數(shù)據(jù)計(jì)算/傳輸/存儲(chǔ)等功能；其缺點(diǎn)也比較明顯，即很容易受到通視條件、地形條件等客觀因素的影響。比如某些地區(qū)測(cè)站不能直接使用儀器進(jìn)行觀測(cè)，相應(yīng)的極坐標(biāo)的使用受限，必須配合其他測(cè)量方法確定坐標(biāo)，增加了測(cè)量、定位的難度。

1.2 GPS-RTK的基本原理

RTK是以載波相位觀測(cè)值的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)進(jìn)行定位的新技術(shù)，其將數(shù)字通訊、計(jì)算機(jī)、GPS技術(shù)、無(wú)線電技術(shù)等集合在一起形成了功能齊全的系統(tǒng)。近幾年隨著測(cè)繪技術(shù)的突飛猛進(jìn)，RTK技術(shù)在發(fā)展的過(guò)程中日趨成熟，現(xiàn)如今用戶只需單手操作GPS接收設(shè)備，便可以實(shí)現(xiàn)任何等級(jí)的快速定位，最精密的定位甚至可以超越毫米級(jí)（nun級(jí)），大幅度提升了測(cè)繪的精確度和效率。

RTK的原理是在基準(zhǔn)站上放置一個(gè)接收機(jī)，然后將其他的接收機(jī)放置于流動(dòng)站上，接收機(jī)所接收的信號(hào)均是同時(shí)、同衛(wèi)星所發(fā)射，獲得觀測(cè)值之后和已知位置信息進(jìn)行對(duì)比計(jì)算出差分改正值。再將計(jì)算出的改正實(shí)時(shí)傳輸給流動(dòng)站促使所檢測(cè)的數(shù)值更為精確。

2.全站儀聯(lián)合GPS-RTK定位測(cè)量系統(tǒng)的構(gòu)建

由于GPS-RTK技術(shù)必須確?；鶞?zhǔn)站上方無(wú)遮擋物，所以為了避免各種客觀因素對(duì)定位測(cè)量工作造成的影響，可以使用全站儀和RTK技術(shù)聯(lián)合構(gòu)建一套適用于任何地形且能夠克服-任何客觀條件的定位測(cè)量系統(tǒng)。其全站儀RTK技術(shù)定位測(cè)量系統(tǒng)的作業(yè)流程，詳見圖1所示。合適的測(cè)量系統(tǒng)，然后分別由2個(gè)系統(tǒng)測(cè)量出待定點(diǎn)的數(shù)據(jù)，然后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算處理，最終完成圖形編輯計(jì)算出發(fā)生損壞的管線位置，派遣市政人員前去維修。

3.應(yīng)用實(shí)例分析

3.1任務(wù)概況

本次任務(wù)是對(duì)我國(guó)沿海某城市在進(jìn)行的市政規(guī)劃和地下管線建設(shè)和管理過(guò)程，開展地下管線網(wǎng)絡(luò)定期檢查維修工作。檢查的范圍包括該市新建的兩條市政道路，包括道路延伸的街巷等。檢查維修的管線包括給排水、居民/工廠用電線路、辦公家居的電信線路等；分別檢查管線數(shù)量、負(fù)載、埋藏深度等數(shù)據(jù)。管線探測(cè)點(diǎn)的高程、平面坐標(biāo)等數(shù)據(jù)全部采用全解析方式予以測(cè)定；彩色管線測(cè)繪圖則利用數(shù)字成圖技術(shù)按照1：1000的比例繪制。

3.2測(cè)定區(qū)域的情況介紹

該市位于我國(guó)東南沿海地區(qū)，該地區(qū)地形以濱海平原、丘陵和臺(tái)地為主，地勢(shì)由西北逐漸向東南方傾斜，地勢(shì)的構(gòu)成類型多樣化，比如高低丘、灘涂、中低山等。年降水量在1200mm左右，雨季分布在5月18月份。由于經(jīng)濟(jì)特區(qū)的緣故，該市已成為了兩岸具有現(xiàn)代化服務(wù)合作示范區(qū)、金融服務(wù)中心和貿(mào)易中心等，經(jīng)濟(jì)相對(duì)比較發(fā)達(dá)，全市境內(nèi)氣溫適宜、環(huán)境優(yōu)美、高樓林立。測(cè)量區(qū)域有1985年國(guó)家高程基準(zhǔn)的Ⅱ等、Ⅲ等水準(zhǔn)點(diǎn)成果資料，依據(jù)這些資料作為起算數(shù)據(jù)。

3.3測(cè)定操作的依據(jù)

①《城市地下管線探測(cè)技術(shù)相關(guān)規(guī)程》2003版，文件號(hào)為CJJ61；②《GPS城市測(cè)量技術(shù)規(guī)程》1997版，文件號(hào)為CJJ73；③不同比例地形圖式；④測(cè)繪產(chǎn)品驗(yàn)收和評(píng)定的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)定，1995版。

3.4設(shè)備儀器的準(zhǔn)備

①本次任務(wù)中使用的GPS-RTK接收器型號(hào)為Trimble46001s，共使用該種接收器7套，測(cè)定任務(wù)時(shí)均設(shè)置為精測(cè)模式，即垂直精度為10mm±lppm；水平精度為5mm±lppm；②全站儀由天寶測(cè)繪儀器生產(chǎn)有限公司提供的型號(hào)為M3的設(shè)備，共4臺(tái)設(shè)備，角度精度控制在±5”，距離精度為2mm～2ppm。

3.5作業(yè)過(guò)程

3.5.1測(cè)量控制

大量工程實(shí)例和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)均表明，基于GPS的RTK測(cè)定系統(tǒng)都能夠滿足圖根控制的高要求。RTK系統(tǒng)精度控制在合理范圍內(nèi)其信號(hào)接收的半徑<5km，如果接收到衛(wèi)星的數(shù)量≥5個(gè)，則獲得的三維坐標(biāo)測(cè)量精度便能夠滿足任務(wù)要求。市面上常使用的TrimbleA6001S型號(hào)的RTK接收器，其高程精度可以達(dá)到lOmm±lppm，而水平精度則可以達(dá)到5mm±lppm的要求。

RTK系統(tǒng)進(jìn)行圖根控制時(shí)有幾個(gè)要點(diǎn)需要特別注意：首先，觀測(cè)結(jié)果盡量使用多歷元類型，然后計(jì)算其平均值，從而消除因?yàn)橥饨绺蓴_因素（如偶然噪音、電磁波等）的影響，盡可能的提升定位的精確度；其次，觀測(cè)點(diǎn)區(qū)域視野必須足夠的開闊，周圍沒(méi)有任何高大植被、房屋、工程建筑等，同時(shí)觀測(cè)點(diǎn)地勢(shì)要明顯較高且交通相對(duì)比較便利（便于儀器設(shè)備的運(yùn)送）；再者，控制點(diǎn)的數(shù)量設(shè)置上必須盡可能的科學(xué)、合理，避免后期再進(jìn)行支點(diǎn)，影響觀測(cè)進(jìn)度；最后在使用RTK系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)定時(shí)需要使用全站儀對(duì)其控制點(diǎn)進(jìn)行檢驗(yàn)、核對(duì)，降低其他因素的影響。

3.5.2碎步測(cè)量

根據(jù)地形、環(huán)境等因素合理的選擇測(cè)量定位系統(tǒng)，比如相對(duì)開闊區(qū)域直接由單人持RTK系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量并采集存儲(chǔ)數(shù)據(jù)；若測(cè)量點(diǎn)有植被、建筑遮擋則先使用RTK確定坐標(biāo)，再使用全.站儀結(jié)合測(cè)計(jì)法進(jìn)行作業(yè)。

碎步測(cè)量的作業(yè)過(guò)程主要包括4個(gè)步驟，①啟動(dòng)基準(zhǔn)站。首先將基準(zhǔn)站架設(shè)于開闊地帶（即基準(zhǔn)站上方空曠，且周圍沒(méi)有強(qiáng)電磁的干擾），然后將各個(gè)儀器的線路連接并打開電源開關(guān)，并將測(cè)量模式調(diào)整為動(dòng)態(tài)測(cè)量。②定義坐標(biāo)系統(tǒng)。工程項(xiàng)目確定好之后，需要另建一個(gè)文件夾，將測(cè)量?jī)x器中的參數(shù)設(shè)置歸納整理并存檔于文件夾中，文件的格式有*cot、*dat、*ini等。③點(diǎn)校正。RTK測(cè)量系統(tǒng)多是基于WCS-84坐標(biāo)，但是工程實(shí)踐中實(shí)時(shí)顯示地域獨(dú)立坐標(biāo)系或者國(guó)家坐標(biāo)系，為了滿足測(cè)量的需求則應(yīng)該滿足各種坐標(biāo)系的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)換，而轉(zhuǎn)換系統(tǒng)則就是校正點(diǎn)。而坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換過(guò)程中存在兩種情況：情況一，即轉(zhuǎn)換參數(shù)已知。該種情況下便可以在測(cè)量控制設(shè)備中直接輸入轉(zhuǎn)換參數(shù)，從而建立良好的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換關(guān)系。比如某城市管線測(cè)量是基于國(guó)家坐標(biāo)系統(tǒng)，以明確掌握基準(zhǔn)點(diǎn)坐標(biāo)、投影方式和橢球參數(shù)，便可以直接定義坐標(biāo)系統(tǒng)。情況二即轉(zhuǎn)換參數(shù)不知。此時(shí)便可以直接使用點(diǎn)校正方式構(gòu)建一個(gè)坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換關(guān)系，平面水準(zhǔn)點(diǎn)應(yīng)該3-4個(gè)左右。④流動(dòng)站。單點(diǎn)測(cè)量，即在頁(yè)面打開“測(cè)量”圖標(biāo)，方式選擇RTK然后再點(diǎn)開測(cè)量點(diǎn)，便可以進(jìn)行單點(diǎn)的測(cè)量任務(wù)。單點(diǎn)測(cè)量的精確度、耗時(shí)與衛(wèi)星精度、數(shù)量、精度要求密切相關(guān)；放樣測(cè)量，放樣前應(yīng)該將道路的各項(xiàng)數(shù)據(jù)輸入進(jìn)去，主要包括曲線道路、直線道路以及DTM等，初始化完成后選擇RTK測(cè)量模式，然后點(diǎn)擊放樣測(cè)量進(jìn)行作業(yè)。

3.5.3業(yè)內(nèi)數(shù)據(jù)處理

本次任務(wù)使用的軟件分別為CASS7.3軟件和Auto CAD繪圖軟件，而CASS7.3是編程人員以Auto CAD制圖軟件為平臺(tái)開發(fā)的智能型數(shù)字化地籍測(cè)量軟件。和其他測(cè)圖軟件相比CASS7.3的優(yōu)勢(shì)表現(xiàn)在其成圖功能更加快捷、便利，易于工作人員掌握和操作。在測(cè)量工作中由于全站儀、RTK坐標(biāo)數(shù)據(jù)格式與該軟件存在差異，所以為了確保測(cè)量的效率必須將數(shù)據(jù)的格式轉(zhuǎn)化和CASS7.3格式保持一致，即文件格式為+.dat，東坐標(biāo)為x坐標(biāo)，北坐標(biāo)為Y坐標(biāo)，高程則用“H”表示。

3.5.4測(cè)繪定位精度分析

首先使用RTK測(cè)量系統(tǒng)將待測(cè)點(diǎn)的東坐標(biāo)、北坐標(biāo)和高程測(cè)量出來(lái)，使用計(jì)算機(jī)直接閱讀出坐標(biāo)數(shù)值，然后對(duì)照真實(shí)數(shù)據(jù)，測(cè)量誤差最好控制在<±5cm，該任務(wù)中共有檢查點(diǎn)612個(gè)，誤差最大的為3.2cm小于±5cm的要求，因此本次任務(wù)的測(cè)量定位精度滿足相關(guān)測(cè)量規(guī)范中的基本要求。詳見表2所示。

4.結(jié)束語(yǔ)

隨著測(cè)繪技術(shù)的不斷改進(jìn)和完善，市政管線測(cè)量定位等作業(yè)精確度越來(lái)越高、工作效率也明顯得到提升。為了滿足顯示測(cè)量的需求，基于不同平臺(tái)的測(cè)量定位系統(tǒng)被人們開發(fā)和應(yīng)用，很好的解決了客觀因素對(duì)測(cè)量帶來(lái)的影響。目前施工作業(yè)實(shí)踐中常用到的測(cè)量方式有已知坐標(biāo)測(cè)量法、CORS測(cè)量法、相對(duì)測(cè)量法和RTK測(cè)量法。本文著重講解了全站儀和基于GPS開發(fā)的RTK測(cè)量系統(tǒng)，通過(guò)二者基本原理、優(yōu)缺點(diǎn)的講解，發(fā)現(xiàn)二者在城市管線測(cè)量定位作業(yè)中具有互補(bǔ)屬性，為以后的市政設(shè)施測(cè)量提供了很好的依據(jù)，能夠提升市政測(cè)量的效率和精確性。