彭江濤+董洪全　崔永　張開(kāi)榮

摘要：以敦煌市鳴沙山景觀大道建設(shè)工程項(xiàng)目為例，闡述了在高速施工狀態(tài)下的GPSRTK測(cè)量控制技術(shù)。項(xiàng)目位于三危山及黨河沖擊階地，地質(zhì)地貌復(fù)雜，分布不連續(xù)的帶狀沙漠、沙坑、林地、村莊等，存在經(jīng)常性的沙塵暴天氣等不利觀測(cè)因素，采用常規(guī)測(cè)量技術(shù)很難滿(mǎn)足施工進(jìn)度及質(zhì)量要求?；陔p基站GPSRTK測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用，提高了線(xiàn)路測(cè)量的效率，該技術(shù)經(jīng)筆者工程實(shí)踐，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，相信對(duì)類(lèi)似工程有一定的借鑒及參考價(jià)值。

Abstract： Taking the construction project of Mingsha Mountain Landscape Road in Dunhuang as an example， the GPSRTK measurement and control technology in high speed construction is described. The project is located in the impact terraces of Sanwei Mountain and Danghe river， where the geology and geomorphology is complex， with uneven distribution of belt desert， bunkers， woodland， villages. There are frequent dust storms and other adverse observation factors， and the conventional measurement technology is difficult to meet the construction progress and quality requirements. Based on the application of dual-base station GPSRTK measurement technology， the efficiency of line measurement is improved. The technology has achieved good economic and social benefits through the engineering practice of the author， and it is believed that it has some reference and reference value for similar projects.

關(guān)鍵詞：GPSRTK；沙漠區(qū)域；參數(shù)轉(zhuǎn)換；公路測(cè)量

Key words： GPSRTK；desert area；parameter conversion；road survey

中圖分類(lèi)號(hào)：P228.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2017）23-0171-03

0 引言

GPSRTK技術(shù)作為數(shù)字科學(xué)與信息化高度融合的產(chǎn)業(yè)，有著不同于經(jīng)典測(cè)量的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，測(cè)站間無(wú)需通視，觀測(cè)時(shí)間短，能實(shí)時(shí)獲取待測(cè)點(diǎn)的高精度三維坐標(biāo)，在各類(lèi)工程建設(shè)，特別是公路工程施工中獲得了極大的推廣與應(yīng)用。結(jié)合具體工程實(shí)踐，對(duì)GPSRTK技術(shù)的創(chuàng)新應(yīng)用成為解決工程測(cè)量難題，實(shí)現(xiàn)技術(shù)持續(xù)革新，促進(jìn)技術(shù)向便捷化、實(shí)時(shí)化方面發(fā)展的新舉措。目前國(guó)內(nèi)GPSRTK的應(yīng)用還停留在基于儀器廠(chǎng)商開(kāi)發(fā)時(shí)形成的成套技術(shù)。對(duì)于GPSRTK技術(shù)的創(chuàng)新應(yīng)用，獲得即能夠滿(mǎn)足工程質(zhì)量和進(jìn)度要求，又能考慮到經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)的測(cè)量手段，是廣大測(cè)量從業(yè)者的探索方向。

敦煌市鳴沙山景觀大道建設(shè)工程項(xiàng)目施工過(guò)程中，通過(guò)對(duì)GPSRTK測(cè)量技術(shù)的創(chuàng)新應(yīng)用，開(kāi)發(fā)雙基站模式，以整條線(xiàn)路的施工測(cè)量為前提，在各種不利環(huán)境因素的影響下，實(shí)現(xiàn)了對(duì)沙漠區(qū)域中公路施工的準(zhǔn)確定位，提高了測(cè)量效率。

1 工程概況

敦煌市鳴沙山景觀大道建設(shè)工程項(xiàng)目起點(diǎn)位于314省道（敦煌莫高窟數(shù)字展示中心西側(cè)），終點(diǎn)與G215線(xiàn)K149+370處相交，全長(zhǎng)32.306公里。工程范圍內(nèi)設(shè)30m×10鋼混組合結(jié)構(gòu)大橋1座，涵洞136道，路基填方量約150萬(wàn)立方米，挖方量約20萬(wàn)立方米，路面采用彩色環(huán)氧樹(shù)脂薄層罩面。開(kāi)工日期2月18日，竣工日期8月20日，歷時(shí)184天。工期緊，任務(wù)重，測(cè)量難度大。

1.1 地質(zhì)地貌差異性大。帶狀線(xiàn)路分布區(qū)，穿越戈壁沙漠、砂礫采集區(qū)域、林地、村莊等，不同地質(zhì)地貌對(duì)整條線(xiàn)路觀測(cè)數(shù)據(jù)的一致性形成較大影響，沙坑、林地區(qū)域?qū)PS信號(hào)產(chǎn)生遮蔽，GPSRTK固定解獲取等待時(shí)間長(zhǎng)，精度差；多路徑效應(yīng)及長(zhǎng)時(shí)間的沙漠高溫使儀器產(chǎn)生變形，觀測(cè)質(zhì)量下降較。

1.2 環(huán)境因素影響大。沙漠區(qū)域極寒及高溫天氣，經(jīng)常性的沙塵風(fēng)暴，密集分布的電網(wǎng)，強(qiáng)磁場(chǎng)干擾等因素，增大了GPS信號(hào)發(fā)射與接受時(shí)偶然誤差影響的幾率，對(duì)觀測(cè)結(jié)果極為不利。

2 技術(shù)背景

2.1 連續(xù)運(yùn)行基準(zhǔn)站的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。連續(xù)運(yùn)行基準(zhǔn)站（Continuous Operational Reference System）簡(jiǎn)稱(chēng)CORS系統(tǒng)，基準(zhǔn)站永久固定，24h不間斷的對(duì)衛(wèi)星進(jìn)行觀測(cè)，獲取必要的數(shù)據(jù)鏈及觀測(cè)值改正信息。野外作業(yè)時(shí)不需要布設(shè)控制網(wǎng)，用戶(hù)僅需一臺(tái)GPS接收機(jī)即可獲取待測(cè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)，真正實(shí)現(xiàn)單機(jī)測(cè)量模式。鑒于CORS基準(zhǔn)站建站復(fù)雜，費(fèi)用昂貴，目前僅在中國(guó)中東部及沿海城市布設(shè)。

2.2 常規(guī)GPSRTK的測(cè)量弊端。常規(guī)GPSRTK采用基準(zhǔn)站+流動(dòng)站的測(cè)量模式，施工放樣時(shí)，先架設(shè)基準(zhǔn)站，求取測(cè)區(qū)的轉(zhuǎn)換參數(shù)。由于GPSRTK電臺(tái)的有效覆蓋范圍較小，且隨著距離的增大，信號(hào)的強(qiáng)度減弱，GPS有效解解質(zhì)量下降，且施工中不斷進(jìn)行遷站，參數(shù)求解，測(cè)量效率不高。經(jīng)測(cè)試單基站的GPSRTK測(cè)量范圍一般為10km。

2.3 雙基站GPSRTK技術(shù)的提出。綜合利用城市連續(xù)運(yùn)行基準(zhǔn)站的技術(shù)優(yōu)勢(shì)和GPSRTK測(cè)量的實(shí)時(shí)性特點(diǎn)，在線(xiàn)路合適位置選擇固定基準(zhǔn)站站點(diǎn)，進(jìn)行基準(zhǔn)站的整合和組裝，獲取全線(xiàn)路的GPS信號(hào)覆蓋，通過(guò)相對(duì)定位原理，在流動(dòng)站上得到高精度的WGS84坐標(biāo)系坐標(biāo)，求取全線(xiàn)路測(cè)區(qū)的WGS84-XIAN80坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換參數(shù)，進(jìn)行線(xiàn)路信息編輯，實(shí)現(xiàn)24h的測(cè)量技術(shù)支持，以較小的費(fèi)用代價(jià)實(shí)現(xiàn)單兵測(cè)量模式。同時(shí)，采用雙基準(zhǔn)站雙信號(hào)通道的點(diǎn)位檢核模式，提高沙漠區(qū)域不良觀測(cè)條件下的數(shù)據(jù)質(zhì)量。

3 技術(shù)應(yīng)用關(guān)鍵點(diǎn)解析

3.1 基準(zhǔn)站站點(diǎn)選擇

GPS接收機(jī)在信號(hào)接收時(shí)，由于受到衛(wèi)星星歷、衛(wèi)星鐘差、對(duì)流層折射、大氣層折射、接收機(jī)相位中心偏差、接收機(jī)鐘差、多路徑效應(yīng)等的影響，信號(hào)會(huì)發(fā)生偏差。RTK技術(shù)在基準(zhǔn)站和流動(dòng)站之間求差，根據(jù)誤差的相關(guān)性，將大量的系統(tǒng)誤差進(jìn)行補(bǔ)償或者消除。但部分誤差仍然存在，對(duì)這些誤差必須采取一定的應(yīng)對(duì)措施，回避誤差源，達(dá)到減弱誤差影響的效果。

①根據(jù)電磁波的傳輸特性，經(jīng)某些物體表面反射后到達(dá)接收機(jī)的信號(hào)，將和直接來(lái)自衛(wèi)星的信號(hào)疊加進(jìn)入接收機(jī)，使測(cè)量值產(chǎn)生誤差。選擇合適的測(cè)站，避開(kāi)易發(fā)生多路徑的環(huán)境，如建構(gòu)筑物、山坡、成片水域等是解決這一問(wèn)題的基本方法。

②在極寒、極熱環(huán)境或者受沙塵暴天氣的影響，接收機(jī)天線(xiàn)相位中心會(huì)產(chǎn)生偏差，尤其在臨時(shí)基準(zhǔn)站架設(shè)時(shí)，因風(fēng)沙的影響，基準(zhǔn)站傾斜或者移動(dòng)，都會(huì)造成包含誤差的基站信號(hào)信息發(fā)送，使移動(dòng)站接受帶有誤差的數(shù)據(jù)鏈，產(chǎn)生定位偏差，經(jīng)測(cè)試最大偏差可達(dá)10cm以上。采用強(qiáng)制對(duì)中裝置，將基準(zhǔn)站進(jìn)行固定，加強(qiáng)防護(hù)措施，減少天線(xiàn)相位中心的偏差。

③RTK流動(dòng)站對(duì)信號(hào)的接受強(qiáng)度，取決與基準(zhǔn)站信號(hào)的質(zhì)量與發(fā)射能力，也取決于周?chē)h(huán)境的影響程度，在基準(zhǔn)站布設(shè)時(shí)，充分考慮信號(hào)的發(fā)射及傳輸規(guī)律，提高信號(hào)傳輸?shù)馁|(zhì)量，增大信號(hào)的覆蓋范圍。

綜合以上考慮因素，得出站點(diǎn)選址條件：1）信號(hào)能有效覆蓋施工區(qū)域，綜合考慮測(cè)區(qū)的地形條件及施工段落內(nèi)的測(cè)量任務(wù)量，保證一個(gè)測(cè)區(qū)內(nèi)GPS信號(hào)的完全覆蓋；2）站點(diǎn)位置能夠提供穩(wěn)定的家庭電源，在條件不允許時(shí)可采用太陽(yáng)能進(jìn)行替代；3）地勢(shì)較高，便于信號(hào)發(fā)射；4）無(wú)高壓線(xiàn)，信號(hào)塔等強(qiáng)磁場(chǎng)干擾；5）避開(kāi)山坡、成片水域等易產(chǎn)生多路徑效應(yīng)的區(qū)域；6）便于管理和維護(hù)。通過(guò)合理布局，在線(xiàn)路合適里程位置架設(shè)兩座基準(zhǔn)站。選址時(shí)綜合考慮大橋施工的復(fù)雜性，在該區(qū)域形成有效發(fā)射信號(hào)的重疊區(qū)。

3.2 系統(tǒng)組裝

①混凝土基礎(chǔ)?；炷粱A(chǔ)兩座，一座用于GPS接收機(jī)固定，一座用于發(fā)射天線(xiàn)固定?；炷粱叽?0cm×40cm×40cm，GPS接收機(jī)與發(fā)射天線(xiàn)之間的最佳距離為2m，澆筑混凝土?xí)r同時(shí)預(yù)埋強(qiáng)制對(duì)中基座并保證基座處于水平狀態(tài)。

②強(qiáng)制對(duì)中基座。長(zhǎng)度300mm的Φ2螺栓3根；直徑100mm，帶螺栓孔的鋼板一塊，底部三個(gè)螺孔與腳螺栓連接，頂部螺孔與GPS連接桿對(duì)接。

③系統(tǒng)連接組裝。采用穩(wěn)定的家庭電源供電，蓄電瓶作為穩(wěn)壓源并提供斷電時(shí)的臨時(shí)電源供應(yīng)，安裝避雷針，防止雷電干擾，系統(tǒng)連接順序?yàn)椋杭彝ル娫础孀兤鳌?蓄電瓶→GPS接收機(jī)→電臺(tái)→發(fā)射天線(xiàn)。

④其他附屬用具。電筆用于電壓測(cè)試；電箱用于電瓶、變壓器、插座等的封閉保護(hù)；薄層塑料紙用于融雪、雨水、風(fēng)沙等防護(hù)措施。

3.3 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)求解

各施工段落的地形地貌不同，將整個(gè)測(cè)區(qū)的轉(zhuǎn)換參數(shù)用于標(biāo)段施工會(huì)造成局部偏差；常規(guī)RTK測(cè)量時(shí)，需要不斷求解轉(zhuǎn)換參數(shù)，浪費(fèi)大量時(shí)間，降低了觀測(cè)效率。雙基站GPSRTK測(cè)量模式采用分段求參方法，將整條線(xiàn)路劃分為三個(gè)測(cè)區(qū)，每個(gè)測(cè)區(qū)施工前單獨(dú)求解轉(zhuǎn)換參數(shù)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)比，保證測(cè)區(qū)控制點(diǎn)擬合殘差最小，施工時(shí)僅需調(diào)用各標(biāo)段的擬合參數(shù)，保證施工段落測(cè)數(shù)據(jù)的連續(xù)性，摒棄測(cè)量前期的大量準(zhǔn)備工作。

3.4 線(xiàn)路信息編輯

采用GPSRTK放樣時(shí)必須進(jìn)行線(xiàn)路及結(jié)構(gòu)物參數(shù)的編輯，根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙平曲線(xiàn)、豎曲線(xiàn)的參數(shù)信息及結(jié)構(gòu)物交角、前距、后距等參數(shù)，獲取一定間隔的平面位置坐標(biāo)及高程。

①線(xiàn)路信息的編輯。主要方法有元素法、交點(diǎn)法、Execl表格計(jì)算方法。采用不同的方法進(jìn)行數(shù)據(jù)編輯，對(duì)比分析，檢核設(shè)計(jì)圖紙中邊樁坐標(biāo)是否正確。元素法按照曲直表輸入時(shí)注意將直線(xiàn)的方位角一同輸入，參數(shù)編輯完成后，在每個(gè)段落內(nèi)取整樁號(hào)計(jì)算平面及高程，查看數(shù)據(jù)編輯是否正確。

②結(jié)構(gòu)物信息的編輯。參數(shù)信息有：結(jié)構(gòu)物交角、前邊線(xiàn)距離、后邊線(xiàn)距離、各部位高程，參數(shù)編輯完后進(jìn)行驗(yàn)算。

3.5 RTK放樣與檢核

①采用雙基站的不同差分模式。大橋施工中，充分利用雙基站在該區(qū)域形成的信號(hào)重疊，利用雙信號(hào)進(jìn)行測(cè)區(qū)放樣點(diǎn)的檢核，提高測(cè)量的準(zhǔn)確度，防止偶然誤差對(duì)觀測(cè)值的影響。

②經(jīng)常進(jìn)行控制點(diǎn)的復(fù)核。路線(xiàn)平面及高程放樣過(guò)程中，經(jīng)過(guò)控制點(diǎn)時(shí)，需要經(jīng)常性的復(fù)核，查看儀器的精度。如出現(xiàn)偏差，分析產(chǎn)生的原因，重新導(dǎo)入轉(zhuǎn)換參數(shù)，或者進(jìn)行單點(diǎn)校準(zhǔn)，避免誤差會(huì)累計(jì)。

3.6 精度分析與評(píng)價(jià)

雙基站GPSRTK測(cè)量模式，采用相對(duì)定位原理，基準(zhǔn)站實(shí)現(xiàn)24h的不間斷衛(wèi)星觀測(cè)，終端接收機(jī)實(shí)時(shí)獲取待測(cè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)，我們將雙基站GPSRTK測(cè)量數(shù)據(jù)與GPS靜態(tài)平面數(shù)據(jù)、四等水準(zhǔn)高程數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)此項(xiàng)技術(shù)獲取的三維坐標(biāo)精度已經(jīng)非常高，可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)測(cè)量。

4 技術(shù)優(yōu)勢(shì)

雙基站GPSRTK測(cè)量?jī)?yōu)勢(shì)：①實(shí)現(xiàn)不間斷的GPS信號(hào)覆蓋，為單兵測(cè)量提供技術(shù)基礎(chǔ)；②基于固定基準(zhǔn)站的高精度的WGS84坐標(biāo)數(shù)據(jù)獲取，在理論上獲取了較為嚴(yán)密的WGS84坐標(biāo)解；③基于全線(xiàn)路高等級(jí)控制點(diǎn)的測(cè)區(qū)轉(zhuǎn)換參數(shù)的擬合，實(shí)現(xiàn)了WGS84坐標(biāo)向施工坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換；④基于雙信號(hào)通道的測(cè)量模式，提供多余觀測(cè)的檢核；⑤實(shí)時(shí)的測(cè)量放樣技術(shù)支持。

5 技術(shù)應(yīng)用效益分析

①節(jié)省工期：傳統(tǒng)RTK測(cè)量時(shí)，每次測(cè)量前的基準(zhǔn)站架設(shè)，參數(shù)校正等準(zhǔn)備工作平均耗時(shí)1h左右，以一天2次的基準(zhǔn)站架設(shè)，可以節(jié)省大量的測(cè)量準(zhǔn)備時(shí)間。

②節(jié)約成本：采用家庭電源及固定的基準(zhǔn)站，減少了GPS電池?fù)p耗及接收機(jī)精度維護(hù)損耗，減少了儀器維修及電池更換費(fèi)用。

③提高工程質(zhì)量：?jiǎn)位鶞?zhǔn)CORS站實(shí)現(xiàn)全線(xiàn)路信號(hào)的統(tǒng)一覆蓋，保證測(cè)量數(shù)據(jù)的一致性，避免了因不斷的遷站及參數(shù)求解所造成的測(cè)量精度及效率的下降。

6 結(jié)語(yǔ)

雙基站GPSRTK技術(shù)在沙漠區(qū)域公路施工測(cè)量中的應(yīng)用，解決了高速施工狀態(tài)下的測(cè)量控制技術(shù)，以較小的費(fèi)用實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)的測(cè)量技術(shù)支持，保證了測(cè)量的精度。由于西部地區(qū)資源的匱乏，后續(xù)施工中可以對(duì)系統(tǒng)電源部分進(jìn)行改進(jìn)，采用太陽(yáng)能進(jìn)行供電，實(shí)現(xiàn)綠色能源的應(yīng)用。

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