梁家明，劉 凡

(中國水利水電第五工程局有限公司第五分局，成都，6100661)

?

GPS-RTK技術(shù)在公路地形圖測繪中的應(yīng)用

梁家明，劉 凡

(中國水利水電第五工程局有限公司第五分局，成都，6100661)

介紹RTK測圖的作業(yè)流程，簡要闡明它在公路地形測量中的應(yīng)用。結(jié)合國道321線納溪至瀘縣一級公路改建工程施工項目，利用實測數(shù)據(jù)成圖的過程，解決一些常見的問題，并給出解決的辦法及依據(jù)。同時，給出一些有益的結(jié)論，以適應(yīng)實際應(yīng)用的需要。

RTK技術(shù) 作業(yè)流程 地形測量

1 工程概況

國道321線納溪至瀘縣一級公路改建工程，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)劃的機場路相接，起點里程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道321線相接，終點里程K1858+795.406m。線路全長24.9km，共有橋梁6座、隧道1座(分離式隧道)。

隨著測繪科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，利用GPS-RTK(以下簡稱RTK)技術(shù)進行數(shù)字化測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，已經(jīng)達到了比較滿意的精度，可以滿足常規(guī)測量的要求。RTK定位技術(shù)在測量工作中應(yīng)用越來越廣泛，也越來越受到測量工作者的重視。結(jié)合國道321線納溪至瀘縣一級公路改建工程施工，采用RTK定位測量技術(shù)，即加快了測量工作，又減小了勞動強度。

2 RTK的基本原理

RTK技術(shù)是以載波相位觀測量為根據(jù)的動態(tài)實時差分(Real Time Kinematic)技術(shù)，其基本思想是在基準站安置一臺GPS接收機，對所有可見GPS衛(wèi)星進行連續(xù)的觀測，并將其觀測數(shù)據(jù)(偽距和載波相位觀測值)和測站坐標信息(如基準站坐標和天線高度)通過無線電傳輸設(shè)備，實時地發(fā)送給用戶觀測站。用戶站在完成初始化后，一方面通過數(shù)據(jù)鏈接接收來自基準站的數(shù)據(jù)，另外自身也采集GPS觀測數(shù)據(jù)，在系統(tǒng)內(nèi)組成差分觀測值進行實時處理，再經(jīng)過坐標轉(zhuǎn)換和投影改正，即可給出實用的厘米級定位結(jié)果，實時計算并顯示用戶站三維坐標。

RTK實時相對定位原理如圖1所示?；鶞收景呀邮盏降乃行l(wèi)星信息(包括偽距和載波相位觀測值)和基準站的一些信息(如基站坐標天線高等)都通過無線電通訊系統(tǒng)傳遞到流動站，流動站在接收衛(wèi)星數(shù)據(jù)的同時也接受基準站傳遞的衛(wèi)星數(shù)據(jù)。在流動站完成初始化后，把接收到的基準站信息傳送到控制器內(nèi)，并將基準站的載波觀測信號與本身接收到的載波觀測信號進行差分處理，即可實時求得未知點的坐標。數(shù)據(jù)流程如圖2所示。

圖1 RTK實時相對定位示意

圖2 RTK數(shù)據(jù)流程

3 應(yīng)用GPS-RTK技術(shù)測繪公路地形圖

3.1 建立測區(qū)平面控制網(wǎng)

根據(jù)測區(qū)范圍，用GPS靜態(tài)測量方法建立測區(qū)控制網(wǎng)，選用I08-2、I09-1、I17-1、I025、I025-1、I032作為起算坐標，沿國道321線改線工程設(shè)計線路左右兩側(cè)布設(shè)29個加密控制點，相鄰點間距500m左右，并與國家點聯(lián)測，求出各控制點平

面坐標，同時需考慮投影變形。公路工程在縱向有時可達到幾百km，在橫向上卻一般只有幾十m，跨越范圍廣，線路走向、地形情況千差萬別，長度變形各不相同，因此必須采取相應(yīng)的措施消弱長度變形。

3.2 高程控制測量

GPS測得的大地高屬于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點的個數(shù)及分布的均勻程度。

3.3 坐標轉(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)測量方法很難在短時間內(nèi)完成如此大工作量的測量工作,因此采用了先進的GPS-RTK技術(shù)。使用的儀器為南方靈銳S86型GPS雙頻接收機,利用各個控制點的大地經(jīng)緯度和測算的當?shù)刈鴺?在內(nèi)業(yè)中計算得到坐標轉(zhuǎn)換參數(shù),直接將參數(shù)輸入測量控制器。實踐證明,這種方法計算得到的參數(shù)準確、浪費時間較少。得到參數(shù)后,在現(xiàn)場核查測量控制點。將GPS靜態(tài)觀測成果與RTK觀測成果進行對比(對比結(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)時段

根據(jù)衛(wèi)星可見預(yù)報和天氣預(yù)報選擇最佳觀測時段，衛(wèi)星的幾何分越好，定位精度就越高，根據(jù)預(yù)測結(jié)果合理安排工作計劃。

3.5 外業(yè)數(shù)據(jù)采集

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

RTK作業(yè)的具體操作：(1)采用RTK技術(shù)進行碎部點采集，所采集的數(shù)據(jù)為當?shù)仄矫孀鴺耍?2)應(yīng)用RTK采集碎部點時，遇到一些對衛(wèi)星信號有遮蔽的地帶，可采用RTK給出圖根點的點位坐標，然后采用全站儀測碎部點坐標。

3.6 RTK成果的質(zhì)量檢驗

為了檢驗RTK圖根點實際精度，RTK測量結(jié)束后，應(yīng)用徠卡全站儀實地檢查部分通視圖根點間的相對位置關(guān)系。檢查工作共布設(shè)了兩條附合導(dǎo)線，導(dǎo)線起算點為已知GPS點，共聯(lián)測檢查了20個圖根點。根據(jù)導(dǎo)線測量成果與RTK結(jié)果的較差，可算出圖根點相對于相鄰點點位中誤差和高程中誤差；根據(jù)數(shù)據(jù)可算出圖根點點位中誤差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精度要求。

3.7 內(nèi)業(yè)成圖

將野外采集的坐標數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)傳輸線傳輸?shù)接嬎銠C，根據(jù)實地繪制的草圖，在計算機上利用CASS7.0成圖軟件進行數(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，但經(jīng)過工程實踐證明，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)計方案是在1973年完成的，受當時技術(shù)限制，總體設(shè)計方案自身存在著很多不足。隨著時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)星信號強度都不能滿足當前所需，當衛(wèi)星系統(tǒng)位置對美國是最佳的時候，世界上有些國家在某一確定的時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)時衛(wèi)星幾何圖形結(jié)構(gòu)強度低，RTK測量很難得到固定解。同時，由于信號強度較弱，對空遮擋比較嚴重的地方，GPS無法正常應(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，因而初始化時間長甚至不能初始化，也就無法進行常規(guī)測量。根據(jù)我們的實際經(jīng)驗，每天中午12時～13時，在RTK測量中很難得到固定解。

4.3 受數(shù)據(jù)鏈電臺傳輸距離影響

數(shù)據(jù)鏈電臺信號在傳輸過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源的干擾，在傳輸過程中衰退嚴重，嚴重影響外業(yè)精度和作業(yè)半徑。另外，當RTK作業(yè)半徑超過一定的距離時，測量結(jié)果誤差超限。所以，RTK的實際作業(yè)有效半徑比其標稱半徑要小，工程實踐和專門研究都證明了這一點。

4.4 受對空通視環(huán)境影響

在山區(qū)、林區(qū)、城鎮(zhèn)密樓區(qū)等地進行作業(yè)時，GPS衛(wèi)星信號被阻擋機會很多，信號強度較低，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法完成，影響正常作業(yè)。

4.5 受高程異常問題影響

RTK作業(yè)模式要求高程轉(zhuǎn)換必須精確，但我國現(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的高程測量精度。

4.6 不能達到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、基準站點位精度、坐標系轉(zhuǎn)換精度的影響,但是在RTK作業(yè)中,基線解算精度可以達到10cm+1μmD;基準站點位精度平均在3cm之內(nèi)；坐標系轉(zhuǎn)換精度,對于10km基線亦在3cm以內(nèi)。動態(tài)作業(yè)由于測距偏心,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，取決于連測點數(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

實踐證明，GPS-RTK測圖的方法比傳統(tǒng)的方法優(yōu)越，圖根點點位誤差不積累、不傳播，減少了人為的干預(yù)，自動化程度較高，在很大程度上避免了人為誤差，精度得到了提高，其測量精度完全滿足地形測量的要求，用這種方法可方便、高效、可靠地完成普通地形測量工作，具有常規(guī)測量儀器無法比擬的優(yōu)點。但是由于受衛(wèi)星信號、接收機狀態(tài)、測站周圍環(huán)境及儀器操作的影響，RTK定位有時會失真，其成果不可能100%可靠。因此，在作業(yè)中，要根據(jù)RTK技術(shù)的特點及測區(qū)狀況，采取有效措施，嚴格按操作規(guī)程作業(yè)，并加強成果的復(fù)核，以確保RTK測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 靜.全球定位系統(tǒng)(GPS)的原理與數(shù)據(jù)處理[M].上海：同濟大學(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，徐 劍，全站儀與GPS共同作業(yè)方法討論[J].現(xiàn)代測繪，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。

■

U412.241：P228.4

B

2095-1809(2015)03-0059-03