GPS-RTK技术在山区公路测量中的应用

关键词：GPS-RTK技术；基准站；流动站；精度分析

 

    由于在山区存在高差大、地形复杂多变、通视条件不好、雨雾天气多等条件，在山区公路施测中，传统的水准测量、三角高程测量方法^[1]操作不便而且无法保证精度。而GPS-RTK技术能够实时提供任意测点的三维坐标；作业区域内站点之间无需通视；且不受天气条件的影响，可全天候作业；点位的精度可实时显示；每次放样过程一致，测放的点位精度大致相同，不存在累积误差，可保证测量精度的均匀性^[2]。可充分满足山区公路测量的要求。

 

   （1）布设测区控制网：从待测路线几个已知点开始沿路线按照异步闭合网形式布设GPS控制网，在平缓山区控制点的最优间距一般为2-3km，而在高差起伏较大的山区，由于GPS卫星信号被阻挡机会较多，信号强度低，因此控制点的间距根据实际需要应尽量控制在2km以内。

 （2）确定各控制点位：布设完毕后，静态观测得到各控制点在WGS84下的点位坐标及大地高。

 （3）RTK质量控制：选取点位环境较理想的控制点作为基准站，就近联测其他控制点进行RTK质量控制。

 （4）坐标系转换：向控制器中输入控制点的WGS84和地方坐标系成果，通过随机软件PowerADJ3.0基线解算和网平差计算求得WGS84坐标系—地方坐标系的转换参数及高程拟合参数。

 （5）测定道路中线桩的实际点位：事先将道路中线桩的设计坐标传输到RTK手簿的坐标库中，由于已经完成坐标系转换和高程拟合，所以接下来就可以进行中线桩的实地放样，并在实际位置埋桩标记。

 （6）中线放样方法：GPS-RTK技术具有多种放样功能，在道路中线放样中最常用的是放样点的平面位置（Stake Points）。首先进入RTK手簿的点位放样界面，然后输入所要放样点的点号，RTK手簿马上就显示出放样点信息，并自动解算出导航数据，将放样点的位置显示在导航图的中央。通过GPS-RTK方式测量出RTK天线在地方坐标系下的位置，并显示出当前RTK天线位置与放样点实际位置的偏移量，同时在导航图上显示出RTK天线应移动的方向和距离。当RTK天线位置与放样点的实际位置重合时，即可得到放样点的位置，同时采集该点的实地坐标和高程，并存放于坐标文件中。

 （7）将所采集的坐标数据文件进行整理并输出。将所采集的点位坐标和设计坐标进行对比，从而可以避免点位放样错误的人为误差，所采集的中线桩高程可以用于后期的道路纵横断面测量。

 

    广东某山岭重丘地区一级公路，全线66km，线路大体为东西走向。如图2所示。其中AB段为山地，长约36km，相对高程为442～720m，相对高差278m；BC段为山间盆地，树木茂密，地势相对平

缓，高程约450～470m，长约10Km；CD段为一般山地，相对高差120m。

 

 

        RTK所用仪器为Trimble5700-RTK，仪器实时动态标称精度水平为：10mm+2D×10^-6，垂直为：20mm+2D×10^-6；快速静态标称精度: 水平、垂直均为：10mm+2D×10^-6；D表示测量基线的距离。

 

     从A点西南向30°距离约1.5km和东北向55°距离约2.2km的两个国家控制点作为起算点，全线共布设46个四等GPS点组成异步闭合控制网，平均每间隔2.7km布设一对点，且每对点的间距约保持0.5km以内。

     进行连续24 h静态观测得到各控制点在WGS84下的点位坐标及大地高。同时计算求得WGS84坐标系～地方坐标系的转换参数及高程拟合参数。

     在AB段山顶不远的控制点设立基准站,在完成初始化之后, 连续12h联测左右周边各控制点,每间隔5min采集一次定位数据，用采集的数据对本次测量进行质量校核控制。

 

     由于确定道路中桩点位的方法和步骤已经在3中的(5)、(6)讲述过，所以这里本人就不必再进行重复。

 

    对RTK施测的各点予以精度分析，得出山区RTK技术测量精度的影响因素。

    对AB段的502个RTK放样点在1954北京坐标系统下进行约束平差计算得各放样点的点位中误差，并按不同的PDOP(PDOP为几何精度衰减因子,它是反映GPS卫星空间几何位置分布对GPS测量影响的指标)值进行分类统计误差,详见表1。

    由表1可以看出: ①在RTK完成初始化。之后,其测高精度已达到了仪器标称精度。②受卫星分布影响,随着PDOP值的增大,标准差有增大的趋势。当PDOP<2时,观测数据最优;当2≤PDOP≤5时,标准差与PDOP<2时无显著差别。当PDOP>5时,标准差明显增大,但仍优于标称精度。③接收卫星数目为6～9 颗的情况下,标准差变化不显著,当接收卫星数为5 颗时,标准差明显增大,但仍能达到标称精度指标。

 

 

    本次施测中用来比测的控制点为2003年布设的E级GPS点，在RTK测量过程中，每测一个点都有精度显示。GPS控制手簿内精度控制的缺省值采用：平面0.015m、高程0.020m。所有比测的点均小于此误差限，最大点位移为：0.292m，距基准站的最大距离为：5.30km，最大高程较差为：0.254m。RTK测点位移的中误差为：0.095m。

    按照比测结果建立了距基站距离和点位关系式及关系图(如图3所示)，按照水利水电工程测量规范，图根电磁波测距导线要求其坐标闭合差小于或等于0.4mm；测站点导线要求其坐标闭合差小于或等于0.8mm。

    根据相关关系式，对于1:500及更小比例尺的测图，流动站距基准站距离小于6.0km时，平面点位移在0.25m以内，达到图根级测量精度；当距基准站距离小于6.0 km时，高程误差均在0.1m以内。因此，流动站距基准站距离在6km以内时，RTK测量精度可以满足1:500及更小比例尺测图的地形测量要求。

    分别在AB、BC、CD段选择相同水平距离不同高差的点位（分别为50m、10m、25m）予以了对比测量，所得较差统计结果以AB段为基准（分别为0m、-0.00026m、-0.00017m）显示：基准站与测点的高差对RTK测量精度几乎无明显的影响。

 

    受客观测量条件所限，在实际测量过程中，一般很难避开遮挡物，接收卫星信号，数传电台发射无线电信号，都不可避免地受遮挡物的影响。参照张孝军先生提出的测试方法^[5]，我们在BC段的茂密树林里予以了测试。首先在无树木遮挡地方初始化后，进入树林中树木相对稀疏的地方进行测量。此时测量中初始化信息无丢失，数据链通讯较稳定，点位移与高程较差都不大，地形吻合较好。但当进入树林中央茂密的地方，就出现测点位移大，初始化信息丢失，且很难重新初始化的现象，测量无法得到继续。另在通讯信号发射塔及高压线附近测量结果偏差明显增大，无法正常测量，当距离达到500m后基本正常，对于在这500m内的测量可仍用常规方法予以施测。

 

    首先考虑基准站与测点的距离对RTK测量精度的影响，如5.2论述，只要满足点位距基准站距离在6km以内即可。其次考虑基准站与测点的高差的影响，为方便比较我们布、控制点点位分布的均匀程度、信号受遮挡等影响，导致精度超出仪器误差标称值的范围，无法实现正常测量。在测量过程中，应选择在PDOP<5、可用卫星为5颗以上的情况下进行观测,同时应保证测量点位距基准站距离在6km范围以内，可以满足1:500及更小比例尺的地形测量精度的要求。另尽量避免在树木茂密处采用GPS-RTK测量，在通讯信号发射塔及高压线附近500m以内，也不应采用GPS-RTK技术。对测量点位与基准站的高差在50m以内时，高差的变化对RTK测量精度影响不大，可不予以考虑。

 

  （1）GPS-RTK技术的应用是对山区公路测量的一次根本性变革和发展^[6]。实践证明，RTK技术运用于山区公路可显著提高工作效率、缩短工期、降低成本, 同时具有精度高、方便快捷等优点, 它为山区复杂地形条件下公路工程测量开辟了一条崭新而有效的技术途径。

  （2）GPS-RTK测量技术在山区公路测量中要严格按照相应的测量流程，合理布置控制点位，同时要不断进行质量校核以充分保证测量的准确性。

  （3）GPS-RTK测量技术在山区公路测量时须对其精度予以充分关注。

    GPS-RTK测量精度易受到卫星数目及分布、控制点点位分布的均匀程度、信号受遮挡等影响，导致精度超出仪器误差标称值的范围，无法实现正常测量。在测量过程中，应选择在PDOP<5、可用卫星为5颗以上的情况下进行观测,同时应保证测量点位距基准站距离在6km范围以内，可以满足1:500及更小比例尺的地形测量精度的要求。另尽量避免在树木茂密处采用GPS-RTK测量，在通讯信号发射塔及高压线附近500m以内，也不应采用GPS-RTK技术。对测量点位与基准站的高差在50m以内时，高差的变化对RTK测量精度影响不大，可不予以考虑。

 

    [1] 程新文.测量与工程测量[M].武汉：中国地质大学出版社，2000.3

     

      [2] 李仕东.GPS-RTK技术在高等级公路横断面测量 中运用[J].测绘工程.2005.14(3).

   

      [3] 王刊生,李 林.GPS-RTK技术在公路放线中应用[J].铁道勘察.2004.5

   

      [4] 雷迎春.GPS实时动态测量技术在山区地震勘探中的应用研究[J].西南交通大学学报.1999.34

 

      [5] 张孝军,林云发.GPS-RTK技术的测量精度探讨[J].人民长江.2005.36(10).

  

      [6] 郑强,吴迪军.GPS-RTK技术在复杂公(铁)路工程测量中的应用[J].地理空间信息.2006.4(6).