GPS-RTK测量技术在工程测绘中的应用

    李明

    摘? 要：为了探讨GPS-RTK测量技术在工程测绘中的应用的可靠性，以上海市浦东新区海滨路新建工程为该技术的应用研究案例，围绕GPS-RTK测量技术进行了深入研究。对该工程中的GPS-RTK测量技术进行应用分析，探讨其构成及原理，并在海滨路工程实际公路地形图测绘中进行验证，提出有助提高该技术精度的有效措施。该次测量，外业中使用的测量仪器以及操作方法全部符合标准，内业所得数据结果符合相关的测量规范，测量数据精度控制在标准值之内，满足规范要求，得出GPS-RTK测量技术可以被应用在工程测绘中。

    关键词：公路工程;地形图测绘;GPS-RTK

    中图分类号：TB22? ? ? ? 文献标志码：A

    0 引言

    城市化发展推动了公路的建设进程，目前我国的公路运营里程数正在逐年增加，公路网密度也发生了很大的变化，但是按照公路网密度的等级评价标准来看，我国的公路网仍然存在短板，人均公路里程还是远远落后于发达国家。公路建设不仅带动了国家经济的发展，也带来了科技的进步，其中以GPS全球定位系统为基础的RTK载波相位差分技术被广泛应用。该技术具备多种先进功能，包含测量、卫星定位和无线电通讯等多种信息技术，精度高、效率高，对于测量压力大以及要求较高的公路工程非常实用[1]。该文通过对GPS-RTK技术的整体探讨，以海滨路工程为例，深入研究GPS-RTK技术的实际测量应用效果。

    1 GPS控制网技术

    传统的测量方式，在建立方位测量点时，需要点与点之间通视，而GPS定位技术的应用中，则不要求控制点与点之间的可视。公路工程线路长、面积广，在对地形测绘中，显然GPS控制网技术要比传统测量要更加灵活适用。GPS控制网的布设方式多样，包含点连、边连、网连、边点混连、三角锁形、导线网形及星型布设等。其中的三角锁型几何强度、可靠性及精度都比较高，在公路中应用的比较多。GPS控制网的精度依赖于非同步独立观测的边构成闭合环或复合线路，以此构成GPS基准网，从而达到预期的测量目标[2]。

    2 GPS-RTK构成及其原理

    2.1 GPS-RTK基本构成

    GPS-RTK系统主要由3部分构成：基站、流动站及通信系统。基站又包括了GPS接收机、GPS天线、电源、控制器及无线电通信发射设备等;流动站包括无线电通信接收设备、电源、控制器、GPS天线及接收机等设备。

    2.2 GPS-RTK工作原理

    GPS-RTK技术系统具有绝对定位、相对定位以及差分定位3种定位模式，而在公路的地形测量设计中相对定位原理被应用得更多，所以接下来对GPS-RTK相对定位技术的工作原理进行阐述。

    2.2.1 GPS信号接收

    系统中的基准站以及流动站都会通过GPS接收机或者是无线电通信接收设备接收到GPS所传输的信号数据。基准站接收GPS信号以及基准站参数，然后通过电台发射出所观测到的坐标及高程数据到流动站。流动站同样也会接收流动站参数以及GPS信号[3]。

    2.2.2 参数转换

    流动站接收到基准站传来的坐标和高程数据，以及自身接收的数据，系统将会对两站之间的实时基线进行解算，然后求出流动站的实时坐标数据，转换参数，最后进行坐标数据的转换形成流动站格网坐标。

    2.2.3 用户端接收

    系统中的无线电传输设备会将测得的坐标数据传送给用户端，并且能够通过用户端的内置组件接收GPS数据，对数据进行实时的修正处理之后，将会计算出精度非常高的三维坐标，从而建立起GPS基准网，准确地对公路的地形图实施测量和设计。

    3 基于GPS-RTK技术的公路地形图测绘

    3.1 工程概况

    海滨路新建工程位于上海市浦东新区，全程线路较长，分成2部分的阶段工程。第一段工程起于北部东靖路，向南止于金海路;第二段工程北起规划六路，南至锦绣东路。海滨路的建设将东靖路、金海路、规划六路以及锦绣东路等主要路段全部连接起来，打通了4条路段之间的相互联系，使当地的交通拥堵情况得到很好的缓解，有利于临港经济贸易区的建设，对浦东新区的经济格局有更好的帮助。然而由于道路沿线的高层住宅以及商业楼等建筑遮挡较多，采用传统的公路测量方式测点通视性不好，于是采用GPS-RTK技术对公路工程进行测绘，并探讨该技术在工程测绘中的实际应用效果。

    3.2 建立测区平面控制网及高程测量

    平面控制网以及高程测量是該项目测量中的一个难点，采用快速静态测量的方法，利用上海CORS参考基准站对图根进行控制测量。误差不能大于±3 mm，天线标志的指向方向为正北方向，天线高度的测量精度应该在1 mm，需要在工程测量前后各测一次，以免出现太大的误差。每一个控制点都要观测2个时段，每个时段要在10 s以上，数据采样的时间间隔为5 s，2个时段测得的数据平面点位差要小于2 cm。如果能够满足这些条件，可以取平均值数据作为控制结果。对于平面控制测量的成果要求比较高，需要有不能少于10%的重复抽样检查，而且抽样检查的点数不能低于3个点，检测时测量仪器必须全部初始化，抽样检测数据与初次采集的数据差应该小于3 cm。该工程一共测得平面控制点32个，而测量结果以及精度满足了相关的规范标准。

    3.3 控制网平差结果分析

    控制网的平差离不开测量区域内平面控制网的建立，对于控制网的平差结果的分析是为了能够及时发现GPS-RTK技术应用中是否存在太大的误差，以便出现数据偏差及时调整。对控制网平差结果的有效分析是保证测量数据精度的重要方式之一，在分析时也应该注意3个问题。1）该工程对控制网中的32个控制点进行测量，如有个别点附和不良，则固定网中任意高程起算点，平差解算剩余点;如附和依旧不良，则是因为测量结果粗差较大所致。2）在对公路的平面控制网布设过程中，起算点要根据实际道路的走向、道路中控制点的数量及分布情况合理选择分配，这样能保证分段平差中所需的起算点个数合理。3）进行分段平差时，要及时的将各段的平差结果与上一段的平差结果进行比较，如果出现了比较大的误差，一定要准确调整，如果误差过大，超出了测量计算允许的范围，就要检查起算点是不是出现了问题。

    对该工程的测量中，除了平面控制网的测量比较重要，容易出现粗差之外，其他测量过程也可能会有较大影响，下面这2个测量难点也可能对平面控制网的平差结果产生偏移。1）对道路断面测量的外业测量。按照道路设计要求选用的是中线号桩，每隔20 m处设立一个中桩，在测量道路的中线桩号的平面位置及高程中，如果高程突然变化就需要在这个地方加设一个中桩，然后进行测量，并且根据相关的设计要求，利用纵断面格式得出道路纵断面的测量数据。在横断面的测量中，横断面的直线间距及曲线间距都为20 m，横断面必须是整10 m的桩号，测量宽度是规划道路中线两侧各20 m。横断面的测量数据，应在路中心及车行道的边缘处都标高，而且标高要在道路地形起伏的地区加密标识。对于这种野外的数据采集，要以控制网中的控制点为基本标准，利用GPS-RTK技术测量平面位置，用电子水准仪测量出高程，最终得到道路断面点的平面及高程的准确数据。2）绘制道路纵断面图形。纵断面的图形要根据坐标图绘制，将里程桩作为图纸的横坐标，纵坐标为高程，比例尺根据道路的中线长度调整为合适比值，1∶200，最后在毫米为单位的方格纸上绘制纵断面图。桩号间距仍然是20 m，在地势起伏出加密[4]。

    以上这些测量要点都必须严格按照规定执行测量工作，该工程GPS-RTK测量成果与静态观测成果差值符合规范要求，可见，GPS-RTK技术只要严格按照规定的测量方法使用，完全可以应用到公路工程地形图的测绘当中。

    4 提高GPS-RTK成果精度措施

    通过测量数据的分析对比来看，该次公路工程中GPS-RTK技术的测量结果符合标准，测量方式更为高效简便，可行性也比较高，但是由于该技术会受到测量仪器的测量误差、GPS卫星状况以及电离层的一些外界因素干扰，对测量的结果造成影响，所以GPS-RTK技术的实际准确性也就在95%～99%左右，相比于受外界干扰因素较小的全站仪和水准仪等传统测量手段，GPS-RTK系统的测量精度还是相对较低的。根据该工程中应用GPS-RTK技术测量的实际问题，提出相关的措施提高GPS-RTK测量的精确度，为GPS-RTK在公路测绘中的广泛应用提供一定的参考。

    4.1 GPS-RTK受卫星状况影响

    GPS-RTK系统的技术中心就在于GPS全球定位系统的支撑，而GPS系统由美国于1973年开发研制，系统的研发时间较早。但是随着GPS系统用户的不断增加，GPS系统覆盖区域会出现一定的盲区，盲区中每天接收的信号可能会比较弱。而且GPS基站及通信基站如果是建立在室内或者被高层建筑遮挡，那么GPS信号的接收速度也明显减缓，这也就导致了GPS-RTK系统测量时会出现信号延迟，使数据出现误差。为了降低卫星信号情况对于测量的影响，在使用GPS-RTK技术进行公路地形测绘时，对所测区域的卫星信号接收状况要有所了解，是否是GPS信号盲区，如果是盲区，就要知道盲区的时长及发生时段，以免在盲区时段进行测量工作。

    4.2 GPS-RTK受电离层影响

    大气中的电离层是被太阳高能辐射和宇宙线激励后形成的大气层，距离地面60 km以上，电离层的大气全部是一种电离状态。太阳的辐射程度越大，电离越强，对GPS-RTK的信号接收干扰越大。尤其是在12：00～13：40时间段内测量结果受到的影响最大，测量精度相对较低。因此，在使用GPS-RT测量时，应该避开中午太阳辐射最强的时间段，测量的精度会更高。

    4.3 GPS-RTK受数据链电台传输信号及对空通视条件的影响

    通过工程测量作业的过程可以看出，通视条件不是很好的时候，GPS的信号也会被阻挡，而且电台传输数据的信号也会明显降低。在这种卫星信号及数据传输信号都比较差的条件下，GPS-RTK测量数据的精度一定会降低。为了减小数据链电台传输信号及通视条件对测量精度的影响，在设计平面控制网的时候，要选择通视性较好一些的控制点，如果能够避开崎岖的建筑及地形最好，以免对信号产生干扰，当然要保证不会加大工程量，否则就得不偿失了。

    5 结语

    该文通过对GPS—RTK技术在公路工程测绘中的应用进行详细的分析，介绍了GPS控制网的布设方式，阐述了GPS—RTK技术的构成以及工作原理，通过实际公路工程测量的应用举例分析，同时提出增强测量精度的有效方式，最后得出结论：在测量内业及外业100%自查的前提下，外业的工作流程符合要求，仪器的准确度经过检定符合标准，外业人员对测量仪器的操作符合操作规范，内业的全部数据准确。根据《1∶5001∶10001∶2000数字化地形测量规范》（DGTJ08-86-2010）及《全球定位系统实时动态测量（RTK）技术规范》（CH/T2009―2010）等相关测量规定，该次工程针对1∶500地形测量中，主要地物点平面小于5 cm，高程精度小于2 cm，断面点高程采用水准测量，硬化路面高程精度1 cm，得出本次公路工程的测量结果满足数字化地形測量规范标准，GPS—RTK测量技术在公路工程测绘中具有较大的可行性。

    参考文献

    [1]刘浩.GPS-RTK测量技术在工程测绘中的应用和特点分析[J].智能城市，2019， 5（8）：70-71.

    [2]唐俊.GPS-RTK测量技术在测量工程中的应用分析[J].科学与信息化， 2019（17）：12，17.

    [3]刘杰.GPS-RTK测量技术在测量工程中的应用[J].房地产导刊， 2019（23）：255.

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