GPSRTK技術(shù)在南水北調(diào)工程施工測(cè)量中的應(yīng)用

周建平, 肖 健

(中國水利水電第七工程局有限公司 一分局,四川 彭山 620860)

GPS測(cè)量技術(shù)在工程測(cè)量領(lǐng)域已得到了廣泛應(yīng)用,不僅應(yīng)用在控制測(cè)量,其實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量技術(shù)(RTK)更是為工程測(cè)量帶來了極大的便利。RTK測(cè)量技術(shù)是全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)與數(shù)據(jù)通信技術(shù)相結(jié)合的載波相位實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)差分定位技術(shù),它能夠?qū)崟r(shí)地提供測(cè)站點(diǎn)在指定坐標(biāo)系中的三維定位結(jié)果。在 RTK測(cè)量模式下,參考站通過數(shù)據(jù)鏈將其觀測(cè)值和測(cè)站坐標(biāo)信息一起傳送給流動(dòng)站,流動(dòng)站不僅采集衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù),還通過數(shù)據(jù)鏈接收來自參考站的數(shù)據(jù),并在系統(tǒng)內(nèi)組成差分觀測(cè)值進(jìn)行實(shí)時(shí)處理。該方法的精度一般可達(dá)到厘米級(jí),且 RTK提供的是三維坐標(biāo),可取代傳統(tǒng)的縱橫斷面測(cè)繪方法。該技術(shù)大大減少了測(cè)量人員的勞動(dòng)強(qiáng)度,自動(dòng)化程度高,省工省時(shí),精度高,全天候,提高了工作效率,使工程變得更經(jīng)濟(jì)?，F(xiàn)以南水北調(diào)中線工程潮河段二標(biāo)橫斷面測(cè)量中的應(yīng)用為例進(jìn)行說明。

1 工程概況

南水北調(diào)中線工程潮河段二標(biāo)全長(zhǎng) 4.4 km,位于鄭州市的新鄭市,地勢(shì)平坦,沿線村莊較多,通視條件差。主要建筑物有三座:總干渠、廟后李溝排水渡槽及梅河倒虹吸。業(yè)主在總干渠岸邊提供了 24個(gè)控制點(diǎn),因控制點(diǎn)離施工區(qū)域較遠(yuǎn)、建筑物阻擋視線、控制點(diǎn)間通視條件很差,故本工程使用 GPS靜態(tài)定位技術(shù)進(jìn)行首級(jí)控制網(wǎng)的復(fù)測(cè)和加密,用 RTK技術(shù)進(jìn)行斷面測(cè)量和工程放樣。

2 施工控制網(wǎng)的復(fù)測(cè)和加密

2.1 測(cè)量?jī)x器

本工程使用 3臺(tái)(套)南方 S86T雙頻 GPS接收機(jī),儀器標(biāo)稱精度:平面:靜態(tài) ±(3 mm+1 ppm),RTK±(10mm+1 ppm);高程:靜態(tài) ±(5 mm+2 ppm),RTK ±(20mm+1 ppm)。

2.2 測(cè)前準(zhǔn)備

(1)根據(jù)施工需要現(xiàn)場(chǎng)勘踏,進(jìn)行圖上設(shè)計(jì)。

(2)按優(yōu)化設(shè)計(jì)原則和相關(guān)規(guī)范的要求進(jìn)行網(wǎng)型設(shè)計(jì),實(shí)測(cè)前,根據(jù)星歷預(yù)報(bào)制訂合理的觀測(cè)計(jì)劃。

2.3 GPS靜態(tài)測(cè)量

根據(jù)施工需要,共計(jì)劃復(fù)測(cè) 22個(gè)首級(jí)施工控制點(diǎn),加密 15個(gè)二級(jí)控制點(diǎn)?？刂凭W(wǎng)采用邊點(diǎn)混合式布網(wǎng)形式,衛(wèi)星截止高度角為 15°,同時(shí)觀測(cè)有效衛(wèi)星數(shù)≧ 4,觀測(cè)時(shí)段≧ 1.6,時(shí)段長(zhǎng)度≧ 60 min。在進(jìn)行基線處理之前要觀測(cè)各點(diǎn)的星歷預(yù)報(bào),剔除質(zhì)量差的星歷,以保證基線處理有較高的精度。內(nèi)業(yè)基線解算使用隨機(jī)南方測(cè)繪 GPS數(shù)據(jù)處理軟件,經(jīng)過基線計(jì)算和數(shù)據(jù)處理,控制網(wǎng)同步環(huán)坐標(biāo)分量閉合差最大dx=0.006m,dy=0.004 m,最大環(huán)閉合差 0.0075 m等各項(xiàng)精度指標(biāo)均符合規(guī)范要求。

由于 GPS高程達(dá)不到相當(dāng)于三等水準(zhǔn)精度要求,各施工控制點(diǎn)的高程采用聯(lián)測(cè)三等水準(zhǔn)的方法求解。

3 GPSRTK放樣

3.1 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)的求定

GPSRTK測(cè)量的重要環(huán)節(jié)是 WGS-84坐標(biāo)系到工程坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換,求解高精度的轉(zhuǎn)換參數(shù)對(duì)提高 GPSRTK測(cè)量精度有很大的幫助。南方GPSRTK測(cè)量前,須利用已知控制點(diǎn)求解坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換的七個(gè)參數(shù)。南方工程之星軟件可保存已求解的七個(gè)參數(shù),每次測(cè)量前只需調(diào)用已求解的七個(gè)參數(shù)并在已知點(diǎn)上校核即可。

3.2 校正導(dǎo)向

校正導(dǎo)向是靈活運(yùn)用轉(zhuǎn)換參數(shù)的一個(gè)工具。由于 GPS輸出的是 WGS84坐標(biāo),而且 RTK基準(zhǔn)站的輸入坐標(biāo)也只認(rèn) WGS84坐標(biāo),所以,大多數(shù)GPS在使用轉(zhuǎn)化參數(shù)時(shí)的普遍方式為:把基準(zhǔn)站架設(shè)在已知點(diǎn)上,在基準(zhǔn)站直接或間接的輸入WGS84坐標(biāo)啟動(dòng)基準(zhǔn)站。這種方式的缺點(diǎn)是每次都必須用控制器與基準(zhǔn)站連接后啟動(dòng)基準(zhǔn)站,該模式在測(cè)量外業(yè)作業(yè)時(shí)在操作上會(huì)帶來一定麻煩。而使用校正導(dǎo)向可以避免用控制器啟動(dòng)基準(zhǔn)站,可以選擇將基準(zhǔn)站架設(shè)在任意點(diǎn)上自動(dòng)啟動(dòng),從而大大提高了使用的靈活性。需要注意的是:校正導(dǎo)向需要在已經(jīng)打開轉(zhuǎn)換參數(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行。

3.3 斷面測(cè)量

南水北調(diào)潮河段二標(biāo)原始斷面測(cè)量工程量特別巨大,如果采用傳統(tǒng)的測(cè)量方法,需要大量的人力物力,而采用 GPS RTK測(cè)量結(jié)合施工坐標(biāo),只需兩人兩天即可完成以前需要兩組全站儀 5 d的工作,工效提高了 5倍。

在進(jìn)行橫斷面測(cè)量前,首先調(diào)入設(shè)計(jì)線路文件及橫斷面設(shè)計(jì)文件。點(diǎn)擊“打開橫斷面設(shè)計(jì)文件”界面,根據(jù)自己的測(cè)量要求調(diào)入文件完畢后進(jìn)入橫斷面線路測(cè)量界面,根據(jù)圖示移動(dòng)當(dāng)前點(diǎn)使其里程和要放樣的設(shè)計(jì)里程相同或里程差在允許范圍內(nèi)就可以根據(jù)狀態(tài)欄上的“距離”進(jìn)行橫斷面的測(cè)量采點(diǎn)。橫斷面測(cè)量的采點(diǎn)方式和普通采點(diǎn)方式相同。在測(cè)量過程中,可以通過快捷鍵“7”在線路圖和橫斷面圖中進(jìn)行切換。在橫斷面測(cè)量采集前,應(yīng)查看或設(shè)置采集的參數(shù)以滿足測(cè)量要求。采集完畢,用戶可以根據(jù)自己的需求把數(shù)據(jù)格式進(jìn)行轉(zhuǎn)換,例如生成普遍使用的緯地橫斷面數(shù)據(jù)格式,單擊“橫斷面成果輸出”,在“橫斷面成果輸出”界面中也可以選擇保存成*.txt文件。不同的用戶對(duì)于橫斷面的數(shù)據(jù)格式要求也不同,可以在此界面下選擇“成果文件格式”。

3.4 施工放樣

采用 RTK技術(shù)放樣時(shí),僅需把放樣點(diǎn)位坐標(biāo)輸入到事先編制好的放樣文件*.dat并選擇放樣點(diǎn)或直接輸入放樣點(diǎn)坐標(biāo),確定后進(jìn)入放樣指示界面,放樣界面顯示了當(dāng)前點(diǎn)與放樣點(diǎn)之間的距離,根據(jù)提示進(jìn)行移動(dòng)放樣。

在放樣過程中,當(dāng)前點(diǎn)移動(dòng)到離目標(biāo)點(diǎn) 0.9 m距離以內(nèi)時(shí),軟件會(huì)進(jìn)入局部精確放樣界面,同時(shí)軟件會(huì)給控制器發(fā)出聲音提示指令,控制器會(huì)有“嘟”的一聲長(zhǎng)鳴音提示,在此界面中有三個(gè)半徑分別為 0.9 m、0.6 m、0.3 m的圈,當(dāng)前點(diǎn)位每進(jìn)行一個(gè)圈都會(huì)有一次提示音,點(diǎn)擊精確局部放樣的按鈕出現(xiàn)局部精確放樣設(shè)置界面,此界面中的設(shè)置分別為放樣提示設(shè)置和放樣顯示設(shè)置。放樣提示設(shè)置可設(shè)置放樣圈的最小圈半徑和最大半徑以及放樣時(shí)的聲音提示。點(diǎn)放樣圈的數(shù)量為最大值整除最小值的數(shù)量。在放樣界面下還可以同時(shí)進(jìn)行測(cè)量,按下保存鍵 A即可儲(chǔ)存當(dāng)前點(diǎn)坐標(biāo)。在點(diǎn)放樣時(shí)使用快捷鍵方式會(huì)提高放樣的效率。在放樣界面下按數(shù)字鍵 8放樣上一點(diǎn),9鍵為查找放樣點(diǎn)。工程放樣有很強(qiáng)的實(shí)用性,本工程開挖回填以及基礎(chǔ)處理均采用 RTK線放樣功能放樣。

3.5 線放樣

在工程之星中的線放樣系指放樣直線。

打開線放樣坐標(biāo)庫,放樣坐標(biāo)庫的庫文件為*.lnb,選擇要放樣的線(有已經(jīng)編輯好的放樣線文件),如果線放樣坐標(biāo)庫沒有線放樣文件,點(diǎn)擊“增加”,輸入線的起點(diǎn)和終點(diǎn)坐標(biāo)就可以在線放樣坐標(biāo)庫中生成線文件。如果需要里程信息的話,在圖中可以輸入起點(diǎn)里程,這樣,在放樣時(shí)就可以實(shí)時(shí)顯示出當(dāng)前位置的里程,線放樣設(shè)置分為提示設(shè)置和顯示設(shè)置。提示設(shè)置中的最小值是離放樣直線最近的兩條平行虛線距離,最大值是指距放樣直線最遠(yuǎn)的兩條平行虛線的距離。平行虛線的數(shù)量為最大值除最小值結(jié)果的整數(shù)部分。整里程提示指的是當(dāng)前點(diǎn)的垂足移動(dòng)到所選擇的整里程時(shí)會(huì)有提示音。

3.6 影響 GPSRTK測(cè)量精度的因素

根據(jù)南水北調(diào)潮河段二標(biāo) GPS RTK斷面圖測(cè)量和施工放樣的使用經(jīng)驗(yàn),筆者認(rèn)為:作業(yè)時(shí)應(yīng)注意以下問題。

3.6.1 有關(guān)基準(zhǔn)站的問題

(1)因?yàn)?RTK技術(shù)的關(guān)鍵在于數(shù)據(jù)處理技術(shù)和數(shù)據(jù)傳輸技術(shù),RTK定位時(shí)要求基準(zhǔn)站接收機(jī)實(shí)時(shí)地把觀測(cè)數(shù)據(jù)(偽距觀測(cè)值,相位觀測(cè)值)及已知數(shù)據(jù)傳輸給流動(dòng)站接收機(jī)。故:①電臺(tái)天線要盡量高。如果距離較遠(yuǎn),則要使用高增益天線或?qū)⒒炯茉O(shè)在位置比較高的已知點(diǎn)上,否則將影響到作業(yè)距離。②電源電量要充足,否則也將影響到作業(yè)距離。③基站盡量不要架設(shè)在有標(biāo)架,特別是鋼標(biāo)架的底下,因?yàn)闃?biāo)架對(duì)基站的 GPS接收衛(wèi)星有很大的影響,將直接導(dǎo)致流動(dòng)站固定緩慢和數(shù)據(jù)精度降低。

(2)設(shè)站時(shí),要限制最大衛(wèi)星使用數(shù),一般為8顆。如果太多,則將影響作業(yè)距離;太少,則影響 RTK初始化。

(3)如果不是使用七個(gè)參數(shù),則在設(shè)置基準(zhǔn)站時(shí)要使 Transform To wGS84(轉(zhuǎn)換到 wGs84坐標(biāo)系)處于 of(關(guān)閉)狀態(tài)。

(4)如果使用七個(gè)參數(shù),則△X、△Y、△Z都小于 ±100較好,否則重求。

(5)在求轉(zhuǎn)換參數(shù)前,要使參數(shù)轉(zhuǎn)換和一 t參數(shù)關(guān)閉。

(6)在 RTK作業(yè)模式下,基準(zhǔn)站通過數(shù)據(jù)鏈將其觀測(cè)值和測(cè)站坐標(biāo)信息一起傳送給流動(dòng)站。流動(dòng)站不僅通過數(shù)據(jù)鏈接收來自基準(zhǔn)站的數(shù)據(jù),還要采集 GPS觀測(cè)數(shù)據(jù),并在系統(tǒng)內(nèi)組成差分觀測(cè)值進(jìn)行實(shí)時(shí)處理,同時(shí)給出厘米級(jí)定位結(jié)果,且歷時(shí)不到 1 s?；鶞?zhǔn)站和移動(dòng)站必須要保持四顆以上相同衛(wèi)星相位觀測(cè)值的跟蹤和必要的幾何圖形,則流動(dòng)站可隨時(shí)給出厘米級(jí)的定位結(jié)果。

3.6.2 有關(guān)流動(dòng)站的問題

(1)解的模式要使用 RTK Extrap(外推)模式。

(2)數(shù)據(jù)鏈接受間隔要與基準(zhǔn)站設(shè)置的發(fā)射間隔一致,都要為 1。

(3)高程改正應(yīng)在天線高里進(jìn)行改正。

(4)為了能真正反映地面高程。我們給流動(dòng)站的碳纖維桿(原來是尖的)下面改裝了一塊 3 cm×3 cm的平面底板,從而保障了地面高程的準(zhǔn)確性。

(5)差分天線要盡可能的高。

3.6.3 有關(guān)求轉(zhuǎn)換參數(shù)的問題

已知兩點(diǎn)在測(cè)程及測(cè)區(qū)內(nèi)要盡量遠(yuǎn)。同時(shí),這兩點(diǎn)不能在同一條經(jīng)線或同一條緯線上。

(1)觀測(cè)衛(wèi)星的圖形強(qiáng)度。圖形強(qiáng)度越好,RTK的準(zhǔn)確性和可靠性越高。

(2)基站作業(yè)環(huán)境?；镜倪x擇要遠(yuǎn)離大功率無線電發(fā)射臺(tái)、變電站、高壓線等無線電干擾源,遠(yuǎn)離大面積水域,避免產(chǎn)生 GPS信號(hào)的多路徑效應(yīng)。

(3)人為因素。測(cè)量員的作業(yè)熟練程度也會(huì)影響 RTK的作業(yè)精度。測(cè)量作業(yè)時(shí),如果屏幕顯示的不是固定解時(shí)就記錄,則數(shù)據(jù)的精度會(huì)很低,甚至?xí)涗浀藉e(cuò)誤的數(shù)據(jù)。如果測(cè)量時(shí)接收機(jī)天線未保持垂直,測(cè)量數(shù)據(jù)的精度同樣會(huì)很低。

3.7 GPSRTK測(cè)量的優(yōu)點(diǎn)

(1)RTK在無需通視的條件下,具有遠(yuǎn)距離傳遞三維坐標(biāo)的優(yōu)勢(shì)。

(2)節(jié)約人員。觀測(cè)數(shù)據(jù)不再采用手工記錄,同時(shí)還避免了粗差。只需一個(gè)人,就可以通過操作流動(dòng)站進(jìn)行測(cè)量。

(3)定位精度高。精度可達(dá)到厘米級(jí)。根據(jù)施工中全站儀與 GPS的對(duì)比試驗(yàn)得知,GPS RTK放樣點(diǎn)中誤差為 ±20mm;成果可靠,每個(gè)點(diǎn)的誤差均隨機(jī)產(chǎn)生,處于同一數(shù)量級(jí),不會(huì)像傳統(tǒng)測(cè)量那樣產(chǎn)生誤差的積累。

(4)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理。手持控制器可顯示位置成果。這一功能使測(cè)量師在離開測(cè)區(qū)前就可以知道全部測(cè)量成果是否滿足要求。

(5)接收機(jī)性能穩(wěn)定?？梢匀旌蚬ぷ?。每臺(tái)儀器略加配置,即可做靜態(tài)定位、快速靜態(tài)定位及動(dòng)態(tài)測(cè)量定位等工作。

(6)RTK測(cè)量系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)記錄數(shù)據(jù)。既可減少外業(yè)工作量,又便于內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)的整理和檢查。

4 結(jié) 語

筆者根據(jù)工程實(shí)踐得到以下認(rèn)識(shí):隨著 GPS測(cè)量精度的進(jìn)一步提高,GPSRTK技術(shù)已滿足大比例尺測(cè)圖、縱橫斷面測(cè)量以及開挖施工放樣等工作,完全可以替代全站儀等傳統(tǒng)測(cè)繪儀器,為測(cè)繪工作開創(chuàng)出了新的局面,在工程建設(shè)領(lǐng)域發(fā)揮出了更重要的作用。