GPS—RTK與全站儀在公路測量中的應(yīng)用

李傳元

【摘 要】隨著測量技術(shù)的日益進(jìn)步，我們在公路施工測量中利用GPS-RTK與全站儀配合進(jìn)行測量，將這兩種測量技術(shù)優(yōu)勢互補(bǔ)，得到事半功倍的效果。

【關(guān)鍵詞】GPS-RTK；全站儀；配合；工程測量

隨著測量技術(shù)的日益進(jìn)步，常規(guī)GPS的測量方法，如靜態(tài)、快速靜態(tài)、動態(tài)測量都需要事后進(jìn)行解算才能獲得厘米級的精度，而GPS-RTK是能夠在野外實(shí)時得到厘米級定位精度的測量方法，它采用了載波相位動態(tài)實(shí)時差分（Real - time kinematic）方法，是GPS應(yīng)用的重大里程碑，它的出現(xiàn)為工程放樣、地形測圖、各種控制測量帶來了新曙光，極大地提高了外業(yè)作業(yè)效率。而全站儀適用于地形碎部點(diǎn)的采集。因此，我們在公路施工測量中利用GPS-RTK與全站儀配合進(jìn)行測量，將這兩種測量技術(shù)優(yōu)勢互補(bǔ)，得到事半功倍的效果。

一、全站儀測量的特點(diǎn)和基本原理

全站型電子速測儀簡稱全站儀，它是一種可以同時進(jìn)行角度（水平角、豎直角）測量、距離（斜距、平距、高差）測量和數(shù)據(jù)處理，由機(jī)械、光學(xué)、電子元件組合而成的測量儀器。由于只需一次安置，儀器便可以完成測站上所有的測量工作，故被稱為“全站儀”。全站儀包含有測量的四大光電系統(tǒng)，即水平角測量系統(tǒng)、豎直角測量系統(tǒng)、水平補(bǔ)償系統(tǒng)和測距系統(tǒng)。通過鍵盤可以輸入操作指令、數(shù)據(jù)和設(shè)置參數(shù)。以上各系統(tǒng)通過I/O接口接入總線與微處理機(jī)聯(lián)系起來。微處理機(jī)（CPU）是全站儀的核心部件，主要有寄存器系列（緩沖寄存器、數(shù)據(jù)寄存器、指令寄存器）、運(yùn)算器和控制器組成。微處理機(jī)的主要功能是根據(jù)鍵盤指令啟動儀器進(jìn)行測量工作，執(zhí)行測量過程中的檢核和數(shù)據(jù)傳輸、處理、顯示、儲存等工作，保證整個光電測量工作有條不紊地進(jìn)行。輸入輸出設(shè)備是與外部設(shè)備連接的裝置（接口），輸入輸出設(shè)備使全站儀能與磁卡和微機(jī)等設(shè)備交互通訊、傳輸數(shù)據(jù)。由測距儀的發(fā)射系統(tǒng)發(fā)出一種連續(xù)的調(diào)制光波，測出該調(diào)制光波在測線上往返傳播所產(chǎn)生的相位移，以測定水平距離。在砷化镕（GaAs）發(fā)光二極管上加了頻率為f的交變電壓（即注入交變電流）后，它發(fā)出的光強(qiáng)就隨注入的交變電流呈正弦變化，這種光稱為調(diào)制光。測距儀在A點(diǎn)發(fā)出的調(diào)制光在待測距離上傳播，經(jīng)反射鏡反射后被接收器所接收，然后用相位計(jì)將發(fā)射信號與接受信號進(jìn)行相位比較，由顯示器顯出調(diào)制光在待測距離往、返傳播所引起的相位移。

二、GPS-RTK（以下簡稱 RTK）特點(diǎn)和基本原理

RTK（Real Time Kinematic ）實(shí)時動態(tài)測量系統(tǒng)，是集計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)字通訊技術(shù)、 無線電技術(shù)和GPS測量定位技術(shù)為一體的組合系統(tǒng)，是基于實(shí)時載波相位差分的實(shí)時動態(tài)定位技術(shù)，是 GPS測量技術(shù)發(fā)展中的一個新突破。RTK定位精度高，可以全天候作業(yè)，每個點(diǎn)的誤差均為不累積的隨機(jī)偶然誤差。且外業(yè)操作簡單，只需一人，屬于真正的一人操作系統(tǒng)，其平面精度可以達(dá)1cm+1ppm，高程精度可以達(dá)到2cm+1ppm，完全可以滿足公路測量的精度要求。RTK 是根據(jù) GPS 的相對定位概念，將一臺接收機(jī)放在已知點(diǎn)上 （稱為基準(zhǔn)站），另一臺或幾臺接收機(jī)放在新點(diǎn)上（稱為移動站），同步采集相同衛(wèi)星的信號。在RTK作業(yè)模式下，基準(zhǔn)站除了采集衛(wèi)星數(shù)據(jù)外，還要通過數(shù)據(jù)鏈將其觀測值和站點(diǎn)坐標(biāo)信息一起傳送給流動站。流動站在采集衛(wèi)星數(shù)據(jù)的同時，還要接收來自基準(zhǔn)站的數(shù)據(jù)鏈，并在系統(tǒng)內(nèi)對采集和接收的兩組數(shù)據(jù)，進(jìn)行實(shí)時載波相位差分的處理得出定位結(jié)果。并將這些觀測值進(jìn)行差分，從而削弱和消除軌道誤差、鐘差、大氣誤差等影響，將實(shí)時定位精度大大提高。并能進(jìn)行實(shí)時處理，提供厘米級定位結(jié)果。

三、GPS-RTK 與全站儀在公路測量中的應(yīng)用比較

1.測量環(huán)境：全站儀測量是通過測取兩點(diǎn)之間的平距及方位角，從而確定點(diǎn)位。因此，要求兩點(diǎn)之間必須通視，并且視線良好。遇到視線遮擋，須采用支點(diǎn)等形式來傳遞點(diǎn)位坐標(biāo)及測放中樁。在霧雨天氣時，地表蒸汽較大，直接影響測量的精度與進(jìn)度。GPS—RTK同全站儀相比有很多優(yōu)點(diǎn)：不需要相互通視；觀測作業(yè)不受天氣條件的影響；網(wǎng)的質(zhì)量與點(diǎn)位的分布情況無關(guān)；能達(dá)到大地測量所需要的精度水平；白天和夜間均可作業(yè)；經(jīng)濟(jì)效益顯著。

2.測量速度、效率：GPS測量效率比傳統(tǒng)方法有極大的提高，全站儀在測量和放樣時，是由測站指揮前點(diǎn)移動棱鏡到相應(yīng)的位置去，需要幾次反復(fù)才能將點(diǎn)位定下來。測量過程中搬站、清除障礙物等工作會浪費(fèi)很多時間。另外，測量時須大家配合作業(yè)，配合的熟練程度也會影響作業(yè)的速度。GPS作業(yè)對區(qū)域內(nèi)的站點(diǎn)之間不要求通視，流動站與基準(zhǔn)站之間的聯(lián)系是建立在無線電波基礎(chǔ)上，對流動站來講，儀器會引導(dǎo)你去相應(yīng)位置，如不合適，可自由調(diào)整，無須交流，從而提高作業(yè)速度。因此，從某種意義上說，流動站越多，作業(yè)越快。

3.測量精度：全站儀測量時，由于受干擾因此較多，因此常采取一些鋪助方法，如利用支點(diǎn)放樣，這樣測量出的點(diǎn)位精度會比正常放出的點(diǎn)位精度低。當(dāng)遇到長直線時常需要搬站，而搬站的誤差會累積到點(diǎn)位中誤差，從而影響整體測量精度。GPS—RTK測量時，其點(diǎn)位精度是實(shí)時顯示的，所測量和放樣的點(diǎn)位精度大致相同，不存在累積誤差，因此可以保證點(diǎn)位精度的均勻性。

四、GPS—RTK 測量技術(shù)在很多時候也存在局限性

1.GPS—RTK在測量過程中對環(huán)境要求嚴(yán)格：在 15o 截止高度角以上不存在障礙物；周圍沒有反射面，不致引起多路徑效應(yīng)；安全避開過往行人和車輛，盡可能將接收機(jī)設(shè)置在毋須人員照看的地方；附近不應(yīng)該有強(qiáng)輻射源（如無線電臺、電視發(fā)射天線等）；可靠的電源供應(yīng)；足夠的內(nèi)存容量；正確的配置參數(shù) （觀測類型、記錄速率）；檢查天線高和偏差；儀器的正確檢測。以上這些條件只有都滿足了，才會有高精度的結(jié)果。

2.控制測量：一些帶有隱蔽性和遮擋地區(qū)卻無法使用GPS技術(shù)。如在進(jìn)行公路地下工程、隧道控制測量中地面首級網(wǎng)可以采用GPS技術(shù)，在地下施工控制方案中卻無法采用。在森林處布設(shè)控制網(wǎng)，如果道路較窄而道路兩旁的樹木茂盛，GPS信號就會被遮擋而呈現(xiàn)斷斷續(xù)續(xù)，很難解算出符合精度要求的基線向量。建立居民區(qū)或工業(yè)區(qū)的控制網(wǎng)，采用GPS技術(shù)遠(yuǎn)沒有應(yīng)用全站儀方便。

3.碎部測量與放樣：采用 RTK功能GPS接收機(jī)、或在局部差分系統(tǒng)下的碎部測量，可直接測定碎部特征。但如果測圖區(qū)域?yàn)槌墙▍^(qū)，建筑物高大或民房密集。就會遮擋GPS信號，使得觀測值產(chǎn)生周跳，破壞了整周計(jì)數(shù)的連續(xù)性，需要重新確定初始化求未知數(shù)。這樣，影響觀測工作的效率和成圖精度，甚至?xí)l(fā)生錯誤。如果在該區(qū)域施工放樣，GPS衛(wèi)星信號會被經(jīng)常性地遮擋，以致放樣工作斷斷續(xù)續(xù)。

4.高程測量：應(yīng)用GPS定位技術(shù)不能直接測到地面點(diǎn)的正常高程，而只測到大地高程。如要確定地面點(diǎn)的正常高程，還必須要知道地面點(diǎn)的高程異常，這就限制了GPS技術(shù)在高程測量方面的作為。

綜上所述，GPS—RTK系統(tǒng)與全站儀相比，在野外測量中是各有優(yōu)劣，但是將 GPS—RTK與全站儀兩種測量技術(shù)相結(jié)合，比傳統(tǒng)方法更具優(yōu)越性，其不僅測量速度快、自動化程度較高，而且可減少人為的干預(yù)，在很大程度上避免人為誤差，使精度得到提高，完全滿足公路施工的要求，進(jìn)而大大提高工作效率，節(jié)省了工程費(fèi)用，創(chuàng)造出更好的經(jīng)濟(jì)效益。因此，RTK與全站儀結(jié)合技術(shù)在公路工程的各個領(lǐng)域里將會有更為廣闊的發(fā)展前景 。

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