摘要：随着我国市场经济的高速发展，各项工程建设对工程施工测量工作的要求也是越来越高，GPS-RTK的出现以及应用，使得各项工程建设的野外测量以及实时测量精度能够控制在厘米的级别，GPS-RTK具有实时性、精度高以及速度快等优点使其在水利工程测量中的使用越来越广泛。本文主要根据GPS-RTK的基本原理以及该技术在水利工程测量中的应用进行分析，进而提出了GPS-RTK在水利工程测量中的误差控制以及提高测量精度的方法。
关键词：GPS-RTK；水利工程测量；精度；应用研究
水利工程建设是一项系统性和复杂性极强的工程项目，在建设过程中需要穿越的地形和地质特点尤为复杂。因此，施工之前的测量工作就显得尤为重要。在实际的测量过程中，通过应用GPS技术能够显著提高测量工作的效率和精度。但是，在实际的操作过程中，需要结合不同的测量项目进行针对性的测量工作，这样才能保证整个工程的测量水平，然而，目前投入建设的水利工程，大部分位于比较偏远的地区，具备非常少的高级测量控制点，使得水利工程的测量及施工面临着极大的困难。随着GPS-RTK技术的发展，各项工程建设已加大了GPS-RTK技术在实际测量操作中的应用力度。由于该测量技术具有高效率、高精度以及强实时性等特点，目前已成为一项技术先进的测量方法，极大程度上促进了水利工程测量的效率和质量。
1、GPS-RTK技术的特点及原理
1.1.GPS-RTK技术概述
GPS技术是全球卫星定位技术，在各个领域中起到了非常重要的作用。而RTK是一种在观测载波相位值的基础上进行实时动态定位的技术。将二者相结合应用于水利工程测量中，能发挥实时提供测量控制点坐标系的三维定位结果的作用。GPS-RTK测量系统主要由基准站接收机、数据链、流动站接收机3部分组成。
目前，常用的GPS-RTK仪器国内品牌有华测、中海达、科力达、南方等，国外品牌有拓普康等，常用的方法有外挂电台、内置电台、外部数据链、外接CORS等；内置电台与外置电台由于覆盖范围小，受地形与外界环境影响大，只适合小范围和地势平坦的地区使用，外接CORS由于使用收费和偏远地区没有完全覆盖，导致该方法使用的也不是很多。然而，外部数据链是直接利用已有的GPRS信号，即利用联通、移动、电信手机卡的3G、4G信号，所以此种方法目前得到普遍的使用。该方法架设基站不用安装电瓶，作业与运输更方便，手簿更智能化，跟目前市场的智能手机几乎一模一样，而且更耐摔，更防水，操作起来更智能；GPS接收机更小巧，使用起来更轻便，大大提高作业效率。
1.2.GPS-RTK技术应用中的特点
（1）定位精度高，GPS-RTK测量观测时要充分考虑测量的精度，目前的GPS-RTK可以保证在动态的情况下可以在几分钟内就很容易达到±10mm～±20mm的定位精度，这完全可以满足地形点的平面位置精度要求。（2）加密控制点，进行准确测量首先要做控制测量，平均每天可测量30～40个加密控制点，效率较高，操作简单方便。（3）准确测量施工放样，利用RTK自带软件中放样的功能进行点、直线、曲线放样测量。（4）观测时间短，在＜20km的短基线上，快速相对定位一般只需5min观测时间即可。（5）提供三维坐标，GPS-RTK测量在精确测定观测站平面位置的同时，可以精确测定观测站的大地高程。（6）抗干扰能力强，保密性能好，GPS采用了伪随机噪声码技术，使GPS信号深埋入噪声之中，因而具有良好的抗干扰能力和保密性能。（7）操作便捷，目前，GPS接收机已趋小型化和操作傻瓜化，并且液晶屏实时显示，测量时观测人员只需架站将天线对中、整平，量取天线高，打开电源即可进行自动观测，利用数据处理软件对数据进行处理即求得测点三维（X、Y、Z）坐标。（8）测站之间无需通视。对常规测量而言，点与点之间只有通视才能够进行测量，而GPS用于测量的一个显著优点就是点与点之间无需通视，每个测站上空开阔，GPS信号不受干扰，测量点能接受到卫星信号就可进行定位。GPS的这一特点，使得选点更加灵活方便。（9）不受天气限制。不受云雾、刮风、下雨、下雪等天气限制，均可进行GPS定位作业，因此，即使在恶劣气候环境下，也能按时顺利地完成GPS定位任务。
1.3 GPS-RTK技术的工作原理
在水利工程的测量工作中，RTK的技术基础为GPS技术，二者共同构成了GPS-RTK技术体系，在采用GPS-RTK技术进行测量的过程中，基准站通过数据链将其观测值和测站坐标信息一起传送给流动站。流动站不仅通过数据链接收来自基准站的数据，还要采集GPS观测数据，并在系统内组成差分观测值进行实时处理，同时给出厘米级定位结果，历时不足一秒钟。流动站可以是一个，也可以是多个，可处于静止状态，也可处于运动状态；可在固定点上先进行初始化后再进入动态作业，也可在动态条件下直接开机，并在动态环境下完成整周模糊度的搜索求解。在整周未知数解固定后，即可进行每个历元的实时处理，只要能保持四颗以上卫星相位观测值的跟踪和必要的几何图形，则流动站可随时给出定位结果。
2、GPS-RTK技术在工程测量中的应用现状
全球卫星定位系统现已转为民用，并广泛应用于各个领域。其在水利工程施工测量中能够连续地、全天候精确地进行导航定位，并且能够提供出准确的数据信息。一般来说，利用GPS高精度测量定位后，通过载波测量局域差分法得出一次差和二次差，最终再通过两次求差来确定待定基线需要的长度。静态作业模式高精度的测量应用范围相对比较大，可用于各种静态信息变化数据的观测，并且这种静态测量误差非常小，使得数据结果具有精确性，因此被广泛推崇应用于一般的水利工程测量，而RTK测量凭借快速性、实时性，厘米级精度等优势，在数据采集（如碎部测量）和工程放样中得到广泛应用。而目前根据GPS-RTK在我国水利工程测量的应用现状，仍有很多需要改进的地方。如目前采用的测量常规方法是几何水准测量，但是这种作业方法存在一定问题，如：作业效率低，没能充分发挥GPS高效、便捷、成本低、较强实效性等优势。因此，仍需加大对GPS-RTK技术的研究开发，将GPS-RTK观测数据进行更加科学的处理，才能使观测的结果达到更精准的要求。
3、GPS-RTK技术在水利工程中的应用
3.1.河道地形图测量
水利工程的测量不可避免的要对河道地形进行测量。但是由于河道地形涉及到水下，水下的地形不仅复杂，而且还是人们无法用眼睛来观测到的。因此河道地形的测量成为水利测量工作中的难点。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆此外，由于水利工程的建设会依据河道地形图来进行施工，所以，河道地形图是否准确直接关系到水利工程的建设质量。基于河道地形图的重要性，所以要对河道地形进行精确地测量。对河道地形的测量，传统上，一般使用三杆分度仪、六分仪和全站仪，再结合测深锤、测深仪进行实际测量。但是，利用传统方式进行测量，具有测量范围比较有限、精度差、工作量大、人员配备要求多以及其他缺陷。但是，GPS-RTK技术的应用有效地避免了这些缺陷，这项技术因其精度高、效率高、工作量小，渐渐地取代了传统方式，成为水利工程测量中的主要方法。GPS-RTR技术的实际操作流程主要是：①将GPS接收机、测深仪和电脑连接在一起；②利用导航软件精确定位出有关测量点，测量点在导航软件的指导下在指定的位置移动，接着由GPS接收机以及测深仪将测得的信息导入电脑之中，河道测量软件将电脑中的数据进行处理；③绘制出河道地形图。
3.2.断面测量
一些农田水利工程的建设，往往需要测量纵横断面图，进而准确地计算土石方量，为制定施工预算计划和施工方案提供依据。但是，借助以往的测量方法进行水利工程纵横断面测量，容易出现较大的误差，导致土石方量不准确，进而给施工成本控制和施工作业带来一定的影响。若将GPS-RTK技术应用于断面测量中，可以在RTK手薄中输入设计线形，以便向施工人员实时提供渠道纵向、横向断面，进而准确设置渠道的桩号以及到中线的距离，为标准化、合理化的施工作业创造条件。
3.3.控制测量
因农田水利工程建设的位置比较偏远，地形比较复杂，若利用传统的导线测量或水准测量等方法进行工程测量，很容易受到地理条件、气候条件等因素的影响，而且测量数据不精准，相应的水利工程建设也会受到影响。但基于GPS-RTK技术的水利工程测量，只需要利用GPS对测量对象予以定位，在此基础上确定4个以上高等级控制点，即可利用RTK技术精准测量。
3.4.GPS-RTK测量技术实现优化水利勘测作业
在目前水利测量工作比较繁杂的环节中采用GPS的动态测量技术，按照“静态与动态”的作业方式实现了一体化勘测。这种作业方式是将水利勘测工作分为静态作业和动态作业两大环节。静态作业是利用GPS技术建立全线基础控制网，提供高精度的框架，并为动态作业提供转换参数；动态作业就是利用RTK技术，用一定数量流动站即GPS接收机分段测量放样，它要求流动站分工明确，如有的负责测图，有的负责放样。其实质在于扩大RTK技术的应用范围，其关键在于实时GPS系统的数量。
3.5.GPS-RTK技术在外业静态测量中的应用
在GPS外业静态测量中，首先是选控制点和架设GPS接收机。控制点的定位对于测量结果的正确性是非常重要的，因此，要在选点前做好充分的准备工作，包括收集有关测区相关地理情况的资料，原有测量控制点分布和标志、标型以及标石等的相关情况来确定适应的点位。然后安置GPS接收机，GPS接收机安置工作中，要做到安置在正常点位上，GPS接收机固定架设在三脚架基座上，并安置在标志中心的上方直接对中、整平。在刮风的天气时，要将三脚架的三个脚加以固定，防止其倒地受到损坏。其次，便是开始静态定位观测，静态定位观测就是通过GPS接收机在一定的时间内接收到的卫星信息，经过解算确定所测量地面某点的三维坐标（X、Y、Z），它是至少由3台接收机同时同步接收卫星信号，经过采集一定时间卫星信号的处理，可精确计算出两点在WGS一84地心坐标系的三维坐标差，根据其中一点的坐标可推算出另一点的坐标。由于静态相对定位精度高，可广泛应用于形变监测、大地测量、有关工程控制等多个领域。
4、误差控制以及提高测量质量的方法
随着GPS-RTK技术在水利工程测量中的应用越来越频繁，逐渐暴露出该项技术在测量中存在的问题，比如测量的误差较大，精度不高。
4.1.误差控制
这种误差的控制主要就是从技术的本身入手。卫星轨道误差是由于卫星出现了一定的错误，这种错误对于水利工程测量放样的影响以及测量数据的影响还是比较小的。在测量中基本上可以忽略不计，从技术来看这是由于测量中使用的天线相位中心发生了变化导致了误差的产生，因此，对于它的解决方法只要进行天线检验校正即可。信号传播误差控制。信号的传播有关误差的产生主要是由于自然环境的影响。比如，大气的环境和对流层变化等。因此解决方案只需使用双频同步差分以及修改在控制测量过程中使用的天线高度角就能够减小甚至消除这种误差。但是，在使用卫星定位技术测量的过程中，也就出现了多路径效应误差，以及其他信号干扰误差时，它的解决方法是在测量中做好环境的检测而尽量的远离雷达站以及无线电和电磁波等干扰源，这能够极大的控制误差减小。
4.2提高工程测量质量措施
GPS-RTK测量数据质量与很多因素有关，因此，为了避免RTK测量的错误，提高测量的精度，必须进行测量质量控制。测量误差控制的方法主要有下面几个。（1）定期对控制网点进行维护和观测，要保证基准点的精度，对于控制点距离比较远的，要进行控制点加密；（2）进行点校正，每次初始化完成后，先重测1-2个附近测过的RTK点或重复测量高精度控制点，经过两次测量数据进行比对，确认在误差范围内后，方可进行重新RTK测量。（3）电台频率控制，电台是RTK测量的一个关键设备，电台的频率是保证测量精度的关键。在不同地形或干扰源的条件下采用不同的电台频率，保证数据传输的质量。（4）当接收机接收到的信号已经固定时，不要急于测量，待差分信号固定3分钟后再开始测量，平滑测量的精度高于快速测量的精度。（5）测量时，对中杆的气泡一定要居中。
5 GPS-RTK在水利工程中应用前景
GPS测量技术正在广泛的应用于各个领域，RTK技术在其基础上通过技术改进，拥有超越传统的测量方式方法的优势。RTK进行测量技术完全不会受外界客观因素影响如天气、交通、自然灾害等条件的限制，利用RTK测量技术比传统方法大大节省人力，降低生产成本。RTK应用于水利工程方面有一定的优势，但是该方法要求接收机在观察过程中，保持对所测卫星的连续跟踪，一旦发生失锁，便需重新进行初始化的工作。还应注意仪器的选择，应该选择带有抑径板天线的接收机，测站点的选择应该符合GPS测量规范要求，应该避其短处，发挥其长处，为我所用。
总结：GPS-RTK测量技术优点明显，应用显著，是GPS应用的重大里程碑，它的出现为工程放样、地形测图，各种控制测量带来了新曙光，极大地提高了作业效率。通过GPS-RTK测量技术在水利工程测量中的应用，充分掌握了GPS-RTK测量技术的应用过程和方法，为以后GPS-RTK的更广泛应用奠定了基础。要把水利测绘工作做好、做快，离不开GPS-RTK技术的应用，广大水利测绘工作者要熟练运用、提高技术水平，才能更好的为祖国水利建设贡献力量。
参考文献：
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[2]尹景伟.浅谈GPS-RTK技术在水利工程测量中的应用[J].江苏水利，2007.
[3]高连胜.GPS技术在水利工程测量中的应用[J].测绘与空间地理信息，2010，33（3）.
论文作者:代林鑫
论文发表刊物:《建筑细部》2018年第14期
论文发表时间:2019/1/25
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