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摘要:GPS-RTK技术是一种建立在载波相位观测值基础上的实时动态定位技术，在公路工程测量中得到广泛应用。本文结合实例，对GPS-RTK技术在山区公路工程测量中的应用展开了分析，指出了GPS-RTK技术相对于传统测量方法的优势，并对工程测量应用中存在的问题以及对策进行了详细的介绍。
关键词:GPS-RTK；公路测量；应用
引言
随着我国公路建设以及现代科学技术的不断发展，公路工程测量技术也取得了极大的进步。在山区公路工程测量中，由于其高度差异较大、地形多变、通视条件差等，对工程测量技术的要求较高。而GPS-RTK的精度可以达到厘米级，且具有实时快速、不受时空限制等特点，已成为山区公路工程测量的有效工具。鉴于此，笔者对GPS-RTK技术在山区公路工程测量中的应用进行了介绍。
1 近代公路工程测量方式
1.1数字测图
传统的地形测图(即白纸测图)的本质是将测得的观测数据用图解的方法转化为图形。首先，这一转化过程几乎都是在野外实现的，所以劳动强度较大；其次，在这个转化过程中测量数据的精度大幅度降低。由于图形信息存储空间有限，而且变更、修改也极为不方便，地形测图方法已经难以适应当前公路建设的需要。随着电子全站仪、GPS-RTK等先进测量仪器和技术的广泛应用，地形测量开始向自动化和数字化方向发展，数字化测图技术应运而生。
数字测图(英文简称DSM)系统是以计算机及其软件为核心，在外接输入输出设备的支持下，对地形空间数据进行采集、输入、成图、绘图、输出、管理的测绘系统。数字测图的基本思路是:首先将地面上的地形和地理要素转换为数字量；然后用电子计算机对其进行处理，得到内容丰富的电子地图；最后由图形输出设备输出地形图或所需要的图形。数字测图的目的是要实现丰富的地形、地理信息的数字化和作业过程的自动化，尽可能缩短野外测图时间，减轻野外劳动强度，将大部分作业内容安排在室内去完成。
1.2 电子全站仪
电子全站仪是一种集光、机、电为一体的高技术测量仪器，具有角度测量、距离(斜距、平距、高差)测量、三维坐标测量、导线测量、交会定点测量和放样测量等多种用途，安置一次仪器就可完成该测站上的全部测量工作，在公路线路测量中的应用十分广泛。它可以自动计算水平距离、高差、坐标增量，还可以自动显示、记录、储存和传输数据，更适合用于对移动目标和空间点的测量。利用电子全站仪进行数字测图时，主要是通过极坐标法获得碎部点的坐标，其测量原理是以测站为中心，通过测定已知方向与待测点方向间的角度和测点到碎部点的距离，从而确定待测点在图上的位置。
采用电子全站仪进行数字测图设站灵活、操作简单，可以自动记录计算数据，从而直接获得待测点的三维坐标。不利因素是它要求站与站之间通视，人为因素和地形条件对测量结果的影响很大，并且对控制点数量的要求也很高，这使得作业量增多，作业时间延长，人力、物力、财力投入高，对于要求快速、精确测量的工程显得不足。
1.3 GPS技术
GPS是全球定位系统(Global Positioning System)的英文简称，由地面控制部分、空间部分、用户装置部分组成。地面控制部分由主控站、地面天线、监测站和通讯辅助系统组成，分布于地球表面，起到监控卫星、向其传输数据并保证卫星能够正常发送数据的作用。空间部分由24颗卫星组成，分布在6个轨道面上，上面配备了无线电设备和时钟，其作用是接受地面上主控站的命令并可以连续地向用户发送信号。用户装置部分主要由GPS接收机、卫星电线、数据处理软件、用户设备等组成，其作用是接受卫星发出的信号并依据此来进行导航定位。
1.4 GPS-RTK技术
GPS-RTK是实时动态测量技术的简称，也被称为载波相位差分技术，是建立在实时处理2个测站的载波相位基础上的差分方法。这种方法可以得到待观测点的三维坐标，并且其测量精度可以达到0.01m。它由1个基准站和若干个流动站以及通讯系统组成。一般情况下，基准站架设在具有已知坐标的高级控制点上，通过连续接收所有可视卫星信号，并将测站点坐标、天线高、载波相位观测值、伪距观测值、卫星跟踪状态及接收机工作状态等参考信息通过通讯系统传输给流动站，而流动站在跟踪GPS卫星信号的同时接受来自基准站的数据，通过差分处理解算与基准站之间的三维坐标增量(△X，△Y，△Z)，据此来计算流动站的坐标。
近年来，GPS-RTK技术日渐成熟，仪器的体积越来越小，对于野外携带操作十分方便；此外，由于其不要求站与站之间满足严格的通视要求，时间、气象条件对测量结果的影响也很小，完全可以满足对不同比例尺山区公路带状地形图勘探设计的要求。
2 GPS-RTK技术在山区公路工程测量中的应用
GPS-RTK技术是传统测量方式的一次革新，具有精度高、效益好、自动化、全天候等优点，有着广泛的应用前景。笔者以S32黄杨大道至珠海机场高速JL1标为例，采用GPS-RTK技术结合电子全站仪进行野外数据采集，用南方CASS7.1软件进行内业处理数字化成图，验证GPS-RTK技术应用在山区公路工程测量中的可行性。
2.1 工程概况
S32黄杨大道至珠海机场高速JL1标段公路东西长约8km，南北长约6km，线路宽度约0.7km测量范围为9.85km2的带状区域，属于低山丘陵区。测区范围内有城市一级导线点3个，坐标系统是地方独立坐标系，高程是1985国家高程基准并且分布均匀，可以用作图根控制点的起算数据。
该项目野外测图采用1套完整的思拓力S9IIIGPS-RTK和2套拓普康全站仪来相互配合作业，以原有的三维控制点作为起算点，在测区内布设三维大地控制网，控制点的设置密度为沿线约每1km设1个点。
2.2 准备工作
(1)仪器准备。检查仪器是否齐全，避免到现场后出现仪器遗漏的情况。
(2)仪器检查。检查仪器是否正常工作，各模块是否正常运行，电池是否充满。
(3)仪器设置。提前设置好接收机参数，以节约时间，提高工作效率。
2.3 野外作业测量
(1)仪器的架设
①基准站架设:把基准站架设在斗门第一中学的教学楼顶，架设好之后进行基准站的设置。
②流动站设置:建立新的作业任务，对坐标系统、坐标、测量形式进行定义，输入天线高，完成流动站的设置即可进入测量模式。
③点校正和检测:完成基准站和流动站的设置后，进行点校正和检测，这时候需要2台GPS-RTK接收机同时工作，每台进行2个时段的检测，误差比较合格后点校正完成。
2)GPS-RTK图根控制和碎部点的数据采集
从所测区域内的实际情况出发，为了提高作业效率，在完成了点校正之后用GPS-RTK在测区的中部给全站仪设置6个图根点，相应的编号依次为TGD1、TGD2、TGD3、TGD4、TGD5、TGD6。图根点坐标高程见表1。
表1 图根点坐标高程
电子全站仪利用这6个点进行设站和野外数据的采集。在电子全站仪进行数据采集的同时，GPS-RTK继续为全站仪进行图根点的布设。在作业期间，2台GPS-RTK接收机同时观测，在整个作业区域内为电子全站仪一共设置了205个图根点。采用GPS-RTK进行野外数据采集时可不必遵守“从整体到局部，先控制后碎部”的原则，图根控制测量和碎部测量可以同时进行，且同步作业时不受图幅的限制，作业分工可以按原来的地形条件(河流、道路等)进行展开，这样可以减少图幅接边的问题。在图根控制完成之后，将GPS-RTK设置成测量模式对作业区内开阔的田地、河流、沟渠等进行全数字野外数据采集，而对于有信号遮挡和村庄密集的区域采用电子全站仪进行全数字野外数据采集。
2.4 内业数据处理
完成野外数字测图之后，利用南方CASS7.1软件进行内业处理，最终形成1:2000带状地形图。碎部点数据处理时，统一了电子全站仪、GPS-RTK与CASS7.1软件的数据格式，输出数据格式为.dat。之后利用CASS7.1进行图形文件生成，图形比例尺为1:2000，将经过处理的碎部点数据输入到计算机中，参照外业所绘制的草图，经过软件编辑最后连线成图。因为测量工作不是由1个作业组完成的，为了避免出现接边误差，需要将整个测区的图形编辑在一起，最后根据实际需要进行分幅。
2.5 数据精度分析
在进行数据精度检查时，采用GPS-RTK或电子全站仪测出检查点的三维坐标，与从电脑中读出的坐标进行比照，结果98%的点误差均在±5cm以内，最大误差不超过8cm。所有检查点的中误差为±2.98cm，精度符合要求。参照测量规范要求，图根点相对于最近控制点的平面位置中误差不得超过图上的±0.01mm，换算成实地点位误差是±50cm，该项目测量中图根点控制测量做差点位的中误差为±4.9cm，满足精度要求。碎部点的中误差经过实地校验之后精度也符合要求。所以此次线路勘测精度满足1:2000的比例尺要求，测量结果可以利用。
3 GPS-RTK与传统测量方法的对比
3.1 GPS-RTK与常规的GPS测量方法的比较
常规的GPS测量方法有静态测量、快速静态测量、动态测量等。GPS-RTK与常规的GPS测量方法相比具有如下优点:
(1)定位精度高、数据安全可靠、没有误差积累。静态测量、快速静态测量、动态测量都需要事后进行解算才能获得厘米级的精度，而GPS-RTK技术却可以在野外实时得到厘米级的平面精度和高程精度。
(2)作业效率高。静态测量、快速静态测量、动态测量需要很多的控制点，而GPS-RTK技术一次设站可以测量半径为10km的作业区域，大大提高了作业效率。
(3)自动化作业，数据处理功能强。因为配备了手薄使得操作更加方便，内置的软件自动计算可实现多种测绘需求，一定程度上减少了人为误差。
3.2 GPS-RTK与电子全站仪的比较
(1)使用条件
电子全站仪使用时必须要有可见光而且光线不能太暗，还必须要求光学通视；而GPS-RTK不需要很强的光线，主机之间不要求光学通视，但是对天空要保证光学通视。
(2)测量距离
电子全站仪主要用于短距离测量，一般不超过1.5km，如果待测点距离已知点的距离过远，就需要通过多次搬站来完成测量；GPS-RTK的作业半径一般在10km左右，一次设站即可完成测量任务。
(3)测量误差
如仅使用电子全站仪完成一次测量任务需要多次搬站，搬站的次数越多误差就越大，导致精度很差；而GPS-RTK进行测量时流动站测量的每个点都是与基准站进行比较得出的结果，由于基准站是固定的，所以流动站所测量的每个点的误差都是相对于基准站的，没有误差积累。
(4)控制点的引点
在控制点距离较远的情况下，如果采用电子全站仪引点，误差累积是无法避免的，这时候只能从一级导线或二级导线上引点，导致工作量增大；GPS-RTK可以将30km外的控制点引到测区且不存在误差积累，工作进度很快，不必担心出现测区内控制点偏少的情况。
(5)人员配备
电子全站仪一般需要配备3人，跑尺、测量、画草图各1人；GPS-RTK配备2人即可，1人看守基站，1人画草图、测量。
4 项目应用中存在的问题以及处置对策
4.1 实地测量中遇到的问题
(1)在中午时间段，GPS-RTK的测量一般是浮点解，差分解很难得到固定解。因为此时电离层的干扰十分大，可以共用的卫星数目少，初始化过程需要较长的时间有时候根本无法初始化，从而导致测量无法开展。
(2)受电台传输距离的影响，数据链电台信号在传输过程中受到了外接环境条件的干扰。因为测量区域内有山，建筑物密集导致传输过程中出现了信号衰减，导致作业半径减小，测量精度也受到影响。
4.2 处置对策
(1)在不同的环境条件下反复试验，尽可能完全掌握仪器的操作方法，以减少人为操作不当带来的误差甚至错误。
(2)基准点应该尽可能架设在高程较高的控制点上面，方便接受卫星和数据链信号。
(3)在环境条件不是太好的地区应该增设一些控制点。
(4)测量时尽可能避开中午电离层干扰较大的时间段和卫星信号盲区。
5 结语
综上所述，实时动态测量(GPS-RTK)技术相对于传统的测量技术具有精确度高、实时性好、测量范围广、工作效率高、速度快等优点，在山区公路工程测量中具有很大的应用优势。因此，在山区公路工程测量中，测量人员要合理应用GPS-RTK技术进行测量，同时对于测量过程中存在的问题，要及时采取对策进行解决，从而确保工程测量的准确性，提高工程测量的效率。
参考文献
[1]贺国超.GPS-RTK技术在公路工程测量中的应用[J].科技展望.2015(24)
[2]杭磊,李浩.公路工程测量中GPS-RTK测量技术的应用优势[J].建筑技术开发.2016(03)
论文作者:宋洋
论文发表刊物:《基层建设》2016年18期
论文发表时间:2016/11/29
标签：测量论文; 作业论文; 误差论文; 技术论文; 坐标论文; 全站仪论文; 精度论文; 《基层建设》2016年18期论文;