GPS-RTK在公路縱橫斷面測量中的應(yīng)用
2014-06-04 21:23:02 來源: 長江空間公司遙感數(shù)字工程院 作者：鄧慶海
GPS-RTK在公路縱橫斷面測量中的應(yīng)用
鄧慶海
（長江空間公司遙感數(shù)字工程院）
摘要:介紹了RTK在公路縱橫斷面測量中的使用方法,并通過實(shí)際工程應(yīng)用分析對比,確定了此方法的優(yōu)越性.
關(guān)鍵詞:CORS站、參數(shù)計算、曲線要素、斷面數(shù)據(jù)格式。
一、 GPS-RTK測繪步驟以及誤差處理
1.1 GPS-RTK測繪步驟
當(dāng)前，利用多基站網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)建立的連續(xù)運(yùn)行衛(wèi)星定位服務(wù)綜合系統(tǒng)（Continuous Operational Reference System，縮寫為CORS）已成為城市GPS應(yīng)用的發(fā)展熱點(diǎn)之一。CORS系統(tǒng)是衛(wèi)星定位技術(shù)、計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、數(shù)字通訊技術(shù)等高新科技多方位、深度結(jié)晶的產(chǎn)物。 CORS系統(tǒng)由基準(zhǔn)站網(wǎng)、數(shù)據(jù)處理中心、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、定位導(dǎo)航數(shù)據(jù)播發(fā)系統(tǒng)、用戶應(yīng)用系統(tǒng)五個部分組成，各基準(zhǔn)站與監(jiān)控分析中心間通過數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)連接成一體，形成專用網(wǎng)絡(luò)。在我們進(jìn)行測量之前首先要確認(rèn)移動GPS已取得CORS基準(zhǔn)站的受權(quán)（擁有賬號和密碼）。
當(dāng)前，利用多基站網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)建立的連續(xù)運(yùn)行衛(wèi)星定位服務(wù)綜合系統(tǒng)（Continuous Operational Reference System，縮寫為CORS）已成為城市GPS應(yīng)用的發(fā)展熱點(diǎn)之一。CORS系統(tǒng)是衛(wèi)星定位技術(shù)、計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、數(shù)字通訊技術(shù)等高新科技多方位、深度結(jié)晶的產(chǎn)物。 CORS系統(tǒng)由基準(zhǔn)站網(wǎng)、數(shù)據(jù)處理中心、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、定位導(dǎo)航數(shù)據(jù)播發(fā)系統(tǒng)、用戶應(yīng)用系統(tǒng)五個部分組成，各基準(zhǔn)站與監(jiān)控分析中心間通過數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)連接成一體，形成專用網(wǎng)絡(luò)。在我們進(jìn)行測量之前首先要確認(rèn)移動GPS已取得CORS基準(zhǔn)站的受權(quán)（擁有賬號和密碼）。
當(dāng)我們連接上CORS站能夠獲得解算時，我們要注意我們此時獲得的坐標(biāo)系統(tǒng)是CORS基站的坐標(biāo)系統(tǒng)，要與我們所做工程的系統(tǒng)一致的話，我們不僅要設(shè)置坐標(biāo)系統(tǒng)參數(shù)（如：中央子午線、橫軸加常數(shù)、比例、平均緯度等），還要進(jìn)行投影轉(zhuǎn)換，這時我們可根據(jù)工程要求和已知點(diǎn)情況進(jìn)行三參數(shù)、四參數(shù)或七參數(shù)改正，將CORS坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換到我們工程所需坐標(biāo)系統(tǒng)中來。（切記參數(shù)計算時，定要用無任何轉(zhuǎn)換參數(shù)所測量的數(shù)據(jù)與工程坐標(biāo)系統(tǒng)中的已知數(shù)據(jù)計算）。筆者在湖北一公路工程中用湖北CORS基站經(jīng)轉(zhuǎn)換后與工程已知坐標(biāo)點(diǎn)檢查的部分結(jié)果見（表一）。其結(jié)果充分肯定了CORS基站能滿足我們道路測量的平面精度要求。
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HBCORS測量四等GPS點(diǎn)與靜態(tài)三等GPS點(diǎn)校核成果表 (表一)
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點(diǎn)號
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XH
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YH
|
XJ
|
XJ
|
⊿X
|
⊿Y
|
D
|
|
GPS1
|
3414125.7
|
498612.28
|
3414125.7
|
498612.29
|
-0.01
|
-0.008
|
0.013
|
|
GPS11
|
3414853.1
|
494847.74
|
3414853.1
|
494847.75
|
-0.011
|
-0.009
|
0.014
|
|
GPS12
|
3415103.4
|
494783.87
|
3415103.4
|
494783.86
|
0.001
|
0.008
|
0.008
|
|
GPS21
|
3417293
|
490592.55
|
3417293
|
490592.53
|
-0.039
|
0.026
|
0.047
|
|
GPS29
|
3418610.7
|
487820.21
|
3418610.7
|
487820.22
|
-0.015
|
-0.01
|
0.018
|
|
GPS65
|
3424042.4
|
486260.57
|
3424042.4
|
486260.56
|
-0.016
|
0.006
|
0.017
|
|
GPS74
|
3427215.5
|
483682.73
|
3427215.5
|
483682.73
|
-0.002
|
-0.002
|
0.003
|
|
GPS80
|
3424895.4
|
483869.55
|
3424895.4
|
483869.53
|
-0.02
|
0.016
|
0.026
|
|
GPS81
|
3424455.1
|
483849.56
|
3424455.1
|
483849.56
|
-0.013
|
-0.001
|
0.013
|
|
GPS93
|
3419702.2
|
485389.57
|
3419702.2
|
485389.57
|
0.016
|
0.001
|
0.017
|
當(dāng)然公路的縱橫斷面測量在高程精度上要求也很嚴(yán)格，我們用GPS-RTK測量在經(jīng)過參數(shù)改正的情況下在5KM范圍內(nèi)，一般精度在±3CM內(nèi)。筆者在316國道改建項(xiàng)目中，在一些公路連接處用四等水準(zhǔn)高程和RTK高程進(jìn)行了對比，結(jié)果如下表二。
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公路連接水準(zhǔn)測量 （表二）
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點(diǎn)號
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X坐標(biāo)
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Y坐標(biāo)
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水準(zhǔn)高程
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RTK高程
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高程差
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|
1
|
3432829.27
|
479615.55
|
28.837
|
28.832
|
0.005
|
|
2
|
3432835.00
|
479633.77
|
28.821
|
28.818
|
0.003
|
|
3
|
3432840.66
|
479651.72
|
28.838
|
28.83
|
0.008
|
|
4
|
3432845.14
|
479668.00
|
28.838
|
28.83
|
0.008
|
|
5
|
3432850.19
|
479684.98
|
28.787
|
28.778
|
0.009
|
|
6
|
3432855.74
|
479707.25
|
28.817
|
28.821
|
-0.004
|
|
7
|
3432872.69
|
479696.01
|
28.876
|
28.863
|
0.013
|
|
8
|
3432864.68
|
479676.49
|
28.804
|
28.792
|
0.011
|
|
9
|
3432859.91
|
479660.79
|
28.833
|
28.836
|
-0.003
|
|
10
|
3432854.89
|
479641.06
|
28.819
|
28.825
|
-0.006
|
|
11
|
3432849.26
|
479621.72
|
28.849
|
28.841
|
0.008
|
|
12
|
3432846.81
|
479611.92
|
28.806
|
28.815
|
-0.009
|
從上表的結(jié)果中，我們不難看出RTK的高程精度能夠滿足一個四等水準(zhǔn)的要求，當(dāng)然前題條件是做參數(shù)計算的已知點(diǎn)離我們測量的外域比較近，上表測量時已知點(diǎn)在1KM范圍內(nèi)。
通常我們進(jìn)行道路測量時，設(shè)計者會給我們提供一個曲線要素表如下(表三)
直線、曲線及轉(zhuǎn)角表
上表為交點(diǎn)法的要素表（一部分），我們利用GPS-RTK測量時，可以方便快捷的把這些要素文件編輯為儀器可讀入格式，然后我們可以預(yù)覽平面、進(jìn)行里程坐標(biāo)檢查，如下圖
圖一
當(dāng)我們檢查各項(xiàng)數(shù)據(jù)無誤后，我們便可以進(jìn)行道路放樣，按照設(shè)計數(shù)據(jù)和縱斷面的各項(xiàng)要求放出縱斷面中樁并把他測量記錄下來。如圖二，我們放樣是儀器會直接告訴我們偏距和方向，我們測量起來方便快捷。（注意，測量時一定要是固定解）。
圖二
在我們進(jìn)行橫斷面采集時，我們只需要定義要測斷面的里程樁號和斷面邊距，儀器可顯示出橫斷面線同時顯示出我們離橫斷面線的垂距和縱斷面中線的偏距，測量起來非常方便。
1.2 CPS-RTK測繪斷面數(shù)據(jù)處理
采用GPS－RTK測量，我們的設(shè)備可以保存最具檢查價值的原始坐標(biāo)數(shù)據(jù)格式，坐標(biāo)數(shù)據(jù)文件，可以直接導(dǎo)入到南方CASS中，方便我們檢查縱橫斷面實(shí)測和設(shè)計的偏移量，當(dāng)然還可以根據(jù)用戶需要，導(dǎo)出各種不同的格式，如縱斷面可以導(dǎo)出坐標(biāo)高程，也可直接導(dǎo)出里程高程，橫斷面的格式更多，如我們常用的格式：
1 //斷面序號
47 //斷面里程
-0.015 -0.436 //離中心點(diǎn)距離 高差（左邊）
0.013 -0.329 0.034 -0.036 //離中心點(diǎn)距離 高差（右邊）
用戶也可以根據(jù)自己需要的格式，定義各種成果輸出法，方便生成斷面圖所采用的不同程序。
1.3 CPS-RTK測繪誤差的分析處理
(1)儀器本身的誤差
因儀器的硬件、軟件對GPS信號分辨率的誤差和天線相位中心的偏移誤差、天線對測量誤差、天線高測量誤差等儀器本身的因素引起誤差，只能通過測繪人員盡量滿足最佳測量標(biāo)準(zhǔn)來減少誤差。
(2)測繪過程中引起的誤差因素
除了儀器本身的誤差之外，還有外界因素引起的誤差，具體情況主要有衛(wèi)星運(yùn)行軌道和地球自轉(zhuǎn)對數(shù)據(jù)精確度的影響、衛(wèi)星傳輸數(shù)據(jù)時受到干擾和測繪基站與移動GPS傳輸數(shù)據(jù)時，植物以及其他物體對信號的削弱或數(shù)據(jù)丟失引起的誤差。
對于衛(wèi)星運(yùn)行軌道和地球自轉(zhuǎn)對數(shù)據(jù)精確度造成的誤差不可能避免，只能通過選擇最佳的觀測時段和盡量滿足最佳測量標(biāo)準(zhǔn)的基準(zhǔn)點(diǎn)來最大限度地減少誤差。測繪基站與移動GPS傳輸數(shù)據(jù)時，植物以及其他物體對信號的削弱或數(shù)據(jù)丟失引起的誤差，可以通過減少導(dǎo)致這種測量誤差的最主要因素的途徑解決。即在測量時確保移動GPS信號運(yùn)動與數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆秶鷥?nèi)，盡量不在高大的樹下來實(shí)現(xiàn)。
(3)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換會帶來誤差。對于坐標(biāo)轉(zhuǎn)換誤差來說，有兩個誤差源，一是投影帶來的誤差，二是已知點(diǎn)誤差的傳遞。但通過設(shè)置RTK控制軟件采用的投影為抵償投影(中央子午線為基準(zhǔn)站所在點(diǎn)的經(jīng)度，投影面可選為測區(qū)平均高程面)的方法，可以忽略投影誤差。只需考慮已知點(diǎn)誤差的影響。當(dāng)平面已知點(diǎn)只有兩個時，則只能滿足計算坐標(biāo)轉(zhuǎn)換四參數(shù)的必要條件，無多余條件，也就不能給出坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的精度評定。
二、GPS-RTK技術(shù)在斷面測量中技術(shù)特點(diǎn)分析
(1)儀器本身的誤差
因儀器的硬件、軟件對GPS信號分辨率的誤差和天線相位中心的偏移誤差、天線對測量誤差、天線高測量誤差等儀器本身的因素引起誤差，只能通過測繪人員盡量滿足最佳測量標(biāo)準(zhǔn)來減少誤差。
(2)測繪過程中引起的誤差因素
除了儀器本身的誤差之外，還有外界因素引起的誤差，具體情況主要有衛(wèi)星運(yùn)行軌道和地球自轉(zhuǎn)對數(shù)據(jù)精確度的影響、衛(wèi)星傳輸數(shù)據(jù)時受到干擾和測繪基站與移動GPS傳輸數(shù)據(jù)時，植物以及其他物體對信號的削弱或數(shù)據(jù)丟失引起的誤差。
對于衛(wèi)星運(yùn)行軌道和地球自轉(zhuǎn)對數(shù)據(jù)精確度造成的誤差不可能避免，只能通過選擇最佳的觀測時段和盡量滿足最佳測量標(biāo)準(zhǔn)的基準(zhǔn)點(diǎn)來最大限度地減少誤差。測繪基站與移動GPS傳輸數(shù)據(jù)時，植物以及其他物體對信號的削弱或數(shù)據(jù)丟失引起的誤差，可以通過減少導(dǎo)致這種測量誤差的最主要因素的途徑解決。即在測量時確保移動GPS信號運(yùn)動與數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆秶鷥?nèi)，盡量不在高大的樹下來實(shí)現(xiàn)。
(3)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換會帶來誤差。對于坐標(biāo)轉(zhuǎn)換誤差來說，有兩個誤差源，一是投影帶來的誤差，二是已知點(diǎn)誤差的傳遞。但通過設(shè)置RTK控制軟件采用的投影為抵償投影(中央子午線為基準(zhǔn)站所在點(diǎn)的經(jīng)度，投影面可選為測區(qū)平均高程面)的方法，可以忽略投影誤差。只需考慮已知點(diǎn)誤差的影響。當(dāng)平面已知點(diǎn)只有兩個時，則只能滿足計算坐標(biāo)轉(zhuǎn)換四參數(shù)的必要條件，無多余條件，也就不能給出坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的精度評定。
二、GPS-RTK技術(shù)在斷面測量中技術(shù)特點(diǎn)分析
傳統(tǒng)的斷面測量工作需要將儀器放置在一已知點(diǎn)，然后指揮跑點(diǎn)人員在線路的斷面上進(jìn)行測量。有些斷面測量尤其是在進(jìn)行曲線測量時，要先靠跑點(diǎn)人員的工作經(jīng)驗(yàn)大致跑到曲面的斷面點(diǎn)上，經(jīng)過儀器操作人員測量后再計算出跑點(diǎn)人員斷面點(diǎn)的偏移量，跑點(diǎn)人員再到真正的斷面點(diǎn)上測量。遇到視線上有障礙物時還要轉(zhuǎn)測站，非常費(fèi)工費(fèi)時。應(yīng)用水準(zhǔn)測量時，高差變化較大時，進(jìn)度緩慢。本次工程中，利用線路已有的高程控制網(wǎng)點(diǎn)(每公里要求有一個四等水準(zhǔn)點(diǎn))，進(jìn)行對GPS擬合高的及時校正比對，保證了GPS-RTK采集到的高程數(shù)據(jù)的數(shù)學(xué)精度，滿足中平測量的精度要求，同時節(jié)約了計算數(shù)據(jù)的時間、節(jié)約了測繪成本。
三、GPS-RTK技術(shù)在應(yīng)用中存在的不足及解決辦法
(1)衛(wèi)星狀況影響GPS-RTK技術(shù)測量中的精度
當(dāng)衛(wèi)星系統(tǒng)運(yùn)行至美國最佳時段時，因相隔半球之遙。可能會產(chǎn)生假值。而且世界上的某些地區(qū)仍然不能很好的被衛(wèi)星系統(tǒng)覆蓋，也會產(chǎn)生假值。在高山、峽谷、森林區(qū)域、城市高樓密布區(qū)域，衛(wèi)星信號會被遮擋很長時間，使得一天中可以用于測量的時間受到很大的限制。對產(chǎn)生假值的解決方案是選擇合適的工作時間，通過采用測設(shè)已知點(diǎn)的CPS-RTK測量成果的方法來發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)中存在的質(zhì)量問題。
(2)GPS-RTK高程收斂的穩(wěn)定問題
GPS-RTK外業(yè)坐標(biāo)數(shù)據(jù)采集時，需要作業(yè)者細(xì)心，采集每個點(diǎn)位的坐標(biāo)時，一定要用輕便強(qiáng)制對中桿精確對中，并在固定解的情況下，高程收斂指標(biāo)RMS值小于0.01的時候采集，這樣采集的數(shù)據(jù)才能滿足中平測量的數(shù)學(xué)精度。GPS擬合高程值可以保證1.6厘米的數(shù)學(xué)精度。
四、結(jié)束語
當(dāng)衛(wèi)星系統(tǒng)運(yùn)行至美國最佳時段時，因相隔半球之遙。可能會產(chǎn)生假值。而且世界上的某些地區(qū)仍然不能很好的被衛(wèi)星系統(tǒng)覆蓋，也會產(chǎn)生假值。在高山、峽谷、森林區(qū)域、城市高樓密布區(qū)域，衛(wèi)星信號會被遮擋很長時間，使得一天中可以用于測量的時間受到很大的限制。對產(chǎn)生假值的解決方案是選擇合適的工作時間，通過采用測設(shè)已知點(diǎn)的CPS-RTK測量成果的方法來發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)中存在的質(zhì)量問題。
(2)GPS-RTK高程收斂的穩(wěn)定問題
GPS-RTK外業(yè)坐標(biāo)數(shù)據(jù)采集時，需要作業(yè)者細(xì)心，采集每個點(diǎn)位的坐標(biāo)時，一定要用輕便強(qiáng)制對中桿精確對中，并在固定解的情況下，高程收斂指標(biāo)RMS值小于0.01的時候采集，這樣采集的數(shù)據(jù)才能滿足中平測量的數(shù)學(xué)精度。GPS擬合高程值可以保證1.6厘米的數(shù)學(xué)精度。
四、結(jié)束語
GPS-RTK技術(shù)在公路測量中的有選點(diǎn)靈活,布網(wǎng)方便,不受通視、網(wǎng)形的限制,測量速度,精度高等優(yōu)點(diǎn),大大提高了工作效率,保證了公路勘測、放線精度。隨著RTK技術(shù)提高,軟件的完善,這項(xiàng)技術(shù)在公路勘測設(shè)計、公路施工放樣等領(lǐng)域有著更廣闊的應(yīng)用。
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