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【摘要】随着GPS技术发展的日益纯熟，将GPS技术应用于大型施工项目，能极大提高工作效率，创造出更好的经济效益和社会效益。本文针对吹填工程实际情况，介绍了GPS RTK技术在工程沉降观测中的实施方法及应用情况，并分析其精度可靠性，为GPS RTK在吹填工程中的应用提供有效的资料。
【关键词】GPS RTK；吹填工程；沉降观测
本文探讨GPS RTK技术在吹填工程沉降观测中实施的可行性，并结合实际案例分析其可靠精度。
中化泉州石化项目位于福建省湄州湾南岸、泉州市惠安县东桥、原辋川盐场，泉州市惠安县泉惠石化工业园区内。主厂区平面优化后的新增区位于泉州市外走马埭围垦区内，拟回填场地原始泥面标高在-2.0~2.0m之间。本工程施工区回填面积约200.2万m2，采用水上吹填砂和陆上回填相结合的设计施工方案，围堤长3429米,围堤及吹填区最终验收标高+5.0m，其中回填区设计沉降量60~70cm。为便于本工程最终计算工程量，涉及到大金额工程量问题，在施工过程及结束后，必须对该施工区域地表及原始泥面进行沉降变形观测，为最终工程量计算提供有效数据。
由于施工区域大，整个施工过程中对原有地表影响较大，变形观测工作基点设置较远，且施工区域整体区域沉降不平衡，按照设计施工图纸要求，进行区域分析，每隔100米必须设置沉降观测点，每次观测时间间隔7天。施工区域大，测量工作面广，周围环境不确定因素过多，所有这些，都对测量配合工作提出更高要求。如果采用传统的方法，利用三角高程方法或水准测量方法进行变形观测，不但工作繁琐，大大降低了工作效率，而且也不能保证精度。宁波上航泉州测量队引进南方测绘公司S82、S86两台套动态实时差分GPS测量系统，采用GPS RTK技术，通过观测该区域沉降观测点，以获取数据，有效的解决了测量工作所带来的困难。
DGPS系统工作原理和系统组成
DGPS系统工作原理
全球定位系统(GPS)是一种采用距离交会法的卫星导航定位系统，与传统的距离交会法不同之处在于GPS定位中已知点是高速运动的卫星（其位置由地面控制系统以导航电文的形式通过卫星播发），此外，测距的方法与传统测距方法也有很大不同，一般采用测距码（分粗码/捕获码和精码）及载波相位来测距。具体工作时，在一个精确已知位置设基准站，基准站对视场范围内的GPS卫星（一般需要4颗以上）进行连续跟踪测量，以监测GPS的系统误差，并按规定的时间间隔，定时把误差校正量等数据通过无线数据链播发出去，移动台利用收到的信息，对GPS观测值进行校正，以达到消除星历误差、星钟误差、大气层延迟误差等公共误差，从而获得高精度的位置。移动台的计算机用于采集GPS位置的数据（平面数据）和高程数据，通过实时解算整周未知数和用户站的三维坐标，获得该点高精度测量数值如果解算结果的变化趋于稳定，为固定解，则其精度已满足设计要求，便可以结束实时观测。
1.2 系统组成
基准站：GPS主机，电源，GPS天线，电台天线。其作用是采集各种观测值，通过电台实时发送给流动站。
移动站：GPS主机，电源，GPS天线，接收电台及通讯天线组成，其作用是接收参考站所发射的各种观测信息，再对其与参考站间基线进行解算，实时获得该点坐标。
软件配置：南方公司灵锐之星工程软件，主要用于处理数据及形成成果数据文件。
1.3 GPS RTK技术精度支持
灵锐S82、S86系列采用天宝OEM板，以全新的天宝嵌入式定位技术作为高精度、高稳定的核心，可以确保长时间的考验和无故障工作，同时还结合了南方灵锐S82、S86稳定优秀的整机性能：高智能、数据处理快、安全性高。
南方GPS RTK接收机具有以下精度指标特点：
静态平面精度：±3mm+1ppm
静态高程精度：±5mm+1ppm
RTK平面精度：±1cm+1ppm
RTK高程精度：±2cm+1ppm
GPS RTK测量系统在沉降观测中的实施过程
2.1 GPS RTK点位坐标高程比对
所谓坐标比对，就是在进行任何种类的测量作业前，进行与控制范围内原有城市一级、二级导线控制点的坐标和高程校核，用于验证仪器参数设置的正确性，在此过程前应先输入计算好的参数。参数的计算是由于DGPS RTK测量是在WGS - 84 坐标系中进行的,而各种工程测量和定位是在当地坐标或我国的北京54 坐标上进行的,这之间存在坐标转换的问题。而DGPS RTK是用于实时测量的,要求立即给出当地的坐标,不同坐标系统的转换本质上是不同基准间的转换,常用的有布尔沙模型,又称为七参数转换法。点位坐标高程校正存在精度问题，必要时还应该重新求解测区的坐标转换参数，达到尽可能消除系统误差的目的。
测定点坐标比对如下表2所示
点名 北京54坐标(已知) 北京54坐标(实测) 高程(米) 差值（mm）
X(m) Y(m) X(m) Y(m) H(已知) H(实测) △X △Y △H
K1 2771451.530 488349.841 2771451.523 488349.835 6.822 6.813 -7 -6 -9
K2 2770544.886 489345.366 2770544.884 489345.363 7.439 7.426 -2 -3 -13
水电407 2770900.761 489063.309 2770900.769 489063.316 14.985 14.995 8 7 8
观测时注意固定好移动站位置，每次观测应当不少于20次，取最终平均值。对同一个已知点连续观测获得实测值与该点原始坐标进行较差比对和分析，点位最偏差为：△XK1=7mm，△YK1=6mm，△HK1=9mm；△XK2=2mm，△YK2=3mm，△HK2=-13mm；△X407=8mm，△Y407=7mm，△H407=8mm；其点位较差最大值为△dmax=10.6mm，高程最大较差为△Hmax=-13mm；
相同点RTK观测差值与已知值可视为等精度观测值，由观测值与已知值较差计算单位权中误差公式得到：
点位平面位置中误差：MP=9.58mm
高程中误差：MP=12.25mm
根据《水运工程测量规范》（JTJ203-2001）要求，吹填工程测量应符合下列规定，吹填区内测量的点位中误差不应大于图上2mm；高程测量误差不应大于50mm；沉降杆应进行编号并测定其零点高程，其高程测量误差不应大于10mm。而采用GPS-RTK做的七参数系统，通过采集控制点坐标校核，点位中误差为9.58mm，高程中误差为12.25mm,结合工程实际情况，在同等条件下，采用电子测距仪三角高程测量方法或水准仪引测水准，不但耗时多，而且劳动强度大，工作效率低，受外界環境干扰影响大，精度不能保证。采用GPS RTK测量技术，可满足吹填工程测量沉降观测需要。
2.2沉降观测点的布设与实施观测
吹填工程沉降观测点布设的目的是为了了解区域整体平面在施工过程及施工完成后，地表沉降量的多少，在最终吹填达到设计要求标高时，以方便确定吹填砂最终计算工程量。按照设计施工图纸要求，进行区域分析，每隔100米必须设置沉降观测点，考虑到现场环境限制及其他影响，整个沉降观测过程可采用GPS RTK测量技术，在每个观测点放置沉降板，并固定好位置，观测沉降板底部坐标和高程。具体操作实施如下，先放样每个沉降板的位置，可利用工程之星点放样或者线放样，检查坐标和线号，往RTK手簿里输入数据，检查输入的坐标或者线号，实地放样，实地做标记，给沉降板做好编号，沉降观测点的标记可根据施工需要，可在杆子上贴反光纸，挂彩旗，以防止施工过程中被破坏及进行下次观测，测量记录放样标记的坐标，制作放样坐标表，再进行周期性沉降观测，整个沉降观测过程即方便又简洁，减少了水准及三角测量搬站测量的冗繁过程，大大提高了工作效率，为工程施工创造经济效益和社会效益。
结论
通过实践证明，采用GPS RTK技术进行吹填工程沉降观测，可大大提高作业效率，优势明显，与传统三角高程测量和水准测量相比较，具有较明显的特点：
实时动态显示经可靠性检验的厘米级精度的测量成果；
摆脱了传统测量方法因粗差而无法返工造成的影响，方便于检查，大大提高作业效率；
具有较高的精度，能满足吹填工程施工测量沉降板布设及沉降观测需要，而且可全天候测量，突破空间、通视、气候的限制，满足现代化施工对测绘的要求。
需要注意的几个问题：
GPS RTK处理数据过程是基准站和移动站之间的单基准处理过程，基准站和移动站的观测数据质量好坏对定位结果的影响很大，但是，移动站只能由工作任务决定观测点，所以基站位置的有利选择非常重要；
测量观测过程中，遇到卫星跟踪个别时段不好，PDOP值太大时应停止测量，以免测量精度不够；
测量实施过程沉降板放置和观测，应该注意架设三脚架，或采取其他措施，以保证数据采集精度及稳定性。
遇到因吹填引起测区沉陷而无法进入观测情况，可采用GPS RTK在离观测点适当位置测设临时观测基点，结合三角高程测量方法，对观测点进行测量。
总而言之，随着GPS RTK技术的日趋完善和广泛应用，配合着相应RTK测量规范，GPS RTK技术在测量领域中将具有更广阔的应用前景。同时随着测绘技术的不断发展，应用高科技测绘手段实时监测复杂工程的施工，对保证工程质量、进度和效益将发挥越来越大的作用。
参考文献
[1]周忠谟,易杰军.GPS卫星测量原理与应用[M].北京：测绘出版社，1997（修订本）
[2]催希璋,於宗涛,等,广义测量平差(新版)[M].武汉：武汉测绘科技大学出版社，2000.
[3]邱章云,RTD实时动态GPS测量系统在三峡工程中的应用，2004.
[4]郭忠志,GPS-RTK技术在热力外线工程中的应用，北京测绘，2004.
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
【关键词】GPS RTK；吹填工程；沉降观测
本文探讨GPS RTK技术在吹填工程沉降观测中实施的可行性，并结合实际案例分析其可靠精度。
中化泉州石化项目位于福建省湄州湾南岸、泉州市惠安县东桥、原辋川盐场，泉州市惠安县泉惠石化工业园区内。主厂区平面优化后的新增区位于泉州市外走马埭围垦区内，拟回填场地原始泥面标高在-2.0~2.0m之间。本工程施工区回填面积约200.2万m2，采用水上吹填砂和陆上回填相结合的设计施工方案，围堤长3429米,围堤及吹填区最终验收标高+5.0m，其中回填区设计沉降量60~70cm。为便于本工程最终计算工程量，涉及到大金额工程量问题，在施工过程及结束后，必须对该施工区域地表及原始泥面进行沉降变形观测，为最终工程量计算提供有效数据。
由于施工区域大，整个施工过程中对原有地表影响较大，变形观测工作基点设置较远，且施工区域整体区域沉降不平衡，按照设计施工图纸要求，进行区域分析，每隔100米必须设置沉降观测点，每次观测时间间隔7天。施工区域大，测量工作面广，周围环境不确定因素过多，所有这些，都对测量配合工作提出更高要求。如果采用传统的方法，利用三角高程方法或水准测量方法进行变形观测，不但工作繁琐，大大降低了工作效率，而且也不能保证精度。宁波上航泉州测量队引进南方测绘公司S82、S86两台套动态实时差分GPS测量系统，采用GPS RTK技术，通过观测该区域沉降观测点，以获取数据，有效的解决了测量工作所带来的困难。
DGPS系统工作原理和系统组成
DGPS系统工作原理
全球定位系统(GPS)是一种采用距离交会法的卫星导航定位系统，与传统的距离交会法不同之处在于GPS定位中已知点是高速运动的卫星（其位置由地面控制系统以导航电文的形式通过卫星播发），此外，测距的方法与传统测距方法也有很大不同，一般采用测距码（分粗码/捕获码和精码）及载波相位来测距。具体工作时，在一个精确已知位置设基准站，基准站对视场范围内的GPS卫星（一般需要4颗以上）进行连续跟踪测量，以监测GPS的系统误差，并按规定的时间间隔，定时把误差校正量等数据通过无线数据链播发出去，移动台利用收到的信息，对GPS观测值进行校正，以达到消除星历误差、星钟误差、大气层延迟误差等公共误差，从而获得高精度的位置。移动台的计算机用于采集GPS位置的数据（平面数据）和高程数据，通过实时解算整周未知数和用户站的三维坐标，获得该点高精度测量数值如果解算结果的变化趋于稳定，为固定解，则其精度已满足设计要求，便可以结束实时观测。
1.2 系统组成
基准站：GPS主机，电源，GPS天线，电台天线。其作用是采集各种观测值，通过电台实时发送给流动站。
移动站：GPS主机，电源，GPS天线，接收电台及通讯天线组成，其作用是接收参考站所发射的各种观测信息，再对其与参考站间基线进行解算，实时获得该点坐标。
软件配置：南方公司灵锐之星工程软件，主要用于处理数据及形成成果数据文件。
1.3 GPS RTK技术精度支持
灵锐S82、S86系列采用天宝OEM板，以全新的天宝嵌入式定位技术作为高精度、高稳定的核心，可以确保长时间的考验和无故障工作，同时还结合了南方灵锐S82、S86稳定优秀的整机性能：高智能、数据处理快、安全性高。
南方GPS RTK接收机具有以下精度指标特点：
静态平面精度：±3mm+1ppm
静态高程精度：±5mm+1ppm
RTK平面精度：±1cm+1ppm
RTK高程精度：±2cm+1ppm
GPS RTK测量系统在沉降观测中的实施过程
2.1 GPS RTK点位坐标高程比对
所谓坐标比对，就是在进行任何种类的测量作业前，进行与控制范围内原有城市一级、二级导线控制点的坐标和高程校核，用于验证仪器参数设置的正确性，在此过程前应先输入计算好的参数。参数的计算是由于DGPS RTK测量是在WGS - 84 坐标系中进行的,而各种工程测量和定位是在当地坐标或我国的北京54 坐标上进行的,这之间存在坐标转换的问题。而DGPS RTK是用于实时测量的,要求立即给出当地的坐标,不同坐标系统的转换本质上是不同基准间的转换,常用的有布尔沙模型,又称为七参数转换法。点位坐标高程校正存在精度问题，必要时还应该重新求解测区的坐标转换参数，达到尽可能消除系统误差的目的。
测定点坐标比对如下表2所示
点名 北京54坐标(已知) 北京54坐标(实测) 高程(米) 差值（mm）
X(m) Y(m) X(m) Y(m) H(已知) H(实测) △X △Y △H
K1 2771451.530 488349.841 2771451.523 488349.835 6.822 6.813 -7 -6 -9
K2 2770544.886 489345.366 2770544.884 489345.363 7.439 7.426 -2 -3 -13
水电407 2770900.761 489063.309 2770900.769 489063.316 14.985 14.995 8 7 8
观测时注意固定好移动站位置，每次观测应当不少于20次，取最终平均值。对同一个已知点连续观测获得实测值与该点原始坐标进行较差比对和分析，点位最偏差为：△XK1=7mm，△YK1=6mm，△HK1=9mm；△XK2=2mm，△YK2=3mm，△HK2=-13mm；△X407=8mm，△Y407=7mm，△H407=8mm；其点位较差最大值为△dmax=10.6mm，高程最大较差为△Hmax=-13mm；
相同点RTK观测差值与已知值可视为等精度观测值，由观测值与已知值较差计算单位权中误差公式得到：
点位平面位置中误差：MP=9.58mm
高程中误差：MP=12.25mm
根据《水运工程测量规范》（JTJ203-2001）要求，吹填工程测量应符合下列规定，吹填区内测量的点位中误差不应大于图上2mm；高程测量误差不应大于50mm；沉降杆应进行编号并测定其零点高程，其高程测量误差不应大于10mm。而采用GPS-RTK做的七参数系统，通过采集控制点坐标校核，点位中误差为9.58mm，高程中误差为12.25mm,结合工程实际情况，在同等条件下，采用电子测距仪三角高程测量方法或水准仪引测水准，不但耗时多，而且劳动强度大，工作效率低，受外界環境干扰影响大，精度不能保证。采用GPS RTK测量技术，可满足吹填工程测量沉降观测需要。
2.2沉降观测点的布设与实施观测
吹填工程沉降观测点布设的目的是为了了解区域整体平面在施工过程及施工完成后，地表沉降量的多少，在最终吹填达到设计要求标高时，以方便确定吹填砂最终计算工程量。按照设计施工图纸要求，进行区域分析，每隔100米必须设置沉降观测点，考虑到现场环境限制及其他影响，整个沉降观测过程可采用GPS RTK测量技术，在每个观测点放置沉降板，并固定好位置，观测沉降板底部坐标和高程。具体操作实施如下，先放样每个沉降板的位置，可利用工程之星点放样或者线放样，检查坐标和线号，往RTK手簿里输入数据，检查输入的坐标或者线号，实地放样，实地做标记，给沉降板做好编号，沉降观测点的标记可根据施工需要，可在杆子上贴反光纸，挂彩旗，以防止施工过程中被破坏及进行下次观测，测量记录放样标记的坐标，制作放样坐标表，再进行周期性沉降观测，整个沉降观测过程即方便又简洁，减少了水准及三角测量搬站测量的冗繁过程，大大提高了工作效率，为工程施工创造经济效益和社会效益。
结论
通过实践证明，采用GPS RTK技术进行吹填工程沉降观测，可大大提高作业效率，优势明显，与传统三角高程测量和水准测量相比较，具有较明显的特点：
实时动态显示经可靠性检验的厘米级精度的测量成果；
摆脱了传统测量方法因粗差而无法返工造成的影响，方便于检查，大大提高作业效率；
具有较高的精度，能满足吹填工程施工测量沉降板布设及沉降观测需要，而且可全天候测量，突破空间、通视、气候的限制，满足现代化施工对测绘的要求。
需要注意的几个问题：
GPS RTK处理数据过程是基准站和移动站之间的单基准处理过程，基准站和移动站的观测数据质量好坏对定位结果的影响很大，但是，移动站只能由工作任务决定观测点，所以基站位置的有利选择非常重要；
测量观测过程中，遇到卫星跟踪个别时段不好，PDOP值太大时应停止测量，以免测量精度不够；
测量实施过程沉降板放置和观测，应该注意架设三脚架，或采取其他措施，以保证数据采集精度及稳定性。
遇到因吹填引起测区沉陷而无法进入观测情况，可采用GPS RTK在离观测点适当位置测设临时观测基点，结合三角高程测量方法，对观测点进行测量。
总而言之，随着GPS RTK技术的日趋完善和广泛应用，配合着相应RTK测量规范，GPS RTK技术在测量领域中将具有更广阔的应用前景。同时随着测绘技术的不断发展，应用高科技测绘手段实时监测复杂工程的施工，对保证工程质量、进度和效益将发挥越来越大的作用。
参考文献
[1]周忠谟,易杰军.GPS卫星测量原理与应用[M].北京：测绘出版社，1997（修订本）
[2]催希璋,於宗涛,等,广义测量平差(新版)[M].武汉：武汉测绘科技大学出版社，2000.
[3]邱章云,RTD实时动态GPS测量系统在三峡工程中的应用，2004.
[4]郭忠志,GPS-RTK技术在热力外线工程中的应用，北京测绘，2004.
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。