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摘要: 公路的测量是一项多样化的系统工作，它所涉及到方方面面。本文主要探讨了在公路测量中RTK-GPS技术的原理以及应用方案,希望能为广大同行提供一些帮助。
关键词: 公路；测量技术；应用方案
在GPS 实时动态定位技术没有形成前,GPS 仅仅用来作控制测量,以代替经纬仪或全站仪。随着GPS 设备、技术、功能的不断进步与完善,特别是近几年来RTK-GPS 技术的快速发展,它已能够实时提供在任意坐标系中的三维坐标数据,因而在公路勘察设计施工中的应用也更加广泛。如果RTK-GPS 和一般的路线CAD 程序共同应用,将真正实现内外业数据共享,从而简化公路测量工作。
一、RTK-GPS 技术的简介
常规的GPS 测量方法,如静态、快速静态测量都需要事后进行解算,才能获得厘米级的精度。而RTK-GPS 是能够在野外实时得到厘米级定位精度的测量方法。它采用了载波相位动态实时差分( real-time kinematic) 方法,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,极大地提高了外业作业效率。
高精度的GPS 测量必须采用载波相位观测值,RTK定位技术就是基于载波相位观测值的实时动态定位技术,它能够实时地提供测站点在指定坐标系中的三维定位结果,并达到厘米级精度。在RTK作业模式下,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。流动站可处于静止状态,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4 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厘米级定位结果。
根据RTK的工作原理,则要求其系统必须有一台基准站和一台流动站。现在的RTK2GPS 的作业精度已经达到平面1 cm + 1 ppm、高程2 cm +1 ppm ,能够满足公路测量的要求。
二、RTK-GPS 在公路测量中的应用方法简介
1.作业流程
其作业流程为:导线测量、地形测量→数据提取、转换,并在AU TOCAD 成图→在AU TOCAD中选线→转换成GPS 数据、现场校核→生成路线要素→中桩放样、高程测量、桥涵角度测量、施工导线点设置等→提取高程数据→向内业提供中线资料、桥涵资料、高程资料等。
2.导线测量( 平面控制测量)
导线测量是为路线建立坐标体系,包括平面体系和高程体系。平面坐标体系根据实际情况可以采用54 国家坐标系、84 国家坐标系或局部坐标系,高程采用黄海高程系或局部高程系。
导线点测量可以采用静态方法和RTK方法。
静态方法一般应有3 台或3 台以上GPS 接收机共同工作,可根据《公路勘测规范》(J TG C10 -2007) 进行导线测量(即平面控制测量) ,利用静态方法对数据进行处理后, 精度能够达到5 mm +1 ppm ,可以满足规范中的技术要求。利用静态方法敷设导线点,其优点是精度高。但是GPS 接收机数量需要较多,各点观测时间较长,且需要进行后续数据处理才知道精度是否符合要求。
RTK方法,即利用1 台基站和1 台流动站进行导线点敷设。利用RTK 敷设导线点, 需要设备及人员少,可以大大减少人力强度,节省费用。而且极大地提高了工作效率,测1 个控制点在几分钟甚至于几秒钟内就可完成。一般要求对于导线点尽可能观察时间长一些,相当于实时的快速静态测量。故此,现在一般采用RTK方法进行导线敷设。当然采用RTK-GPS 进行导线点敷设并不能完全代替静态敷设导线点的方法,对于里程较长、特别是高斯投影换带区段,还是应采取静态布控的方法敷設导线点。
利用RTK-GPS 进行导线敷设时,需要注意的是: (1) 导线点间距一般不要小于2 km ,我们的实践经验一般为3 km 左右; (2) 注意中央子午线的确定; (3) 如果采用局部坐标系,首先确定的两导线点间距应尽量大; ( 4) 如果采用54 、84 国家坐标系( GPS 默认为是84 国家坐标系) ,应当最少确定已知3 个国家坐标系点; (5) 导线点的选点和埋石应符合《公路全球卫星定位系统( GPS) 测量规范》(J TJ /T066 - 98) 中412 节、413 节的有关规定; (6) 首次应在同一基站范围内敷设出4 个以上的导线点; (7) 特别注意高程的测量方法(后面详述) 。
3.地形测量、选线
我们采取的地形测量方法主要是根据现有的地形图或其他地图进行主要地形、地物的控制测量,如村庄位置、河流状态、不易通过的不良地质段落、各种管线、不能拆迁的建筑物或结构物、可利用道路情况、主要控制点(如垭口) 以及重要控制点的高程等。从经验来看,采用这种方法并结合已有的地形图,能够反映出路线通过区域的地形、地物情况,能够满足纸上选线的要求。由于GPS 的特点,地形测量的速度相当迅速,一般只需要1～2 个人操作,也不存在通视问题。在实际工作中,应当根据实际地形情况,确定测量方法,如进行老路改建工程的地形测量,首先应对老路情况进行调查测量,包括老路形态,路线两侧的村庄、河流、管线等情况。地形测量之前,应首先对路线所通过的区域进行踏勘,从而制定出地形测量方案。地形测量相当重要,它直接关系到将来选线的好坏。地形测量的基础是建立的导线系统,即导线测量所建立的坐标系。如果采用RTK导线敷设,可将地形测量与导线点敷设结合起来,即在地形图测量时,逐步在路线通过的区域内敷设导线点。
将以上方法测得的数据在CAD 上成图,即可在CAD 上进行选线。在计算机上进行选线,与实地选线有很大的不同,它能够准确掌握路线所经区
域的情况,做到总体上技术指标平衡、合理,能够尽量避免拆迁,减少与各种管线的交叉,控制与公路、铁路、河流等的交叉角度,避免占用较好的农田,避免穿越不良地质路段,减少防护工程等,能够做到既满足规范要求,又能够最大限度地降低工程造价。
一般情况下,选完线应当进行实地校核,如果发现选线不合理或地形测量有漏测,应补充地形测量并重新选线。尤其是山区公路,应广泛地对各方面进行校核,如是否满足纵坡需求等。
校核结束后,使路线形成交点数据,并在路线CAD 软件中,根据实际控制数据进行曲线敷设,最终形成路线要素,以备中线放样。
由于现在的RTK-GPS 的操作控制器中含有路线放样程序等,对于方案明确的路线,可以直接利用RTK-GPS 进行选、放线,作业速度相当迅速。
4.中桩放样
由于GPS 手簿有专门的公路路线放样程序,中桩放样是一个较为简单的过程,其速度都较以往的方法迅速许多。采用RTK 技术放样时,仅需把设计好的点位坐标或线形参数输入到手簿中,手簿会提醒你与放样点(或路线) 的相对位置,既迅速又方便。由于GPS 是通过坐标来直接放样的,故放样精度很高也很均匀。由于RTK-GPS 的工作特点是通过卫星进行数据采集和放样的,一般情况下,放样比较正常。但是在个别情况下,如树木茂密、建筑物较高、功率较大的信号源、镜面反射等,影响到GPS 对卫星的接受,使得RTK-GPS 无法初始化。在这种情况下,需要结合常规仪器,如全站仪进行放样。即在GPS 不能工作的区域,由GPS 给全站仪提供一个测站点和一个定向点,然后由全站仪完成此区域的放线工作,基本实现了GTK-GPS 和全站仪的一体化测量作业,使其测量形式更加完善,测量方式更加广泛,作业速度更加迅速。
中线放样过程中,应注意施工导线点的设置,除必须满足一般导线点的设置要求外,还必须满足相邻导线点保持通视、能够架设仪器、满足仪器的视距等要求。
5.高程控制测量
用GPS 进行高程测量,首先应当明白GPS 的高程体系。GPS 所测高程是相对于WGS - 84 的大地高,而实际生产中应用的是相对于大地水准面的正高或相对于似大地水准面的正常高。怎样把大地高转换为正常高,其关键是求出高程异常,即如何进行拟合。这是GPS 水准应用的一个热点,国内外许多专家正在研究这个问题,提出了各种解决方案。但是,不管从理论上,还是实际操作上,求高程异常都是相当麻烦的事。根据现在公路高程测量的精度要求,我们采取了如下措施,以避免求高程异常。
根据《公路勘测规范》(J TG C10 - 2007) 的规定,平原微丘区二级公路的高程控制测量等级应选用等级为5 等, 其往返较差、附合和环线闭合差≤30 ×L0.5 (mm) 。根据RTK-GPS 高程求解原理及公路测量的特点,我们在利用RTK2GPS 布设导线点的同时,用新型电子水准仪对每一个导线点进行精确的基准测量,同时要求导线点布设均匀,且一个项目至少有4 个以上导线点。通过GPS ,我们得到了准确的平面坐标;通过基准测量,我们得到了准确的高程数值。而后,利用每个导线点的平面坐标及该点的高程数据,对原来GPS 测定的导线点三维坐标进行校正,校正点至少4 个以上。我们的经验是,应对导线点全部进行校正。通过这种方法,可以相对准确地拟合出工程范围内的椭球,从而在放线时,能够得到中桩准确的高程值。通过这一相对方法,可在测量当中避免求高程异常。但是由于有些地区受重力场的影响,特别是在山区应特别引起注意,可能会出现异常。在我们实际测量工作中，到目前为止还没遇到重力场异常的情况发生。根据资料显示,一般平原地区高程异常很少发生,但在山区应当重视。
三、结束语
综上所述, RTK-GPS不仅使公路线形流畅、技术指标平衡,而且提高了行车的舒适性。所以我们要采取科学创新手段来不断开发RTK-GPS技术，以期提升社会经济效益。
关键词: 公路；测量技术；应用方案
在GPS 实时动态定位技术没有形成前,GPS 仅仅用来作控制测量,以代替经纬仪或全站仪。随着GPS 设备、技术、功能的不断进步与完善,特别是近几年来RTK-GPS 技术的快速发展,它已能够实时提供在任意坐标系中的三维坐标数据,因而在公路勘察设计施工中的应用也更加广泛。如果RTK-GPS 和一般的路线CAD 程序共同应用,将真正实现内外业数据共享,从而简化公路测量工作。
一、RTK-GPS 技术的简介
常规的GPS 测量方法,如静态、快速静态测量都需要事后进行解算,才能获得厘米级的精度。而RTK-GPS 是能够在野外实时得到厘米级定位精度的测量方法。它采用了载波相位动态实时差分( real-time kinematic) 方法,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,极大地提高了外业作业效率。
高精度的GPS 测量必须采用载波相位观测值,RTK定位技术就是基于载波相位观测值的实时动态定位技术,它能够实时地提供测站点在指定坐标系中的三维定位结果,并达到厘米级精度。在RTK作业模式下,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。流动站可处于静止状态,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4 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厘米级定位结果。
根据RTK的工作原理,则要求其系统必须有一台基准站和一台流动站。现在的RTK2GPS 的作业精度已经达到平面1 cm + 1 ppm、高程2 cm +1 ppm ,能够满足公路测量的要求。
二、RTK-GPS 在公路测量中的应用方法简介
1.作业流程
其作业流程为:导线测量、地形测量→数据提取、转换,并在AU TOCAD 成图→在AU TOCAD中选线→转换成GPS 数据、现场校核→生成路线要素→中桩放样、高程测量、桥涵角度测量、施工导线点设置等→提取高程数据→向内业提供中线资料、桥涵资料、高程资料等。
2.导线测量( 平面控制测量)
导线测量是为路线建立坐标体系,包括平面体系和高程体系。平面坐标体系根据实际情况可以采用54 国家坐标系、84 国家坐标系或局部坐标系,高程采用黄海高程系或局部高程系。
导线点测量可以采用静态方法和RTK方法。
静态方法一般应有3 台或3 台以上GPS 接收机共同工作,可根据《公路勘测规范》(J TG C10 -2007) 进行导线测量(即平面控制测量) ,利用静态方法对数据进行处理后, 精度能够达到5 mm +1 ppm ,可以满足规范中的技术要求。利用静态方法敷设导线点,其优点是精度高。但是GPS 接收机数量需要较多,各点观测时间较长,且需要进行后续数据处理才知道精度是否符合要求。
RTK方法,即利用1 台基站和1 台流动站进行导线点敷设。利用RTK 敷设导线点, 需要设备及人员少,可以大大减少人力强度,节省费用。而且极大地提高了工作效率,测1 个控制点在几分钟甚至于几秒钟内就可完成。一般要求对于导线点尽可能观察时间长一些,相当于实时的快速静态测量。故此,现在一般采用RTK方法进行导线敷设。当然采用RTK-GPS 进行导线点敷设并不能完全代替静态敷设导线点的方法,对于里程较长、特别是高斯投影换带区段,还是应采取静态布控的方法敷設导线点。
利用RTK-GPS 进行导线敷设时,需要注意的是: (1) 导线点间距一般不要小于2 km ,我们的实践经验一般为3 km 左右; (2) 注意中央子午线的确定; (3) 如果采用局部坐标系,首先确定的两导线点间距应尽量大; ( 4) 如果采用54 、84 国家坐标系( GPS 默认为是84 国家坐标系) ,应当最少确定已知3 个国家坐标系点; (5) 导线点的选点和埋石应符合《公路全球卫星定位系统( GPS) 测量规范》(J TJ /T066 - 98) 中412 节、413 节的有关规定; (6) 首次应在同一基站范围内敷设出4 个以上的导线点; (7) 特别注意高程的测量方法(后面详述) 。
3.地形测量、选线
我们采取的地形测量方法主要是根据现有的地形图或其他地图进行主要地形、地物的控制测量,如村庄位置、河流状态、不易通过的不良地质段落、各种管线、不能拆迁的建筑物或结构物、可利用道路情况、主要控制点(如垭口) 以及重要控制点的高程等。从经验来看,采用这种方法并结合已有的地形图,能够反映出路线通过区域的地形、地物情况,能够满足纸上选线的要求。由于GPS 的特点,地形测量的速度相当迅速,一般只需要1～2 个人操作,也不存在通视问题。在实际工作中,应当根据实际地形情况,确定测量方法,如进行老路改建工程的地形测量,首先应对老路情况进行调查测量,包括老路形态,路线两侧的村庄、河流、管线等情况。地形测量之前,应首先对路线所通过的区域进行踏勘,从而制定出地形测量方案。地形测量相当重要,它直接关系到将来选线的好坏。地形测量的基础是建立的导线系统,即导线测量所建立的坐标系。如果采用RTK导线敷设,可将地形测量与导线点敷设结合起来,即在地形图测量时,逐步在路线通过的区域内敷设导线点。
将以上方法测得的数据在CAD 上成图,即可在CAD 上进行选线。在计算机上进行选线,与实地选线有很大的不同,它能够准确掌握路线所经区
域的情况,做到总体上技术指标平衡、合理,能够尽量避免拆迁,减少与各种管线的交叉,控制与公路、铁路、河流等的交叉角度,避免占用较好的农田,避免穿越不良地质路段,减少防护工程等,能够做到既满足规范要求,又能够最大限度地降低工程造价。
一般情况下,选完线应当进行实地校核,如果发现选线不合理或地形测量有漏测,应补充地形测量并重新选线。尤其是山区公路,应广泛地对各方面进行校核,如是否满足纵坡需求等。
校核结束后,使路线形成交点数据,并在路线CAD 软件中,根据实际控制数据进行曲线敷设,最终形成路线要素,以备中线放样。
由于现在的RTK-GPS 的操作控制器中含有路线放样程序等,对于方案明确的路线,可以直接利用RTK-GPS 进行选、放线,作业速度相当迅速。
4.中桩放样
由于GPS 手簿有专门的公路路线放样程序,中桩放样是一个较为简单的过程,其速度都较以往的方法迅速许多。采用RTK 技术放样时,仅需把设计好的点位坐标或线形参数输入到手簿中,手簿会提醒你与放样点(或路线) 的相对位置,既迅速又方便。由于GPS 是通过坐标来直接放样的,故放样精度很高也很均匀。由于RTK-GPS 的工作特点是通过卫星进行数据采集和放样的,一般情况下,放样比较正常。但是在个别情况下,如树木茂密、建筑物较高、功率较大的信号源、镜面反射等,影响到GPS 对卫星的接受,使得RTK-GPS 无法初始化。在这种情况下,需要结合常规仪器,如全站仪进行放样。即在GPS 不能工作的区域,由GPS 给全站仪提供一个测站点和一个定向点,然后由全站仪完成此区域的放线工作,基本实现了GTK-GPS 和全站仪的一体化测量作业,使其测量形式更加完善,测量方式更加广泛,作业速度更加迅速。
中线放样过程中,应注意施工导线点的设置,除必须满足一般导线点的设置要求外,还必须满足相邻导线点保持通视、能够架设仪器、满足仪器的视距等要求。
5.高程控制测量
用GPS 进行高程测量,首先应当明白GPS 的高程体系。GPS 所测高程是相对于WGS - 84 的大地高,而实际生产中应用的是相对于大地水准面的正高或相对于似大地水准面的正常高。怎样把大地高转换为正常高,其关键是求出高程异常,即如何进行拟合。这是GPS 水准应用的一个热点,国内外许多专家正在研究这个问题,提出了各种解决方案。但是,不管从理论上,还是实际操作上,求高程异常都是相当麻烦的事。根据现在公路高程测量的精度要求,我们采取了如下措施,以避免求高程异常。
根据《公路勘测规范》(J TG C10 - 2007) 的规定,平原微丘区二级公路的高程控制测量等级应选用等级为5 等, 其往返较差、附合和环线闭合差≤30 ×L0.5 (mm) 。根据RTK-GPS 高程求解原理及公路测量的特点,我们在利用RTK2GPS 布设导线点的同时,用新型电子水准仪对每一个导线点进行精确的基准测量,同时要求导线点布设均匀,且一个项目至少有4 个以上导线点。通过GPS ,我们得到了准确的平面坐标;通过基准测量,我们得到了准确的高程数值。而后,利用每个导线点的平面坐标及该点的高程数据,对原来GPS 测定的导线点三维坐标进行校正,校正点至少4 个以上。我们的经验是,应对导线点全部进行校正。通过这种方法,可以相对准确地拟合出工程范围内的椭球,从而在放线时,能够得到中桩准确的高程值。通过这一相对方法,可在测量当中避免求高程异常。但是由于有些地区受重力场的影响,特别是在山区应特别引起注意,可能会出现异常。在我们实际测量工作中，到目前为止还没遇到重力场异常的情况发生。根据资料显示,一般平原地区高程异常很少发生,但在山区应当重视。
三、结束语
综上所述, RTK-GPS不仅使公路线形流畅、技术指标平衡,而且提高了行车的舒适性。所以我们要采取科学创新手段来不断开发RTK-GPS技术，以期提升社会经济效益。