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国道214线改建工程中GPS-RTK测量技术的应用

时间:2015-04-27       作者:国道214线改建工程四标项目部 王德龙      来源:      点击:

     摘要:本文对GPS-RTK技术在公路工程测量中的功能及应用做出了详细描述,针对GPS-RTK技术在国道214线改建工程上的应用情况阐述了该技术相比传统测量仪器体现出的优势。

关键词:GPS-RTK技术、测量仪器的对比、测量仪器的配合

一、前言

随着交通事业的发展,公路建设工程日益增多,由于线路长、构造物多,以及测量、施工要求质量高、时间紧,传统的测量方法已不能满足新的要求。近年来,越来越多的先进仪器设备应用于测绘领域,特别是GPS的问世,极大地促进了测绘事业的发展。GPS卫星实时定位分为RTDRTK、和RTP三种,测绘应用中主要是前两种形式。由于RTK技术能够提供高精度的实时定位,速度快、精度高,测程远、作业范围广,因此,RTK技术在测量和其他领域得到了广泛的应用。

二、GPS-RTK技术

(一)GPS系统简介

GPS是全球定位系统(global positioning system)的英文缩写,是随着现代科学技术的迅速发展而建立起来的新一代精密卫星导航定位系统。GPS卫星定位测量时利用GPS系统解决大地测量问题的一项空间技术。其中GPS全球定位系统由三大部分组成;
   1.
地面控制部分,由主控站(负责管理、协调整个地面控制系统的工作)、地面天线(在主控站的控制下,向卫星注入寻电文)、监测站(数据自动收集中心)和通讯辅助系统(数据传输)组成;
    2.
空间部分,由24颗卫星组成,分布在6个道平面上;
    3.
用户装置部分,主要由GPS接受机和卫星天线组成。

(二)RTK技术

RTK技术又称载波相位差分技术,是实时处理两个测站载波相位观测值的差分方法,是以空间大地坐标为实时观测的数据源,利用实时数据处理技术和数据传输技术,在RTK的作业模式下通过数据链在系统内组成差分观测值,实时处理流动站观测值及由基准站发射电台传送给流动站的指定坐标系统下的高精度定位结果的一个测绘系统。RTK系统的组成:基准站、流动站、观测手簿等三部分组成。在测量时,将基准站设在1个已知点上,流动站设在要测量的点上,然后通过无线电台把基准站的所有卫星信息及观测信息连续不断地传给流动站,流动站根据接受到的基准站载波相位观测数据经过软件解算后实时得到流动站的三维坐标,这种动态测量模式的定位精度可达到厘米级。RTK系统还能静态作业模式,主要应用于地壳变形观测、大地测量、大坝变形观测等高精度测量。RTK整套设备具有轻量化、操作简便性、实时可靠性、厘米级精度等方面的特点,在公路工程中完全可以满足数据采集和施工放样的要求。

三、GPS-RTK与传统测量仪器(全站仪)在施工中的应用实例

正在建设中的国道214线剑川(三河)至洱源(巡检村)段改建工程第四标段位于洱源县境内,途径三营镇和茈碧湖镇。该段地形不算复杂,地势比较平坦,但地下水资源较为丰富。施工作业时大部分的基坑都会挖出地下水源,公路上车流量也比较频繁,从而对施工放样也加大了难度。为突出GPS-RTK在实际运用中的优势,本人曾用RTK和全站仪放样公路中线作比较。

(一)GPS-RTK公路中线放样

公路中线的放样目前采用较多的是利用全站仪,由测得地面2点之间的水平距离和方位角,然后通过测站指挥前视经过几次反复,将一个中桩标定在地面上。这种方法要求2点之间必须通视,而在施工放样中经常会遇到2点不通视的情况,如车流量频繁或遇到遮挡物。为此,还要另外采用支点等形式来进行测设。这样做既降低了工作效率,又降低了点的精度,加上方法的局限性,作业效率不高,严重制约了工程建设的进度及质量。放样技术的进步在于技术的改造,GPS-RTK技术是目前最新技术,这时利用RTK技术应当是其首选。

1.放样内业数据准备

 我们在用RTK放样的常用方法是从CAD设计图纸上查找放样点位的坐标,然后通过RTK手簿键盘提前或现场手工输入坐标数据,再进行现场放样。显而易见,由于手工输入这一环节,不仅影响了放样的速度,而且容易出错。尤其当放样点多、工期短、任务紧迫,这种影响更为严重。为此,在实践中可以利用CASS等数字化测图软件中的指定点生成数据文件、多义线顶点生成数据文件、地籍测量等功能,将设计点提取形成数据文件。再利用软件中数据文件合并功能或其他相应功能,将已知坐标数据和设计点坐标数据整合成一个数据文件。将整合后的数据文件传输到RTK手簿中,现场放样时根据放样点位置示意图或点号顺序直接找到各点点名进行放样,从而真正实现了GPS-RTK放样的内外一体化。

2.RTK外业放样

在内业工作完成后,我们就可以进行下一步的RTK外业放样工作了,步骤如下:
   
1)放样设置
   
打开RTK接收机以及手簿以后,在信号满足测量需要的时候打开手簿的放样功能,打开已经内业生成好的指定坐标文件,按照界面提示输入需要放样的点号。

 

IMG_0984.jpg

内业生成的点号及坐标

 

2)放样需要的点

RTK中放样功能中选择需要的点进行放样,手簿上信息会提示你距离放样点的距离和方向,如图所示。

image003.gif

 

按照图上信息指示,移动流动站,直至流动站移动到X坐标、Y坐标的遍差满足精度要求的位置为止。
  
3)在已经放样好的地方打上标记及点号钉下桩即完成。

(二)全站仪公路中线放样,如下图:

IMG_0988.jpg

角度和距离放样测量

 

1.全站仪安置于测站,精确照准选定的参考方向;并将水平读盘读数设置为0°0000″。

2.选择放样模式,依次输入距离和水平角的放样数值。

3.在水平角放样模式下,转动照准部,当转过的角度值与放样角度值的差值显示为零时,固定照准部。此时仪器的视线方向即角度放样值的方向。

4.进行距离放样:在望远镜的视线方向上安置棱镜,并移动棱镜被望远镜照准,选取距离放样测量模式,按照屏幕显示的距离放样引导,朝向或背离仪器方向移动棱镜,直至距离实测值与放样的差值为零时,定出待放点的点位。

()GPS-RTK与全站仪的比较

1.作业条件的比较

全站仪测量是通过测取2点之间的平距和方位角,从而确定点位。因此,要求2点之间必须通视,并且视线良好。遇到视线遮挡,须采用支点等形式来传递点位坐标及测放中桩。在雾雨天气时,地表蒸汽较大,之间影响测量的精度与进度。RTK技术在测量时,由于是单点作业,因此受环境及人为因素影响较小。可以在雾雨等恶劣天气下进行全天侯工作,而全站仪则不行。但当视空受到阻时,测量会较为困难,因此在树木、建筑较多处,测量的精度及效率都会降低。
    2.
作业速度及效率的比较
   
全站仪在测量和放样时,是由测站指挥前点移动棱镜到相应的位置去,需要几次反复才能将点位定下来。测量过程中搬站、清楚障碍物等工作会浪费很多时间。另外,测量时须大家配合作业,配合的熟练程度也会影响作业的速度。GPS-RTK作业对区域内的站点之间不要求通视,流动站与基准站之间的联系是建立在无线电波基础上。对流动站来讲,仪器会引导你去相应位置,如不合适可自由调整,无须交流,从而提高作业速度。因此,从某种意义上说,流动站越多,作业越快。
     3.
作业精度比较
   
全站仪测量时,由于受干扰因素较多,因此常采取一些辅助方法。如利用支点放样,这样测量出的点位精度会比正常放出的点位精度低。当遇到长直线的时候需要搬站,而搬站的误差会累积到点位中,从而影响整体测量精度。GPS-RTK测量时,其点位精度是实时显示的,所测点和放样的点位精度大致相同,不存在累积误差,因此可以保证点位精度的均匀性。综上所述,全站仪与GPS-RTK测量系统将长期共存、互为补充。但GPS-RTK比全站仪将更具优势。

四、全站仪配合GPS-RTK作业

施工放样中的应用实例

我标段k65+550-k66+000段永联村(老国道k2283+000-k2283+400)该路段老路面平曲线半径介于50180米之间,为连续S型曲线,纵坡平缓,经过沿老路改造采用设计速度60km/h,路基宽12技术标准后不能满足要求,现在再沿老路西侧截弯取直。西侧地理位置是一片较为密集的树林,然而这对施工放样又是一大难题。因此,我们便利用全站仪配合GPS-RTK进行施工放样。

image006.jpg

 

(二)全站仪配合GPS-RTK放样基本原理

1.树木密集较为茂盛地段GPS-RTK在施工放样中出现失锁,信号时有时无。这种情况利用全站仪来配合RTK施测是最佳选择。全站仪配合GPS-RTK放样原理,如下图:

 

 IMG_0995.jpg

 

放样点C位于对天通视困难的区域,使用RTK放样精度达不到要求,AB两点位于宽阔地带,是由RTK实施放样的点位,精度可以达到要求。然而对于C点,卫星信号严重失锁,无法进行RTK放样,所以此时全站仪测量的精度高和稳定性好的优点就得以展示。运用全站仪及坐标法放样C点,可先用RTK放样的AB点作为已知测量控制点,将全站仪安置在A点,后视B点定向,通过移动棱镜的位置来放样C点。
    2.GPS-RTK
与全站仪联合作业,达到了优势互补、简化程序、减少误差、提高效率、保证质量、节省人力和物力等目的,在目前不失为一种行之有效的作业模式。因此,作业时一般用RTK施测较为宽阔的放样点,而在RTK失锁较为严重和放样精度效果不理想地区,用全站仪施测放样点。这样既避免了RTK测量所发生的特殊地区精度不能满足要求的情况,又避免了常规的全站仪放样的低效,使得两种仪器在实际测量中相得益彰,有效地提高了作业效率。
   
全站仪配合GPS-RTK放样是工程施工放样界的新技术,总的来说两者都具备了良好的精度测量和方便快捷的特点,同时两者也都有各自不同的缺点,所以我们要视不同工程的条件来选择合适的测量仪器。

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GPS-RTK基准站的架设

 

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GPS-RTK流动站进行公路中线放样

 

 结束语:RTK技术是GPS定位技术的一个新的里程碑,它不仅具有GPS技术的所有优点,而且可以实时获得观测结果及精度,大大提高了作业效率并开拓了GPS新的应用领域,具有较好的经济效益和社会效益。由此可见,GPS-RTK技术在公路工程中的应用将会越来越广泛,给传统测量仪器带来巨大的变革。