GPS-RTK在公路纵横断面测量中的应用
2014-06-04 来源:长江空间公司遥感数字工程院
GPS-RTK在公路纵横断面测量中的应用
邓庆海
（长江空间公司遥感数字工程院）
摘要:介绍了RTK在公路纵横断面测量中的使用方法,并通过实际工程应用分析对比,确定了此方法的优越性.
关键词:CORS站、参数计算、曲线要素、断面数据格式。
一、 GPS-RTK测绘步骤以及误差处理
1.1 GPS-RTK测绘步骤
当前，利用多基站网络RTK技术建立的连续运行卫星定位服务综合系统（Continuous Operational Reference System，缩写为CORS）已成为城市GPS应用的发展热点之一。CORS系统是卫星定位技术、计算机网络技术、数字通讯技术等高新科技多方位、深度结晶的产物。 CORS系统由基准站网、数据处理中心、数据传输系统、定位导航数据播发系统、用户应用系统五个部分组成，各基准站与监控分析中心间通过数据传输系统连接成一体，形成专用网络。在我们进行测量之前首先要确认移动GPS已取得CORS基准站的受权（拥有账号和密码）。
当前，利用多基站网络RTK技术建立的连续运行卫星定位服务综合系统（Continuous Operational Reference System，缩写为CORS）已成为城市GPS应用的发展热点之一。CORS系统是卫星定位技术、计算机网络技术、数字通讯技术等高新科技多方位、深度结晶的产物。 CORS系统由基准站网、数据处理中心、数据传输系统、定位导航数据播发系统、用户应用系统五个部分组成，各基准站与监控分析中心间通过数据传输系统连接成一体，形成专用网络。在我们进行测量之前首先要确认移动GPS已取得CORS基准站的受权（拥有账号和密码）。
当我们连接上CORS站能够获得解算时，我们要注意我们此时获得的坐标系统是CORS基站的坐标系统，要与我们所做工程的系统一致的话，我们不仅要设置坐标系统参数（如：中央子午线、横轴加常数、比例、平均纬度等），还要进行投影转换，这时我们可根据工程要求和已知点情况进行三参数、四参数或七参数改正，将CORS坐标系统转换到我们工程所需坐标系统中来。（切记参数计算时，定要用无任何转换参数所测量的数据与工程坐标系统中的已知数据计算）。笔者在湖北一公路工程中用湖北CORS基站经转换后与工程已知坐标点检查的部分结果见（表一）。其结果充分肯定了CORS基站能满足我们道路测量的平面精度要求。
HBCORS测量四等GPS点与静态三等GPS点校核成果表 (表一) | |||||||
点号 | XH | 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 |
当然公路的纵横断面测量在高程精度上要求也很严格，我们用GPS-RTK测量在经过参数改正的情况下在5KM范围内，一般精度在±3CM内。笔者在316国道改建项目中，在一些公路连接处用四等水准高程和RTK高程进行了对比，结果如下表二。
公路连接水准测量 （表二） | |||||
点号 | X坐标 | Y坐标 | 水准高程 | RTK高程 | 高程差 |
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 |
从上表的结果中，我们不难看出RTK的高程精度能够满足一个四等水准的要求，当然前题条件是做参数计算的已知点离我们测量的外域比较近，上表测量时已知点在1KM范围内。
通常我们进行道路测量时，设计者会给我们提供一个曲线要素表如下(表三)
直线、曲线及转角表
上表为交点法的要素表（一部分），我们利用GPS-RTK测量时，可以方便快捷的把这些要素文件编辑为仪器可读入格式，然后我们可以预览平面、进行里程坐标检查，如下图
图一
当我们检查各项数据无误后，我们便可以进行道路放样，按照设计数据和纵断面的各项要求放出纵断面中桩并把他测量记录下来。如图二，我们放样是仪器会直接告诉我们偏距和方向，我们测量起来方便快捷。（注意，测量时一定要是固定解）。
图二
在我们进行横断面采集时，我们只需要定义要测断面的里程桩号和断面边距，仪器可显示出横断面线同时显示出我们离横断面线的垂距和纵断面中线的偏距，测量起来非常方便。
1.2 CPS-RTK测绘断面数据处理
采用GPS－RTK测量，我们的设备可以保存最具检查价值的原始坐标数据格式，坐标数据文件，可以直接导入到南方CASS中，方便我们检查纵横断面实测和设计的偏移量，当然还可以根据用户需要，导出各种不同的格式，如纵断面可以导出坐标高程，也可直接导出里程高程，横断面的格式更多，如我们常用的格式：
1 //断面序号
47 //断面里程
-0.015 -0.436 //离中心点距离 高差（左边）
0.013 -0.329 0.034 -0.036 //离中心点距离 高差（右边）
用户也可以根据自己需要的格式，定义各种成果输出法，方便生成断面图所采用的不同程序。
1.3 CPS-RTK测绘误差的分析处理
(1)仪器本身的误差
因仪器的硬件、软件对GPS信号分辨率的误差和天线相位中心的偏移误差、天线对测量误差、天线高测量误差等仪器本身的因素引起误差，只能通过测绘人员尽量满足最佳测量标准来减少误差。
(2)测绘过程中引起的误差因素
除了仪器本身的误差之外，还有外界因素引起的误差，具体情况主要有卫星运行轨道和地球自转对数据精确度的影响、卫星传输数据时受到干扰和测绘基站与移动GPS传输数据时，植物以及其他物体对信号的削弱或数据丢失引起的误差。
对于卫星运行轨道和地球自转对数据精确度造成的误差不可能避免，只能通过选择最佳的观测时段和尽量满足最佳测量标准的基准点来最大限度地减少误差。测绘基站与移动GPS传输数据时，植物以及其他物体对信号的削弱或数据丢失引起的误差，可以通过减少导致这种测量误差的最主要因素的途径解决。即在测量时确保移动GPS信号运动与数据传输的范围内，尽量不在高大的树下来实现。
(3)坐标转换会带来误差。对于坐标转换误差来说，有两个误差源，一是投影带来的误差，二是已知点误差的传递。但通过设置RTK控制软件采用的投影为抵偿投影(中央子午线为基准站所在点的经度，投影面可选为测区平均高程面)的方法，可以忽略投影误差。只需考虑已知点误差的影响。当平面已知点只有两个时，则只能满足计算坐标转换四参数的必要条件，无多余条件，也就不能给出坐标转换的精度评定。
二、GPS-RTK技术在断面测量中技术特点分析
(1)仪器本身的误差
因仪器的硬件、软件对GPS信号分辨率的误差和天线相位中心的偏移误差、天线对测量误差、天线高测量误差等仪器本身的因素引起误差，只能通过测绘人员尽量满足最佳测量标准来减少误差。
(2)测绘过程中引起的误差因素
除了仪器本身的误差之外，还有外界因素引起的误差，具体情况主要有卫星运行轨道和地球自转对数据精确度的影响、卫星传输数据时受到干扰和测绘基站与移动GPS传输数据时，植物以及其他物体对信号的削弱或数据丢失引起的误差。
对于卫星运行轨道和地球自转对数据精确度造成的误差不可能避免，只能通过选择最佳的观测时段和尽量满足最佳测量标准的基准点来最大限度地减少误差。测绘基站与移动GPS传输数据时，植物以及其他物体对信号的削弱或数据丢失引起的误差，可以通过减少导致这种测量误差的最主要因素的途径解决。即在测量时确保移动GPS信号运动与数据传输的范围内，尽量不在高大的树下来实现。
(3)坐标转换会带来误差。对于坐标转换误差来说，有两个误差源，一是投影带来的误差，二是已知点误差的传递。但通过设置RTK控制软件采用的投影为抵偿投影(中央子午线为基准站所在点的经度，投影面可选为测区平均高程面)的方法，可以忽略投影误差。只需考虑已知点误差的影响。当平面已知点只有两个时，则只能满足计算坐标转换四参数的必要条件，无多余条件，也就不能给出坐标转换的精度评定。
二、GPS-RTK技术在断面测量中技术特点分析
传统的断面测量工作需要将仪器放置在一已知点，然后指挥跑点人员在线路的断面上进行测量。有些断面测量尤其是在进行曲线测量时，要先靠跑点人员的工作经验大致跑到曲面的断面点上，经过仪器操作人员测量后再计算出跑点人员断面点的偏移量，跑点人员再到真正的断面点上测量。遇到视线上有障碍物时还要转测站，非常费工费时。应用水准测量时，高差变化较大时，进度缓慢。本次工程中，利用线路已有的高程控制网点(每公里要求有一个四等水准点)，进行对GPS拟合高的及时校正比对，保证了GPS-RTK采集到的高程数据的数学精度，满足中平测量的精度要求，同时节约了计算数据的时间、节约了测绘成本。
三、GPS-RTK技术在应用中存在的不足及解决办法
(1)卫星状况影响GPS-RTK技术测量中的精度
当卫星系统运行至美国最佳时段时，因相隔半球之遥。可能会产生假值。而且世界上的某些地区仍然不能很好的被卫星系统覆盖，也会产生假值。在高山、峡谷、森林区域、城市高楼密布区域，卫星信号会被遮挡很长时间，使得一天中可以用于测量的时间受到很大的限制。对产生假值的解决方案是选择合适的工作时间，通过采用测设已知点的CPS-RTK测量成果的方法来发现数据中存在的质量问题。
(2)GPS-RTK高程收敛的稳定问题
GPS-RTK外业坐标数据采集时，需要作业者细心，采集每个点位的坐标时，一定要用轻便强制对中杆精确对中，并在固定解的情况下，高程收敛指标RMS值小于0.01的时候采集，这样采集的数据才能满足中平测量的数学精度。GPS拟合高程值可以保证1.6厘米的数学精度。
四、结束语
当卫星系统运行至美国最佳时段时，因相隔半球之遥。可能会产生假值。而且世界上的某些地区仍然不能很好的被卫星系统覆盖，也会产生假值。在高山、峡谷、森林区域、城市高楼密布区域，卫星信号会被遮挡很长时间，使得一天中可以用于测量的时间受到很大的限制。对产生假值的解决方案是选择合适的工作时间，通过采用测设已知点的CPS-RTK测量成果的方法来发现数据中存在的质量问题。
(2)GPS-RTK高程收敛的稳定问题
GPS-RTK外业坐标数据采集时，需要作业者细心，采集每个点位的坐标时，一定要用轻便强制对中杆精确对中，并在固定解的情况下，高程收敛指标RMS值小于0.01的时候采集，这样采集的数据才能满足中平测量的数学精度。GPS拟合高程值可以保证1.6厘米的数学精度。
四、结束语
GPS-RTK技术在公路测量中的有选点灵活,布网方便,不受通视、网形的限制,测量速度,精度高等优点,大大提高了工作效率,保证了公路勘测、放线精度。随着RTK技术提高,软件的完善,这项技术在公路勘测设计、公路施工放样等领域有着更广阔的应用。
