RTK技术在线形测量中的应用
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近些年来, 随着我国国民经济的快速增长以及中部崛起战略的实施, 我国的公路、铁路、水利等大型线形工程建设得到了前所未有的发展。“经济发展, 测绘先行”。所以这些年同时也是测绘新技术、新设备高速发展的时期。目前线形工程路勘测中虽已采用电子全站仪等先进仪器设备, 但常规测量方法受横向通视和作业条件的限制, 作业强度大, 且效率低, 大大延长了设计周期。在目前的技术条件下应用GPS 技术应是首选。当前用GPS 静态方法建立沿线总体控制测量, 为勘测阶段测绘带状地形图, 路线平面、纵面测量提供依据。在施工阶段为线形工程建立施工控制网, 这仅仅是GPS在线形工程测量中应用的初级阶段, 实时动态RTK( Real Time Kinematic- RTK) 定位技术是以载波相位观测值为根据的实时差分GPS 技术, 它是GPS 测量技术发展的一个新突破, 在线形工程中有非常广阔的应用前景。下面就RTK 技术在线形测量中的应用作简单的介绍。
一、RTK 技术原理
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。即在基准站上设置一台GPS 接收机, 对所有可见GPS 卫星进行连续观测, 并将其相位观测值及坐标信息, 通过无线电传输设备, 实时地发送给用户观测站。从而可减少多余观测, 以缩短观测时间。所以, RTK 测量不仅可以保障测量成果的可靠性, 对于作业效率的明显提高更具有重要的现实意义。
二、RTK 系统组成
RTK 测量系统, 主要由GPS 接收设备、数据传输系统和数据实时处理系统系统构成。
1.GPS 接收设备。在基准站和用户站上, 应分别设置双频GPS 接收机。因为, 双频观测值不仅精度高, 而且有利于快速准确地解算整周未知数。当基准站为多用户服务时, 其接收机的采样率应与用户接收机采样率最高的相一致。
2.数据传输设备。数据传输设备( 也称数据链) , 由基准站的无线电发射台与用户站的接收机组成, 它是实现实时动态测量的关键设备。数据传输设备, 要充分保证传输数据的可靠性, 其频率和功率的选择主要取决于用户站与基准站的距离, 环境质量, 数据的传输速度。
3.数据实时处理系统。基准站将自身信息与观测数据, 通过数据链传输到流动站, 流动站将从基准站接收到的信息与自身采集到的观测数据组成差分观测值。在整周未知数解算出以后, 即可进行的实时处理。只要保证锁定四颗以上的卫星, 并具有足够的几何图形强度,就能随时给出厘米级的点位精度。
三、RTK 测量的特点
1.测站之间无需通视。GPS 这个特点, 使得选点更加灵活方便。
2.定位精度高。实时动态显示经可靠性检验的厘米级精度的测量成果。彻底摆脱了由于粗差造成的返工。由于每个点位的测量都是独立完成的, 不会产生累积误
差, 各点放样精度趋于一致。
3.观测时间短。GPS 测量的关键技术之一是快速解算载波的整周未知数。用经典的静态相对定位法, 解得整周未知数并达到足够精度, 往往需要1 个小时甚至更长的时间。这样, 测量中即使遇到障碍物( 如穿过桥下或通过隐蔽地带) 造成失锁, 也可在重新捕获到卫星后数分钟内完成整周未知数初始化, 继续进行测量。
4.作业效率高, 每个放样点只需要停留1～2s, 流动站小组作业, 每小组可完成中线测量5～10 公里。若用其地形测量, 每小组每天可以完成0.8～1.5 平方公里的地形图测绘, 其效率是常规测量所无法比拟的。
5.全天候作业。GPS 观测可在任何地点, 任何时间连续地进行, 一般不受天气状况的影响。能够接收到GPS 信号的任何地点, 全天24 小时均可进行实时GPS测量的放样。
6.节省作业人员。完成基准站的设置后, 整个系统只需一人持流动站接收机操作。也可设置几个流动站,利用同一基准站观测信息各自独立开展工作。
7.提供三维坐标。RTK 测量在精确测定观测站平面位置的同时, 可以精确测定观测站的大地高程。
四、RTK 测量在线形工程中的应用
GPS 测量具有高精度、高效率的优点, 在控制测量领域得到了广泛的应用。随着GPS 接收机性能和数据处理技术的逐渐完善, GPS 应用领域也不断拓宽。RTK测量在线形工程中可以完成多种工作。
1.绘制大比例地形图。线形工程选线多是在大比例尺( 通常是1∶2000 或1∶1000) 带状地形图上进行。RTK动态测量, 直接测出地物碎部点的数据, 在室内即可由绘图软件成图。由于只需要采集碎部点的坐标和输入其属性信息, 而且采集速度快, 大大降低了测图的难度, 既省时又省力。
2.加密控制测量。用GPS 建立控制网, 最精密的方法应属静态测量。对于大型建筑物, 如对特大桥、隧道、互通式立交等进行控制，宜用静态测量。当达到要求的点位精度, 即可停止观测, 大大提高了作业效率。点与点之间要求必须通视, 以便全站仪测量使用。
3.线形工程中线、边线放样。设计人员在大比例尺带状地形图上定线后, 需将线形工程在地面标定出来。采用GPS RTK 测量, 只需将中线、边线点的坐标输入GPS 接收机中, 系统就会定出放样的点位。有些型号的仪器还内置有线形工程的计算软件, 只要把线形工程的图形元素输入仪器, 无论是直线还是曲线都可自动计算出中桩边桩数据, 直接进行放样。
4.线形工程纵、横断面测量。线形工程中线确定后,利用中线桩点坐标, 通过绘图软件, 即可给出路线纵断面和各桩点的横断面。如果需要进行现场断面测量时, 也可采用RTK 测量，与传统方法相比, 在精度、经济、实用各方面都有明显的优势。
5.施工测量。GPS RTK 系统既有良好的硬件, 也有极丰富的软件可选择。施工中对点、线、面以及坡度等放样均很方便、快捷，精度可达到厘米级。
6.测量工程监理和验收。由于线形工程一般作业范围比较长。因而在测量工程监理和验收时, 如果利用常规的仪器如全站仪对其作业成果进行检测, 就需要来回搬站, 浪费人力物力, 而且精度也达不到要求。而使用RTK 进行这项工作, 则可达到事半功倍的效果。
五、GPS RTK 的不足及其解决办法
GPS RTK 作为一种较新技术, 也有其自身的技术特点, 包括优点和不足。在应用中应充分发挥其优越性, 对其不足之处应尽量避免或采取解决办法。
1.受卫星状况限制。线形工程沿线地物地貌复杂多变, 为获取完整的数据, 必须根据卫星可见预报和天气预报选择最佳观测时段。卫星的几何分布越好, 定位精
度就越高, 卫星的分布情况可由专用软件查看多项预测指标, 根据预测结果合理安排工作计划。
2.数据链传输受干扰和限制。RTK 数据链传输易受到障碍物如高大山体、高大建筑物和各种高频信号源的干扰, 在传输过程中衰减严重, 严重影响外业精度和作业半径。在这种条件下可采用把基准站架设在楼顶等位置高、四周开阔的地方提高数据的传输质量和作业半径，或者有条件的可把基准站数据发送到网上, 在流动站加装手机, 利用手机接收基准站信号。
3.高程异常问题。RTK 作业模式要求高程的转换必须精确, 但我国现有的高程异常图在有些地区, 尤其是山区, 存在较大误差, 在有些地区还是空白，这就使得将GPS 大地高程转换至海拔高程的工作变得相当困难, 精度也不均匀。所以在山区应当布设足够的并且分布均匀的水准点控制点, 进行高程拟合, 解决高程异常问题。
六、结束语
随着RTK 技术的发展,它将对线形工程测量的手段和作业方法产生了革命性的变革,会极大地提高勘测精度和勘测效率，也将在线形工程测量、施工和后期养护、管理方面有着广阔的应用前景。
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