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        GPS-RTK在公路縱橫斷面測量中的應用

        2014-06-04 21:23:02 來源: 長江空間公司遙感數字工程院 作者:鄧慶海
        聊聊
        GPS-RTK在公路縱橫斷面測量中的應用
        鄧慶海
        (長江空間公司遙感數字工程院)
        摘要:介紹了RTK在公路縱橫斷面測量中的使用方法,并通過實際工程應用分析對比,確定了此方法的優越性.
        關鍵詞:CORS站、參數計算、曲線要素、斷面數據格式。
        一、 GPS-RTK測繪步驟以及誤差處理   
        1.1 GPS-RTK測繪步驟
        當前,利用多基站網絡RTK技術建立的連續運行衛星定位服務綜合系統(Continuous Operational Reference System,縮寫為CORS)已成為城市GPS應用的發展熱點之一。CORS系統是衛星定位技術、計算機網絡技術
        、數字通訊技術等高新科技多方位、深度結晶的產物。 CORS系統由基準站網、數據處理中心、數據傳輸系統、定位導航數據播發系統、用戶應用系統五個部分組成,各基準站與監控分析中心間通過數據傳輸系統連接成一體,形成專用網絡。在我們進行測量之前首先要確認移動GPS已取得CORS基準站的受權(擁有賬號和密碼)。
        當我們連接上CORS站能夠獲得解算時,我們要注意我們此時獲得的坐標系統是CORS基站的坐標系統,要與我們所做工程的系統一致的話,我們不僅要設置坐標系統參數(如:中央子午線、橫軸加常數、比例、平均緯度等),還要進行投影轉換,這時我們可根據工程要求和已知點情況進行三參數、四參數或七參數改正,將CORS坐標系統轉換到我們工程所需坐標系統中來。(切記參數計算時,定要用無任何轉換參數所測量的數據與工程坐標系統中的已知數據計算)。筆者在湖北一公路工程中用湖北CORS基站經轉換后與工程已知坐標點檢查的部分結果見(表一)。其結果充分肯定了CORS基站能滿足我們道路測量的平面精度要求。
         
         
        HBCORS測量四等GPS點與靜態三等GPS點校核成果表 (表一)
        點號
        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
            
        當然公路的縱橫斷面測量在高程精度上要求也很嚴格,我們用GPS-RTK測量在經過參數改正的情況下在5KM范圍內,一般精度在±3CM內。筆者在316國道改建項目中,在一些公路連接處用四等水準高程和RTK高程進行了對比,結果如下表二。
                
                     公路連接水準測量               (表二)
        點號
        X坐標
        Y坐標
        水準高程
        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
               從上表的結果中,我們不難看出RTK的高程精度能夠滿足一個四等水準的要求,當然前題條件是做參數計算的已知點離我們測量的外域比較近,上表測量時已知點在1KM范圍內。
        通常我們進行道路測量時,設計者會給我們提供一個曲線要素表如下(表三)
         
         
        直線、曲線及轉角表

         

                               上表為交點法的要素表(一部分),我們利用GPS-RTK測量時,可以方便快捷的把這些要素文件編輯為儀器可讀入格式,然后我們可以預覽平面、進行里程坐標檢查,如下圖
                                  圖一
        當我們檢查各項數據無誤后,我們便可以進行道路放樣,按照設計數據和縱斷面的各項要求放出縱斷面中樁并把他測量記錄下來。如圖二,我們放樣是儀器會直接告訴我們偏距和方向,我們測量起來方便快捷。(注意,測量時一定要是固定解)。
        圖二
        在我們進行橫斷面采集時,我們只需要定義要測斷面的里程樁號和斷面邊距,儀器可顯示出橫斷面線同時顯示出我們離橫斷面線的垂距和縱斷面中線的偏距,測量起來非常方便。
        1.2 CPS-RTK測繪斷面數據處理
        采用GPS-RTK測量,我們的設備可以保存最具檢查價值的原始坐標數據格式,坐標數據文件,可以直接導入到南方CASS中,方便我們檢查縱橫斷面實測和設計的偏移量,當然還可以根據用戶需要,導出各種不同的格式,如縱斷面可以導出坐標高程,也可直接導出里程高程,橫斷面的格式更多,如我們常用的格式:
        1 //斷面序號
        47 //斷面里程
        -0.015 -0.436 //離中心點距離 高差(左邊)
        0.013 -0.329 0.034 -0.036 //離中心點距離 高差(右邊)
        用戶也可以根據自己需要的格式,定義各種成果輸出法,方便生成斷面圖所采用的不同程序。
         
         1.3 CPS-RTK測繪誤差的分析處理
        (1)儀器本身的誤差
        因儀器的硬件、軟件對GPS信號分辨率的誤差和天線相位中心的偏移誤差、天線對測量誤差、天線高測量誤差等儀器本身的因素引起誤差,只能通過測繪人員盡量滿足最佳測量標準來減少誤差。
        (2)測繪過程中引起的誤差因素
        除了儀器本身的誤差之外,還有外界因素引起的誤差,具體情況主要有衛星運行軌道和地球自轉對數據精確度的影響、衛星傳輸數據時受到干擾和測繪基站與移動GPS傳輸數據時,植物以及其他物體對信號的削弱或數據丟失引起的誤差。
        對于衛星運行軌道和地球自轉對數據精確度造成的誤差不可能避免,只能通過選擇最佳的觀測時段和盡量滿足最佳測量標準的基準點來最大限度地減少誤差。測繪基站與移動GPS傳輸數據時,植物以及其他物體對信號的削弱或數據丟失引起的誤差,可以通過減少導致這種測量誤差的最主要因素的途徑解決。即在測量時確保移動GPS信號運動與數據傳輸的范圍內,盡量不在高大的樹下來實現。
        (3)坐標轉換會帶來誤差。對于坐標轉換誤差來說,有兩個誤差源,一是投影帶來的誤差,二是已知點誤差的傳遞。但通過設置RTK控制軟件采用的投影為抵償投影(中央子午線為基準站所在點的經度,投影面可選為測區平均高程面)的方法,可以忽略投影誤差。只需考慮已知點誤差的影響。當平面已知點只有兩個時,則只能滿足計算坐標轉換四參數的必要條件,無多余條件,也就不能給出坐標轉換的精度評定。  
         二、GPS-RTK技術在斷面測量中技術特點分析
          傳統的斷面測量工作需要將儀器放置在一已知點,然后指揮跑點人員在線路的斷面上進行測量。有些斷面測量尤其是在進行曲線測量時,要先靠跑點人員的工作經驗大致跑到曲面的斷面點上,經過儀器操作人員測量后再計算出跑點人員斷面點的偏移量,跑點人員再到真正的斷面點上測量。遇到視線上有障礙物時還要轉測站,非常費工費時。應用水準測量時,高差變化較大時,進度緩慢。本次工程中,利用線路已有的高程控制網點(每公里要求有一個四等水準點),進行對GPS擬合高的及時校正比對,保證了GPS-RTK采集到的高程數據的數學精度,滿足中平測量的精度要求,同時節約了計算數據的時間、節約了測繪成本。  
           三、GPS-RTK技術在應用中存在的不足及解決辦法
        (1)衛星狀況影響GPS-RTK技術測量中的精度
        當衛星系統運行至美國最佳時段時,因相隔半球之遙。可能會產生假值。而且世界上的某些地區仍然不能很好的被衛星系統覆蓋,也會產生假值。在高山、峽谷、森林區域、城市高樓密布區域,衛星信號會被遮擋很長時間,使得一天中可以用于測量的時間受到很大的限制。對產生假值的解決方案是選擇合適的工作時間,通過采用測設已知點的CPS-RTK測量成果的方法來發現數據中存在的質量問題。
        (2)GPS-RTK高程收斂的穩定問題
        GPS-RTK外業坐標數據采集時,需要作業者細心,采集每個點位的坐標時,一定要用輕便強制對中桿精確對中,并在固定解的情況下,高程收斂指標RMS值小于0.01的時候采集,這樣采集的數據才能滿足中平測量的數學精度。GPS擬合高程值可以保證1.6厘米的數學精度。   
         四、結束語 
         GPS-RTK技術在公路測量中的有選點靈活,布網方便,不受通視、網形的限制,測量速度,精度高等優點,大大提高了工作效率,保證了公路勘測、放線精度。隨著RTK技術提高,軟件的完善,這項技術在公路勘測設計、公路施工放樣等領域有著更廣闊的應用。
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