ＲＴＫ在公路放样中的应用

伊云忠　贾江文　郭　微

摘要：为了发展GPS RTK技术，推广GPS RTK的使用，论文简要介绍了传统公路放样、以及RTK在公路工程中的应用现状;研究了公路GPS RTK放样的作业模式的特点以及应用GPS RTK技术进行公路放样(包括公路中线、纵断面、横断面)全过程。运用对比的方法对传统公路放样和RTK放样进行比较，突出表现GPS RTK在公路建设领域中的应用和发展。

关键词：GPS 传统公路放样方法 对比分析

1.前 言

1.1研究的目的与意义

随着全球定位系统(GPS)技术的快速发展，RTK(RealTime Kinematic)测量技术也日益成熟，RTK测量技术逐步在测绘中得到应用。RTK测量技术因其精度高、实时性和高效性,使得其在测绘工程中的应用越来越广。

在高等级公路的路线放样及中桩测量等工作中，经常会遇到线路途经丘陵、山地、密布的灌木丛或树林等复杂地形地物，有时也会出现设计线路与整列规划成排的居民房屋正交的情况，此时,若采用常规全站仪按极坐标法在实地做三维放测，将面临较严重的通视困难或频繁的转放支点, 基于载波相位观测量进行实时差分的动态定位技术，它能在施测的过程中实时得到三维坐标,且测量精度可达到厘米级。这就使RTK应用在高等级公路放样测量中成为可能。

2.传统的公路放样

2.1传统公路放样的方法

传统公路放样使用方法很多，且也在不断完善和发展。

2.2.1中线测量方法

放线的方法主要有

1）拨角放线法。 根据纸上交点的坐标，预先在内业计算出两交点间的距离及直线的转向角，然后根据资料放出交点，定出中线位置。

2）支距放线法。适用于地形不太复杂且初测导线与设计路线中线较近的地区。

3）全站仪坐标法。只要将仪器架设在已知点上，输入测站点A、后视点B以及待放样点P的三角坐标，瞄准后视点定向，按下反算方位角键，仪器就能自动将测站与后视的方位角设置在该方向上，然后按下放样键，仪器自动出现箭头左右提示应该将仪器进行转动的方向，这样就轻松使仪器到达设计的方向线上，接着通过测距仪，自动提示前后移动，直到放样出设计距离。

2.2.2横、纵断面图测绘方法

横断面测绘方法，方向的确定可以用方向架或者经纬仪进行。把仪器安置在中桩上瞄准中线方向拨转900，就可以直接定出横断面方向。地势平坦时，具体测量方法是首先在定出横断面上丈量出各特征点距离中线桩的距离，并用水准仪测得各个点到中桩的高差。起伏比较大时，仪器应放置在中线桩上，读取到横断面上的特征点的视距和垂直角，从而计算点相对中中桩的高程。然后根据数据绘制横断面图。

3.RTK在公路放样中的应用

3.1RTK技术在路线中线放样的应用

3.1.1路线中线放样

GPS RTK具有多种放样功能，在路线中线放样中最常用的是放样点的平面位置。设置好基准站和流动站以后，在主菜单下进入放样功能，选择点放样界面，输入放样点点号，单击解算按钮，进入解算界面，显示放样点信息,并计算出导航数据，将放样点的位置显示在导航图中央。

单击放样进行放样测量，通过GPS RTK方式测量出RTK天线在地方坐标系下的坐标，并显示出当前RTK天线位置与放样点的偏移量，同时在导航图上显示出RTK天线应移动的方向和距离。当RTK天线位置与放样点的实际位置重合时，即得到放样点的位置。

3.1.2 中线放样的方法

1）坐标引数法。即预先知道公路中线待放样点P的坐标( XP , YP)。GPS实地放样时,只要测点G( XG , YG)逼近P ( X P , YP) ,在一定限差范围内, 则认为P点已放样完毕。

2.）桩号引数法。即预先知道公路中线待放样点P的里程桩号为L p ,也就知道了点P的坐标( X P , YP) 。因此,桩号引数法其实际等同于坐标引数法。而对于任意加桩,如果采用上述2种方法来进行时,则可能会出现令人尴尬的现象 如水沟加桩不在沟心、水网区加桩落入水中等等。为此 ,必须寻求其它更合理、有效的方法。

3）测点引数法。以测点为引数可以采用“法线方向法”,:通过测点向路线中线做垂线 ,求出垂足点的坐标 ;也可以采用“任意方向法”通过两测点确定的直线与路线中线的交点 ,求得交点的坐标无论采用何种方法 ,其关键是推求待放样点 P的坐标 然后按坐标 (桩号)引数法进行处理。

3.2道路横断面测量的应用

在测量路线中线的同时，可以获得中线的高程，处理后生成纵断面数据文件，用来绘制纵断面图，为纵断面设计提供资料。

同时，由流动站从中桩向两侧，逐点沿地形变化点测量，每一点记录三维坐标，经数据处理后得到该点的横断面数据文件，绘制横断面图，用于进行横断面设计。

3.2.1RTK测量路线横断面的思路

路线横断面测量指测定路线中线上各中桩处垂直于中线方向上的地面起伏情况。即测定横断面方向上的相邻变坡点间的水平距离和高差, 以供路基设计包括排水、用地、挡墙、防护工程及计算土石方数量等使用。横断面测量的质量直接影响工程数量大小。用进行横断面测量应首先计算出待测横断面两端点的坐标并由实时测得, 从而标定出横断面的方向线然后, 在标定出的横断面方向线上测出各特征点的三维坐标, 由坐标计算出两相邻特征点的水平距离和高差, 绘出横断面线

3.2.2横断面方向线端点的坐标计算及方向线标定

P为中线上任一中桩点, 该点的坐标（XP，YP ）与过该点的切线方位角均已求得。

直线AB为过P点的横断面方向, AB为横断面的两端点,距中点P的距离为d.可以求得AB的方位角，并推算出B和A的坐标。

3.2.3GPS RTK测量横断面过程

1）计算各中桩处横断面上各端点的坐标。根据线形设计数据及待定断面的里程按前述线路中线点位坐标计算公式, 计算出各中桩和各加桩的坐标及对应点切线的方位角, 然后计算出相应横断面上端点的设计坐标。

2）将端点的设计坐标输人到GPS RTK的手持机中。设计坐标数据可由一定的软件输送到手持机中, 也可由人工直接在手持机上进行数据输人, 但人工输人工作效率较慢且容易出错, 不适合于大量点的输人。实际工程数据量较大, 宜采用软件传送数据。

3）转换参数计算。首先确定采用哪些点进行转换参数的计算, 这些点应具有线路坐标和WGS一84坐标, 若没有WGS一84坐标, 则可在野外利用技术实时测得。

4）野外实测, 设置基准站和流动站。野外实测时基准站设置于视野开阔的已知控制点上, 作好接收机、数据链电台及电池等的连线工作, 输人作为基准站的控制点的坐标及其它一些设置参数后, 启动基准站设备进人工作状态, 数据链不断地发射校正信息, 此时移动站可开始工作。移动站应从另一已知点出发, 即先验证转换参数及参考站参数设置的准确性, 通过与已知点进行坐标验证实测的点位与已有点位之差均在2cm内, 吻合程度较好。然后, 测得横断面上各特征点的三维坐标, 在每次作业的最后应再次回到已知点上检查是否与已知数据相符, 以保证实测数据的量。

3.2.4绘制成图

根据测得的相邻点的三维坐标计算水平距离和高差, 可以绘出横断面图。采用常规全站仪放测极不方便且难以保证精度的地区,使用该法是非常有利的。

4.传统公路放样与RTK技术放样的比较

4.1应用地域的比较

传统测量在不能通视地区进行测量，难度很大，而且精度不够高，而GPS RTK测量能达到厘米级，只要能保证RTK的工作条件，完全可以使用。

4.2速度和经济效益的比较

传统测量在野外区域进行测量经常需要对树木进行砍伐，工作量大。既浪费了大量时间和金钱，又不能保证测量精度，RTK测量完全避免砍伐情况，速度可以是传统测量的5倍以上。

4.3测量质量的比较

传统测量在中线放样上放样精度不均匀， 有误差积累。GPS RTK测量采用卫星定位技术，放样速度快，精度均匀，而且没有误差积累。

4.4工作量的比较

传统测量需要内、外业精心大量的计算和测量放样工作，程序复杂，工作量大。RTK技术测量外业操作简单，内业数据可直接输入计算机处理。

通过比较，可以看出RTK技术具有以下优点：

(1) 实时动态平面位置定位精度可达到厘米级的测量成果

(2) 彻底摆脱了由于粗差造成的返工,提高了GPS 作业效率。

(3) 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(3～4 人) 每天可完成中线测量5～10km。

(4) 在中线放样的同时可完成中平测量。

(5) 如辅助相应的软件,RTK可与全站仪联合作业,充分发挥RTK与全站仪各自的优势。

为了测定放样的进度和速度 ,利用 GPS - RTK技术测放中桩(1 +1模式 ),平均每个工作日可测放中线 4.2km ,每公里平均测放中桩 34. 7根。采用了比较的方法。

双基站比较法。为了验证 GPS - RTK的测量成果 ,作者做了如下的实验 ,首先将基准站架设于已知控制点 D4 (4 068 556. 543 ,353 286. 334 ,11. 362)上 ,利用流动站分别测得 31个中桩点的坐标。然后将基准站迁移到另一已知控制点 D9(4 072 563. 489 , 351 547. 624 ,13. 836)上 ,同样利用流动站分别测得与前述相同的31个中桩点的坐标 ,通过比较 2次测得的结果可以看出:在 2个基准站下测得的中桩坐标之差的最大值分别为 :ΔXmax =2.4 cm,ΔYmax =2.3cm, ΔHmax=2.2cm.

RTK 测量与全站仪测量的比较。在检验中, 除了采用上述方法外,还做了GPS-RTK 的测量成果与全站仪测量结果的比较,对于相同的31 个中桩点分别用RTK 技术和全站仪技术进行了坐标的测定, 检验时采用索佳2100型全站仪, 通过比较2种方法的测量结果可以看出: 在2 种方法下测得的同一中桩坐标之差的最大值分别为: :ΔXmax = 3. 4cm,ΔYmax =3.3cm, ΔHmax=3.6cm.

以上差值都在容许范围内，说明GPS RTK的测量成果从角度是合理的。从定位精度看，GPS RTK放样的点位精度可以达到厘米级，各放样点之间不存在误差积累，内符精度较好，与全站仪测定的结果符合得好，能很好的满足公路设计和施工的精度要求。由于GPS-RTK 技术在放样中的采用,使得作业效率和精度得到了飞速的提高。用RTK 技术进行公路中线放样,流动站与基准站之间的联系是建立在无线电波基础上的,作业区域内的站点之间不需要通视,对流动站来讲,仪器会引导你去相应桩号的位置,如不合适,可自由调整桩号,无须交流,从而提高作业的速度。而且由于其本身的特点,不受天气条件的影响,可全天候的工作。对于测设的精度来说,RTK技术测量时,起点位的精度是实时显示的,且每一根中桩放样过程一致,所测放的点位精度大致相同,且能很好地满足《规范》要求,不存在累积误差,因此,保证了中桩点位精度的可靠性和均匀性。

5.总结

全球定位系统(GPS )是目前世界上应用最广泛的卫星导航系统，将在公路工程测量中有更大的作用。本论文是全球定位系统(GPS)用于公路工程测量研究系统的一个子课题，经过努力完成了预期工作任务。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,大大地提高了作业效率并开拓了GPS新的应用领域。通过实际工作得到了以下的结论:

(1) 研究表明由于载波相位测量、差分处理技术、整周未知数、快速求解技术以及移动数据通信技术的融合,使RTK在精度、速度、实时性上达到了完满的结合,并使得RTK定位技术大大扩展了它的应用范围。

(2) 该法应用于高等级公路放样测量,其定位精度可达到厘米级,完全能够满足规范要求。

(3) 该法在施测过程中,能实时检验质量控制指标,因而能实时提供经检验的成果资料,大大提高了生产效率。

(4) 在困难地区尤其是采用常规全站仪放测极不方便且难以保证精度的地区,使用该法是非常有利的。◆

参考文献:

[1] 中华人民共和国行业标准.JTJ^T 066-98 公路全球定位系统(GPS) 测量规范[ S].北京:人民交通出版社, 1998.

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[3] 周忠漠.地面网与卫星网之间的转换数学模型[M]. 北京:测绘出版社,1984.

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