GPS—RTK与全站仪在公路测量中的应用

李传元

【摘 要】随着测量技术的日益进步，我们在公路施工测量中利用GPS-RTK与全站仪配合进行测量，将这两种测量技术优势互补，得到事半功倍的效果。

【关键词】GPS-RTK；全站仪；配合；工程测量

随着测量技术的日益进步，常规GPS的测量方法，如静态、快速静态、动态测量都需要事后进行解算才能获得厘米级的精度，而GPS-RTK是能够在野外实时得到厘米级定位精度的测量方法，它采用了载波相位动态实时差分（Real - time kinematic）方法，是GPS应用的重大里程碑，它的出现为工程放样、地形测图、各种控制测量带来了新曙光，极大地提高了外业作业效率。而全站仪适用于地形碎部点的采集。因此，我们在公路施工测量中利用GPS-RTK与全站仪配合进行测量，将这两种测量技术优势互补，得到事半功倍的效果。

一、全站仪测量的特点和基本原理

全站型电子速测仪简称全站仪，它是一种可以同时进行角度（水平角、竖直角）测量、距离（斜距、平距、高差）测量和数据处理，由机械、光学、电子元件组合而成的测量仪器。由于只需一次安置，仪器便可以完成测站上所有的测量工作，故被称为“全站仪”。全站仪包含有测量的四大光电系统，即水平角测量系统、竖直角测量系统、水平补偿系统和测距系统。通过键盘可以输入操作指令、数据和设置参数。以上各系统通过I/O接口接入总线与微处理机联系起来。微处理机（CPU）是全站仪的核心部件，主要有寄存器系列（缓冲寄存器、数据寄存器、指令寄存器）、运算器和控制器组成。微处理机的主要功能是根据键盘指令启动仪器进行测量工作，执行测量过程中的检核和数据传输、处理、显示、储存等工作，保证整个光电测量工作有条不紊地进行。输入输出设备是与外部设备连接的装置（接口），输入输出设备使全站仪能与磁卡和微机等设备交互通讯、传输数据。由测距仪的发射系统发出一种连续的调制光波，测出该调制光波在测线上往返传播所产生的相位移，以测定水平距离。在砷化镕（GaAs）发光二极管上加了频率为f的交变电压（即注入交变电流）后，它发出的光强就随注入的交变电流呈正弦变化，这种光称为调制光。测距仪在A点发出的调制光在待测距离上传播，经反射镜反射后被接收器所接收，然后用相位计将发射信号与接受信号进行相位比较，由显示器显出调制光在待测距离往、返传播所引起的相位移。

二、GPS-RTK（以下简称 RTK）特点和基本原理

RTK（Real Time Kinematic ）实时动态测量系统，是集计算机技术、数字通讯技术、 无线电技术和GPS测量定位技术为一体的组合系统，是基于实时载波相位差分的实时动态定位技术，是 GPS测量技术发展中的一个新突破。RTK定位精度高，可以全天候作业，每个点的误差均为不累积的随机偶然误差。且外业操作简单，只需一人，属于真正的一人操作系统，其平面精度可以达1cm+1ppm，高程精度可以达到2cm+1ppm，完全可以满足公路测量的精度要求。RTK 是根据 GPS 的相对定位概念，将一台接收机放在已知点上 （称为基准站），另一台或几台接收机放在新点上（称为移动站），同步采集相同卫星的信号。在RTK作业模式下，基准站除了采集卫星数据外，还要通过数据链将其观测值和站点坐标信息一起传送给流动站。流动站在采集卫星数据的同时，还要接收来自基准站的数据链，并在系统内对采集和接收的两组数据，进行实时载波相位差分的处理得出定位结果。并将这些观测值进行差分，从而削弱和消除轨道误差、钟差、大气误差等影响，将实时定位精度大大提高。并能进行实时处理，提供厘米级定位结果。

三、GPS-RTK 与全站仪在公路测量中的应用比较

1.测量环境：全站仪测量是通过测取两点之间的平距及方位角，从而确定点位。因此，要求两点之间必须通视，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，直接影响测量的精度与进度。GPS—RTK同全站仪相比有很多优点：不需要相互通视；观测作业不受天气条件的影响；网的质量与点位的分布情况无关；能达到大地测量所需要的精度水平；白天和夜间均可作业；经济效益显著。

2.测量速度、效率：GPS测量效率比传统方法有极大的提高，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、清除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.测量精度：全站仪测量时，由于受干扰因此较多，因此常采取一些铺助方法，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。当遇到长直线时常需要搬站，而搬站的误差会累积到点位中误差，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，所测量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。

四、GPS—RTK 测量技术在很多时候也存在局限性

1.GPS—RTK在测量过程中对环境要求严格：在 15o 截止高度角以上不存在障碍物；周围没有反射面，不致引起多路径效应；安全避开过往行人和车辆，尽可能将接收机设置在毋须人员照看的地方；附近不应该有强辐射源（如无线电台、电视发射天线等）；可靠的电源供应；足够的内存容量；正确的配置参数 （观测类型、记录速率）；检查天线高和偏差；仪器的正确检测。以上这些条件只有都满足了，才会有高精度的结果。

2.控制测量：一些带有隐蔽性和遮挡地区却无法使用GPS技术。如在进行公路地下工程、隧道控制测量中地面首级网可以采用GPS技术，在地下施工控制方案中却无法采用。在森林处布设控制网，如果道路较窄而道路两旁的树木茂盛，GPS信号就会被遮挡而呈现断断续续，很难解算出符合精度要求的基线向量。建立居民区或工业区的控制网，采用GPS技术远没有应用全站仪方便。

3.碎部测量与放样：采用 RTK功能GPS接收机、或在局部差分系统下的碎部测量，可直接测定碎部特征。但如果测图区域为城建区，建筑物高大或民房密集。就会遮挡GPS信号，使得观测值产生周跳，破坏了整周计数的连续性，需要重新确定初始化求未知数。这样，影响观测工作的效率和成图精度，甚至会发生错误。如果在该区域施工放样，GPS卫星信号会被经常性地遮挡，以致放样工作断断续续。

4.高程测量：应用GPS定位技术不能直接测到地面点的正常高程，而只测到大地高程。如要确定地面点的正常高程，还必须要知道地面点的高程异常，这就限制了GPS技术在高程测量方面的作为。

综上所述，GPS—RTK系统与全站仪相比，在野外测量中是各有优劣，但是将 GPS—RTK与全站仪两种测量技术相结合，比传统方法更具优越性，其不仅测量速度快、自动化程度较高，而且可减少人为的干预，在很大程度上避免人为误差，使精度得到提高，完全满足公路施工的要求，进而大大提高工作效率，节省了工程费用，创造出更好的经济效益。因此，RTK与全站仪结合技术在公路工程的各个领域里将会有更为广阔的发展前景 。

参考文献：

[1]张坤宜，覃辉，金向农.交通土木工程测量[M]. 武汉：武汉大学出版社.2003.9

[2李仕东，聂让.工程测量.人民交通出版社，2002

[3] 何凭宗.由任意一点坐标计算相应的中桩坐标的算法[J].矿山测量，2001