GPS-RTK技术在公路地形图测绘中的应用

梁家明，刘 凡

(中国水利水电第五工程局有限公司第五分局，成都，6100661)



GPS-RTK技术在公路地形图测绘中的应用

梁家明，刘 凡

(中国水利水电第五工程局有限公司第五分局，成都，6100661)

介绍RTK测图的作业流程，简要阐明它在公路地形测量中的应用。结合国道321线纳溪至泸县一级公路改建工程施工项目，利用实测数据成图的过程，解决一些常见的问题，并给出解决的办法及依据。同时，给出一些有益的结论，以适应实际应用的需要。

RTK技术 作业流程 地形测量

1 工程概况

国道321线纳溪至泸县一级公路改建工程，位于四川省泸州市龙马潭区、泸县境内，地理坐标东经105°21′48″～105°23′35″，北纬28°47′22″～29°11′27″。该公路改建工程起于龙马潭区石洞镇附近，与规划的机场路相接，起点里程K1834+095.186m，向北沿原路布线经双加镇，后穿玉蟾山、跨濑溪河后在泸县福集水竹林村与国道321线相接，终点里程K1858+795.406m。线路全长24.9km，共有桥梁6座、隧道1座(分离式隧道)。

随着测绘科学技术的发展，利用GPS-RTK(以下简称RTK)技术进行数字化测绘地形图是一种行之有效的新方法，随着GPS系统的不断改进，已经达到了比较满意的精度，可以满足常规测量的要求。RTK定位技术在测量工作中应用越来越广泛，也越来越受到测量工作者的重视。结合国道321线纳溪至泸县一级公路改建工程施工，采用RTK定位测量技术，即加快了测量工作，又减小了劳动强度。

2 RTK的基本原理

RTK技术是以载波相位观测量为根据的动态实时差分(Real Time Kinematic)技术，其基本思想是在基准站安置一台GPS接收机，对所有可见GPS卫星进行连续的观测，并将其观测数据(伪距和载波相位观测值)和测站坐标信息(如基准站坐标和天线高度)通过无线电传输设备，实时地发送给用户观测站。用户站在完成初始化后，一方面通过数据链接接收来自基准站的数据，另外自身也采集GPS观测数据，在系统内组成差分观测值进行实时处理，再经过坐标转换和投影改正，即可给出实用的厘米级定位结果，实时计算并显示用户站三维坐标。

RTK实时相对定位原理如图1所示。基准站把接收到的所有卫星信息(包括伪距和载波相位观测值)和基准站的一些信息(如基站坐标天线高等)都通过无线电通讯系统传递到流动站，流动站在接收卫星数据的同时也接受基准站传递的卫星数据。在流动站完成初始化后，把接收到的基准站信息传送到控制器内，并将基准站的载波观测信号与本身接收到的载波观测信号进行差分处理，即可实时求得未知点的坐标。数据流程如图2所示。

图1 RTK实时相对定位示意

图2 RTK数据流程

3 应用GPS-RTK技术测绘公路地形图

3.1 建立测区平面控制网

根据测区范围，用GPS静态测量方法建立测区控制网，选用I08-2、I09-1、I17-1、I025、I025-1、I032作为起算坐标，沿国道321线改线工程设计线路左右两侧布设29个加密控制点，相邻点间距500m左右，并与国家点联测，求出各控制点平

面坐标，同时需考虑投影变形。公路工程在纵向有时可达到几百km，在横向上却一般只有几十m，跨越范围广，线路走向、地形情况千差万别，长度变形各不相同，因此必须采取相应的措施消弱长度变形。

3.2 高程控制测量

GPS测得的大地高属于WGS-84系统，因此必须采用高程拟合方法来求得正常高。而高程拟合的精度高低取决于参与拟合的水准点的个数及分布的均匀程度。

3.3 坐标转换参数的确定

由于所在区域地理环境的特殊性,采用常规测量方法很难在短时间内完成如此大工作量的测量工作,因此采用了先进的GPS-RTK技术。使用的仪器为南方灵锐S86型GPS双频接收机,利用各个控制点的大地经纬度和测算的当地坐标,在内业中计算得到坐标转换参数,直接将参数输入测量控制器。实践证明,这种方法计算得到的参数准确、浪费时间较少。得到参数后,在现场核查测量控制点。将GPS静态观测成果与RTK观测成果进行对比(对比结果如表1)。从表1可知,RTK定位成果能满足公路工程中地形图测量工作的精度要求。

表1 RTK定位结果与静态定位结果比较

3.4 选择作业时段

根据卫星可见预报和天气预报选择最佳观测时段，卫星的几何分越好，定位精度就越高，根据预测结果合理安排工作计划。

3.5 外业数据采集

对于开阔的地段(主要是田野、公路、河流、沟、渠、塘等)，直接采用RTK进行全数字野外数据采集,实地绘制地形草图；对于树木较多或房屋密集的村庄等，采用RTK给定图根点位，利用全站仪采集地形地物等特征点，实地绘制草图。

RTK作业的具体操作：(1)采用RTK技术进行碎部点采集，所采集的数据为当地平面坐标；(2)应用RTK采集碎部点时，遇到一些对卫星信号有遮蔽的地带，可采用RTK给出图根点的点位坐标，然后采用全站仪测碎部点坐标。

3.6 RTK成果的质量检验

为了检验RTK图根点实际精度，RTK测量结束后，应用徕卡全站仪实地检查部分通视图根点间的相对位置关系。检查工作共布设了两条附合导线，导线起算点为已知GPS点，共联测检查了20个图根点。根据导线测量成果与RTK结果的较差，可算出图根点相对于相邻点点位中误差和高程中误差；根据数据可算出图根点点位中误差mp=±3.5cm，高程中误差mh=±8.5cm，分别小于预设精度±10cm，完全符合图根控制和碎部点精度要求。

3.7 内业成图

将野外采集的坐标数据通过数据传输线传输到计算机，根据实地绘制的草图，在计算机上利用CASS7.0成图软件进行数据处理，绘制地形图。

4 影响RTK成果精度的因素

虽然GPS技术有着常规仪器所不能比拟的优点，但经过工程实践证明，GPS-RTK技术存在以下几方面不足。

4.1 受卫星状况限制

GPS系统总体设计方案是在1973年完成的，受当时技术限制，总体设计方案自身存在着很多不足。随着时间推移和用户要求的日益提高，GPS卫星的空间组成和卫星信号强度都不能满足当前所需，当卫星系统位置对美国是最佳的时候，世界上有些国家在某一确定的时间段仍然不能很好地被卫星覆盖。例如，在中、低纬度地区，每天总有两次盲区，每次20min～30min，盲区时卫星几何图形结构强度低，RTK测量很难得到固定解。同时，由于信号强度较弱，对空遮挡比较严重的地方，GPS无法正常应用。

4.2 受电离层影响

白天中午，受电离层的干扰较大，共用卫星数少，因而初始化时间长甚至不能初始化，也就无法进行常规测量。根据我们的实际经验，每天中午12时～13时，在RTK测量中很难得到固定解。

4.3 受数据链电台传输距离影响

数据链电台信号在传输过程中容易受到外界环境影响，如受高大的山峰、建筑物和各种高频信号源的干扰，在传输过程中衰退严重，严重影响外业精度和作业半径。另外，当RTK作业半径超过一定的距离时，测量结果误差超限。所以，RTK的实际作业有效半径比其标称半径要小，工程实践和专门研究都证明了这一点。

4.4 受对空通视环境影响

在山区、林区、城镇密楼区等地进行作业时，GPS卫星信号被阻挡机会很多，信号强度较低，卫星空间的结构差，容易造成失锁，重新初始化困难甚至无法完成，影响正常作业。

4.5 受高程异常问题影响

RTK作业模式要求高程转换必须精确，但我国现有的高程异常分布图在有些地区，尤其是山区，存在着很大的误差，甚至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比较困难，精度也很难均匀，影响RTK的高程测量精度。

4.6 不能达到100%的可靠度

RTK确定整周模糊度的可靠性为95%～99%，在稳定性方面不如全站仪。这是由于RTK较容易受卫星状况、天气状况、数据链传输状况影响的缘故。

综上,影响RTK成果精度的因素除上述因素外,还有受基线解算精度、基准站点位精度、坐标系转换精度的影响,但是在RTK作业中,基线解算精度可以达到10cm+1μmD;基准站点位精度平均在3cm之内；坐标系转换精度,对于10km基线亦在3cm以内。动态作业由于测距偏心,天线高误差等,一般也在3cm以内。至于正常高拟合与内插精度，取决于连测点数目与分布、拟合模型等,一般在5cm～10cm内是能够做到的。

5 结语

实践证明，GPS-RTK测图的方法比传统的方法优越，图根点点位误差不积累、不传播，减少了人为的干预，自动化程度较高，在很大程度上避免了人为误差，精度得到了提高，其测量精度完全满足地形测量的要求，用这种方法可方便、高效、可靠地完成普通地形测量工作，具有常规测量仪器无法比拟的优点。但是由于受卫星信号、接收机状态、测站周围环境及仪器操作的影响，RTK定位有时会失真，其成果不可能100%可靠。因此，在作业中，要根据RTK技术的特点及测区状况，采取有效措施，严格按操作规程作业，并加强成果的复核，以确保RTK测量成果的精确性和可靠性。

〔1〕刘基余.GPS卫星导航定位原理与方法.北京：科学出版社，2003.8.

〔2〕刘大杰，施一民，过 静.全球定位系统(GPS)的原理与数据处理[M].上海：同济大学出版社，1996.

〔3〕李天文.GPS原理及应用[M].北京：科学出版社，2003.

〔4〕王 强，徐 剑，全站仪与GPS共同作业方法讨论[J].现代测绘，2009.

梁家明(1984.10-)，男，河南周口人，助理工程师，学士，从事水利水电工程施工技术与管理工作；

刘 凡(1986.1-)，男，甘肃定西人，助理工程师，本科，从事水利水电工程施工管理工作。

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U412.241：P228.4

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2095-1809(2015)03-0059-03