GPS在公路測量中的運用淺析

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摘要:gps技術應用于公路測量是公路外業勘測的一項重大技術革命,其應用及開發的前景十分廣闊。尤其是實時動態(RTK)定位技術在公路測量中蘊含著巨大的技術潛力,介紹RTK技術的發展由來,對傳統測量技術與RTK測量技術作比較,并介紹RTK技術在公路測量中的應用

關鍵詞:公路測量;應用GPS;RTK;靜態定位;動態定位

一、GPS技術在公路測量中的應用前景

隨著我國國民經濟的快速增長的西部大開發的實施,我省的高等級公路建設迎來前所未有的發展機遇,這就對勘測設計提出了更高的要求,隨著公路設計行業軟件技術和硬件設備的發展,公路設計已實現CAD化,有些軟件本身還要求提供地面數字化測繪產品的支持;建立勘測、設計、施工、后期管理一體化的數據鏈,減少數據轉抄、輸入等中間環節,是公路勘測設計“內外業一體化”的要求,也是影響高等級公路設計技術發展的“瓶頸”所在。目前公路勘測中雖已采用電子全站儀等先進儀器設備,但常規測量方法受橫向通視和作業條件的限制,作業強度大,且效率低,大大延長了設計周期。勘測技術的進步在于設備引進和技術改造,在目前的技術條件下引入GPS技術應當是首選。當前,用GPS靜態或快速靜態方法建立沿線總體控制測理,為勘測階段測繪帶狀地形圖,路線平面、縱面測量提供依據;在施工階段為橋梁,隧道建立施工控制網,這僅僅是GPS在公路測量中應用的初級階段,其實,公路測量的技術潛力蘊于RTK(實時動態定位)技術的應用之中,RTK技術在公路工程中的應用,有著非常廣闊的前景。

二、GPS技術的發展

全球定位系統GPS是美國陸海空三軍聯合研制的衛星導航系統,具有全球性、全天侯、連續性、實時性導航定位和定時功能,能為各類用戶提供精密的三維坐標、速度和時間。單點導航定位與相對測地定位是GPS應用的兩個方面;對常規測量而言相對測地定位是主要的應用方式。

相對測地定位是利用L1和L2載波相位觀測值實現高精度測量,其原理是采用載波相位測量局域差分法:在接收機之間求一次差,在接收機和衛星觀測歷元之間求二次差,通過兩次差分計算解算出待定基線的長度;求解整周模糊度是其關鍵技術,根據算法模型,設計了靜態、快速靜態以及RTK等作業模式。靜態作業模式主要用于地殼變形觀測、國家大地測量、大壩變形觀測等高精度測量;快速靜態測量以其高效的作業效率與厘米級精度廣泛應用于一般的工程測量;而RTK測量以其快速實時,厘米級精度等特點廣泛應用于數據采集(如碎部測量)與工程放樣中。RTK技術代表著GPS相對測地定位應用的主流。

GPS測地型接收設備是實現測地定位的基本條件,接收機有單頻與雙頻之分,雙頻機能以L2觀測值修正電離層折射影響,最適宜于中、長基線(大于20km)測量,具有快速靜態測量的功能,可升級為RTK功能;單頻機適宜于小于20km的短基線測量,對于一般工程測量具有良好的性能價格比。RTK系統由GPS接收設備、無線電通訊設備、電子手薄及配套設備組成,整套設備在輕量化、操作簡便性、實時可靠性、厘米級精度等方面的特點,完全可以滿足數據采集和工程放樣的要求。鑒于GPS系統在軌衛星數有限,在對空通視受遮擋的條件下,不能保證正常解算,影響定位的精度和可靠性。實踐表明,單頻GPS系統由于多環境的制約,存在著很大的局限性。隨著俄羅斯的全球導航衛星系統(CLONASS)的不斷完善,利用GLONASS來改善GPS性能的雙星座系統(GLONASS+GPS)已由美國Ashtech公司研制成功,這種全天候、全地域、高精度的系統為用戶提供了更為完善的接收設備,雙星座系統的接收設備GPS接收設備的新水平。

三、傳統測量與RTK測量技術的比較

1.各種控制測量

傳統的大地測量、工程控制測量采用三角網、導線網方法來施測,不僅費工費時,要求點間通視,而且精度分布不均勻,且在外業不知精度如何,采用常規的GPS靜態測量、快速靜態方法,在外業測設過程中不能實時知道定位精度,如果測設完成后,回到內業處理后發現精度不合要求,還必須返測,而采用RTK來進行控制測量,能夠實時知道定位精度,如果點位精度要求滿足了,用戶就可以停止觀測了,而且知道觀測質量如何,這樣可以大大提高作業效率。若把RTK用于公路控制測量則不僅可以大大減少人力強度、節省費用,而且大大提高工作效率,測一個控制點在幾分鐘甚至于幾秒鐘內就可完成。

2.地形測圖

過去測地形圖時一般首先要在測區建立圖根控制點,然后在圖根控制點上架上全站儀或經緯儀配合小平板測圖,現在發展到外業用全站儀和電子手簿配合地物編碼,利用大比例尺測圖軟件來進行測圖,甚至于發展到最近的外業電子平板測圖等等,都要求在測站上測四周的地形地貌等碎部點,這些碎部點都與測站通視,而且一般要求至少2-3人操作,需要在拼圖時一旦精度不合要求還得到外業去返測。現在采用RTK時,僅需一人背著儀器在要測的地形地貌碎部點呆上幾秒鐘,并同時輸入特征編碼,通過手簿可以實時知道點位精度,把一個區域測完后回到室內,由專業的軟件接口就可以輸出所要求的地形圖。

3.放樣

放樣是測量一個應用分支,它要求通過一定方法采用一定儀器把人為設計好的點位在實地給標定出來,過去采用常規的放樣方法很多,如經緯儀交會放樣,全站儀的邊角放樣等等,一般要放樣出一個設計點位時,往往需要來回移動目標,而且要2-3人操作,同時在放樣過程中還要求點間通視情況良好,在生產應用上效率不是很高,有時放樣中遇到困難的情況會借助于很多方法才能放樣,如果采用RTK技術放樣時,僅需把設計好的點位坐標輸入到電子手簿中,背著GPS接收機,它會提醒你走到要放樣點的位置,既迅速又方便,由于GPS是通過坐標來直接放樣的,而且精度很高也很均勻,因而在外業放樣中效率會大大提高,且只需一個人操作。

四、RTK技術的應用情況

實時動態(RTK)定位有快速靜態定位和動態定位兩種測量模式,兩種定位模式相結合,在公路工程中的應用可以覆蓋公路勘測、施工放樣等前端數據采集。

1.快速靜態定位模式

要求GPS接收機在每一流動站上,靜止的進行觀測。在觀測過程中,同時接收基準站和衛星的同步觀測數據,實時解算整周未知數和用戶站的三維坐標,如果解算結果的變化趨于穩定,且其精度已滿足設計要求,便可以結束實時觀測。一般應用在控制測量中,如控制網加密;若采用常規測量方法(如全站儀測量),受客觀因素影響較大,在自然條件比較惡劣的地區實施比較困難,而采用RTK技術可起到事半功倍的效果。單點定位只需要5-10min,隨著技術的不斷發展,定位時間還會縮短,不及靜態測量所需時間的五分之一,在公路測量中可以代替全站儀完成導線測量等控制點加密工作。

測量前需要在一控制點上靜止觀測數分鐘(有的儀器只需2～10s)進行初始化工作,之后流動站就可以按預定的采樣間隔自動進行觀測,并連同基準站的同步觀測數據,實時確定采樣點的空間位置。目前,其定位精度可以達到厘米級。動態定位模式在公路勘測階段有著廣闊的應用前景,可以完成地形圖測繪、中樁測量、橫斷面測量、縱斷面地面線測量等工作。測量2～4s,精度就可以達到1～3cm,且整個測量過程不需通視,有著常規測量儀器不可比擬的優點。

五、結語語:

GPS在公路勘測中的應用,對高等級公路的勘測手段和作業方法產生了革命性的變革,極大地提高了勘測精度和勘測效率,特別是實時動態(RTK)定位技術將在公路勘測、施工和后期養護、管理方面有著廣闊的應用前景,為我國國民經濟發展帶來了可觀的經濟效益。