GPS—RTK技术与全站仪联合在复杂地表测量放样的方法研究

GPSRTK技术与全站仪联合在复杂地表测量放样的方法研究摘要：本文基于地表复杂地区测量放样中GPS-RTK技术与全站仪有机结合的应用实践，进一步深入探讨了两者在操作中的优化组合和精度分析，以实现方便、快捷、准确、高效地完成各类测量放样任务。关键词：RTK技术全站仪精度放样近年来，RTK技术在地面工程施工中得到广泛应用，而复杂地表的RTK数据采集，受卫星状况、天空及周边环境、数据链传输等影响，形成GPS差分信号盲区，给数据采集带来极大的困难。全站仪作业时，视线遮挡使得个别点位数据需要多次搬站才能采集，劳动强度大，作业效率低，精度难以保证。采用RTK与全站仪联合作业，使两者的优势互补，与传统测量手段相比工作效率大幅度提高。1.技术方法研究1.1全站仪测量技术特点：全站仪属于一种集光、机、电于一体的光学电子测量设备，能自动测量角度和距离，并能按一定程序和格式将测量数据传给相应的数据采集器。除了受测站互通视环境影响外，使用范围还是比较广泛，是一门比较成熟的测量定位技术。它的工作原理是在测站上架设仪器，通过测角、测边确定测量点的位置，或直接测量待定点的坐标值，是常规的三维极坐标测量方法。由于全站仪能够方便精确地测量出角度、距离以及点的平面坐标和高程，在施工放样测量中已经被广泛应用。但是如果施工现场环境复杂不能通视，地面起伏太大，附近没有或只有一个控制点时，就需要建立施工控制网。建网程序繁琐，且速度较慢，放样一个设计点往往需要来回移动目标，要几个人同时相互配合才能完成，大大降低了施工效率。全站仪施工虽然较为灵活，但是受周边障碍物的影响比较严重，全站仪需要保持通视的情况下才能定出直线的位置，但是在施工时，我们可以根据障碍物的狭隙，适时调整设备和棱镜，保证两点通视，实施测量定位。1.2RTK测量技术特点RTK测量技术是以载波相位观测量为根据的实时差分GPS测量技术，实时动态定位（RTK）系统由基准站接收机和流动站接收机和无线数据传输链路组成。建立无线数据通讯是实时动态测量的保证。测量工作原理：取点位精度较高的首级控制点作为基准点，安置一台接收机作为参考站，对卫星进行连续观测，流动站上的接收机在接收卫星信号的同时，通过无线电传输设备接收基准站上的观测数据，随即计算机根据相对定位的原理实时计算显示出流动站的三维坐标和测量精度。这样用户就可以实时监测待测点的数据观测质量和基线解算结果的收敛情况，根据待测点的精度指标确定观测时间，从而减少冗余观测，提高工作效率。运用这种方法大大减少了常规测量所需的控制点数量和测量仪器的搬运次数，使得作业自动化、集成化程度高，测绘功能强大，定位精度高，数据安全可靠，没有误差积累，数据处理能力强。GPS系统是一种采用距离交会法的卫星导航定位系统。如图所示：GPS工作原理示意图在需要的位置P点架设GPS接收机，在某一时刻ti同时接收了3颗（A、B、C）以上的GPS卫星所发出的导航电文，通过一系列数据处理和计算可求得该时刻GPS接收机至GPS卫星的距离SAP、SBP、SCP，同样通过接收卫星星历可获得该时刻这些卫星在空间的位置（三维坐标）。从而用距离交会的方法求得P点的维坐标（Xp，Yp，Zp），其数学式为：SAP2=（Xp-XA）2+（Yp-YA）2+（Zp+ZA）2SBP2=（Xp-XB）2+（Yp-YB）2+（Zp+ZB）2SCP2=（Xp-XC）2+（Yp-YC）2+（Zp+ZC）2式中（XA，YA，ZA），（XB，YB，ZB），（XC，YC，ZC）分别卫星A，B，C在时刻ti的空间直角坐标。在实际使用中需要根据坐标系统间的转换参数进行坐标系统的变换，来求出所使用的坐标系统的坐标。这样更有利于表达地面控制点的位置和处理GPS观测成果，因此在测量中被得到了广泛的应用。1.2.1作业效率高在相同条件下，RTK测量只需设站一次，一人操作即可。与常规测量线路的方法比较，设站次数大大减少，而且丝毫不影响测量的准确度。与GPS静态测量方法相比较的突出优势在于可以实现实时测量，并不需要进行观测数据的后期处理。1.2.2定位精度高，没有误差积累RTK技术在测量工作中，在于各次测量的点位误差各自独立，互不影响，不会累积和叠加，在使用RTK技术测量的有效半径内，水平、垂直方向的精度都可以达到厘米级别。1.2.3GPS-RTK可以在不通视的情况下，根据设计坐标确定未知点的位置，从而确定出直线的方向，极大地方便了用户。2.实际应用2.1实例我们多次在川东北部高山地区及陕北有大面积冲积沟的复杂地表进行测量施工的实践表明，RTK技术与全站仪常规测量技术充分结合，互为补充，是高质量地完成测量施工任务的技术保证。比如一放样点O因树木遮挡而位于差分信号盲区，接受不到理想的卫星个数，使用RTK放样精度达不到规定要求；我们可以在位于宽阔地带，找到由RTK实施放样的且精度可以达到要求的M，N两点。针对O点卫星信号严重失锁，无法进行RTK放样这一客观实际，利用全站仪来完成这项任务。此时全站仪测量的精度高和稳定性好的优点就得以完全展示。运用全站仪极坐标法放样点O，可先用RTK放样的M、N点作为已知测量控制点，将全站仪安置在M点，后视N点定向，通过移动棱镜的位置来放样O点。全站仪因其能够方便精确地测量出角度（水平角和垂直角）、距离（平距和斜距）以及点的平面坐标和高程，在施工放样测量中已经被广泛应用。又如根据设计需要，没有控制网的条件下，在某块凹凸不平，对天通视不是很好，并且点之间又遮挡严密的地面上放样若干个点，而因施工现场环境复杂，有些点相互间不能通视，地面起伏太大，附近没有或只有一个控制点时，就需要建立施工控制网。由于建网程序繁琐，且速度较慢，况且放样一个设计点往往需要来回移动目标，要2至3人同时相互配合，大大降低了劳动效率。这时，只需要在视野开阔的地面上选择合适的，且与放样点通视的点位，利用先进的RTK技术采集相关点的坐标值，然后根据这些坐标值用全站仪逐点放样即可。这样，既节省了劳力，又提高了速度。可见，适时采用RTK技术和全站仪联合方式显而易见将给测量放样工作提供极大的便利。2.2精度分析因各种原因导致的对天通视困难地区进行全站仪配合RTK放样，与传统全站仪放样不同之处在于定向点M、N不是已知的控制点，而是经RTK放样的点，本身存在误差不可以忽略不计，此时O点的坐标不仅仅和全站仪本身的放样精度有关，而且和定向点M、N的误差有很大的关系。显而易见，RTK放样的已知点误差对待放样点的点位误差影响比全站仪本身影响要大得多。所以，在利用全站仪配合RTK放样时，首先要保证RTK的放样精度，这样才能使得全站仪配合RTK放样的方法满足精度要求。从精度上分析，GPS可以高精度并快速地测定各级控制点的坐标。RTK的精度在数据链信号接收半径不超过5km的范围内，只要能接收到5颗以上卫星，所得出的固定解就能达到仪器标称精度。如双频GPS测量系统，实时RTK水平精度为10mm+1ppmRMS。高程精度为2cm+1ppm。3.实例分析两种方法有效解决了单一的全站仪或GPS-RTK技术无法单独正常工作的问题。以有固定标记的RTK点作为测站点利用极坐标法进行物理点放样测量，避免了作业人员重复进入同一作业区域，减少了工作量，施工速度快，缩短了生产时间并可提高测量效率。使用RTK和全站仪极坐标放样施工技术能有效缩短测量放样工期，尤其在大平面、复杂立面、山地等工程中尤为明显。实践表明，RTK与全站仪配合放样完全可以满足工程放样的精度要求。RTK在地形复杂、通视不好的地区放样的效率高，比全站仪效率高23倍，并减少了作业人员的劳动强度。全站仪在RTK失锁较严重和放样精度效果不理想区，优势尽显无疑，RTK与全站仪配合放样，可发挥各自的优势，大大提高放样的速度与效益。理论计算与试验数据说明RTK与全站仪配合放样的精度可以满足工程放样的要求。RTK技术的出现使施工放样有了突破性的发展，不但克服了传统放样法和坐标放样法的缺点，而且具有观测时间短，精度高、无须通视、现场给出精确坐标等优点，特别适合道路等大批量设计点位的放样工作，尤其是道路边桩、征地范围线等放样。不需沿途布设图根控制点，从而减少了施工控制网的布设密度，节约经费，节省时间，提高了工作效率。然而，在对天通视困难的特殊地区，RTK失锁较严重，放样效果往往不理想。因此，作业时一般用RTK施测较为宽阔地带的放样点，而在RTK失锁较严重和放样精度效果不理想区，用全站仪施测放样点。这样既避免了RTK测量所发生的特殊地区精度不能满足要求的情况，又避免了常规的全站仪放样的低效，使得两种仪器在实际测量中相得益彰，有效地提高了作业效率。4.结束语综上所述，GPS-RTK技术作业效率高、定位精度高、集成化程度高、测绘功能强大等诸多优点，能够极大地降低劳动作业强度，提高作业效率，出现GPS-RTK测量作业效率为常规测量方法的3倍以上的大突破。但在卫星信号遮挡严重，树木茂密的地方无法使用，很多时候无法直接定出标桩的位置。而全站仪