GPS技術(shù)在公路丈量中的應(yīng)用
2012-01-30 來(lái)源：中國(guó)百科網(wǎng)
GPS技術(shù)應(yīng)用于公路丈量是公路外業(yè)勘測(cè)的一項(xiàng)重大技術(shù)革命，其應(yīng)用及開發(fā)的遠(yuǎn)景十分廣闊。尤其是實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)（RTK）定位技術(shù)在公路丈量中蘊(yùn)含著巨大的技術(shù)潛力，本文主要先容了GPS中的RTK技術(shù)在公路丈量中的應(yīng)用及其對(duì)公路勘測(cè)的巨大推進(jìn)作用。
1、GPS技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀
全球定位系統(tǒng)GPS（GlobalPositioningSystem）是美國(guó)陸?？杖娐?lián)合研制的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，具有全球性、全天侯、連續(xù)性、實(shí)時(shí)性導(dǎo)航定位和定時(shí)功能，能為各類用戶提供精密的三維坐標(biāo)、速度和時(shí)間。單點(diǎn)導(dǎo)航定位與相對(duì)測(cè)地定位是GPS應(yīng)用的兩個(gè)方面；對(duì)常規(guī)丈量而言相對(duì)測(cè)地定位是主要的應(yīng)用方式。
相對(duì)測(cè)地定位是利用L1和L2載波相位觀測(cè)值實(shí)現(xiàn)高精度丈量，其原理是采用載波相位丈量局域差分法：在接收機(jī)之間求一次差，在接收機(jī)和衛(wèi)星觀測(cè)歷元之間求二次差，通過(guò)兩次差分計(jì)算解算出待定基線的長(zhǎng)度；求解整周模糊度是其關(guān)鍵技術(shù)，根據(jù)算法模型，設(shè)計(jì)了靜態(tài)、快速靜態(tài)以及RTK等作業(yè)模式。靜態(tài)作業(yè)模式主要用于地殼變形觀測(cè)、國(guó)家大地丈量、大壩變形觀測(cè)等高精度丈量；快速靜態(tài)丈量以其高效的作業(yè)效率與厘米級(jí)精度廣泛應(yīng)用于一般的工程丈量；而RTK丈量以其快速實(shí)時(shí)，厘米級(jí)精度等特點(diǎn)廣泛應(yīng)用于數(shù)據(jù)采集（如碎部丈量）與工程放樣中。RTK技術(shù)代表著GPS相對(duì)測(cè)地定位應(yīng)用的主流。
GPS測(cè)地型接收設(shè)備是實(shí)現(xiàn)測(cè)地定位的基本條件，接收機(jī)有單頻與雙頻之分，雙頻性能以L2觀測(cè)值修正電離層折射影響，最適宜于中、長(zhǎng)基線（大于20km）丈量，具有快速靜態(tài)丈量的功能，可升級(jí)為RTK功能；單頻機(jī)適宜于小于20km的短基線丈量，對(duì)于一般工程丈量具有良好的性能價(jià)格比。RTK系統(tǒng)由GPS接收設(shè)備、無(wú)線電通訊設(shè)備、電子手薄及配套設(shè)備組成，整套設(shè)備在輕量化、操縱簡(jiǎn)便性、實(shí)時(shí)可靠性、厘米級(jí)精度等方面的特點(diǎn)，完全可以滿足數(shù)據(jù)采集和工程放樣的要求。鑒于GPS系統(tǒng)在軌衛(wèi)星數(shù)有限，在對(duì)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(shí)踐表明，單頻GPS系統(tǒng)由于多環(huán)境的制約，存在著很大的局限性。隨著俄羅斯的全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（CLONASS）的不斷完善，利用GLONASS來(lái)改善GPS性能的雙星座系統(tǒng)（GLONASS+GPS）已由美國(guó)Ashtech公司研制成功，這種全天候、全地域、高精度的系統(tǒng)為用戶提供了更為完善的接收設(shè)備，雙星座系統(tǒng)的接收設(shè)備GPS接收設(shè)備的新水平。
2、GPS技術(shù)在公路丈量中的應(yīng)用遠(yuǎn)景
隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速增長(zhǎng)的西部大開發(fā)的實(shí)施，我省的高等級(jí)公路建設(shè)迎來(lái)前所末有的發(fā)展機(jī)遇，這就對(duì)勘測(cè)設(shè)計(jì)提出了更高的要求，隨著公路設(shè)計(jì)行業(yè)軟件技術(shù)和硬件設(shè)備的發(fā)展，公路設(shè)計(jì)已實(shí)現(xiàn)CAD化，有些軟件本身還要求提供地面數(shù)字化測(cè)繪產(chǎn)品的支持；建立勘測(cè)、設(shè)計(jì)、施工、后期治理一體化的數(shù)據(jù)鏈，減少數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)抄、輸進(jìn)等中間環(huán)節(jié)，是公路勘測(cè)設(shè)計(jì)“內(nèi)外業(yè)一體化”的要求，也是影響高等級(jí)公路設(shè)計(jì)技術(shù)發(fā)展的“瓶頸”所在。目前公路勘測(cè)中雖已采用電子全站儀等先進(jìn)儀器設(shè)備，但常規(guī)丈量方法受橫向通視和作業(yè)條件的限制，作業(yè)強(qiáng)度大，且效率低，大大延長(zhǎng)了設(shè)計(jì)周期?？睖y(cè)技術(shù)的進(jìn)步在于設(shè)備引進(jìn)和技術(shù)改造，在目前的技術(shù)條件下引進(jìn)GPS技術(shù)應(yīng)當(dāng)是首選。當(dāng)前，用GPS靜態(tài)或快速靜態(tài)方法建立沿線總體控制測(cè)理，為勘測(cè)階段測(cè)繪帶狀地形圖，路線平面、縱面丈量提供依據(jù)；在施工階段為橋梁，隧道建立施工控制網(wǎng)，這僅僅是GPS在公路丈量中應(yīng)用的低級(jí)階段，實(shí)在，公路丈量的技術(shù)潛力蘊(yùn)于RTK（實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位）技術(shù)的應(yīng)用之中，RTK技術(shù)在公路工程中的應(yīng)用，有著非常廣闊的遠(yuǎn)景。下面就RTK技術(shù)在公路勘測(cè)中的應(yīng)用作簡(jiǎn)單的先容。
3、RTK技術(shù)在公路丈量中的應(yīng)用
3.1 實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)（RTK）定位技術(shù)簡(jiǎn)介
實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)（RTK）定位技術(shù)是以載波相位觀測(cè)值為根據(jù)的實(shí)時(shí)差分GPS（RTDGPS）技術(shù)，它是GPS丈量技術(shù)發(fā)展的一個(gè)新突破，在公路工程中有廣闊的應(yīng)用遠(yuǎn)景。眾所周知，無(wú)論靜態(tài)定位，還是準(zhǔn)動(dòng)態(tài)定位等定位模式，由于數(shù)據(jù)處理滯后，所以無(wú)法實(shí)時(shí)解算出定位結(jié)果，而且也無(wú)法對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行檢核，這就難以保證觀測(cè)數(shù)據(jù)的質(zhì)量，在實(shí)際工作中經(jīng)常需要返工來(lái)重測(cè)由于粗差造成的分歧格觀測(cè)成果。解決這一題目的主要方法就是延長(zhǎng)觀測(cè)時(shí)間來(lái)保證丈量數(shù)據(jù)的可靠性，這樣一來(lái)就降低了GPS丈量的工作效率。
實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位（RTK）系統(tǒng)由基準(zhǔn)站和活動(dòng)站組成，建立無(wú)線數(shù)據(jù)通訊是實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)丈量的保證，其原理是取點(diǎn)位精度較高的首領(lǐng)控制點(diǎn)作為基準(zhǔn)點(diǎn)，安置一臺(tái)接收機(jī)作為參考站，對(duì)衛(wèi)星進(jìn)行連續(xù)觀測(cè)，活動(dòng)站上的接收機(jī)在接收衛(wèi)星信號(hào)的同時(shí)，通過(guò)無(wú)線電傳輸設(shè)備接收基準(zhǔn)站上的觀測(cè)數(shù)據(jù)，隨機(jī)計(jì)算機(jī)根據(jù)相對(duì)定位的原理實(shí)時(shí)計(jì)算顯示出活動(dòng)站的三維坐標(biāo)和丈量精度。這樣用戶就可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)待測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)觀測(cè)質(zhì)量和基線解算結(jié)果的收斂情況，根據(jù)待測(cè)點(diǎn)的精度指標(biāo)，確定觀測(cè)時(shí)間，從而減少冗余觀測(cè)，進(jìn)步工作效率。
3.2 應(yīng)用
實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)（RTK）定位有快速靜態(tài)定位和動(dòng)態(tài)定位兩種丈量模式，兩種定位模式相結(jié)合，在公路工程中的應(yīng)用可以覆蓋公路勘測(cè)、施工放樣、監(jiān)理和GIS（地理信息系統(tǒng)）前端數(shù)據(jù)采集。
3.2.1 快速靜態(tài)定位模式。
要求GPS接收機(jī)在每一活動(dòng)站上，靜止的進(jìn)行觀測(cè)。在觀測(cè)過(guò)程中，同時(shí)接收基準(zhǔn)站和衛(wèi)星的同步觀測(cè)數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)解算整周未知數(shù)和用戶站的三維坐標(biāo)，假如解算結(jié)果的變化趨于穩(wěn)定，且其精度已滿足設(shè)計(jì)要求，便可以結(jié)束實(shí)時(shí)觀測(cè)。一般應(yīng)用在控制丈量中，如控制網(wǎng)加密；若采用常規(guī)丈量方法（如全站儀丈量），受客觀因素影響較大，在自然條件比較惡劣的地區(qū)實(shí)施比較困難，而采用RTK快速靜態(tài)丈量，可起到事半功倍的效果。單點(diǎn)定位只需要5-10min（隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，定位時(shí)間還會(huì)縮短），不及靜態(tài)丈量所需時(shí)間的五分之一，在公路丈量中可以代替全站儀完成導(dǎo)線丈量等控制點(diǎn)加密工作。
3.2.2 動(dòng)態(tài)定位
丈量前需要在一控制點(diǎn)上靜止觀測(cè)數(shù)分鐘（有的儀器只需2～10s）進(jìn)行初始化工作，之后活動(dòng)站就可以按預(yù)定的采樣間隔自動(dòng)進(jìn)行觀測(cè)，并連同基準(zhǔn)站的同步觀測(cè)數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)確定采樣點(diǎn)的空間位置。目前，其定位精度可以達(dá)到厘米級(jí)。
動(dòng)態(tài)定位模式在公路勘測(cè)階段有著廣闊的應(yīng)用遠(yuǎn)景，可以完成地形圖測(cè)繪、中樁丈量、橫斷面丈量、縱斷面地面線丈量等工作。丈量2～4S，精度就可以達(dá)到1～3cm，且整個(gè)丈量過(guò)程不需通視，有著常規(guī)丈量?jī)x器（如全站儀）不可相比的優(yōu)點(diǎn)。
3.3 RTK技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)
3.3.1 實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示經(jīng)可靠性檢驗(yàn)的厘米級(jí)精度的丈量成果（包括高程）。
3.3.2 徹底擺脫了由于粗差造成的返工，進(jìn)步了GPS作業(yè)效率。
3.3.3 作業(yè)效率高，每個(gè)放樣點(diǎn)只需要停留1～2s，活動(dòng)站小組作業(yè)，每小組（3～4人）可完成中線丈量5～10km。若用其進(jìn)行地形丈量，每小組天天可以完成0.8～1.5km3的地形圖測(cè)繪，其精度和效率是常規(guī)丈量所無(wú)法相比的。
3.3.4 在中線放樣的同時(shí)完成中樁抄平工作。
3.3.5 應(yīng)用范圍廣—可以涵蓋公路丈量（包括平、縱、橫），施工放樣，監(jiān)理，竣工丈量，養(yǎng)護(hù)丈量，GIS前端數(shù)據(jù)采集諸多方面。
3.3.6 如輔助相應(yīng)的軟件，RTK可與全站儀聯(lián)合作業(yè)，充分發(fā)揮RTK與全站儀各自的上風(fēng)。
3.4 推廣建議
3.4.1 GPS靜態(tài)定位技術(shù)和動(dòng)態(tài)定位技術(shù)相結(jié)合的方法可以高效、高精度地完成公路平面控制丈量。
3.4.2 生產(chǎn)過(guò)程中采用常規(guī)方法和GPS技術(shù)相結(jié)合生產(chǎn)流程可以極大地進(jìn)步生產(chǎn)效率。
3.4.3 隨著GPS技術(shù)特點(diǎn)是RTK技術(shù)的發(fā)展，各個(gè)廠家相繼推出了具有自主專利技術(shù)的儀器，其初始化時(shí)間越來(lái)越短，跟蹤能力也越來(lái)越強(qiáng)，精度越來(lái)越高，可靠性越來(lái)越強(qiáng)，有著良好的性價(jià)比，在勘察設(shè)計(jì)單位具有代替全站儀的趨勢(shì)，單位設(shè)備更新時(shí)應(yīng)考慮這一因素。
3.4.4 GPS技術(shù)在公路丈量中的應(yīng)用，是公路丈量的一項(xiàng)革命性的技術(shù)革新，它將對(duì)傳統(tǒng)的作業(yè)理念予以更新。
4、結(jié)語(yǔ)
GPS在公路勘測(cè)中的應(yīng)用，對(duì)高等級(jí)公路的勘測(cè)手段和作業(yè)方法產(chǎn)生了革命性的變革，極大地進(jìn)步了勘測(cè)精度和勘測(cè)效率，特別是實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)（RTK）定位技術(shù)將在公路勘測(cè)、施工和后期養(yǎng)護(hù)、治理方面有著廣闊的應(yīng)用遠(yuǎn)景。
