GPS技術在公路丈量中的應用
2012-01-30 來源：中國百科網(wǎng)
GPS技術應用于公路丈量是公路外業(yè)勘測的一項重大技術革命，其應用及開發(fā)的遠景十分廣闊。尤其是實時動態(tài)（RTK）定位技術在公路丈量中蘊含著巨大的技術潛力，本文主要先容了GPS中的RTK技術在公路丈量中的應用及其對公路勘測的巨大推進作用。
1、GPS技術發(fā)展現(xiàn)狀
全球定位系統(tǒng)GPS（GlobalPositioningSystem）是美國陸海空三軍聯(lián)合研制的衛(wèi)星導航系統(tǒng)，具有全球性、全天侯、連續(xù)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(guī)丈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(xiàn)高精度丈量，其原理是采用載波相位丈量局域差分法：在接收機之間求一次差，在接收機和衛(wèi)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(jù)算法模型，設計了靜態(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、國家大地丈量、大壩變形觀測等高精度丈量；快速靜態(tài)丈量以其高效的作業(yè)效率與厘米級精度廣泛應用于一般的工程丈量；而RTK丈量以其快速實時，厘米級精度等特點廣泛應用于數(shù)據(jù)采集（如碎部丈量）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(xiàn)測地定位的基本條件，接收機有單頻與雙頻之分，雙頻性能以L2觀測值修正電離層折射影響，最適宜于中、長基線（大于20km）丈量，具有快速靜態(tài)丈量的功能，可升級為RTK功能；單頻機適宜于小于20km的短基線丈量，對于一般工程丈量具有良好的性能價格比。RTK系統(tǒng)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、操縱簡便性、實時可靠性、厘米級精度等方面的特點，完全可以滿足數(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(tǒng)由于多環(huán)境的制約，存在著很大的局限性。隨著俄羅斯的全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)（CLONASS）的不斷完善，利用GLONASS來改善GPS性能的雙星座系統(tǒng)（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(tǒng)為用戶提供了更為完善的接收設備，雙星座系統(tǒng)的接收設備GPS接收設備的新水平。
2、GPS技術在公路丈量中的應用遠景
隨著我國國民經(jīng)濟的快速增長的西部大開發(fā)的實施，我省的高等級公路建設迎來前所末有的發(fā)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(yè)軟件技術和硬件設備的發(fā)展，公路設計已實現(xiàn)CAD化，有些軟件本身還要求提供地面數(shù)字化測繪產(chǎn)品的支持；建立勘測、設計、施工、后期治理一體化的數(shù)據(jù)鏈，減少數(shù)據(jù)轉抄、輸進等中間環(huán)節(jié)，是公路勘測設計“內(nèi)外業(yè)一體化”的要求，也是影響高等級公路設計技術發(fā)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(guī)丈量方法受橫向通視和作業(yè)條件的限制，作業(yè)強度大，且效率低，大大延長了設計周期?？睖y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進GPS技術應當是首選。當前，用GPS靜態(tài)或快速靜態(tài)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在公路丈量中應用的低級階段，實在，公路丈量的技術潛力蘊于RTK（實時動態(tài)定位）技術的應用之中，RTK技術在公路工程中的應用，有著非常廣闊的遠景。下面就RTK技術在公路勘測中的應用作簡單的先容。
3、RTK技術在公路丈量中的應用
3.1 實時動態(tài)（RTK）定位技術簡介
實時動態(tài)（RTK）定位技術是以載波相位觀測值為根據(jù)的實時差分GPS（RTDGPS）技術，它是GPS丈量技術發(fā)展的一個新突破，在公路工程中有廣闊的應用遠景。眾所周知，無論靜態(tài)定位，還是準動態(tài)定位等定位模式，由于數(shù)據(jù)處理滯后，所以無法實時解算出定位結果，而且也無法對觀測數(shù)據(jù)進行檢核，這就難以保證觀測數(shù)據(jù)的質(zhì)量，在實際工作中經(jīng)常需要返工來重測由于粗差造成的分歧格觀測成果。解決這一題目的主要方法就是延長觀測時間來保證丈量數(shù)據(jù)的可靠性，這樣一來就降低了GPS丈量的工作效率。
實時動態(tài)定位（RTK）系統(tǒng)由基準站和活動站組成，建立無線數(shù)據(jù)通訊是實時動態(tài)丈量的保證，其原理是取點位精度較高的首領控制點作為基準點，安置一臺接收機作為參考站，對衛(wèi)星進行連續(xù)觀測，活動站上的接收機在接收衛(wèi)星信號的同時，通過無線電傳輸設備接收基準站上的觀測數(shù)據(jù)，隨機計算機根據(jù)相對定位的原理實時計算顯示出活動站的三維坐標和丈量精度。這樣用戶就可以實時監(jiān)測待測點的數(shù)據(jù)觀測質(zhì)量和基線解算結果的收斂情況，根據(jù)待測點的精度指標，確定觀測時間，從而減少冗余觀測，進步工作效率。
3.2 應用
實時動態(tài)（RTK）定位有快速靜態(tài)定位和動態(tài)定位兩種丈量模式，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、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接收機在每一活動站上，靜止的進行觀測。在觀測過程中，同時接收基準站和衛(wèi)星的同步觀測數(shù)據(jù)，實時解算整周未知數(shù)和用戶站的三維坐標，假如解算結果的變化趨于穩(wěn)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。單點定位只需要5-10min（隨著技術的不斷發(fā)展，定位時間還會縮短），不及靜態(tài)丈量所需時間的五分之一，在公路丈量中可以代替全站儀完成導線丈量等控制點加密工作。
3.2.2 動態(tài)定位
丈量前需要在一控制點上靜止觀測數(shù)分鐘（有的儀器只需2～10s）進行初始化工作，之后活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(shù)據(jù)，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(tài)定位模式在公路勘測階段有著廣闊的應用遠景，可以完成地形圖測繪、中樁丈量、橫斷面丈量、縱斷面地面線丈量等工作。丈量2～4S，精度就可以達到1～3cm，且整個丈量過程不需通視，有著常規(guī)丈量儀器（如全站儀）不可相比的優(yōu)點。
3.3 RTK技術的優(yōu)點
3.3.1 實時動態(tài)顯示經(jīng)可靠性檢驗的厘米級精度的丈量成果（包括高程）。
3.3.2 徹底擺脫了由于粗差造成的返工，進步了GPS作業(yè)效率。
3.3.3 作業(yè)效率高，每個放樣點只需要停留1～2s，活動站小組作業(yè)，每小組（3～4人）可完成中線丈量5～10km。若用其進行地形丈量，每小組天天可以完成0.8～1.5km3的地形圖測繪，其精度和效率是常規(guī)丈量所無法相比的。
3.3.4 在中線放樣的同時完成中樁抄平工作。
3.3.5 應用范圍廣—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)護丈量，GIS前端數(shù)據(jù)采集諸多方面。
3.3.6 如輔助相應的軟件，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。
3.4 推廣建議
3.4.1 GPS靜態(tài)定位技術和動態(tài)定位技術相結合的方法可以高效、高精度地完成公路平面控制丈量。
3.4.2 生產(chǎn)過程中采用常規(guī)方法和GPS技術相結合生產(chǎn)流程可以極大地進步生產(chǎn)效率。
3.4.3 隨著GPS技術特點是RTK技術的發(fā)展，各個廠家相繼推出了具有自主專利技術的儀器，其初始化時間越來越短，跟蹤能力也越來越強，精度越來越高，可靠性越來越強，有著良好的性價比，在勘察設計單位具有代替全站儀的趨勢，單位設備更新時應考慮這一因素。
3.4.4 GPS技術在公路丈量中的應用，是公路丈量的一項革命性的技術革新，它將對傳統(tǒng)的作業(yè)理念予以更新。
4、結語
GPS在公路勘測中的應用，對高等級公路的勘測手段和作業(yè)方法產(chǎn)生了革命性的變革，極大地進步了勘測精度和勘測效率，特別是實時動態(tài)（RTK）定位技術將在公路勘測、施工和后期養(yǎng)護、治理方面有著廣闊的應用遠景。
