[建筑土木]gps-rtk技术在道路横断面测量中的应用

[建筑土木]gps-rtk技术在道路横断面测量中的应用内容摘要：

级。 ③ 全天候作业。 RTK 测量不要求基准站、移动站间光学通视 , 只要求满足 “电磁波 ”通视 , 因此和传统测量相比 , RTK 测量受通视条件、能见度、气候、季节等因素的影响和限制小 , 在传统测量看来难于开展作业的地区 , 只要能满足 RTK 的基本工 作条件 , 它也能进行快速高精度定位 , 使测量工作变得更容易更轻松。 ④ RTK测量自动化、集成化程度高 , 数据处理能力强。 RTK 可进行多种测量内、外业工作。 移动站利用软件控制系统 , 无需人工干预便可自动实现多种测绘功能 , 减少了辅助测量工作和人为误差 , 保证了作业精度。 ⑫ 缺点： ①受卫星状况限制。 当卫星系统位置对美国是最佳时段 ,但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所覆盖 ,容易产生假值。 另外在高山峡谷及密集森林区域、城市高楼密布区域 ,卫星信号被遮挡时间较长 ,使一天中可作业时间受限制。 产生假 值问题可采用 RTK 测量成果的质量控制方法来发现。 同时注意选择作业时间。 ②电量不足问题。 RTK 耗电量较大 ,需要多个大容量电池、电瓶才能保证连续作业 ,在电力供应缺乏的偏远地区作业受到限制。 ③初始化能力和所需时间问题。 在山区、林区或城镇密楼区作业时 ,GPS 卫星信号被阻挡机会较多 ,容易造成失锁 ,需要经常地重新初始化 ,这样测量的精度和效率就受到影响。 解决这个问题的方法主要是选用初始化能力强、所需时间短的 RTK 机型 ,如拥有先进技术的 ASHTECH ZX 双频 RTK 测量系统。 随着科学的不断进步 ,RTK技术将得到越来 越广泛的应用 ,在未来也将会有更加先进的技术应用到测量行业中。 RTK成果精度的因素 一般来说 , 影响 RTK成果精度的因素主要是 GPS 观测其有误差源 , 除此之外 , 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 沈阳建筑大学城市建设学院毕业设计（论文） 8 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。 RTK 技术是 GPS 定位技术的一个新的里程牌 ,它不仅具有 GPS技术的所有优点 ,而且可以实时获得观测结果及精度 ,大大提高了作业效率并开拓了 GPS 新的应用领域。 由于载波相位测量 ,差分处理技术、整周未知数、快速求解技术以及移动数据通信技术的融合 ,使 RTK在精度、速度、实时性上达到了完满的结合 ,并使得 RTK定位技术大大扩展了它的应用范围。 沈阳建筑大学城市建设学院毕业设计（论文） 9 第二章 GPSRTK测量相关概念 RTK测量技术是经载波 相位测量与数据传输技术相结合的以载波相位测量为依据的实时差分 GPS测量技术。 GPS测量模式可分为静态测量和动态测量 ， 而静态测量又分为常 规静态测量模式和快速测量模式。 动态测量模式分为准动态测量模式和实时动态测量模式，而实时动态测量模式又分为 DGPS和 RTK方式。 RTK技术与其他测量模式相比，具有 定位精度高、测量自动化、集成化程度高、数据处理能力强、操作简单、使用方便的等特点。 RTK系统主要由基准站接收机、数据链及移动接收机三部分组成。 通常是利用 2台以上的 GPS接收机同时接收卫星信号，其中一台安置在已知点上作 为基准点，另一台用 来未知点坐标，称移动站。 基准站根据该点的准确坐标可求出其他卫星的距离改正数，并将这一改正数发送给移动站；移动站根据距离改正数来改正其定位结果，大大提高了定位精度，从而使实时提供测站点在指定坐标系中的三维定位结果达到厘米级精度。 RTK 技术根据差分方法的不同分为修正法和差分法。 修正法是将基准站的载波相位修正值发送给移动站，改正移动站的接收载波相位，再求解三维坐标；差分法是将基准站采集到的载波相位发送给移动站，进行求差解 算三维坐标。 RTK系统正常工作必须具备三个条件：第一，基准站和移动站同时 接收 5颗以上的 GPS卫星信号；第二，基准站与 移动站同时接收卫星信号和基准站台发出的差分信号；第三，移动站要连续接收 GPS卫星信号和基准站发出的差分信号，也就是说移动站在移动过程中不关机，不能失锁，否则 RTK 必须重新初始化。 实际工作中的 GPS 测量可划分为方案设计、外业实施及内业数据处理三个阶段。 GPS 测量的方案设计依据国家有关规范（规程）、 GPS 网的用途、用户要求等对网形、精度和基准等进行具体设计。 GPS 测量规范是指国家测绘管理部门或行业部门制 定的技术法规，包括： ⑪ 2020 年国家质量技术监督检疫总局和中国国家标准化管理委员会发布的《全球定位系统（ GPS）测量规范》，简称《规范》。 沈阳建筑大学城市建设学院毕业设计（论文） 10 ⑫ 1998 年建设部发布的行业标准《全球定位系统城市测量规程》，简称《规程》。 ⑬ 各部委根据本部门 GPS测量实际情况制定的其他 GPS测量规程和细则。 外业测量开始前，要进行对点的校核，找准控制点（至少三个），即开始进行中线测量工作 [2]。 中线测量，测量时选路线前进方向进行变化位置放置流动站，每一个里程为一段分隔距离，由已知控制点，流动站手簿软件即可 显示此点距离中桩偏移距离及实际高程，根据显示数据，移动流动站至地形变化点的中桩位置，偏值精度到正负 5cm，即可打桩并记录桩号、高程。 由此可继续进行下一里程的中线测量，每 20公里进行中桩记录，由此可实时测得所有里程全部中桩点的三维坐标。 横断面点测量，在已知中桩的垂直方向上，移动流动站依次至此桩的横断面方向地形变化点处，在距中线左右各 20范围内测出中线垂直方向上点的三维坐标，为绘制横断面需求，保持左右方向上的点大致在一个方向上，并根据实际地形的变化走势，在地形复杂的沟、渠、坎、土堆、坑、塘等加密测量特征点 ,特 征点最好高低、上下对应。 相对的地势平坦区，只采集必要的主要边界点即可，并在现场绘制草图 ,以便内业数据处理。 ⑪ WGS84坐标系 ： GPS所采用的坐标系为 WGS84地心坐标系 ,它是以地球的质心 (质量的中心 )为原点的地心坐标系 ,X,Y轴在地球赤道平面内 ,Z轴与地球自转轴相重合。 WGS84大地坐标系是一个协议地球坐标参考系 CTS(Conventional Terrestrial System),其几何定义是 :原点位于地球质心 ,Z轴指向 BIH CTP(Conventional Terrestrial Pole)方向 ,X轴指向 BIH CTP赤道的交点 ,Y轴与 X,Z轴正交构成右手坐标系。 采用椭球参数为： a=6378137m， f=1/。 ⑫ BJ54 坐标系 ： 1954 年北京坐标系是我国目前广泛采用的大地测量坐标系，是一种参心坐标系统。 该坐标系源自于原苏联采用过的 1942 年普尔科夫坐标系，该坐标系采用的参考椭球是克拉索夫斯基椭球。 该椭球的参数为： a=6378245m， f=1/。 我国地形图上的平面坐标位置都是以这个参数为基准推算的。 沈阳建筑大学城市建设学院毕业设计（论文） 11 ⑬ 1980 年西安坐标系 ： 1980 年西安坐标系是我国近年来使用的一种最新的大地测量坐标系，亦是一种参心坐标系统。 该坐标系是我国根据自己的实际地理位置建立的坐标系，采用国际第三推荐椭球值。 该坐标系的椭球参数为： a=6378140m， f=1/。 该参数与我国的地理位置更接近，在不久的将来，该椭球参数将会代替国内其它的椭球参数。 ⑭ 地方坐标系（任意独立坐标系） ： 在我们的测量过程中，时常会遇到的如一些某城市坐标系、某城建坐标系、某港口坐标 系等，或我们自己为了测量方便而临时建立的独立坐标系。 在进行空间转换时 ,当工作区内有足够的已知 WGS84 和 BJ54 坐标时 ,首先选择 3对高精度的控制点坐标对 ,这 3 个点应尽量布设均匀 ,各边边长应尽量接近 ,从而构成稳定的图形条件。 我们在已知 5 个坐标对的情况下 ,选择 3 个点的坐标对进行七参数测定 ,然后再进行 WGS84 和 BJ54 坐标的转换。 转换模型 ,通常采用 3 个平移参数、 3 个旋转参数和 1 个尺度缩放参数计 7 个转换参数的布尔沙 (Bursa)模型。 在进行 WGS84 和 BJ54 坐标 转换时 ,一般要经过的流程如下图所示。 图 21 WGS84 与 BJ 54 坐标转换流程示意图 该流程可以分为两个步骤 :先用 3 个公共点的坐标对求解七参数 ,然后将待定点的沈阳建筑大学城市建设学院毕业设计（论文） 12 WGS84 坐标利用解出的七参数 ,求得其转换到 BJ54 平面坐标系的坐标。 ⑪ 七参数的测定 ： 将 3 个已知点的 BJ54 平面坐标根据克拉索夫斯基椭球参数进行高斯反算 ,由公式24 求出这 3 个点的空间大地坐标 (即经纬度坐标 ): B=Bf[1()Z2]Z2b2ρ 21 l=[l(b3b5Z2)Z2]Zρ 22 L=L0+l 23 Bf=β+{50221746+[293622+(2350+22cos2β)cos2β]cos2β}1010sinβcosβρ 24 β =Xρ/ 25 Z=Y/(Nfcos2β ) 26 Nf=[()cos2Bf]cos2Bf 27 b2=(+)sinBfcosBf 28 b3=()cos2Bf 29 b4=+(+)cos2Bf 210 b5=()cos2Bf 211 在该公式中 ,B 表示大地坐标的纬度 ,L 表示大地坐标的经度 ,L0 为中央子午线的经度 ,X,Y 为 BJ54 平面坐标 ,ρ =。 上式的高斯正算公式是由泰勒级数展开式舍去高于 6 次项的结果 ,B,L 的计算精度可达。 ⑫ 根据 BJ54 坐标系的椭球体由 公式 212式将空间大地坐标 (B,L)T 换算成空间直角坐标(X54,Y54,Z54)T。  212 该公式中 e2 表示椭球体的第一 偏心率 ,其余各个符号所表示的内容同公式 24 中对应符号所表示的内容一致。 ⑬ 将 GPS 测定的 3 个大地坐标 (B84,L84),由 WGS84 椭球参数 ,按公式 212 转换成空间沈阳建筑大学城市建设学院毕业设计（论文） 13 坐标形式 (X84,Y84,Z84)T。 ⑭ 根据既具有 WGS84坐标又具有 BJ54坐标的 3 个已知点利用公式 213 可以求出两个坐标系进行转换的 7 个参数。 布尔沙 (Bursa)七参数变换公式为 : 213 式 213 中 (dx,dy,dz)T 是进行空间转换时的坐标平移量 ,κ 是一个缩放尺度比参数 ,εx,ε y,ε z是进行转换时的旋转参数 ,这就是所谓的七参数。 因为有 3 个公共点的（ X,Y,Z）T 可列立 9 个方程，要求 7 个参数。 可得误差方程式 214。 将 3 个公共点的坐标代入 214 式 ,应用最小二乘原理可以求出 7 个坐标变换参数的解。 通过上述模型 ,利用重合点的两套坐标值 ,采取平差的方法可以求得转换参数。 求得转换参数后 ,再利用上述模型进行坐标转换 (包括重合点和非重合点的坐标转换 )。 对于重合点来说 ,转换后的坐标与已知值有一差值 ,其差值的大 小反映了转换后坐标的精度。 其精度与被转换的坐标精度有关 ,也与转换参数的精度有关。  214 沈阳建筑大学城市建设学院毕业设计（论文） 14 WGS84 坐标与 BJ54 坐标的转换 ⑪ 利用公式 213将所有需要转换的 WGS84坐标全部转换为 BJ54坐标。 即将 (X′ 84,Y′84,Z′ 84)T 坐标由公式 213 求出 (X54,Y54,Z54)T。 ⑫ 根据 BJ54 坐标的克拉索夫斯基椭球参数 ,利用公式 215 将 (X54,Y54,Z54)T 换算为大地 z坐 标 (B′ 84,L′ 84)T。 L=arctan(Y54/X54) 21。