GPS RTK技術在水利工程測量中的應用

陳志華 段元維 龐崇林

【摘 要】主要闡述GPS RTK技術在水利工程測量中的應用，水利工程測量采用新儀器、新技術的高精度、高效率、簡便的測量方法。

關鍵詞：GPS RTK；水利工程測量；應用；精度；效率

Abstract：Mainly on the GPS RTK technology in hydraulic engineering, hydraulic engineering measurement with the new equipment, new technology, high precision and high efficiency, simple measuring method.

Key words ：GPS RTK； hydraulic engineering measurement； application, precision； efficiency

中圖分類號：TV文獻標識碼： A 文章編號：

1.前言

隨著國民經濟的快速發展，國家和地方政府對水利工程建設投資的加大，每年都有大批的水利工程建設。而大多數水利工程都位于偏遠地區，高等級測量控制點極少，給水利工程施工測量帶來很大困難。由于全球定位系統(GPS)技術的快速發展，GPS RTK技術廣泛應用于測量中，因其精度高、實時性和高效性強，成為最先進的技術設備和最經濟的測量方法，在很大程度上提高了工作質量和效率。我院于2009年購買的

中海達V8starGPS測量系統，通過幾年的使用，在水利工程測量的加密控制測量、水下地形測量和施工放樣等方面，高精度、高效率的完成了水利水電工程方面的測量工作，收效甚大?，F以GPS RTK技術在非洲馬里費魯水電站項目工作中的實際應用情況為例。

2.GPS RTK在非洲馬里水電站項目中就得到了很好的應用

在非洲馬里費魯水電站勘測中，根據工程設計的需要，利用RTK共施測了工程區1：500地形圖及河道縱橫斷面圖、水下地形圖、5KM（1：1000）輸電線路帶狀地形圖、15km（1：1000）公路帶狀地形圖。在本次的地形測量過程中，運用了RTK技術進行圖根控制測量及地形測量，探索了一條進行大面積測量的新路子。

2.1工程概況

馬里費魯水電站位于塞內加爾河一段長不到800m的急流，河床寬度從上游的約1300m變為下游的約300m，并利用了約15m的自然落差。電站距卡伊城(Kayes)約15km，距馬里首都巴馬科市(Bamako)約670km。整個測區地理坐標約西徑11°20′11″～11°24′46″，北緯14°21′06″～14°24′54″。地勢平坦，平均海拔約20.0米。測區內房屋稠密，若用傳統的測量方法，效率低且浪費人力、財力。經過論證，決定用GPS 靜態定位技術進行首級控制，然后用RTK技術做圖根控制進行地形測量。

2.2RTK儀器介紹

本次測量使用4臺中海達公司的V8star雙頻RTK GPS接收機，發射和接收電臺是內置電臺，采用UHF通訊。使用標準天線的35W基準站電臺，作業距離可達10到15公里左右，靜態定位精度：平面3mm+1ppm×D；高程5mm+1ppm×D；RTK實時定位精度：平面：1cm+5ppm×D；高程：2cm+10ppm×D，3個GPS配套測量手簿。

2.3GPS RTK基本原理

RTK(Real Time Kinematic)測量技術即實時動態測量技術，是以載波相位測量與數據傳輸技術相結合的以載波相位測量為依據的實時差分GPS測量技術，是GPS測量技術發展里程中的一個標志，它由3部分組成：(1)基準站接收機；(2)數據鏈；(3)流動站接收機。

RTK工作原理是：在已知高等級點上(基準站)安置1臺GPS接收機，對所有可見衛星進行連續的觀測，并將其觀測數據和測站信息，通過無線電傳輸設備，實時地發送給流動站，流動站GPS接收機在接收GPS衛星信號的同時，通過無線接收設備，接收基準站傳輸的數據，然后根據相對定位的原理，實時解算出流動站的三維坐標及其精度。

2.4RTK測量的特點

相對于傳統測量學及GPS常規測量，RTK 測量主要有以下特點：

(1).定位精度高。RTK測量標稱精度可達到：lcm + 5ppm(平面)，2cm + l0ppm(高程)。

(2).快速提供三維坐標。RTK通過實時處理2s內即可測得三維坐標。

(3).作業距離遠、操作簡便、效率高。作業半徑能達到10KM。RTK技術的自動化程度高，觀測人員主要是擺好基準站，然后進行流動站工作，而其它觀測工作如衛星的捕獲、跟蹤觀測等均由儀器自動完成。如采用1+2配置，即1臺基站，2臺移動站，2個測量小組可以同時施測，可減輕現場測量人員的勞動強度，提高工作效率。

(4).測站之間無需通視，是相互獨立的觀測值，不存在誤差積累傳播。

2.5準備工作

（1）根據任務的需要，收集了有關資料。

（2）對資料分析研究，進行現場踏勘，進行圖上設計。

（3）根據目的、精度要求、測區地形、交通狀況等選擇接收機類型和數量，按優化設計原則和相關規范的要求進行技術設計，制訂了合理的觀測計劃。

2.6測量實施

首先進行四等網首級控制，然后加密一級GPS點，測量方式采用靜態和快速靜態，各項操作嚴格按照相關規范要求施測。為了進行高程擬合，在四等網中聯測了均勻分布于網中的6個高等級水準點。經過數據處理和基線解算，四等GPS網和一級GPS網的同步環坐標分量閉合差、最弱點點位中誤差、最弱邊相對中誤差、邊長相對中誤差等項精度均遠高于規范規定，獲得了高精度的GPS定位成果，這里不再列舉。對所有的四等GPS點和一級GPS點按照水準測量規范進行四等水準測量。

2.6.1用GPS RTK技術進行圖根控制測量

首先將欲作為RTK測量聯測控制點的四等GPS點的三維坐標輸入計算機，檢查無誤后，用把數據輸入手簿。

比較分析四等GPS點和一級GPS點的地理位置，從中選取地勢較高、無遮擋的控制點作為基準站的架設點，并且這些點必須遠離大功率無線電發射臺、變電站、高壓輸電線等無線電干擾源，以避免其周圍磁場對GPS衛星信號的干擾影響。

基準站架設后，對基準站及電臺進行必要的設置，待手簿的屏幕提示“基準站設置成功并已經開始工作”，用另一臺接收機進行部分四等GPS控制點的聯測，完成上述操作后，手簿內部自動進行轉換參數的求解，然后就可進行具體的測量工作。

2.6.2工程區地形測量、輸電線路及公路帶狀地形測量

動態定位測量,基準站安置的方法及要求跟圖根控制測量的一致。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工作要求及目的進行作業，也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。在本次測量中，測量區域基本沒有樹林，GPS接收衛星效果很好，我們就按距離3～5m采集一個點，工作效率很高，精度也能滿足要求。在進行輸電線路及公路測量時可以先定好中線，在實際過程中隨時可以看到偏離中線多少米，這樣給我們的工作帶來了更高的準確性及方便，減少了不必要的復測工作。共施測了工程區1：500地形圖及河道縱橫斷面圖、5KM（1：1000）輸電線路帶狀地形圖、15KM（1：1000）公路帶狀地形圖。通過本次的測量情況看，應用GPS RTK技術大大提高了我們的工作效率。本次測量部分線路帶狀地形圖見圖一：

ね家

2.6.3水下地形測量

水利工程測量最難的是水下地形測量，水下地形復雜，人眼又看不見，水上作業條件差，水下地形資料的準確性對水利工程建設十分重要，水下地形測量傳統的測量方法大多采用六分儀、三桿分度儀、全站儀配合測深儀，其缺點是：精度不高，測區范圍有限，工作量大，人員配置多等，工作效率很低。而且本次需測量的水下地下面積很大，河水很深、很湍急。如果用傳統的測深方法，工作效率很低。本次測深采用GPS RTK技術配合一臺中海達數字單頻測深儀就很好的解決了我們的測深工作，在測深過程中我們用測繩檢查了部分水深情況，滿足精度要求。本次進行水下地形測量的步驟：將GPS與測深儀連接成一起，導航軟件對測量船進行定位，并指導測量船在指定測量斷面上航行，GPS和測深儀將實時測得數據自動記錄到測深儀內存里，由海洋測量軟件處理生成水下地形圖或導出*．dat文件，再由南方測繪cass7．0地形地籍成圖軟件繪制水下地形圖。從本次測量結果來看，GPS RTK技術在水下地形測量的應用，大大提高了測量的精度，提高了工作效率。本次GPS RTK測量大壩水下部分地形圖見圖二：

圖二

3RTK的不足及測量成果的質量控制

3.1.受限因素分析

3.1.1.受衛星狀況限制

當衛星系統位置對美國是最佳的時候，世界上有些國家在某一確定的時間段仍然不能很好地被衛星所覆蓋，容易產生假值。另外，在高山峽谷深處及密集森林區，城市高樓密布區，衛星信號被遮擋時間較長，使一天中可作業時間受限制。產生假值問題采用RTK測量成果的質量控制方法可以發現。作業時間受限制可由選擇作業時間來解決。

3.1.2.天空環境影響

白天中午，受電離層干擾大，共用衛星數少，常接受不到5顆衛星，因而初始化時間長甚至不能初始化，也就無法進行測量。在馬里水電站工程實際工作中，我們做過試驗，在同樣的條件和同樣的地點上進行RTK測量，上午11：O0之前和下午3：30之后，RTK測量結果準而快，而中午時分，很難進行RTK測量?？梢娺x擇作業時段的重要性。

3.1.3.數據鏈傳輸受干擾和限制、作業半徑比標稱距離小的問題

RTK數據鏈傳輸易受到障礙物如高大山體、高大建筑物和各種高頻信號源的干擾，在傳輸過程中衰減嚴重，嚴重影響測量精度和作業半徑。在地形起伏高差較大的山區和城鎮密樓區數據鏈傳輸信號受到限制。另外，當RTK作業半徑超過一定距離(一般為幾公里，每種機型在不同的環境又各不相同)時，測量結果誤差超限，所以RTK的實際作業有效半徑比其標稱半徑要小很多，在本次的工程實踐中都證明了這一點。解決這類問題的有效辦法是把基準站布設在測區中央的最高點上。

3.2.RTK測量成果質量控制

通過實際工作中證明，RTK確定整周模糊度的可靠性最高為95，RTK 比靜態GPS還多出一些誤差因素，如數據鏈傳輸誤差等。因此，RTK和GPS靜態測量相比，RTK測量更容易出錯，必須進行質量控制。

3.2.1.質量控制的方法主要有

（1）已知點檢核比較法,在布測控制網時用靜態

在測量圖根點時，我們利用RTK測量了GPS點的三維坐標，其平面坐標與用GPS靜態定位方法測量的成果進行比較，RTK高程與四等水準成果和用靜態GPS水準擬合的高程分別進行了比較，隨機選擇馬里水電站實測的部分成果比較見表1：單位（m）

表1 測量成果精度比較表

點名 X靜－XRTK Y靜－YRTK H靜－HRTK H靜－HⅣ水 HRTK－HⅣ水

B1 +0.00287 -0.02605 -0.0146 -0.0048 +0.009

B2 +0.00896 -0.01221 +0.0326 +0.0010 -0.029

B3 -0.00201 -0.01385 +0.0029 +0.0112 +0.008

B4 +0.00798 -0.01878 +0.0086 +0.0106 +0.003

B5 +0.02245 -0.01035 +0.0034 -0.0075 -0.006

B6 -0.00216 -0.02245 +0.0706 +0.0158 -0.045

B7 +0.00654 -0.02178 +0.0243 +0.0121 -0.009

B8 +0.01765 -0.01987 +0.0136 +0.0131 -0.008

B9 +0.00821 -0.01542 +0.0039 +0.0087 +0.006

B10 +0.00499 -0.01126 +0.0245 +0.0237 +0.007

B11 -0.00269 -0.01589 +0.0069 +0.0059 -0.002

B12 +0.00701 +0.00715 -0.0079 -0.0231 -0.021

B13 +0.01253 +0.00369 -0.0159 -0.0179 -0.002

B14 +0.01186 -0.01592 +0.0284 +0.0151 -0.016

由比較結果可知：RTK測設的GPS點平面成果和靜態GPS測設的精度比較接近；在高程方面，RTK測設的高程和四等水準高程精度也比較接近；靜態GPS水準擬合的高程能滿足地形測圖的精度需求；RTK測設的平面成果和高程完全可以滿足圖根控制測量的精度。

(2)重測比較法

每次初始化成功后，先重測l至3個已測點的RTK點或高精度控制點，確認無誤后才進行RTK測量。

(3).電臺變頻實時檢測法

在測區內建立2個以上基準站，每個基準站采用不同的頻率發送改正數據，流動站用變頻開關選擇性地分別接收每個基準站的改正數據從而得到2個以上解算結果，比較這些結果就可判斷其質量高低。

以上方法中，最可靠的是已知點檢核比較法，但控制點的數量總是有限的，所以沒有控制點的地方需要用重測比較法來檢驗測量成果，電臺變頻實時檢測法的實時性好，但它需具備一定的儀器條件。

4影響精度的因素及應對措施

4.1在實際作業過程中，我們發現影響RTK精度的主要因素

（1）基準站坐標精度

由RTK的工作原理可知，如果基準站的坐標精度較低，流動站得到的三維坐標都帶有系統偏差，因此，基準站坐標具有較高的精度非常重要。

（2）坐標轉換參數精度

求解坐標轉換參數至少需要三個已知公共點，其精度不僅與測區內選擇的公共點的位置和數量有關，還與選用的已知公共點的坐標精度有密切關系。

（3）作業環境

參考站的選擇要合適，參考站要遠離大功率無線電發射臺、變電站、高壓線等無線電干擾源，遠離大面積水域、高大建筑物及樹林，防止GPS信號的多路徑效應影響。

（4）人為因素

測量員作業的熟練程度，在作業時，如果屏幕顯示不是固定解就記錄數據，會使測設點的精度很低，甚至出現錯誤；如果接收機天線未保持垂直，測設的成果就不可取，人為地降低了測設點坐標精度；如果電瓶電量不足，也會降低流動站測設的坐標的精度和可靠性。

4.2為提高GPS RTK測設精度，需要采取必要的措施

基準站盡量選在較高的位置，要適當提高基準站發射天線的高度；聯測的控制點盡量采用已建成的國家高等級GPS點、三角點或在一個控制網內經過統一平差的GPS點，數量要盡量多；根據衛星星歷預報，選擇幾何圖形強度較小、衛星數量較多且分布較好的時間段進行測設；適當延長在每個測設點的觀測時間，以確保測出的數據是固定解并且將流動站天線盡可能保持垂直；將流動站的作業半徑控制在10公里以內，若想提高作業距離，可以選擇電臺中繼站，即在適當的距離增設一臺中繼站電臺，中繼站電臺一邊接收來自基準站發射來的數據，一邊發射這些數據，這樣也能明顯的提高作業距離，供電電瓶一定要有足夠的電量；求取轉換參數時，應嚴格檢查各控制點的坐標，并仔細檢查坐標轉換欄的H殘差和V殘差值，看其數值是否在規定的允許范圍內。

RTK方式出現后不要馬上開始測量，要等GPS穩定約2分鐘左右才能開始測量，否則將有較大的誤差，代入記錄數據后，如正常工作以后則其記錄方式不受影響。

5 GPS RTK測繪技術展望

GPS正在越來越多的測量工作中得到應用，RTK技術與其它測量儀器和測量方法相比具有不能比擬的優勢。通過實際工程應用試驗表明，RTK技術可以用于地形測量，其精度能滿足相關規范規程的要求，而且省時、省力，大大提高了工作效率，節省了費用。打破了傳統的手工測繪理念，形成目前較好的一套數字化測繪解決方案，在工程應用中得到的一些數據和參數為以后運用RTK技術提供了寶貴的經驗，在不久的將來更要大力發展多基準站RTK和網絡RTK技術，為RTK在更廣闊的領域應用，提供更高的精度和更好的效益。

參考文獻

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