探究GPS-RTK標準化測量技術在河道斷面測量應用

馬君濤

北京創億鑫環境有限公司 北京 101200

GPS（Global Positioning System）全球定位系統，是20世紀70年代開發的新一代衛星導航和定位系統。GPS具有全球，全天候，連續，實時精密三維導航和定位功能，而其中RTK（Real Time Kinematic）實時動態測量技術是GPS應用的重要技術。它可以單人來進行測量工作，并且能夠實時的提供出厘米級的定位精度，極大提高了外業的工作效率。因此，GPS-RTK在大地測量，工程測量，城市測量等領域中得到了廣泛的應用。

本文以平谷泃河（海子水庫～上紙寨）治理工程（一期）第一標段中河道斷面測量的應用為例，簡單介紹GPSRTK的基本原理以及參數轉換和點校驗的方法，并且闡述了GPS-RTK的技術特點在河道原地貌測量中的應用，對其實用性進行分析。

1 工程概況

泃河主河道長89.4km，北京市境內長54.4km。本次工程治理范圍為泃河上段海子水庫至上紙寨（非城區段）段河道，全長15.4km。工程包括：防洪工程：治理河道15.4公里，包括河道擴挖、砂石坑回填防護、堤防防護及彎道段防沖護砌等；治理將軍關石河、橋頭營支溝、土門石河、豹子峪石河、黃松峪石河、魚子山石河6條支溝；新建雨水口23處等。非防洪工程包括：2.7公里子槽開挖，生態水面開挖，8%水泥土換填，干砌石擋水壩、河坡綠化等。此次測量任務為進行河道占地線、河道中心線、岸坡的上下開口線的放樣工作，以50m為一個斷面來進行河道原地貌測量，繪制河道斷面圖，為計算土方量及后期施工提供了有效的依據。外業測量依據《全球定位系統（GPS）測量規范》（GB/T 18314—2009）；《水利水電工程施工測量規范》（SL52—93）。

2 GPS-RTK的基本原理

GPS-RTK的儀器一般由兩臺或兩臺以上來進行現場實地測量工作，其中分為基準站和移動站兩種[1]?；鶞收窘⒃谝阎刂泣c或未知點上，將基準站采集的載波相位通過無線通信網實時發給移動站，移動站將接收到的衛星信號和收到基準站信號實時求差解算坐標，坐標差值加基準站坐標就可以得到移動站的WGS84坐標，然后通過坐標轉換參數轉換得出每個移動站在使用當地的平面坐標x、y和高程h。

3 RTK求轉換參數及點校驗

3.1 求轉換參數

首先說明一下，北京及周邊地區常用的幾個坐標系：Beijing54（1954北京坐標系）、Xian80（1980西安坐標系）、CGCS2000（2000國家大地坐標系）、WGS-84（1984年世界大地坐標系統）[2]。無論什么牌子的GPS基準站和移動站輸出的數據都是WGS-84坐標系，需要轉換參數的設置，來轉化到施工現場測量的地方坐標，轉換參數就成為了完成這一項工作的主要內容。轉換參數的重要工作就是測定已知重合點，重合點指的是同一控制點擁有兩種坐標系。重合點的坐標一種是進行實地測量得到；另一種是通過參數轉換獲取已有控制點的地方坐標。求轉換參數主要是計算四參數或七參數，本工程用的的是計算七參數。在進行七參數的計算時，至少需要三個控制點的已知地方坐標和實測的WGS-84坐標，通過手簿里自帶的轉換參數，把WGS-84坐標轉換到地方坐標的七個轉換參數。七參數要比四參數的控制范圍和精度高，X、Y、Z軸一般都必須是秒級的，X、Y、Z軸平移一般小于1000。若超出了限值，則RTK是無法使用的。

由于河道斷面測量工作的復雜性,所以在進行跨野外數據采集時,首先要對GPS測區內地形、橫軸和河流中線等各種要素進行標準化處理。對于不同地形條件下的斷面上所對應參數也應該采取相應標準。由于河道斷面測量工作是一個復雜龐大繁瑣的過程,其數據采集點之間可能存在重疊或交叉問題因此在進行數據采集時,我們可以采用統一的標準來對這些斷面測量點參數進行標準化處理。同時也可以將數據信息直接提供給現場工作人員。通過對不同參數進行合理配置和組合，從而達到最優效果。

3.2 點校驗

由于GPS-RTK基準站和移動站輸出和輸入坐標都是WGS-84坐標，所以很多在使用GPS儀器使用轉換參數的方式為：把基準站用三腳架架設在已經控制點上，在基準站間接輸入WGS84坐標啟動基準站。這種方式的缺點在于每次測量之前都要把基準站架設在已知控制點上，從而帶來的測量人員的一定麻煩。而在使用點校正向導可以避免這種情況，直接把基準站架設在任意點上來啟動基準站，很大的提高了測量人員的靈活性以及便捷性。

在進行GPS測量工作時,我們要保證點和線的準確性。首先,我們需要對整個斷面圖上所有的控制點都做好詳細地校驗。其次是確定好控制網中每個方向所對應到測線上是否符合測控要求;同時還需確保各個平面坐標、高程以及坡度等參數與實際地形相一致并滿足設計規范規定要求即可進行測量工作。最后再將上述數據繪制成線位圖中的曲線,通過對這些曲線在斷面上所繪制出相應的點和線然后進行數據的處理,得到斷面中線坐標。在測量工作中,我們需要對曲線上所繪制出來的點和線進行平差校正。如果出現了誤差較大或者是沒有滿足設計規范要求等情況則需通過調整直線間、緩和曲線以及斜率來修正。

GPS測量的點位需要進行校驗,在野外施工中,為了保證數據采集的標準,應該對其進行一定量程和精度等方面因素。（1）GPS點距誤差應達到最小。（2）平面控制網布設時采用全站儀、經緯儀、自動測高系統相結合來完成觀測工作;在斷面上設置控制測量桿系及水準基線以確保其穩定性與可靠性,同時保證施工過程中所使用的各種儀器設備均能滿足要求和精度等級在斷面測量中,應采用全站儀、經緯儀進行點位的控制。（3）水準基線外業工作完成后,應該對其精度和穩定性做進一步檢查與復核:①基準高差必須達到規范要求;②基準線外業誤差不得超過±0.1mm;③觀測值要滿足設計及施工驗收標準規定內要求。

4 河道原地貌測量

在河道斷面上，由于地形起伏變化的原因，會產生不同程度上地貌形態的差異[3]。為了能夠準確地反映河流斷面特征、特點和規律等因素，對河床輪廓控制點所形成位置以及面積大小進行合理安排與規劃設計，師河道測量工作中一個重要環節。

本次測量任務為平谷泃河（海子水庫-上紙寨）治理工程（一期）第一標段其中的一部分，即從海子水庫起點（樁號0+000）處至胡黑路大橋（樁號5+000）處，全長共5公里，在六個三等GPS控制點的基礎上進行靜態測量，新加出4個控制點，共10個控制點均勻分布在此測區范圍內。使用GPS-RTK進行河道施工放樣和原地貌測量工作。河道施工放樣工作包括河道中心線放樣，岸坡上口線及下口線放樣，占地紅線放樣。原地貌測量工作是從起點（樁號0+000）處開始，每50米進行一個原地貌橫斷面測量，河道的橫斷面通常垂直于河道中心線，以此類推，直至測到胡黑路大橋（樁號5+000）處。如果出現局部地形復雜，要進行局部地形測量。

河道斷面測量中對數據的處理和采集都要進行標準化。在GPS技術成熟之后，可以采用統一、標準的作業方法，這樣就能夠避免由于人為因素，而造成測量工作誤差。通過規范化程序來實現河流斷點控制線精度，以及高程準確度等方面問題，是目前我國主要采取措施。

4.1 測量前期準備工作

1.在進行測量前,要根據設計的控制點對現場施工所需的工作和數據資料等做好詳細地調查。同時還要注意的是要保證在實地勘察過程中不出現錯誤與遺漏。注重數據的標準化。2.對于GPS接收機、信號調理設備以及測放架都需要提前準備好,確保不會因為操作失誤而導致誤差值超出正常范圍；并且還應該將測量儀器安裝在適當位置上,并保證其能夠滿足設計要求的精度和穩定性等；3.在測量過程中,要保證儀器的準確度,并且確保其能夠滿足野外實測要求。4.對于現場施工所需資料和數據必須按照設計圖紙進行整理、存檔。5.以上工作完成后還應該對相關的工作人員做好培訓工作以提高他們處理信息能力以及技術水平；6.在確定好了GPS接收機與測放架之后還要將測量方法標準化,保證不會產生誤差值超出正常范圍等問題發生時能夠及時地采取措施避免出現不必要的損失和浪費情況。

要根據工作量進行人員分組和分工，收集設計平面施工圖紙、制定測量計劃、準備需要的GPS儀器（儀器要在測量之前進行檢測，以保障工程測量數據的準確性）。因為設計提供的軸線坐標一般都與實測的斷面位置不符，需要用AutoCAD軟件來確定每個斷面軸線上兩側占地紅線的位置坐標，將坐標在電腦中“記事本”里按照（點號，X，Y，Z）格式保存為“平谷泃河測量數據.txt”，在用數據線導入到GPS手簿里。測量之前只要做足了準備工作，才能更加順利、更加效率的完成任務，為下一步的施工打好基礎。

4.2 外業測量數據

外業測量數據主要是指GPS和RTK的野外工作，在河道斷面測量中，由于河流地形條件復雜、觀測人員技術水平不高以及其他因素等原因可能會導致誤差較大。因此需要對其進行一定程度上的檢測處理。

首先要把基準站架設在高出測區的地方，然后用移動站在已經控制點上進行校正向導，一切準備就緒后，就可以開始現場原地貌斷面測量。將兩側占地紅線按每個橫斷面50m進行放樣完成后，下一步就可以進行原地貌測量，要反映出每個斷面測點和測點之間地勢變化，采集原地貌的標準是只要有高差≥10厘米的測點處就要采集點。GPS-RTK有個缺點，如果在樹木較多或移動站上方有遮擋物的情況下，遮擋物會導致測量信號不穩定，無法精準采集坐標。在這種時候發生時，就要采用全站儀來進行采集點，對于測量的數據精準度來說，兩者所使用到的方法不同，但是最后得出來的結果不會有很大的區別。

根據實際情況將GPS-RTK內控點接收到河流河道斷面勘測成果后再使用內控線解算出河道斷面上所有高程及其與邊樁坐標信息相對應的控制網及相應位置；在測量過程中,通過GPS-RTK技術可以對其進行自動處理和校核工作這樣可以保證在河道斷面測量的結果準確度,并且能夠滿足河流斷面上控制點和邊樁坐標信息。

為了保證外業測圖精度及成果完整性標準化，要求內控點與控制樁之間距離至少為20cm以上才能達到標準；同時因為GPS-RTK應用范圍較廣且操作簡單，所以在河道斷面測量中采用的方法是RTK外業數據采集過程中采用的方法是直接利用GPS-RTK控制點進行現場觀測，在斷面測圖上用內控點接收外業測量工作后所獲得的標準數據。

4.3 內業斷面圖繪制

在河道斷面測量中,內業線繪制的標準化是保證河流斷面上控制點、河床中線及標高準確。

所有外業數據測量完成后，其測量的數據會直接儲存到GPS手簿當中，將GPS手簿里的測量數據按照（點號，編號，X，Y，Z）格式保存為“平谷泃河原地貌測量數據.dat”，把這個文件導出到電腦，用南方CASS軟件把這個文件所有測到的點，展開到AutoCAD里，把每個斷面測到的點用多段線連接起來，量出點與點之間的距離，按照兩點之間的高差，來繪制原地貌斷面圖，見圖1。原地貌斷面圖繪制中一般顯示的內容有：樁號、設計線、原貌線、河道中心位置、原地貌每個測點的高程及距離、設計堤頂高程及設計河底高程。

圖1 原地貌橫斷面圖

5 結束語

以上就是針對GPS-RTK測量技術等相關內容進行的論述，本文結合近幾年的測量經驗，在河道測量中采用的GPS測量技術，測量精度高、效率高。通過對GPS-RTK技術在河道斷面測量中的應用進行了研究，主要是為了解決如何經GPS測高精度控制點與河流斷面精確連接，以及怎樣有效地提高河道護岸質量。簡而言之，隨著GPS-RTK測量技術的發展及精度的提高，從目前來看GPS-RTK測量技術可以實現多行業的測繪工作，該測量方法在測繪領域中會得到更大的推廣和應用。