GPS—RTK與全站儀在公路測量中的應用

李傳元

【摘 要】隨著測量技術的日益進步，我們在公路施工測量中利用GPS-RTK與全站儀配合進行測量，將這兩種測量技術優勢互補，得到事半功倍的效果。

【關鍵詞】GPS-RTK；全站儀；配合；工程測量

隨著測量技術的日益進步，常規GPS的測量方法，如靜態、快速靜態、動態測量都需要事后進行解算才能獲得厘米級的精度，而GPS-RTK是能夠在野外實時得到厘米級定位精度的測量方法，它采用了載波相位動態實時差分（Real - time kinematic）方法，是GPS應用的重大里程碑，它的出現為工程放樣、地形測圖、各種控制測量帶來了新曙光，極大地提高了外業作業效率。而全站儀適用于地形碎部點的采集。因此，我們在公路施工測量中利用GPS-RTK與全站儀配合進行測量，將這兩種測量技術優勢互補，得到事半功倍的效果。

一、全站儀測量的特點和基本原理

全站型電子速測儀簡稱全站儀，它是一種可以同時進行角度（水平角、豎直角）測量、距離（斜距、平距、高差）測量和數據處理，由機械、光學、電子元件組合而成的測量儀器。由于只需一次安置，儀器便可以完成測站上所有的測量工作，故被稱為“全站儀”。全站儀包含有測量的四大光電系統，即水平角測量系統、豎直角測量系統、水平補償系統和測距系統。通過鍵盤可以輸入操作指令、數據和設置參數。以上各系統通過I/O接口接入總線與微處理機聯系起來。微處理機（CPU）是全站儀的核心部件，主要有寄存器系列（緩沖寄存器、數據寄存器、指令寄存器）、運算器和控制器組成。微處理機的主要功能是根據鍵盤指令啟動儀器進行測量工作，執行測量過程中的檢核和數據傳輸、處理、顯示、儲存等工作，保證整個光電測量工作有條不紊地進行。輸入輸出設備是與外部設備連接的裝置（接口），輸入輸出設備使全站儀能與磁卡和微機等設備交互通訊、傳輸數據。由測距儀的發射系統發出一種連續的調制光波，測出該調制光波在測線上往返傳播所產生的相位移，以測定水平距離。在砷化镕（GaAs）發光二極管上加了頻率為f的交變電壓（即注入交變電流）后，它發出的光強就隨注入的交變電流呈正弦變化，這種光稱為調制光。測距儀在A點發出的調制光在待測距離上傳播，經反射鏡反射后被接收器所接收，然后用相位計將發射信號與接受信號進行相位比較，由顯示器顯出調制光在待測距離往、返傳播所引起的相位移。

二、GPS-RTK（以下簡稱 RTK）特點和基本原理

RTK（Real Time Kinematic ）實時動態測量系統，是集計算機技術、數字通訊技術、 無線電技術和GPS測量定位技術為一體的組合系統，是基于實時載波相位差分的實時動態定位技術，是 GPS測量技術發展中的一個新突破。RTK定位精度高，可以全天候作業，每個點的誤差均為不累積的隨機偶然誤差。且外業操作簡單，只需一人，屬于真正的一人操作系統，其平面精度可以達1cm+1ppm，高程精度可以達到2cm+1ppm，完全可以滿足公路測量的精度要求。RTK 是根據 GPS 的相對定位概念，將一臺接收機放在已知點上 （稱為基準站），另一臺或幾臺接收機放在新點上（稱為移動站），同步采集相同衛星的信號。在RTK作業模式下，基準站除了采集衛星數據外，還要通過數據鏈將其觀測值和站點坐標信息一起傳送給流動站。流動站在采集衛星數據的同時，還要接收來自基準站的數據鏈，并在系統內對采集和接收的兩組數據，進行實時載波相位差分的處理得出定位結果。并將這些觀測值進行差分，從而削弱和消除軌道誤差、鐘差、大氣誤差等影響，將實時定位精度大大提高。并能進行實時處理，提供厘米級定位結果。

三、GPS-RTK 與全站儀在公路測量中的應用比較

1.測量環境：全站儀測量是通過測取兩點之間的平距及方位角，從而確定點位。因此，要求兩點之間必須通視，并且視線良好。遇到視線遮擋，須采用支點等形式來傳遞點位坐標及測放中樁。在霧雨天氣時，地表蒸汽較大，直接影響測量的精度與進度。GPS—RTK同全站儀相比有很多優點：不需要相互通視；觀測作業不受天氣條件的影響；網的質量與點位的分布情況無關；能達到大地測量所需要的精度水平；白天和夜間均可作業；經濟效益顯著。

2.測量速度、效率：GPS測量效率比傳統方法有極大的提高，全站儀在測量和放樣時，是由測站指揮前點移動棱鏡到相應的位置去，需要幾次反復才能將點位定下來。測量過程中搬站、清除障礙物等工作會浪費很多時間。另外，測量時須大家配合作業，配合的熟練程度也會影響作業的速度。GPS作業對區域內的站點之間不要求通視，流動站與基準站之間的聯系是建立在無線電波基礎上，對流動站來講，儀器會引導你去相應位置，如不合適，可自由調整，無須交流，從而提高作業速度。因此，從某種意義上說，流動站越多，作業越快。

3.測量精度：全站儀測量時，由于受干擾因此較多，因此常采取一些鋪助方法，如利用支點放樣，這樣測量出的點位精度會比正常放出的點位精度低。當遇到長直線時常需要搬站，而搬站的誤差會累積到點位中誤差，從而影響整體測量精度。GPS—RTK測量時，其點位精度是實時顯示的，所測量和放樣的點位精度大致相同，不存在累積誤差，因此可以保證點位精度的均勻性。

四、GPS—RTK 測量技術在很多時候也存在局限性

1.GPS—RTK在測量過程中對環境要求嚴格：在 15o 截止高度角以上不存在障礙物；周圍沒有反射面，不致引起多路徑效應；安全避開過往行人和車輛，盡可能將接收機設置在毋須人員照看的地方；附近不應該有強輻射源（如無線電臺、電視發射天線等）；可靠的電源供應；足夠的內存容量；正確的配置參數 （觀測類型、記錄速率）；檢查天線高和偏差；儀器的正確檢測。以上這些條件只有都滿足了，才會有高精度的結果。

2.控制測量：一些帶有隱蔽性和遮擋地區卻無法使用GPS技術。如在進行公路地下工程、隧道控制測量中地面首級網可以采用GPS技術，在地下施工控制方案中卻無法采用。在森林處布設控制網，如果道路較窄而道路兩旁的樹木茂盛，GPS信號就會被遮擋而呈現斷斷續續，很難解算出符合精度要求的基線向量。建立居民區或工業區的控制網，采用GPS技術遠沒有應用全站儀方便。

3.碎部測量與放樣：采用 RTK功能GPS接收機、或在局部差分系統下的碎部測量，可直接測定碎部特征。但如果測圖區域為城建區，建筑物高大或民房密集。就會遮擋GPS信號，使得觀測值產生周跳，破壞了整周計數的連續性，需要重新確定初始化求未知數。這樣，影響觀測工作的效率和成圖精度，甚至會發生錯誤。如果在該區域施工放樣，GPS衛星信號會被經常性地遮擋，以致放樣工作斷斷續續。

4.高程測量：應用GPS定位技術不能直接測到地面點的正常高程，而只測到大地高程。如要確定地面點的正常高程，還必須要知道地面點的高程異常，這就限制了GPS技術在高程測量方面的作為。

綜上所述，GPS—RTK系統與全站儀相比，在野外測量中是各有優劣，但是將 GPS—RTK與全站儀兩種測量技術相結合，比傳統方法更具優越性，其不僅測量速度快、自動化程度較高，而且可減少人為的干預，在很大程度上避免人為誤差，使精度得到提高，完全滿足公路施工的要求，進而大大提高工作效率，節省了工程費用，創造出更好的經濟效益。因此，RTK與全站儀結合技術在公路工程的各個領域里將會有更為廣闊的發展前景 。

參考文獻：

[1]張坤宜，覃輝，金向農.交通土木工程測量[M]. 武漢：武漢大學出版社.2003.9

[2李仕東，聶讓.工程測量.人民交通出版社，2002

[3] 何憑宗.由任意一點坐標計算相應的中樁坐標的算法[J].礦山測量，2001