CORS系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)RTK 技術(shù)在水利工程測量中的應(yīng)用

□裴 锫(山西水利水電勘測設(shè)計研究院)

0 前言

GPS-RTK技術(shù)，能夠?qū)崟r提供測站點(diǎn)的三維定位結(jié)果，由于RTK的實(shí)時性、快速性、簡便性，使它在測量領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。然而，隨著流動站與基準(zhǔn)站之間的距離逐漸增加，其誤差相關(guān)性也隨之逐漸減弱，導(dǎo)致整周模糊度難以確定，從而無法獲得固定解。同時，由于RTK技術(shù)采用無線電傳遞信號，在距離太遠(yuǎn)的情況下流動站信號變?nèi)酰疫€經(jīng)常伴隨著其他信號源的影響，特別是山區(qū)及高層建筑物的遮擋，使得RTK接收信號較差。為了彌補(bǔ)傳統(tǒng)RTK的一些不足，基于GNSS基準(zhǔn)站網(wǎng)絡(luò)的CORS新技術(shù)便出現(xiàn)了。

CORS技術(shù)，也稱網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)[1]，是在一個城市、地區(qū)或者一個國家范圍建立的由一定數(shù)量的固定的GNSS參考站組成的系統(tǒng)，對衛(wèi)星進(jìn)行全天候連續(xù)觀測。CORS中心通過網(wǎng)絡(luò)與GNSS站連接，從各個基準(zhǔn)站獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，并通過數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)平差解算，從而得到各種誤差改正信息，構(gòu)建該區(qū)域誤差改正模型，并依據(jù)用戶自身定位得到的近似位置向其發(fā)送誤差改正參數(shù)，從而使用戶獲得精確的實(shí)時定位效果。

1 CORS技術(shù)在水利工程測量中的應(yīng)用

隨著CORS技術(shù)在測繪領(lǐng)域的應(yīng)用與發(fā)展，很多省市地區(qū)相繼都建立了自己的CORS系統(tǒng)，它能夠提供包括厘米級在內(nèi)各種精度的定位服務(wù)，能夠滿足精密、實(shí)時導(dǎo)航定位的精度要求。由于CORS技術(shù)具有高精度、高可靠性、高效率等特點(diǎn)，已經(jīng)在水利工程測量各個方面獲得了廣泛的應(yīng)用。

1.1 CORS技術(shù)在控制測量中的應(yīng)用

我國大部分水利工程所處位置都比較偏遠(yuǎn)，地形復(fù)雜，控制點(diǎn)布設(shè)困難，傳統(tǒng)的測量方法如三角測量、導(dǎo)線測量，受到點(diǎn)與點(diǎn)之間通視的條件限制，有時要多次遷站進(jìn)行觀測，作業(yè)量比較大，會耗費(fèi)大量時間和精力，成本較高，而且誤差在數(shù)據(jù)傳遞的過程中會積累，外業(yè)中無法確定測量數(shù)據(jù)的精度，最終結(jié)果精度也不高。采用CORS技術(shù)，布設(shè)控制點(diǎn)極為方便，控制測量能夠達(dá)到厘米級精度，各點(diǎn)之間不要求通視，同時避免因控制測量分級布設(shè)、層層控制帶來的點(diǎn)位誤差累積和誤差分布不均勻的情況，這樣既能實(shí)現(xiàn)實(shí)時定位，又可當(dāng)場確定定位精度，在滿足工程控制測量精度的條件下大大地提高了作業(yè)效率。目前，對于一些精度要求高的控制測量還需選擇GPS靜態(tài)定位之外，利用CORS技術(shù)可進(jìn)行一般精度要求的控制測量。

對于高程方面的控制測量，由于我國高程系統(tǒng)采用的是似大地水準(zhǔn)面為基準(zhǔn)的正常高高程系統(tǒng)，而CORS直接測得的是地面點(diǎn)在WGS-84坐標(biāo)系中的大地高，這兩者之間存在著一個轉(zhuǎn)換關(guān)系。因此，在實(shí)際測量中對于地形比較平坦、光滑等地形條件良好的地區(qū)，如果高程方向精度要求不太苛刻時，可采用網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)精確測得點(diǎn)位的大地高，同時用等級水準(zhǔn)方法測量該點(diǎn)的正常高，即可得到該點(diǎn)的高程異常，利用若干組這樣的數(shù)據(jù)建立測區(qū)內(nèi)的高程異常改正模型。這樣利用CORS獲得區(qū)域內(nèi)某一點(diǎn)的大地高，從高程異常改正模型通過插值計算獲得該點(diǎn)的高程異常，從而可求得該點(diǎn)的正常高，實(shí)現(xiàn)區(qū)域內(nèi)的高程控制。

1.2 CORS技術(shù)在帶狀圖地形測量中的應(yīng)用

在一般的水利工程中，河道帶狀圖的測量是一項常規(guī)的工作。采用CORS技術(shù)進(jìn)行測量，相比于傳統(tǒng)方法，可以不布設(shè)控制點(diǎn)，用移動站可直接對地形特征點(diǎn)進(jìn)行高精度測量。對河道的地形測量有別于山區(qū)，既要進(jìn)行水下地形測量，又要進(jìn)行岸邊區(qū)域的陸地上地形測量。水下測量部分可聯(lián)合使用網(wǎng)絡(luò)RTK、測深儀等工具測量水下地形，采集地形數(shù)據(jù)。陸上部分可采用CORS直接進(jìn)行三維點(diǎn)數(shù)據(jù)采集。在野外觀測時，測量人員只需要將RTK在待測量點(diǎn)上觀測幾秒鐘，并且在操作手簿上輸入地形地物點(diǎn)編碼，就可得到點(diǎn)位坐標(biāo)，同時需要現(xiàn)場繪制草圖，待完成一個區(qū)域內(nèi)的地物點(diǎn)數(shù)據(jù)采集后繪制地形圖。在繪圖軟件里導(dǎo)入所采集的數(shù)據(jù)，按照實(shí)際需要建立模型，如可以根據(jù)點(diǎn)位高程信息生成DEM，繪制等高線。對于河道地形圖而言，還需要測量一些水利要素和參數(shù)，并在地形圖上標(biāo)注出來。例如，對于跨河橋梁，還需要測量橋長、梁底高程、橋面等。

1.3 CORS技術(shù)在施工測量中的應(yīng)用

在水利工程施工中，經(jīng)常要根據(jù)工程的設(shè)計和精度要求在施工區(qū)域內(nèi)找出各設(shè)計點(diǎn)的實(shí)際位置。目前施工中采用全站儀進(jìn)行放樣較為常見，在確定樁位時需要放樣定點(diǎn)，在樁基礎(chǔ)施工前也需要復(fù)核護(hù)筒的位置，甚至在施工中樁機(jī)打樁時為防止打樁偏離預(yù)定位置需隨時進(jìn)行檢核，這樣每個樁位需進(jìn)行多次放樣，導(dǎo)致放樣的工作量很大，有時為了工期的需要，夜間也需要放樣，這對于全站儀來說十分困難。網(wǎng)絡(luò)RTK可用于工程施工放樣[4][5]。在放樣前根據(jù)控制點(diǎn)WGS-84坐標(biāo)和施工坐標(biāo)系中坐標(biāo)計算坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)，并將其應(yīng)用到RTK中。同時把之前設(shè)計好的待放樣樁位點(diǎn)的坐標(biāo)輸入到電子手簿中，選擇點(diǎn)位放樣選項，待獲得固定解后，便可根據(jù)手簿屏幕中提示進(jìn)行導(dǎo)航放樣，屏幕上會顯示接收機(jī)所在位置相對于待放樣位置的距離和方位偏差，按照箭頭指示來回移動接收機(jī)直到達(dá)到所需的放樣精度。相比全站儀，采用網(wǎng)絡(luò)RTK進(jìn)行放樣比較方便快速，效率和精度較高，而且不受夜間的限制。另外，在一些水利工程施工如渠道的線路設(shè)計與放樣中，可能會遇到交叉性的建筑物，采用全站儀放樣操作比較復(fù)雜，采用CORS可以進(jìn)行直線和曲線的放樣，這樣就可以輕松地放樣出交叉點(diǎn)。

1.4 CORS技術(shù)在斷面測量中的應(yīng)用

很多水利工程都要進(jìn)行縱橫斷面圖測量來計算土石方量，進(jìn)而為工程預(yù)算作參考。對河道的斷面測量，首先需要在已有地形圖上設(shè)計斷面位置，然后確定基點(diǎn)的平面坐標(biāo)及高程，之后進(jìn)行內(nèi)業(yè)處理完成斷面的航線設(shè)計。運(yùn)用CORS技術(shù)進(jìn)行縱橫斷面測量，在手簿中輸入設(shè)計線形之后，RTK可實(shí)時提供河道縱向和橫向的方位，河道樁號及到中線的距離，便于斷面高程點(diǎn)的施測。在測量作業(yè)結(jié)束后，還需要對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行檢驗，如果測量數(shù)據(jù)無法滿足精度要求，則需要查找測量出現(xiàn)錯誤的原因并及時更正和重測。將所有數(shù)據(jù)檢驗校正完畢后，再通過專業(yè)處理軟件繪出各航段斷面圖。采用CORS技術(shù)進(jìn)行縱橫斷面測量，實(shí)時測量精度能夠達(dá)到cm級，容易滿足其精度方面的需要。

2 實(shí)例驗證

為了驗證CORS測量的精度，本文選定某水利工程區(qū)域中部分控制點(diǎn)為已知數(shù)據(jù)，采用CORS對控制點(diǎn)進(jìn)行測量檢驗。以測區(qū)范圍內(nèi)5個E級GPS控制點(diǎn)為已知起算點(diǎn)(起算點(diǎn)必須分布均勻，覆蓋需要進(jìn)行作業(yè)的測區(qū))，進(jìn)行點(diǎn)校正求取坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)。在每次測量前，都要用已知控制點(diǎn)進(jìn)行測量以檢驗參數(shù)，滿足要求之后方可開始測量。選擇5個控制點(diǎn)進(jìn)行點(diǎn)校正，得到各點(diǎn)的水平殘差和高程殘差。結(jié)果如表1所示。參數(shù)轉(zhuǎn)換之后，采用CORS測量已知控制點(diǎn)進(jìn)行精度檢驗，取得固定解之后即為完成該點(diǎn)的測量。各已知控制點(diǎn)檢驗結(jié)果見表2。

表1 點(diǎn)校正殘差結(jié)果表

表2 控制點(diǎn)檢核結(jié)果表

從表1和表2中可知，點(diǎn)校正水平方向最大殘差2.30 cm，高程方向最大殘差2.10 cm；控制點(diǎn)檢驗水平方向最大互差2.80 cm，最小互差1.10 cm；高程方向最大互差2.30 cm，最小互差0.80 cm。通過以上精度分析可以看出，CORS測量水平方向和高程方向精度一般保持在3 cm以內(nèi)，完全能夠達(dá)到所需的精度要求。

3 結(jié)語

基于CORS系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)能夠快速實(shí)時地進(jìn)行測量定位，滿足各種測量精度的要求，在水利工程測量各個方面具有極大的應(yīng)用價值。相對于傳統(tǒng)RTK，CORS具有很大優(yōu)勢：作業(yè)半徑大大提高，單機(jī)作業(yè)不需架設(shè)基準(zhǔn)站，操作簡便、測量精度高、作業(yè)效率高等。在實(shí)際作業(yè)中，CORS也存在一些局限性：在有信號遮擋的地方，取得固定解的時間延長，鎖定比較困難；CORS信號受手機(jī)通信運(yùn)營商信號影響等。因此，對于在CORS網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍內(nèi)且信號較好的測區(qū)，可采用CORS進(jìn)行測量工作。隨著CORS技術(shù)的不斷發(fā)展與完善，其必將更為廣泛地應(yīng)用于水利工程測量領(lǐng)域中。