GNSS-RTK技術在道路斷面測量中的應用

劉 鑫，朱 福，舒 航，孟令聰，于成江，尚樺雨

(吉林建筑大學 交通科學與工程學院 長春市 130118)

道路縱橫斷面測量是以繪制縱、橫斷面圖為最終目的，按照相關技術要求在實地采集地貌特征點三維坐標的測量過程[1-2]。道路縱斷面測量又稱線路水準測量，其主要任務是測定中樁的地面高程，繪制道路縱斷面圖，用于線路縱坡設計，傳統方法是采用水準儀先基平測量，后中平測量。道路橫斷面測量是測定各中樁兩側垂直于中線方向的地面高程，傳統方法是用皮尺和水準儀相結合方法測出各地形特征點相對于中樁的平距和高差，繪制道路橫斷面圖，用于路基設計與土石方量計算[3-4]。

隨著測繪技術的飛速發展，尤其是GNSS的廣泛應用，改進了傳統的測量方式，外業測繪工作的勞動強度大大降低，工作效率大大提高，工作方式及工作環境顯著改善[1-4]。GNSS-RTK技術可為厘米級精度需求的工程提供快速的測量和放樣服務。因此，有必要就GNSS-RTK的工作原理、系統組成及用于道路縱橫斷面測量的可行性開展深入的研究。

1 GNSS-RTK工作原理與系統組成

GNSS是個綜合性概念，泛指美國的GPS、俄羅斯的GLONASS、歐盟的Galileo及中國的BDS[5]。GNSS-RTK是一種實時動態測量技術，可分為常規RTK(Standard RTK)和網絡RTK(Network RTK)兩種類型。RTK的工作原理為載波相位差分原理。

1.1 常規RTK

常規RTK的基本工作思想是在基準站上安置一臺GNSS接收機，對衛星進行連續觀測，并通過無線傳輸設備(內置電臺或外置電臺)實時地將觀測數據及基準站坐標信息傳送給流動站；流動站一方面通過接收機接收GNSS衛星信號，同時還通過無線電接收設備接收基準站傳送的觀測數據，然后根據相對定位原理，實時地處理數據，并實時地以厘米級的精度給出流動站的三維坐標。常規RTK系統組成包括：GNSS接收設備，基準站與移動站間的數據傳輸系統，實時動態測量軟件系統。

1.2 網絡RTK

網絡RTK是基于連續運行參考站(CORS)的網絡實時動態定位系統的簡稱。其基本工作思想是在某一區域構成網狀覆蓋的多個GNSS參考站，利用載波相位觀測值，以這些參考站中的一個或多個為基準計算和播發GNSS改正信息，對該區域內的用戶進行實時改正定位。網絡RTK系統組成包括：連續運行參考站網絡系統(CORS)，數據處理中心，用戶。

1.3 常規RTK與網絡RTK的區別

(1)常規RTK的作業前提是基線兩端大氣傳播誤差強相關，因此流動站相對于基準站的距離一般應小于15 km；

(2)常規RTK要求實時或準實時解算，因而多余觀測數大大減少，解算的整周未知數質量較低；

(3)常規RTK的數據傳輸方式與定位解算模式很難實現數據和解算結果的實時質量控制。

網絡RTK較好地解決了上述問題，保證了流動站的定位精度，拓寬了RTK的應用范圍。

2 道路縱橫斷面數據采集方法

本研究以上海華測導航技術有限公司生產的T8型GNSS接收機與多平臺LandStar7.0測量軟件為例，說明利用RTK技術對道路縱橫斷面測量的具體方法。

2.1 T8型GNSS接收機與LandStar7.0軟件簡介

T8型GNSS接收機的常規RTK精度為：平面±(8+1×10-6×D)mm，高程±(15+ 1×10-6×D)mm；網絡RTK精度為：平面±(8 + 0.5×10-6×D)mm，高程±(15+ 0.5×10-6×D)mm。其突出特性包括220通道北斗全星座，支持30°以內傾斜測量功能，4G網絡高速傳輸功能，具有云端智能升級功能等。

LandStar7.0測量軟件結合了實際工程經驗和GNSS作業優勢，集點測量、地物測量、點放樣、線放樣、點校正、面積周長、角度轉換、三參數和七參數的計算等功能于一身，能夠較好地滿足測量行業的各種工程需求。

2.2 道路縱橫斷面測量前的準備工作

(1)收集測區資料；

(2)基準站設置；

(3)流動站設置；

(4)點校正。

2.3 道路縱橫斷面測量實施步驟

(1)道路中樁放樣與縱斷面測量

LandStar7.0測量軟件中道路放樣模塊提供了元素法與交點法兩種平面曲線計算方法。

元素法首先在編輯界面選擇元素類型，輸入曲線要素。直線需輸入方位角和長度；圓曲線需輸入半徑和長度，選擇是左偏或右偏；出/入緩和曲線需輸入起始半徑、終止半徑、長度，當起始半徑、終止半徑留空或為0時對應的半徑為無窮大。輸入完畢，點擊OK，將該曲線添加到曲線列表中。全部曲線輸入完畢，點擊確認，使輸入的參數生效，程序進行整條道路曲線的計算。

交點法首先在編輯界面輸入起點坐標和樁號，點擊OK，在列表中添加相應行，然后再次點擊追加，輸入第一個交點的坐標和對應的曲線組合類型及要素。在類型下拉列表中選擇曲線的組合類型(圓弧、緩/緩、緩/圓/緩、點)。根據所選的曲線組合類型，分別填入所需的數據(半徑、圓曲線長、入緩和曲線長、出緩和曲線長)。輸入完畢后，點擊確認，使所輸入的數據生效。采用相同的方法依次添加各交點及對應數據要素。最后點擊追加，輸入終點坐標。全部輸入完畢點擊確認，使輸入參數生效，程序進行整條道路曲線的計算。

點擊【測量】→【道路放樣】，進入道路放樣界面，打開已有道路文件，準備放樣。在放樣選項里，使用里程作為點名，設置放樣限差，當不滿足限差測量時，軟件將彈出警告提示“距離超出限制，是否繼續測量”。在測量選項里，可選擇的放樣指示方法有顯示北、東類型；顯示橫偏縱偏；根據當前位置實時顯示里程；顯示設置里程的坐標。輸入中樁里程，根據提示放樣，并進行三維坐標測量，即縱斷面測量。

(2)道路橫斷面測量

在【道路放樣】界面，測量選項里勾選橫斷面，即進入橫斷面測量模式，在道路視圖中出現一條與道路曲線垂直的紅色線條表示橫斷面。橫斷面采集時，一般是縱偏接近于0，表示當前位置在橫斷面上；橫偏不為0，表示測量位置與中樁的距離。橫偏為負值，表示當前位置在道路左邊；橫偏為正值，表示當前位置在道路的右邊。點位選好后，點擊測量即可獲取三維坐標數據，以此類推，完成道路橫斷面測量。

2.4 道路縱橫斷面測量數據導出

進入LandStar7.0測量軟件中的【道路管理】界面，單擊導出，可選擇導出常用的緯地、海地格式的橫斷面、縱斷面數據，并且可以導出中樁坐標的詳細測量成果。

3 實例分析

依托學校公路勘測實習基地，進行了道路控制網布設與道路線型設計。開展了道路逐樁坐標計算與中樁坐標放樣，采用T8型GNSS與博飛自動安平水準儀，分別就設計道路縱橫斷面進行了測量，部分點位的RTK高程與水準高程測量結果，見表1。

表1 RTK測量高程與水準測量高程的比較

由表1可知，RTK高程與水準高程最大差值不超過4 cm。GNSS-RTK高程能滿足道路縱橫斷面設計的精度要求。

為了體現RTK技術一次性測量過程的優勢，將RTK技術一次性測量與水準測量方法進行了比較，結果見表2。

表2 RTK技術與傳統測量方法比較

實踐證明，由于水準測量高程受本身條件束縛，速度較慢，且易受外界條件影響。使用RTK測高程，具有極大的靈活性，且RTK測的每個高程點是相互獨立的，其高程精度基本一致。

4 主要結論

在闡述了GNSS-RTK工作原理與道路縱橫斷面測量方法基礎上，進行RTK高程與水準高程實測數據的對比分析，并就兩者的作業模式、工作效率等方面做了詳細比較，取得如下主要結論。

(1)網絡RTK保證了流動站的定位精度，拓寬RTK的應用范圍。

(2)GNSS-RTK高程能滿足道路縱橫斷面設計的精度要求。

(3)GNSS-RTK技術具有一次完成道路中樁放樣與縱橫斷面測量的優勢。