公路測量中GPS-RTK技術的應用研究

劉慶，陳侃侃

（中國海警局東海分局，上海，200333；2.中國航海圖書出版社，天津，300450）

0 引言

我國幅員遼闊，公路跨度大，分布廣，公路檢測迥異。隨著GPS通信技術的發展，GPS-RTK技術已被應用到公路工程測量中。RTK是一種常用的GPS測量方法，它的全稱是實時運動學，即實時動態方式，它可以完成兩個測量站的載波相位測量，將參考站采集到的載波相位采集到用戶接收機進行接收。GPS-RTK技術允許預先設置參考站，參考站識別并接收衛星信號后，可直接通過通信網絡將獲取的信息轉發給各用戶[1]。用戶可以通過聯合求解接收到的接收機信息和參考臺信息得到最終的基線向量，整個過程快速、準確便捷。隨著GPS-RTK技術的不斷完善，基于GPS-RTK技術的載波相位動態實時差分法已被應用于公路工程測量，其精度高，效果好，前景良好。

1 GPS-RTK技術在公路測量中的應用

1.1 公路控制測量

目前，我國的GPS-RTK技術主要是利用基站對被測目標位置進行觀測和定位。測量基站裝有GPS信號接收器，工作人員控制GPS監控系統，使GPS信號接收器獲得測量目標的坐標定位信號。對于多個監測目標，可以控制GPS監測系統以獲得相應順序的目標觀測點信號[2]，并通過GPS靜態觀測方式精確控制各觀測點的坐標位置和監測時間。

1.2 公路中線測量

公路中心線的測量主要是利用GPS-RTK技術的線、曲線靜態測量方法對公路中心線的位置坐標及相關信息數據進行測量。公路中線測量數據信息關系到整個公路工程的設計。根據公路施工方案，結合實際施工環境，工作人員在施工現場的關鍵點上定位采樣點，利用GPS-RTK技術對主要觀測點的位置信息和距離進行綜合測量，獲得準確的位置和測量結果。然后，根據調查結果，對公路中線重點樁點進行記錄分析，并根據情況調整工程方案。

1.3 公路斷面測量

公路中線測量完成后，利用地質調查設備和GPS-RTK技術對公路斷面進行測量，得到公路斷面或垂直斷面的相關信息和測量數據。同時，該技術還可以對測量結果進行測試，將GPS-RTK技術信號接收器接收到的測量數據與信號進行對比分析，并通過匹配度對測量結果的準確性進行判斷。之后，對收集和測量的數據按照一定的分類規則進行分類和存儲，便于后續項目其他數據信息的測量和計算。

1.4 工程模型測繪

GPS-RTK技術也可用于道路模型繪制。首先，計算機模型繪圖系統根據工程建設的基本地形確定公路基本繪圖模型。然后，根據模型中的關鍵點和等高線點，采用GPS-RTK技術，通過靜態和動態測量相結合的方法對公路實際的關鍵采樣點和等高線進行測量和定位。必要時，建立模型制圖網格，并將觀測信息和測量結果按相應比例轉換，建立網格中關鍵點對應的公路模型，繪制或調整準確的公路工程模型圖。

2 GPS-RTK技術數字測繪

2.1 測量數據采集

公路測量和數字化測繪，根據工程方案和工程實際情況，收集主要工程測量數據信息。通過長期運用觀測基站的GPS信號接收器，觀測范圍內一個或多個坐標點的空間、坐標信息和相對位置，接收天線接收衛星的定位信息。在野外觀測過程中，主要采用GPS-RTK測量儀、全站儀等測量儀器進行公路工程的野外測量，將采集到的數據傳輸到計算機系統，通過數字測圖系統對信號數據進行處理和分析。然后根據信息分析結果對公路工程圖像進行編輯和繪制。

2.2 RTK數據處理

GPS信號數據采集設備采集的信號信息存在一定的誤差，在信號傳輸過程中容易受到時差、大氣折射等諸多因素的干擾。采用偽距離法對數據信息進行校正，根據接收機與信號衛星之間的距離計算接收過程中的時差或其他信息誤差，使最終定位測量結果更加準確。偽距離法的操作過程：

式中，σ為信號傳輸的偽距離;ta為信號衛星發送信號的時間;tb是地面GPS接收器接收衛星信號所需的時間。偽距離等于信號傳播的時間差乘以光速C。

然后根據衛星時間與地面時間的誤差對傳播時間進行修正：

根據上式可得到修正后的信號傳播時間，再代入式(1)即可得到：

式中:tb-ta為經過時間誤差校正后的實際信號傳播時間，但在此過程中測量的信號仍會受到大氣電離子等因素的干擾，所以需要再次進行除雜校正操作：

式中， 為信號在大氣中傳播時電離折射引起的延遲時間。之后，可以得到信號衛星與GPS接收機之間更精確的距離：

根據上式，通過偽距離法得到實際信號傳播距離，代入觀測點(x‘，y‘，z’)的空間坐標，得到精確的定位數據，并修正距離誤差：

通過上述計算過程，獲得了誤差小、精度高的定位信息和距離測量數據。

2.3 工程模型測繪

（1）映射程序根據項目的現場測量數據繪制草圖,導入要點空間坐標信息和相對距離數據,并生成一個相對于GPS觀測基站觀察的公路工程草圖。這個過程需要測量工人和觀察者觀察、記錄和校正位置和角度等參數。生成的公路局部草圖，如圖1所示。

圖1 公路局部草圖

（2）采用編碼方法繪制公路局部草圖。計算機測繪系統根據采集的測量數據和相對位置關系對地形進行識別和編碼，并根據系統的內部語言繪制數字編碼地圖。特殊地形點要用相應的編碼語言進行表達，公路工程重點也要進行編碼和標記。公路與觀測參考對象位置關系的編碼圖像如圖2所示，公路基本形狀的編碼圖像如圖3所示。

圖2 公路與觀測參照物位置關系編碼圖像

圖3 基本的公路形態編碼圖像

（3）利用數字測圖程序通過測量偏移方法對測量目標進行測量，通過垂直偏移測量不同測量目標測點的角度、水平距離和實際特征。

（4）數字測圖系統根據現場數據和局部編碼地圖，結合實際地形的等高線信息，將二維數字信息轉化為三維空間數據，通過三維建模程序繪制公路地形數字地圖。然后，根據項目要求，對數字地圖進行優化，利用動畫制作程序，結合衛星信號信息和采集的真實場景圖像，對三維道路數字地圖進行動態投影和調整。從而更清晰、真實地反映道路工程建設的全景形象。

3 相關應用

3.1 公路概況

烏干達公路升級項目是一條104公里長的公路，環繞維多利亞湖，穿過烏干達東部的五個地區，連接烏干達和肯尼亞之間的重要邊境城鎮布蒂亞。該項目的起點是Musita，距離首都坎帕拉約200公里。Musita和Lumino距離約77公里，Busia和Majanji距離約27公里。布西亞位于烏干達和肯尼亞的國際邊界上。將現有約6m的土路改造為7m的瀝青路。道路兩側設置寬度為1.5m的路肩，路肩結構與路面相同。項目屬于熱帶氣候區。每年有兩個雨季，降水量大，氣候相對濕潤。地勢平坦，沿花崗巖分布，少量玄武巖和部分石灰石;該線廣泛覆蓋洪積層、上覆砂層、亞砂層和亞粘土層。

3.2 應用結果

采用CORS、激光雷達和GPS-RTK技術對高速公路進行了測量，并對測量精度進行了計算和比較。具體結果見表1。

表1 3種測量技術測量精度

由表1可以看出，GPS-RTK測量技術在公路建設測量過程中具有較高的測量精度和較大的優勢。這有利于提高公路施工數據信息的準確性和可靠性，提高公路工程數字化模型測繪施工的真實性。根據目標區域內觀測點位置和距離的測量數據，導入數字測圖系統，繪制區域公路數字圖像。結果如圖4所示。從圖4可以看出，基于GPS-RTK技術測量數據的測繪數字圖像更加清晰準確，整體環境觀測和測繪更加全面。傳統測量技術基于測量數據生成的局部道路數字圖像清晰度低，缺乏區域道路圖像，整體圖像模糊，圖像繪制完整性低。

圖4 3種測量技術數字圖像測繪效果圖

4 結語

本文介紹了GPS-RTK技術在公路測量中的應用現狀，分析了基于GPS-RTK技術的公路圖像數字化測圖方法，并通過工程實例證明了GPS-RTK技術具有較高的測量精度，表明其實際應用效果良好。可以為公路測量技術的相關研究提供技術參考，有利于公路建設研究的進一步發展。