工程测量应用GPS-RTK技术的分析王燕清

工程测量应用GPS-RTK技术的分析王燕清

王燕清

王燕清

中国水利水电第四工程局有限公司勘察设计研究院青海省西宁市810007

摘要：GPS-RTK技术也就是实时动态技术（RealTimeKinematic），在进行工程测量的过程中应用这项技术能够解决工作量大、测量效率低、数据不精确等问题。GPS-RTK技术能够有效的提升工程测量的自动化和智能化，能够将现场实时的数据记录下来，通过分析和整理保证工程测量的精确度。在这个技术应用以后，解决了很多工程测量中存在的问题，将一种新的、高效的测量模式融入其中，推动工程测量的发展。本文对工程测量应用GPS-RTK技术进行分析。

关键词：GPS-RTK技术；工程测量；质量控制；精确度

一、GPS技术概述

1、GPS技术与工程测量

GPS即全球定位系统，具备卫星导航与定位功能，可以实现海陆空全方位地三维导航与定位。GPS系统由3部分构成，包括空间星座、用户设备、地面控制设备。GPS技术用于测量可以快速、准确、高效地获取点线面三维坐标和地理信息，有着高精度、全天候、自动化的特点，可以应用到军事、导航、野外考察、摄影测量、土地测量等不同领域。工程测量泛指工程建设中涉及到的测绘工作，包括工程的设计阶段、施工阶段、管理和竣工阶段等，都需要进行工程的测量。根据不同的测量对象，工程测量可以分为建筑工程测量、交通基础设施测量、水力工程测量、矿区测量、军事工程测量、市政工程测量以及海洋工程测量等。工程测量是工程建设的重点内容，工程测量数据，可以用于工程设计，衡量工程是否达标，是否存在安全隐患等，因此，工程测量数据必须做到精准，而且最好可以实现全天候的实时监控，GPS技术用于工程测量，可以实现这一要求。

2、GPS的组成

使用GPS技术，需要了解GPS的构成，通常情况下，GPS系统包括3部分：空间星座、地面监控、GPS信号接收设备。空间星座方面，GPS由24颗卫星组成（21颗工作卫星，3颗备用卫星），每4颗划分为一组，放置到6条60度轨道的平面上，实现了任何时间段，都有4颗以上的卫星为GPS系统提供数据。空间部分主要在于目标观测，收集目标观测数据，将其转换为载波信号和码信号，传输给地面监控以及用户设备，实现观测目标的定位。地面监控部分，主要包括监测站、地面天线、主控制站。主控制站在于收集天线接收的信息，将信息通过计算和调整，进而控制空间卫星的运行。GPS信号接收设备，也就是所谓的用户端，主要起到查找和捕捉卫星信号，跟踪卫星传达的信号，进行转换和处理，计算接收机所处的经纬度和高度数据。

二、在工程测量中应用GPS-RTK技术的优势

1、测量时间短

自从进入21世纪以来，我国卫星技术快速发展，为GPS技术的发展奠定了坚实基础，而基于GPS的RTK技术测量，大大缩短的测量时间。研究表明，在工程测量中应用静态定位模式，最长的测量时间不会超过20min，而基于动态化的测量模式往往只需要几秒就可以得出测量结果。

2、抗干扰能力强

在地质条件相对复杂时，使用传统的测绘方式不仅测绘效率低下，还会严重影响测绘结果的准确性，从而影响测绘工作的作用。通过使用GPS-RTK技术可以利用卫星接收器完成测绘工作，有效消除了环境对测绘工作的影响，可以随时随地按照工程需要完成测绘工作。

3、测量精度比较高

测量精度比较高是GPSRTK技术被广泛应用在工程测量中的主要优势，应用实例表明，GPSRTK技术测量的精度明显大于传统测量设计，比如：对于基线在20～50km的工程测量，定位精度可以精确到1×10-6，当测量工程的基线范围大于超过1000km时，定位精度可以精确到1×10-8。

4、工作效率好

通过卫星系统的监测功能，可以对多个位置进行同时测量，一次性完成多种数据的收集，并及时将数据情况传递给计算机相应的模块进行数据的科学分析，大大提高了测绘效率。传统测绘方式，主要是通过人工监测方式完成各个监测点的逐一测量。人工监测还要根据测试结果进行一定的调试、估算工作，严重影响采集数据的准确性，同时工作效率较低。

三、影响GPS-RTK测量精度的主要因素

1、基准站选取

基准站的选取是GPS-RTK测量作业得以达成的关键，合理的站点选择不仅能提升测量精确度还能大幅提升作业效率，减少作业耗时。具体来说，基准站的安置应满足下述几点：

（1）基准站应尽量安放在地势较高、通视效果良好且电台有效覆盖的区域，最好是整个测区的中央区域；基准站应设立在精确坐标已知或条件较好的未知点；c）避免多路径效应的影响和数据链的丢失；基准站电台天线的布设应位于GPS接收主机北侧并避开南北极周边卫星影响的区域内。

2、参数转换

GPS-RTK技术应用中所用测点均为WGS-84坐标系统中的坐标点，而实际工程测量中所使用的坐标系统多为1954北京坐標系。而这2个坐标系受各自椭球体定位参数的差异性，使得其各点坐标值有着显著差异，个别工程的误差值甚至能超过100m。基于这一原因，在应用GPS-RTK技术时应先对整个工程的基准转换参数进行精准测定，一旦存在误差必将对整个测量作业的开展造成影响。

3、观测时间的选取

GPS-RTK技术测量结果的实现必须依靠卫星所播发的信息来获得三维坐标，卫星讯号的传输过程往往不可避免地存在一定的必然误差是使用者无法消除的。因此，在实际过程中测量工作者应开展有效的卫星星历预报，从而选择最为有效的观测时段，进而最大化确保GPS接收装置所获得的TOD（年月日时分秒）值不超过6，为确保测量精准度，缩小测量误差提供有效保障。

四、GPS技术在工程测量中的应用

1、大型工程测量的应用

一般情况下，工程测量不仅测量数据较多，而且测量的难度较大，会花费许多的时间和经费。尤其是一些大型的工程，比如，铁路工程、水坝工程等，为了对工程有着全局把控，需要对工程进行全面的工程测量。采用传统的测量方法进行大型工程测量，非常吃力。GPS技术的使用，则可以较为便捷地实现工程数据的测量。利用GPS技术可以实现工程三维数据的测量，尤其是工程的勘探和设计阶段，保证工程数据的全面性和准确性，有助于工程设计更加地科学合理。

2、测设方格网

利用GPS技术进行方格网的测设时，可以表现出GPS技术的适应性和灵活性。由于GPS技术在工程测量时，不需要各基站之间建立通信，这样测量时的选点工作就变得十分简单。由于省去建立视标的环节，可以节约测量的经济成本。GPS技术在进行工程测量时，对于点位选择有着一定要求：要求方便到达、实现开阔、周围没有障碍物和金属物等，以免出现干扰电磁波的情况。通常情况下，高压线网、大面积的水域、大量金属等这些物品都会对电磁波产生干扰，为了保证数据的准确性，应该在选点时，避开这些位置。

3、RTK技术在大型工程测量中的应用

GPS技术运用到工程测量中，使用最为频繁的技术要属RTK技术，RTK是一种实时动态差分法，是一种新型的GPS测量方法，在传统的GPS测量方法中，静态测量、快速静态测量及动态测量都需要在测量后进行解算，才能最终得到厘米级的测量精度，RTK技术是GPS技术发展的重大突破，RTK技术的应用可以实现实时地获得厘米级精度的测量数据，其采用载波相位动态实时查分方法，在野外测量时，可以在不到一秒的时间内，获得厘米级的测量数据，对于大型工程的地形勘测以及工程放样都有着重要意义。

4、RTK技术在施工放样中的应用

在施工放样中，采用传统的经纬仪、全站仪进行交会放样和边角放样，首先要进行点位的设计，在实地将点位标识出来，然后需要2～3人共同操作完成，操作过程中，来回移动目标，才能完成放样。这种操作方式，不仅耗费人力，而且耗费较多时间。将GPS技术中的RTK技术用于施工放样，不再需要2～3人共同操作，一个人即可完成操作，只需在终端设备中，输入放样点的坐标，按照终端的要求，移动到放样点就可以完成操作，这种施工放样方式，不用点位之间建立通信，坐标直接放样的方式，放样均度得到极大提升。如在某输油管道项目建设中，就使用到的RTK技术。由于该项目施工区域，地形较为复杂，使用无线电进行数据采集、传输的方式，会受到地形的影响，导致信号不良。使用GIS技术进行测量数据的采集，通过GPS实现工程测量数据的高精度采集，实现工程进度的实时监控，实现对工程设计和工程放样的有效控制，让施工人员可以精确地掌握到工程数据的变化，保证工程项目的施工效率和质量。

5、RTK技术在矿山测量和水力工程测量中的应用

在矿山测量过程中，由于矿山地形环境复杂，利用RTK技术主要用于矿山的地形测量、矿区控制点加密、钻孔、探井、探槽、剖面点、坑口、近井点、地质点、取样钻孔、坑口位置点等内容的坐标放样和测量工作，实现对整个矿山工程的调度。受到土地资源的影响，在我国的一些沿海城市，积极开展围垦建设，通常情况下，围垦工程距离海岸的距离较远，施工会受到潮汐的影响，而且部分项目需要在水上完成，操作难度较大。传统的测量方式，难以实现围垦工程的测量工作，使用GPS技术，则可以很好地实现工程数据的测量。

6、定点测量

交通出行、城市规划、矿产勘测、环境检测以及气象更新都需要GPS技术的支持，也推动了地理信息体系的稳定发展。GPS与地理信息系统的结合可以减少测量过程中的外部干扰，使数据更为准确。在基准站工作时，由于其对精确度的要求较高，可以将测量的数据信息连续发布到系统中，用户可以及时掌握到位置信息。GPS技术还能使用图解将测量数据传递给使用者，使其更明确地点的信息。

7、日常应用

现阶段，GPS技术已经被广泛用于人们的工作和生活中，最为常见的应用即是导航仪，以往的交通出行需要靠地标来辨识位置，很容易出现失误，在GPS定位系统的支持下，当用户有需求时可以随时查看定位，导航系统就会将所在地的位置信息直接传递到用户的电子设备上，具有数据传输的时效性和准确性。用户想要从出发点到达目的地时也可以获取导航的定位服务，系统能直接将最近的路线提供给用户，为其出行带来了便利。司机在陌生城市驾驶时也需要GPS定位系统的辅助，但是考虑到安全行驶，手机软件提供了语言播报功能，根据实时定位数据对车辆行驶的路线进行跟踪，以简单易懂的语言让司机明确行驶路线，若与导航位置偏离还能按照定位数据重新规划路线，提高了出行的安全和便利。除此之外，GPS定位技术还能够帮助公安部门侦破偷盗案件，确保人民的财产安全。比如智能手机小巧易携带且市场需求量大，成了不法分子的重点盗取对象，用户可以在手机上设置防盗定位功能，一旦被盗取可以通过其他设备及时找到手机的所在位置，为警察提供了办案依据，有效抑制了盗取手机这种恶性行为的发生。

8、数字测绘系统的应用

在地理信息系统中，GPS技术的应用还可以体现在数字测绘功能上。将计算机数据处理系统作为数字测绘功能的核心，以GPS技术、全站仪设备进行地理信息数据的采集与传输，并且将相关的输入与输出设备相互连接，在信息技术与软硬件设备的技术支撑下，实现地理信息数据的高效采集，并通过GIS技术进行数据处理与空间分析。以GPS等技术与设备在野外环境下的应用，探讨地理信息系统中数字测绘系统的应用方法。

8.1地理数据收集

在野外环境下，采用地形测绘仪进行地理信息数据的收集，考虑到野外环境恶劣、地形地势变化较大，因此选用全站仪为主要信息采集设备。将扫描仪、数字化仪等图形数字化转化装置实现地理图像信息的数字化转换，便于信息的收集、传输与存储。以某水库的控制测绘工作为例，在进行工程测绘工作时，利用GPS设备进行地理信息测绘工作中，并选择预报星历，设定基线，对待测区域进行定位，选用水准点利用联合平差技术测量高程。

所选用的数字测绘系统，对待测目标进行地理信息测绘，具体的坐标可以选用北京54坐标系、西安80坐标系或者大地84坐标系，并且选用国家85高程基准作为高程坐标。选择投影设备、确定子午线，并合理确定测算控制点，可以选择国家标准C级点作为起始点，从水库上坝与下坝部分分别确定4个控制点，将库区间隔距离设置在3公里之内。按照闭合网的形状在河道方向的水以内确定28个平面控制点，确保控制网能够覆盖河道的全部区域。以静态定位的方式对该水库进行测绘工作，将测绘工作的时间控制在1小时左右，并合理确定测绘等级。根据水库建筑的实际情况，合理确定测绘范围，将GPS的控制点作为测绘的基础与依据，构建高程控制的闭合网络，进行外业测量工作时，可以采用自动化程度较高的全站仪或者水准仪，以实现数据信息的实时收集与存储。在完成阶段性的测绘工作后，实现测绘数据信息的上传存储，对信息数据加以整合，并形成标准化的测绘图像。

8.2数据转换处理

在对数据进行转换处理时，应当首先对地理信息系统的录入数据进行编辑，经过拓扑建模之后，以叠加分析的方式，分析所获取的测量图形与地理信息系统图层的相关区域。地理信息系统通过对数据与图像属性的识别，确定数据的空间关系，对复杂的空间实体加以关联，构建相应的数学模型并加以分析。在运用GPS技术进行控制测绘工作中，线与交点相互分离的情况有可能影响到测绘工作的精确性，需要有针对性地对这种情况加以处理，重新构建测绘所获得的信息数据并对其加以转换，以确保不同形式与属性数据的相互兼容。考虑到测绘工作开展的目的不同，在测绘过程中所偏重的方向也不相同，因此在实际分析测绘数据之前，还需要对其投影与坐标的相互转化进行数据整合与处理工作。

五、GPS技术与传统测量方式的结合

GPS技术用于工程测量有着明显的优势，但也有着一定的局限性。在工程测量过程中，部分区域会影响GPS卫星信号的接受，这时GPS技术则无法应用于工程测量工作。针对这些区域，需要采取图解法、解析法等方式，采用全站仪、经纬仪、测距仪等仪器进行工程的细部测量，用于弥补GPS技术无法应用的不足。应用GPS技术的关键，在于卫星与GPS接收器之间的信号传输，信号的传输是通过电磁波的传播实现的，如果电磁波的传输存在不均匀的介质，就会影响到最终的计算结果，导致GPS测量数据的不精准。除此之外，如果存在遮蔽物，影响和干扰电磁波，同样会影响最终的测量精度。因此，工程测量应该根据实际情况进行，采取GPS技术测量与传统测量方法相结合的方式，互相弥补各自的不足之处，保证测量结果的准确性。

结束语

综上所述，相较于传统的工程测量方法，GPS技术用于工程测量有着明显的优势。如测量简单便捷，测量效率高；测量数据准确性高，测量时间段，测量成本低等。由于工程项目涉及测量数据广泛，采用GPS测量技术，可以实现工程测量数据的快速精准地测量，弥补传统测量方式耗时耗力的不足。尤其是RTK技术的使用，可以解决传统测量方式的诸多不足，但同样的GPS测量技术也存在自身的局限性，一旦存在电磁信号干扰的情况，则会影响到GPS技术的应用以及最终测量结果的精准性。因此，工程测量应该根据实际情况，采取GPS测量方式与传统测量方式结合的方式，使其互相弥补各自的不足，保证工程测量结果的准确性。

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