摘要:隨著測(cè)量高新技術(shù)的不斷發(fā)展,進(jìn)一步提高本單位技術(shù)裝備力量,以利于市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)條件下競(jìng)爭(zhēng),本文淺析了RTK技術(shù)在道路初測(cè)、定測(cè)中的應(yīng)用。
關(guān)鍵詞:RTK技術(shù) 初、定測(cè) 應(yīng)用
RTK是GPS應(yīng)用中的最新技術(shù),它是實(shí)時(shí)載波相位測(cè)量的簡(jiǎn)稱(chēng),RTK技術(shù)要求有一參考站,參考站放在坐標(biāo)與高程已知的點(diǎn)位上,它包括GPS接收機(jī)及數(shù)據(jù)鏈發(fā)射電臺(tái),參考站不斷接收衛(wèi)星信號(hào)并把信號(hào)通過(guò)電臺(tái)傳輸給它周?chē)挠脩?hù),即移動(dòng)站,一個(gè)參考站可服務(wù)于多個(gè)移動(dòng)站,移動(dòng)站由GPS接收機(jī)、數(shù)據(jù)接收電臺(tái)、手持計(jì)算機(jī)(它與一般的便攜式計(jì)算機(jī)不同,必要的應(yīng)用程序固化在計(jì)算機(jī)中)等組成,電臺(tái)負(fù)責(zé)接收由參考站發(fā)出的信號(hào),該信息與移動(dòng)站接收到的衛(wèi)星信息進(jìn)行相位差分解算,即可獲得移動(dòng)站的準(zhǔn)確坐標(biāo)并顯示在手持計(jì)算機(jī)的屏幕上。RTK技術(shù)在近幾年逐步走向成熟并不斷有新的產(chǎn)品問(wèn)世,如法國(guó)的SESSEL公司、美國(guó)TRIMMBL公司都推出了自己的產(chǎn)品。利用RTK技術(shù)進(jìn)行測(cè)量有如下優(yōu)點(diǎn):A、具有GPS測(cè)量所共有的特點(diǎn),如全球適用,不受氣候、時(shí)間影響,不需通視。B、可實(shí)時(shí)獲得具有厘米級(jí)精度的點(diǎn)位坐標(biāo),以往都是通過(guò)后處理來(lái)獲得厘米級(jí)的點(diǎn)位坐標(biāo),實(shí)時(shí)處理大大提高了作業(yè)的效率,并且保證了數(shù)據(jù)的質(zhì)量,同時(shí)擴(kuò)大了GPS應(yīng)用的領(lǐng)域,比如施工放樣等。C、可在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中連續(xù)高精度采樣,由于RTK技術(shù)的上述原因,因此如能將RTK技術(shù)應(yīng)用于線路初、定測(cè)中將取得很好的效果。
RTK技術(shù)只能把測(cè)得的坐標(biāo)顯示在屏幕上,而不能如常規(guī)儀器(經(jīng)緯儀、鋼尺等)那樣,可以標(biāo)定方向、量距離,雖然可以把一些整樁、加樁預(yù)先算出其坐標(biāo),然后按坐標(biāo)那樣去放樣,但中線測(cè)量和單純的放樣是不同的,因?yàn)樵谥芯測(cè)量過(guò)程中會(huì)遇到很多地形、地物等加樁,需根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)確定出位于中線上的特征點(diǎn)并定出其里程,要解決這個(gè)問(wèn)題可根據(jù)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)把線路顯示在手持計(jì)算機(jī)上,在屏幕上注明整樁及曲線主點(diǎn)的樁位,對(duì)于臨時(shí)地形、地物加樁由于整個(gè)線路中線已顯示在屏幕上,通過(guò)與接受機(jī)的點(diǎn)位坐標(biāo)的比較便可找到位于中線上的地形或地物加樁,其里程可按一定的算法算出。因此首先需要根據(jù)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)連續(xù)計(jì)算線路上各點(diǎn)在線路坐標(biāo)系中的坐標(biāo),其次,GPS測(cè)量的結(jié)果是屬于WGS-84坐標(biāo)系的,要進(jìn)行放樣就需要把該結(jié)果轉(zhuǎn)化到線路坐標(biāo)系才能實(shí)時(shí)進(jìn)行比較,另外,對(duì)于中線測(cè)量獲得的結(jié)果需要進(jìn)一步進(jìn)行處理以獲得樁的高程。
匝道是組成高等級(jí)公路禮教的基本單元,其形式千變?nèi)f化,就線性而言,也是由直線段、回旋曲線段、圓曲線段組成。但是,組成立交的匝道涉及多個(gè)基本曲線,設(shè)計(jì)半徑也較小,這就為坐標(biāo)計(jì)算帶來(lái)了困難,依據(jù)公路匝道線性的曲率變化特點(diǎn),利用復(fù)化辛普森公式導(dǎo)證計(jì)算公路匝道點(diǎn)位坐標(biāo)的一般通用公式 :
(1)、 公路匝道中線形式
公路匝疲乏中線是由直線----回旋曲線----圓曲線(R1)----回旋曲線----圓曲線(R2)----回旋曲線----直線的順序組成的,其中R1≠R2 。
(2)、回旋曲線上點(diǎn)位坐標(biāo)方位角的計(jì)算
如圖1,設(shè)回旋曲線起點(diǎn)A的曲率為ρA,其里程為DKA;回旋曲線重點(diǎn)B的曲率為ρB,其里程為DKB•Ax’y’為以A為坐標(biāo)原點(diǎn),以A點(diǎn)切線為x’軸的局部坐標(biāo)系;AXY為線路坐標(biāo)系。
由于回旋曲線上各曲率半徑RI和該點(diǎn)離曲線起點(diǎn)的距離lI成反比,故此任意 點(diǎn)的曲率為
рi=l/Ri=li/c(c為常數(shù)) (1)
由式(1)可知,回旋曲線人一點(diǎn)的曲率半徑按線性變化,由此回旋曲線上里程為Dki點(diǎn)的曲率為
(3)、回旋曲線點(diǎn)位坐標(biāo)計(jì)算
由圖1可得回旋曲線上點(diǎn)位在Ax’y’坐標(biāo)系下坐標(biāo)計(jì)算公式:
dx’=dlcosβi
dy’=dlsinβi
DKi
x’=∫DkAcosβidl
DKi
y’=∫DkAsinβidl
設(shè)回旋曲線起點(diǎn)A在下路坐標(biāo)系下的坐標(biāo)位(XA,XY),將式(6)式(8)中的βi,便得回旋曲線上任意點(diǎn):
Dki
X=XA+∫DkAcosaidl
DKi
Y=YA+∫DkAsinaidl (9)
對(duì)于式(9)的解算,由于后半部分是定積分,需要引入復(fù)化辛普森公式對(duì)其進(jìn)行解算。
首先將積分區(qū)間[DKA,Dki]劃分為n等分,步長(zhǎng)為H=(DXi-DKA)/n,分點(diǎn)里程
DXK=DKA+KH,K=0,1,2…,n,記子區(qū)間[DXK,DXK+1]的中點(diǎn)里程為DXk+1/2,則 DXk+1/2=( DXK+DXK+1)/2,K=0,1,…n-1.
由此式(9)用復(fù)化辛普森公式表示為
n-1 n-1
X=XA+H/6(cosaA+4∑cosak+1/2+2∑cosak+cosai)
K=0 K=1
n-1 n-1
Y=YA+H/6(SinaA+4∑Sinak+1/2+2∑Sinak+ Sinai) (10)
K=0 K=1
式中:αA為回旋曲線起點(diǎn)A的切線方位角;ak+1/2為里程DXk+1/2點(diǎn)切線方位角;αK為里程DX2點(diǎn)切線方位角;αi為里程DKI點(diǎn)切線方位角。
對(duì)于式(10),雖然是由回旋曲線導(dǎo)出的,但該式也適用直線段和圓曲線段。
B、為滿(mǎn)足點(diǎn)位坐標(biāo)計(jì)算精度,經(jīng)驗(yàn)算取n=2.無(wú)論是直線段、圓曲線段、回旋曲線段,只要將各曲線段中的起點(diǎn)、終點(diǎn)的曲率和里程DKI和各分點(diǎn)里程代入式(2)、(6)、(10)便可獲得待求點(diǎn)DKI的坐標(biāo)。在計(jì)算時(shí),要注意曲線的偏向。
以上(10)式是計(jì)算公路匝道點(diǎn)位坐標(biāo)的一般通用公式。當(dāng)曲線的設(shè)計(jì)半徑較小時(shí),為保證點(diǎn)位計(jì)算精度,n的取值可適當(dāng)?shù)拇笮T摴胶苋菀自谛湔溆?jì)算機(jī)和CASIO-4500p上編程。
2、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換與高程計(jì)算
道路中線各點(diǎn)的坐標(biāo)都是表示在線路坐標(biāo)系里的,而GPS衛(wèi)星采用的是W GS-84坐標(biāo)系統(tǒng),測(cè)量的結(jié)果也是屬于該坐標(biāo)系的,因此要把該結(jié)果實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)換到線路坐標(biāo)系中才能使二者進(jìn)行比較,另外在平面位置滿(mǎn)足要求以后還要測(cè)其高程信息,而GPS測(cè)得的是大地高,還需將其轉(zhuǎn)換為水準(zhǔn)高才能繪制橫斷面圖,下面分別討論坐標(biāo)轉(zhuǎn)換與高程計(jì)算問(wèn)題。
2.1坐標(biāo)轉(zhuǎn)換
為在初、定測(cè)中運(yùn)用RTK技術(shù),應(yīng)首先建立RTK作業(yè)的基準(zhǔn)站網(wǎng)絡(luò),即控制網(wǎng),點(diǎn)之間的距離可以是幾公里或幾十公里,這些點(diǎn)構(gòu)成線路的首級(jí)控制網(wǎng),它不僅有WGS-84坐標(biāo),同時(shí)也有線路坐標(biāo)系的坐標(biāo),在RTK作業(yè)是應(yīng)求得轉(zhuǎn)換參數(shù)以進(jìn)行兩種坐標(biāo)系的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)換,在兩個(gè)控制點(diǎn)間的線路應(yīng)選用該兩點(diǎn)的兩套坐標(biāo)求轉(zhuǎn)換參數(shù)。
設(shè)兩點(diǎn)的線路坐標(biāo)為(x1,y1),(x2,y2),該兩點(diǎn)的WGS-84大地坐標(biāo)為B1,L1,H1,B2,L2,H2, 將WGS-84大地坐標(biāo)以與線路坐標(biāo)系相同的中央子午線和投影面進(jìn)行高斯投影,由WGS-84坐標(biāo)求得坐標(biāo)差△x’,△y’,距離s’=(△x’2+△y’2)1/2,方位角@’滿(mǎn)足tana’=△y’/ △x’,而由線路坐標(biāo)得距離s’=(△x2+△y2)1/2,其中△x=x2-x1,△y=y2-y1,方位角a滿(mǎn)足tana=△y/ △x,因此得到兩個(gè)坐標(biāo)系的尺度參數(shù)λ=s/s’,旋轉(zhuǎn)參數(shù)θ=a-a’.兩個(gè)坐標(biāo)系的關(guān)系式為:
x2= x1 +λ (cosθ-sinθ )* △x’
y2 = y1 +λ( sinθ- cosθ)*△y’
若由任一點(diǎn)GPS測(cè)得的84坐標(biāo)為Bi,Li,Hi,投影后的平面坐標(biāo)為△xi’,△yi’的坐標(biāo)差△xli’=xi’-xl’, △yli’=yi’-yl’, 其相應(yīng)的線路坐標(biāo)(xi,yi)的計(jì)算如下:
xi= xl +λ (cosθ-sinθ )* △xli’
yi= yl +λ( sinθ- cosθ)*△yli’
因此由上式可計(jì)算各點(diǎn)在線路坐標(biāo)系中的坐標(biāo),在進(jìn)行RTK作業(yè)時(shí)應(yīng)把參數(shù)輸入到手持機(jī)中并在已知點(diǎn)上進(jìn)行校核,以確保其準(zhǔn)確性,無(wú)論線路坐標(biāo)系采用的是國(guó)家坐標(biāo)、城市坐標(biāo)還是工程獨(dú)立坐標(biāo),該模型均適用,同時(shí)該模型對(duì)中央子午線、投影面高程等參數(shù)的不準(zhǔn)確性產(chǎn)生的影響不敏感,只是反映在轉(zhuǎn)換參數(shù)上有所不同,對(duì)轉(zhuǎn)換的結(jié)果影響很小。
2.2 高程計(jì)算
在線路工程中完全用GPS替代基平測(cè)量尚有一定的困難,基平仍由水準(zhǔn)或測(cè)距三角高程來(lái)完成,基平一般1-2km布設(shè)一個(gè)水準(zhǔn)點(diǎn),在基平點(diǎn)選擇及GPS線路控制時(shí)應(yīng)顧及二者有足夠多的重合點(diǎn),這樣保證每2-3公里有一個(gè)重合點(diǎn),這時(shí)采用擬合模型其誤差就能得到有效的控制,擬合后相對(duì)于基平水準(zhǔn)點(diǎn)高程中誤差可在2-3cm以?xún)?nèi),這樣的精度可以滿(mǎn)足中平測(cè)量以及野外地形數(shù)據(jù)采集對(duì)高程的精度要求。
線形帶狀工程(如鐵路、公路)在縱向有時(shí)可達(dá)到幾碉公里,在橫向一般卻只有幾百米,在GPS高程轉(zhuǎn)換中若是利用所有點(diǎn)建立統(tǒng)一的擬合公式用于整個(gè)測(cè)區(qū),由于線路在某個(gè)方向上伸展的范圍較低大,其高程異常的變化也就復(fù)雜得多,因此無(wú)論采用何種擬合算法其整體擬合的精度都不會(huì)很高,若是采用分段擬合,即先進(jìn)行人為分段,把整個(gè)測(cè)區(qū)劃分為幾個(gè)區(qū)域,利用各個(gè)區(qū)域內(nèi)的重合點(diǎn)建立擬合模型,進(jìn)而計(jì)算該區(qū)域內(nèi)GPS點(diǎn)的正常高,顯然在各區(qū)之間的接合部的GPS點(diǎn)高程的轉(zhuǎn)換只利用一側(cè)的生命點(diǎn),具有一定的缺陷,且采用人為分區(qū)具有一定的盲目性。因此對(duì)于定測(cè)高程的計(jì)算應(yīng)采用動(dòng)態(tài)的擬合模型,即無(wú)論采用何種擬合算法都首先找出距該點(diǎn)最近的幾個(gè)點(diǎn),利用這幾個(gè)點(diǎn)來(lái)計(jì)算擬合參靈敏,當(dāng)點(diǎn)位發(fā)生變化則其相當(dāng)?shù)腉PS水準(zhǔn)重合點(diǎn)也發(fā)生變化,避免了人為分區(qū)的缺陷。例如當(dāng)采用兩個(gè)點(diǎn)的直線擬合模型時(shí),任何一個(gè)點(diǎn)其高程轉(zhuǎn)換利用的是該點(diǎn)兩側(cè)的GPS水準(zhǔn)重合點(diǎn),由于采用的重合點(diǎn)隨轉(zhuǎn)換點(diǎn)的位置而變化,因此稱(chēng)其為動(dòng)態(tài)擬合。
3、在初、定測(cè)中應(yīng)用RTK技術(shù)
在線路初測(cè)時(shí)應(yīng)首先建立控制網(wǎng),一般應(yīng)采用靜態(tài)GPS定位技術(shù)建立首級(jí)控制,同時(shí)也建立了RTK作業(yè)的基準(zhǔn)站網(wǎng)絡(luò),在沿線還應(yīng)布設(shè)一些GPS水準(zhǔn)點(diǎn),以利用進(jìn)行高程的轉(zhuǎn)化,利用RTK移動(dòng)站測(cè)設(shè)滿(mǎn)足野外地形數(shù)據(jù)采集的點(diǎn)位平面、高程數(shù)據(jù) ,以往用全站儀做導(dǎo)線的道路不通、不通視(尤其城市房區(qū)中,還出現(xiàn)導(dǎo)線長(zhǎng)短邊)、氣候、時(shí)間等問(wèn)題均可一一解決;水準(zhǔn)儀抄高差較大地形、道路不通等困難,也可由RTK技術(shù)解決:模型擬合得到相對(duì)于基準(zhǔn)水準(zhǔn)點(diǎn)高程中誤差2-3cm以?xún)?nèi)的高程精度要求。目前的RTK技術(shù)產(chǎn)品一般都具有坐標(biāo)放樣、直線及圓曲線測(cè)設(shè)等功能,因此能進(jìn)行定線工作。
首先應(yīng)在室內(nèi)根據(jù)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)計(jì)算出各待定點(diǎn)的坐標(biāo),包括整樁、曲線主點(diǎn)、橋位等加樁,然后將這些數(shù)據(jù)送到手持機(jī)中,有了坐標(biāo)以后在實(shí)測(cè)前還應(yīng)做坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)的計(jì)算,以把GPS測(cè)量結(jié)果轉(zhuǎn)換為工程采用的坐標(biāo)系統(tǒng),有了轉(zhuǎn)換參數(shù)便可在野外進(jìn)行測(cè)設(shè)工作。
具體步驟如下:
(1)、計(jì)算各待定點(diǎn)的坐標(biāo),根據(jù)線形設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)及待定點(diǎn)的里程按以上闡述的線路中線點(diǎn)位坐標(biāo)計(jì)算的模型可計(jì)算出各整樁和加樁的設(shè)計(jì)坐標(biāo),也可用已有的成熟軟件進(jìn)行計(jì)算。
(2)、將測(cè)設(shè)點(diǎn)的坐標(biāo)輸入到手持機(jī)中,設(shè)計(jì)坐標(biāo)數(shù)據(jù)可由一定的軟件輸送到手持機(jī)中,也可由人工直接在手持機(jī)中進(jìn)行數(shù)據(jù)輸入,人工輸入工作效率較慢服務(wù)態(tài)度容易出錯(cuò),不適合于大量點(diǎn)的輸入。
(3)、轉(zhuǎn)換參數(shù)的計(jì)算,首先確定采用哪些點(diǎn)進(jìn)行轉(zhuǎn)換參數(shù)的計(jì)算,這些點(diǎn)應(yīng)具有線路坐標(biāo)和WGS-84坐標(biāo),若沒(méi)有WGS-84坐標(biāo)可在野外利用RTK技術(shù)實(shí)時(shí)測(cè)得,采用4個(gè)線路控制點(diǎn)進(jìn)行轉(zhuǎn)換參數(shù)的計(jì)算,這些點(diǎn)均進(jìn)行過(guò)GPS測(cè)量,在樁定線路時(shí)一般實(shí)時(shí)只考慮平面位置,可把平面和高程分開(kāi)處理,平面采用平面轉(zhuǎn)換的模型,后處理高程計(jì)算采用動(dòng)態(tài)擬合模型,在各種RTK產(chǎn)品的手持機(jī)中一般都裝有可進(jìn)行轉(zhuǎn)換參數(shù)計(jì)算的軟件系統(tǒng)。
(4)、野外實(shí)測(cè),野外實(shí)測(cè)時(shí)基準(zhǔn)站可設(shè)置于視野開(kāi)闊的已知控制點(diǎn)上,作好GPS接收機(jī)、數(shù)據(jù)鏈電臺(tái)及電池等的連線工作,輸入?yún)⒖颊镜淖鴺?biāo)及其他一些設(shè)置參數(shù)后,啟動(dòng)基準(zhǔn)站設(shè)備進(jìn)入工作狀態(tài),數(shù)據(jù)鏈不斷地發(fā)射校正信息,此時(shí)移動(dòng)站可開(kāi)始工作,移動(dòng)站應(yīng)從另一已知點(diǎn)出發(fā),即先驗(yàn)證已知坐標(biāo)、轉(zhuǎn)換參數(shù)及參考站設(shè)置的準(zhǔn)確性,然后測(cè)設(shè)各整樁和加樁的位置,在每次作業(yè)的最后應(yīng)再次回到已知點(diǎn)上檢查是否與已知數(shù)據(jù)相符,以保證實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的質(zhì)量。
利用RTK技術(shù)進(jìn)行中線定測(cè)與常規(guī)儀器如經(jīng)緯儀、剛尺等標(biāo)定方向、量距離不同,它只能把測(cè)得的坐標(biāo)顯示在屏幕上,因此必須根據(jù)里程計(jì)算待定點(diǎn)的坐標(biāo),然后按坐標(biāo)去放樣,在中線測(cè)量過(guò)程中還會(huì)遇到許多地形、地物等加樁,需根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)確定出位于中線上的特征點(diǎn)交定出其里程,要解決這個(gè)問(wèn)題可根據(jù)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)把線路顯示在手持計(jì)算機(jī)上,在屏幕上注明整樁及曲線主點(diǎn)的樁位,對(duì)于臨時(shí)地形、地物加樁由于整個(gè)線路中線已顯示在屏幕上,通過(guò)與接收機(jī)的點(diǎn)位坐標(biāo)的比較便可找到位于中線上的地形或地物加樁,其里程可按一定的算法算出,即首先計(jì)算至前一整樁的直線距離S,然后根據(jù)程序計(jì)算該整樁加S處點(diǎn)的坐標(biāo)X1,Y1,進(jìn)而計(jì)算距離S1,S1與S的差即為曲線長(zhǎng)S處的弦曲差,該差作為第一次改正加到S中即可得到加樁的里程,若精度不夠可再次趨近,對(duì)于橫斷面首先繪制其方向線,任一點(diǎn)的橫斷面與該點(diǎn)的切線方向相垂直,因此是不難給出的,沿該方向線便可測(cè)繪橫斷面,避免了常規(guī)測(cè)量中曲線段橫斷面方向較難確定的困難,根據(jù)記錄在手持計(jì)算機(jī)中的縱橫斷面的數(shù)據(jù)導(dǎo)入道路CAD系統(tǒng)繪制縱橫斷面圖,為施工圖設(shè)計(jì)提供資料,目前RTK產(chǎn)品尚不能很好地滿(mǎn)足中線定測(cè)工作,有待于開(kāi)發(fā)用于道路的專(zhuān)用軟件系統(tǒng)。
RTK技術(shù)應(yīng)用于線路定測(cè)具有三維坐標(biāo)信息,在放樣中線的同時(shí)也獲得了點(diǎn)位的高程信息,無(wú)須在進(jìn)行中平測(cè)量,整個(gè)移動(dòng)站可由一個(gè)人單獨(dú)操作,不僅提高了工作效率,并且可由線路控制網(wǎng)直接與中線發(fā)生聯(lián)系,不存在誤差積累,能達(dá)到很高的精度。
RTK技術(shù)是定位技術(shù)的一個(gè)新的里程碑,它不僅具有GPS技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)而且可以實(shí)時(shí)獲得觀測(cè)結(jié)果及精度,大大提高了工作業(yè)效率并開(kāi)拓了GPS新的應(yīng)用領(lǐng)域,RTK技術(shù)將在道路初測(cè)、定測(cè)、施工測(cè)量、竣工測(cè)量等領(lǐng)域發(fā)揮巨大作用,將給現(xiàn)行道路勘測(cè)手段及規(guī)范帶來(lái)變革,當(dāng)然RTK技術(shù)的應(yīng)用還有待于一些應(yīng)用軟件的支持。同樣RTK技術(shù)也有著其局限性及進(jìn)一步需要解決的問(wèn)題,首先它具有GPS定位的普遍問(wèn)題,如信號(hào)遮擋、多路徑效應(yīng)等,另外它還有通訊問(wèn)題,且目前RTK技術(shù)的價(jià)格還比較高,這些問(wèn)題都會(huì)在一定程度上影響RTK技術(shù)的推廣應(yīng)用。
主要參考文獻(xiàn)
【1】:李青岳 陳永奇主編《工程測(cè)量學(xué)》(修訂版),測(cè)繪出版社,1993
【2】:《工程測(cè)量規(guī)范》GB50026-93
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