GPS-RTK和数字测量在管线测量中应用分析与研究

马旭辉

[摘要] 通过对阿尔及利亚ZOUIA输水工程项目中输送管线测量应用实例分析,对GPS RTK和全站仪在线路中的数字测量技术和项目施工管理提出了具体有益的结论和建议。

[关键词] 线路测量GPS测量管线测量数字测量

引言

ZOUIA水源地位于阿尔及利亚与摩洛哥边境交界处,此处地下水丰富,是阿尔及利亚西部为数不多的主要生活饮用地下水源地之一。ZOUIA输水工程项目输送目的地主要是内陆的特莱姆森省及周边地区,该项目监理单位是阿尔及利亚水利工程与技术咨询公司(CTH),该工程有关地形图测量由CTH联合我驻阿单位进行共同测量,包括海水淡化厂开工自来水输送管线1:2000比例尺带状地形图测量、BOUHLOU站址1:200比例尺地形图测量及输水线路纵断面图测量三部分内容,采用GPS和全站仪等数字测量软硬件技术进行了联合施测。

1. 作业依据

①业主提供的《ZOUIA输水工程项目输水管线及BOUHLOU站址地形测量工作要求》;②业主提供的测量范围书《SCOPE OF WORK FOR TOPOGRAPHICAL SURVEY FOR PIPELINE ROUTES》;③中华人民共和国标准《全球定位系统(GPS)测量规范》(GB/T 18314-2001);④中华人民共和国标准《工程测量规范》(GB 50026-93);⑤中华人民共和国标准《国家三、四等水准测量规范》(GB 12898-91);⑥阿尔及利亚国当地的有关法律、法规及标准;

2. 测区已有资料和利用已知点情况

2.1 测区已有资料。在该管线附近有OGM3-2、D41两个D级GPS已有测量控制点,标石保存完好。该已知D级GPS控制网(点)的验算及平差后的精度。

上述两个D级GPS控制点的坐标和高程精度可满足该管线E级GPS控制网的起算点精度要求。

2.2 利用已有资料情况

2.2.1参考坐标系统。本地区所采用的平面坐标系统为Clarke-1880施工坐标系统(3E+)。

2.2.2 高程系统。采用地中海高程系统,具体为平均海拔高(M.S.L.)。

2.2.3 WGS-84到施工坐标系统(3E+)七参数的求解。使用临近的已有的输送管线线路测量项目的已有基准转换参数。

本测区平面及高程控制测量采用GPS-RTK的方法施测。

3. 平面与高程控制测量

3.1 E级控制网的布设。E级GPS控制点在D级GPS控制点下按设计管线的转点桩布设,并在BOUHLOU站址附近布设了两个施工控制点。

3.2 E级GPS控制点的测量方法。本测区E级GPS控制点采用GPS-RTK的方法施测。

GPS-RTK有一个参考站和数个流动站组成,参考站设在D级GPS控制点上实时接收GPS卫星信号并进行载波相位和伪距测量,通过数据链实时将参考站的精确坐标、观测值、卫星运行情况以及参考站的工作状态发送给流动站。流动站在接收GPS卫星信号并进行载波相位和伪距测量的同时,实时接收参考站的观测值和其他相关数据,利用GPS控制器内置的实时处理软件,实时地解算出参考站到流动站间的基线向量和流动站的点位坐标。本测区采用南方生产的天王星9800GPS-RTK双频接收机观测,该仪器动态测量的标称精度平面为:1cm+1ppm×D,高程为:2cm+1ppm×D;作业模式为1+2即一台参考站2台流动站。

3.3 参考站的选择。参考站选在地势较高、交通方便、周围无高大障碍物、无大功率发射源(如电视台、微波站、无线电发射站等)和高压输电设备以及影响GPS信号接收的反射物(如大面积水域、大型建筑物)并有利于卫星信号的接收和电台发射的D级GPS控制点上。本测区采用OGM3-2作为参考站。

3.4 观测。观测前首先将七参数、已知点坐标和待测点精度要求(平面按E级GPS控制点的精度设置,高程按三角高程的精度设置)输入流动站终端(手簿)内;观测时,将流动站对中杆扶直、扶稳,以保证其接收信号的稳定性;当流动站终端(手簿)上显示的点位中误差符合要求后进行坐标数据的存贮,然后迁至下一站。每个E级GPS点独立(关机或卫星失锁)观测两次,取中数作为该点的最终成果。为确保E级GPS点的精度,在作业的过程中对D级GPS控制点D41进行了检测,其坐标较差为δx=1.2cm、δy=2.0cm、δh=2.6cm。该测区E级GPS控制点两次测量较差

参考站到流动站的距离最大为7.0km。

3.5 数据处理。外业观测结束后,将流动站终端(手簿)中采集的数据传送到经过鉴定的“DATA TANSFER”数据处理器中,然后按施工坐标系(3E+)成果输出。

3.6 高程控制测量,本测区E级控制点的高程采用水准仪作业模式,并要根据工程需要沿线加设次级水准控制点。

4. 管线中线定位及中线桩放样数字测量

管线中线桩的定位及放样采用天王星9800GPS-RTK双频双频接收机放样,作业模式为1+2。基准转换所使用的参数与E级GPS测量相同,放样点的精度为±0.05m,基准站到放样点的距离最大为7.0km。放样点的坐标由BOUHLOU站址起原则上每200m一点,当地形起伏较大时适当加密,本测区共计放样中线桩45点。为便于后续测图,在放样中线桩的同时用GPS-RTK的方法施测了中线桩点位的高程(这样中线桩就可以作为图根点使用),图根控制点的平面坐标和高程成果取值精确至0.01m。

5. 带状地形图和纵断面图数字测量

采用拓普康全站仪极坐标测记法施测出数字带状地形图和纵断面图。外业数据直接存入全站仪内存中,然后传输至计算机中,进行计算机辅助成图。外业测绘时同时绘出草图,对各种地物、地貌特征点顺序编号。所标注的测点编号与仪器内的记录号相对应,草图上注明各种地物名称和地物属性,对地形要素之间的相互关系标注清楚后,对相关同类地物做出编辑处理,然后内业编辑成图。测绘碎部点时,由全站仪进行数据的数字测量及存储,现场计算出测点的三维坐标。其中水平角、竖直角、距离的观测值限差,全站仪可自动严格按规范技术指标要求执行,杜绝了数据传输、计算上的错误。在进行纵断面图测量时,对沿线路走向和与线路交叉的地下电缆、天然气管线、水线等进行了探测,测量定位了地下管线的走向和深度。

6. BOUHLOU站址数字地形测量

采用全站仪极坐标测记法施测数字地形图,地形点的间距为10m,等高距为0.5米。

7. 内业成图

内业成图采用中国南方测绘仪器公司开发的CASS5.1绘图编辑软件配合绘图机输出。内业成图中的地物、地貌的显示原则及整饰、注记的方法均按有关规范和图式要求执行,由于甲方要求为法语,所以又将图件中的中文标注全部翻译成法语。

8. 结论

①过以上分析,并且通过对带状地形图和纵断面图等的质量检查,确定该测量工程成果质量可靠、精度优良,完全满足今后规划设计及施工的需要。②在进行静态GPS外业观测过程时应严格按照有关规范中的操作规程进行,尤其注意:每一观测时段,接收机不得关闭和重新启动;不准中途改变卫星高度角的限值和天线高,不得碰动天线和阻挡信号;应在每观测时段前后量取天线高各1次取平均值等。③RTK在树多、靠近房屋的地方接受信号难,固定太慢,此时除要尽量使RTK基准站立在较为有利的地方外,若用全站仪与GPS RTK技术联合作业,可以优势互补,大大提高作业效率。④一般要求RTK在一个工作区域范围内至少有4个校正点,而且最好使工作区域包含在校正点所形成的区域内,因在之外的工作区域测量精度会有所降低,随距离渐降。还有,校正点宜尽量在工作区域内分布均匀。⑤GPS得到的是大地高,而实际采用的是正常高。需要将大地高转化为正常高。而测区的高程异常是未知数,且高程异常的变化较复杂,特别在山区精度差。此外,线路要求约每隔4公里设置水准点,而有些环境不能满足GPS观测的条件,采用高程拟合的方法拟合的高程精度不能得保证,完全用GPS替代等级水准难度度,因此本次作业采用水准测量获取高程成果。⑥经实地测量比较,采用GPS高程测量可部分代替线路测量中的山地或丘陵等困难地区及常规的跨越障碍的高程测量。⑦对交叉跨越物进行测量,可利用RTK设备放样指示功能确定施工线路同被跨越物的走向范围等,按技术要求的允许跨越距离,通过采集偏移数据,对跨越物碎部点测量,可计算出跨越物是否拆除及拆除面积等。⑧内外业质量檢查应包括数学基础(图廓点、公里网交点、控制点等)检查、平面和高程精度检查、接边精度的检测、属性精度的检测、逻辑一致性检测、整饰质量检查及附件质量检查等全部规范要求的内容。检测结果应建立并保留可靠的质量统计表格和野外检测报告。⑨在进行坐标和高程系统转换时,应首先按照已知点资料和业主的技术要求检测已知点的可靠性;并在有条件时联测当地国家或地方坐标系统的高精度的测量控制点,最后应提交至少包括WGS-84及当地坐标和高程系统两套成果;若在无控制点区域,应尽量采用全球通用坐标系统WGS-84及符合当地国家的投影方式来设置站址坐标系,以方便今后长远扩建发展使用。⑩在进行线路测量时,应充分利用先进的手持、静态、动态的GPS和对讲机及全站仪等数字测量软硬件技术优势,尤其是其测图及施工放样功能,这样能显著地提高作业质量和效率。

参考文献:

[1] 徐绍铨.GPS测量原理及应用(修订版)[M].武汉大学出版社.2000.

[2] 孔祥元、郭际明、刘宗泉.大地测量学基础.武汉大学出版社.2001.

[3] 周忠谟,易杰军,周琪.GPS卫星测量原理与应用[M].测绘出版社.1997. 01).中国标准出版社.2001.

[4] 国家技术监督局颁布.工程测量规范(GB50026-93).中国计划出版社.1993.

[5] 国家技术监督局颁布.国家三、四等水准测量规范(GB12898-91).中国标准出版社.1992.

[6] 国家技术监督局颁布.全球定位系统(GPS)测量规范(GB/T18314-20

[7] 魏二虎、黄劲松.GPS测量操作与数据处理.武汉大学出版社.2004.6.