GPS－RTK联合全站仪在道路施工勘察领域中的应用

刘金鹏，曹先密，曹玉凯

（1.中冶集团武汉勘察研究院有限公司 上海分院，上海 201900；2.江苏省常州市武进规划与测绘院，江苏 常州 213159；3.河南省有色地矿局第五地质大队，河南 郑州 450016）

1 GPS－RTK和全站仪数字化测量的工作原理及比较

1.1 全站仪简介及测量原理

全站仪全称为全站型电子速测仪，通常又称为电子全站仪或电子速测仪，它是把测距测角和微处理机等部分结合起来形成一体能够自动控制测距测角、自动计算水平距离高差坐标增量的测绘仪器，同时，可自动显示记录存储和数据输出，全站仪实现了测距的发射轴、接收轴与望远镜视准轴3个轴共轴的结构，因此，更适合于对移动目标及空间点的测量，内部有极其丰富的测量软件，可方便快捷地进行操作。

1.2 GPS－RTK简介及其基本原理

RTK（Real Time Kinematic）工作原理是通过数据链将相对独立的基准站和流动站上的接收机连成一个有机的整体。基准站把接收到的伪距、载波相位观测值和基准站的一些信息（如基准站的坐标和天线高等）通过数据链传送到流动站，流动站在接收卫星信号的同时，也接收基准站传送来的数据并进行处理：将基准站的载波信号与自身接收到的载波信号进行差分处理，即可实时求解出两站间的基线向量，同时，输入相应的坐标，转换参数和投影参数，即可求得未知点坐标。

1.3 GPS－RTK与全站仪数字化测量的比较

采用全站仪进行测量的优点是能够直接获取地面点的三维坐标，并且设站灵活，自动记录，自动计算；缺点是测量工作受地形和人为因素影响较大，并且要求通视，需建立足够的控制点，外业时间较长。GPS－RTK能够进行全天候测量，测站之间无需通视，工作效率较高，定位精度均匀，在地形简单、天空开阔地区，GPS－RTK作业优势更加明显。但在遇到高大障碍物的情况下，GPS接收机很难接收到卫星和无线电信号，即使能够得到数据，精确度也受到一定程度影响，并且单基站模式下的作业半径也具有一定的局限性。

1.4 GPS－RTK与全站仪联合作业方式分析

目前，单独使用GPS－RTK或全站仪已经无法满足实际测量工作的需要，在施工中通常需要同时采用2种方法，即在施工进行中使用GPS－RTK，在施工场地范围内布设少量施工控制点，当GPSRTK的精度受外界环境影响时，使用全站仪。施工过程中可以随机选取GPS－RTK测量成果并用全站仪检核。这样GPS－RTK的测量成果可为全站仪所用，全站仪测量值又可作为检校GPS作业的依据，既解决了水平方向遮挡（全站仪）问题，也解决了上方遮挡（GPS－RTK）问题，避免了单独使用GPSRTK或全站仪作业产生的局限性。

2 GPS－RTK联合全站仪在道路勘察施工领域的应用实例

2.1 施工区域概况

此次试验工程为扬州市某道路地基处理工程，测区位于江都市沿江开发园区，北临长江大堤，南距长江100m，作业区呈东西方向，地势平坦，有利于GPS－RTK作业方式的使用。

测区附近有当地国土局布设的三等GPS控制点E12、E13以及业主单位布设的施工控制GPS点JD01、JD02、JD03、JD06，分布均匀，涵盖场地全部，可以作为平面、高程起算依据。

2.2 作业技术标准

本次试验所采用的技术标准为①CH 20012－92全球定位系统（GPS）测量规范；②CH 10022－95测绘产品验收规定；③CH 10032－95测绘产品的评定标准；④GPS RTK《测量技术规范》；⑤GB50208－93《工程测量规范》；⑥ GBJ202－2002《地基与基础工程及验收规范》。

本次测量采用中海达V8双频GPS接收机1＋1台套（使用GSM卡模式）；平面坐标系统采用该地区独立坐标系；高程系统采用1985国家高程基准。

2.3 作业过程

2.3.1 基准站架设

V8双频接收机的优点之一是可以任意设站，不需在已有控制点上架设仪器，此次工程使用轻便灵活、覆盖范围较大的手机卡发射模式作为作业模式。

2.3.2 参数转换及公式

GPS－RTK测量所使用的坐标系统为 WGS－84坐标系，而本工程控制坐标系统是地方坐标系，因此，必须进行坐标转换。通常已知地面网的三维坐标是在参心坐标系中以大地坐标的形式表示，设为（B，L，H）；GPS的三维坐标一般是在协议地球坐标系中以空间直角坐标或大地坐标的形式给出的，设为（X84，Y84，Z84），坐标转换解算一般选用高斯3度带模型，数学表达式为

式中：[Δx，Δy，Δz]为3个平移参数，εx，εy，εz为3个旋转参数，k为尺度变化。

为求得这7个转换参数至少需要3个公共点，当多于3个公共点时可以按照最小二乘法求得7个参数的最或然值，对于7参数而言，参数k＝0.999987093501727，数转换模型比较严密，它是既有旋转又有平移的两个空间直角坐标系的坐标换算。

当测得已有控制点WGS－84坐标并输入相应控制点（当地坐标系下）的实际坐标，进行一一配对后，RTK手簿会自动结算出以上转换参数和高程改正量。一般在地形起伏变化不大的场地，只需两个相应的控制点做转换参数计算，由于施工对测量精度要求较高，为能得到较精确的高程拟合网，选择可以覆盖整个测区的E12、E13、JD01、JD03、JD06等5个控制点进行四参数转换，控制点位置如图1所示。

图1 控制点位置

在剔除不稳定控制点坐标后，解算得平面坐标X平移量ΔX＝101.008787190835，平面坐标Y改正量ΔY＝ －100.61633255811，旋 转 参 数0.000203679，尺度K＝0.999987093501727，高程改正量＝5.53815718939156，应用后，参数转换完成。

2.3.3 流动站的设置及点校验

流动站的各项参数设置如电台发射频率，电台发射模式要与基准站保持一致。在连接流动站后手薄显示测区上空有效卫星数多于5颗，差分电文数为固定解1.0后，即可正常工作。为验证在不同时段、不同天气下测得RTK－GPS测点精度的误差是否符合施工要求及规范要求，选用测区中JD06控制点作为校正点，与其距离为800m的JD04作为检核点，测量10次取其平均值，每次观测均为180s，其结果见表1。

表1 已知点检核结果

分析可得全天候检核观测X坐标误差最大值为－2.0cm，Y坐标误差最大值为－1.79cm，高程误差最大值为1.86cm，符合施工要求。

2.3.4 施工过程中的精度检测

1）施工准备阶段场地补充勘察放线。利用GPS－RTK补充勘察阶段放样点18个，经检核放点精度符合勘察规范规定的平面放点精度为±50cm的精度要求。

2）施工准备阶段场地施工控制网布设。利用全站仪对甲方提供的控制网进行附合导线测量，并进行平差计算，计算结果应满足平差要求。

3）实施阶段前期为场地15m的方格网测量及土方量计算。利用GPS－RTK在全场范围内进行15m方格网测量，实测数据证明在平坦且无明显高程变化地形下，GPS－RTK与南方全站仪测量的数据在南方CASS软件计算所得区域土方平衡平均标高值与数学加权平均数计算结果相同。并且该方式与全站仪测量方式相比具有简单、高效、省时、省力、精度高，无通视限制的优势。

4）施工期间排水板、强夯、CFG桩测量放线。本实验利用GPS－RTK进行放线测量，并利用全站仪进行定期复测检核，根据校验所得GPS－RTK最大放线平面误差为2cm，符合施工及规范放线要求。

5）施工后期场地砂垫层标高测量。对场地砂垫层过程标高测量以及砂垫层结束之后的验收测量，利用GPS－RTK进行分区控制，并用水准仪配合测量即可满足精度要求。

3 结 论

1）在道路勘察工程中，RTK可满足全部地形的放线测量需要。

2）在施工工程前期控制网布设及检核的过程中，由于GPS－RTK确定整周模糊度的可靠性最高为95%，GPS－RTK比静态 GPS多出一些误差因素，如数据传输链误差等。因此，为避免误差，在布设控制网时需用静态GPS或全站仪进行布设并用全站仪进行检核测量。

3）在低精度地基处理施工中完全可以使用GPS－RTK进行放点、放线以及辅助测量工作，对精度要求较高的工艺流程可用全站仪做配合检核测量或由全站仪独立完成。

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