GPS RTK技术在水利工程测量中的应用

陈志华 段元维 庞崇林

【摘 要】主要阐述GPS RTK技术在水利工程测量中的应用，水利工程测量采用新仪器、新技术的高精度、高效率、简便的测量方法。

关键词：GPS RTK；水利工程测量；应用；精度；效率

Abstract：Mainly on the GPS RTK technology in hydraulic engineering, hydraulic engineering measurement with the new equipment, new technology, high precision and high efficiency, simple measuring method.

Key words ：GPS RTK； hydraulic engineering measurement； application, precision； efficiency

中图分类号：TV文献标识码： A 文章编号：

1.前言

随着国民经济的快速发展，国家和地方政府对水利工程建设投资的加大，每年都有大批的水利工程建设。而大多数水利工程都位于偏远地区，高等级测量控制点极少，给水利工程施工测量带来很大困难。由于全球定位系统(GPS)技术的快速发展，GPS RTK技术广泛应用于测量中，因其精度高、实时性和高效性强，成为最先进的技术设备和最经济的测量方法，在很大程度上提高了工作质量和效率。我院于2009年购买的

中海达V8starGPS测量系统，通过几年的使用，在水利工程测量的加密控制测量、水下地形测量和施工放样等方面，高精度、高效率的完成了水利水电工程方面的测量工作，收效甚大。现以GPS RTK技术在非洲马里费鲁水电站项目工作中的实际应用情况为例。

2.GPS RTK在非洲马里水电站项目中就得到了很好的应用

在非洲马里费鲁水电站勘测中，根据工程设计的需要，利用RTK共施测了工程区1：500地形图及河道纵横断面图、水下地形图、5KM（1：1000）输电线路带状地形图、15km（1：1000）公路带状地形图。在本次的地形测量过程中，运用了RTK技术进行图根控制测量及地形测量，探索了一条进行大面积测量的新路子。

2.1工程概况

马里费鲁水电站位于塞内加尔河一段长不到800m的急流，河床宽度从上游的约1300m变为下游的约300m，并利用了约15m的自然落差。电站距卡伊城(Kayes)约15km，距马里首都巴马科市(Bamako)约670km。整个测区地理坐标约西径11°20′11″～11°24′46″，北纬14°21′06″～14°24′54″。地势平坦，平均海拔约20.0米。测区内房屋稠密，若用传统的测量方法，效率低且浪费人力、财力。经过论证，决定用GPS 静态定位技术进行首级控制，然后用RTK技术做图根控制进行地形测量。

2.2RTK仪器介绍

本次测量使用4台中海达公司的V8star双频RTK GPS接收机，发射和接收电台是内置电台，采用UHF通讯。使用标准天线的35W基准站电台，作业距离可达10到15公里左右，静态定位精度：平面3mm+1ppm×D；高程5mm+1ppm×D；RTK实时定位精度：平面：1cm+5ppm×D；高程：2cm+10ppm×D，3个GPS配套测量手簿。

2.3GPS RTK基本原理

RTK(Real Time Kinematic)测量技术即实时动态测量技术，是以载波相位测量与数据传输技术相结合的以载波相位测量为依据的实时差分GPS测量技术，是GPS测量技术发展里程中的一个标志，它由3部分组成：(1)基准站接收机；(2)数据链；(3)流动站接收机。

RTK工作原理是：在已知高等级点上(基准站)安置1台GPS接收机，对所有可见卫星进行连续的观测，并将其观测数据和测站信息，通过无线电传输设备，实时地发送给流动站，流动站GPS接收机在接收GPS卫星信号的同时，通过无线接收设备，接收基准站传输的数据，然后根据相对定位的原理，实时解算出流动站的三维坐标及其精度。

2.4RTK测量的特点

相对于传统测量学及GPS常规测量，RTK 测量主要有以下特点：

(1).定位精度高。RTK测量标称精度可达到：lcm + 5ppm(平面)，2cm + l0ppm(高程)。

(2).快速提供三维坐标。RTK通过实时处理2s内即可测得三维坐标。

(3).作业距离远、操作简便、效率高。作业半径能达到10KM。RTK技术的自动化程度高，观测人员主要是摆好基准站，然后进行流动站工作，而其它观测工作如卫星的捕获、跟踪观测等均由仪器自动完成。如采用1+2配置，即1台基站，2台移动站，2个测量小组可以同时施测，可减轻现场测量人员的劳动强度，提高工作效率。

(4).测站之间无需通视，是相互独立的观测值，不存在误差积累传播。

2.5准备工作

（1）根据任务的需要，收集了有关资料。

（2）对资料分析研究，进行现场踏勘，进行图上设计。

（3）根据目的、精度要求、测区地形、交通状况等选择接收机类型和数量，按优化设计原则和相关规范的要求进行技术设计，制订了合理的观测计划。

2.6测量实施

首先进行四等网首级控制，然后加密一级GPS点，测量方式采用静态和快速静态，各项操作严格按照相关规范要求施测。为了进行高程拟合，在四等网中联测了均匀分布于网中的6个高等级水准点。经过数据处理和基线解算，四等GPS网和一级GPS网的同步环坐标分量闭合差、最弱点点位中误差、最弱边相对中误差、边长相对中误差等项精度均远高于规范规定，获得了高精度的GPS定位成果，这里不再列举。对所有的四等GPS点和一级GPS点按照水准测量规范进行四等水准测量。

2.6.1用GPS RTK技术进行图根控制测量

首先将欲作为RTK测量联测控制点的四等GPS点的三维坐标输入计算机，检查无误后，用把数据输入手簿。

比较分析四等GPS点和一级GPS点的地理位置，从中选取地势较高、无遮挡的控制点作为基准站的架设点，并且这些点必须远离大功率无线电发射台、变电站、高压输电线等无线电干扰源，以避免其周围磁场对GPS卫星信号的干扰影响。

基准站架设后，对基准站及电台进行必要的设置，待手簿的屏幕提示“基准站设置成功并已经开始工作”，用另一台接收机进行部分四等GPS控制点的联测，完成上述操作后，手簿内部自动进行转换参数的求解，然后就可进行具体的测量工作。

2.6.2工程区地形测量、输电线路及公路带状地形测量

动态定位测量,基准站安置的方法及要求跟图根控制测量的一致。测量前需要在一控制点上静止观测数分钟(有的仪器只需2～10s)进行初始化工作，之后流动站就可以按工作要求及目的进行作业，也可以按预定的采样间隔自动进行观测，并连同基准站的同步观测数据，实时确定采样点的空间位置。目前，其定位精度可以达到厘米级。在本次测量中，测量区域基本没有树林，GPS接收卫星效果很好，我们就按距离3～5m采集一个点，工作效率很高，精度也能满足要求。在进行输电线路及公路测量时可以先定好中线，在实际过程中随时可以看到偏离中线多少米，这样给我们的工作带来了更高的准确性及方便，减少了不必要的复测工作。共施测了工程区1：500地形图及河道纵横断面图、5KM（1：1000）输电线路带状地形图、15KM（1：1000）公路带状地形图。通过本次的测量情况看，应用GPS RTK技术大大提高了我们的工作效率。本次测量部分线路带状地形图见图一：

ね家

2.6.3水下地形测量

水利工程测量最难的是水下地形测量，水下地形复杂，人眼又看不见，水上作业条件差，水下地形资料的准确性对水利工程建设十分重要，水下地形测量传统的测量方法大多采用六分仪、三杆分度仪、全站仪配合测深仪，其缺点是：精度不高，测区范围有限，工作量大，人员配置多等，工作效率很低。而且本次需测量的水下地下面积很大，河水很深、很湍急。如果用传统的测深方法，工作效率很低。本次测深采用GPS RTK技术配合一台中海达数字单频测深仪就很好的解决了我们的测深工作，在测深过程中我们用测绳检查了部分水深情况，满足精度要求。本次进行水下地形测量的步骤：将GPS与测深仪连接成一起，导航软件对测量船进行定位，并指导测量船在指定测量断面上航行，GPS和测深仪将实时测得数据自动记录到测深仪内存里，由海洋测量软件处理生成水下地形图或导出*．dat文件，再由南方测绘cass7．0地形地籍成图软件绘制水下地形图。从本次测量结果来看，GPS RTK技术在水下地形测量的应用，大大提高了测量的精度，提高了工作效率。本次GPS RTK测量大坝水下部分地形图见图二：

图二

3RTK的不足及测量成果的质量控制

3.1.受限因素分析

3.1.1.受卫星状况限制

当卫星系统位置对美国是最佳的时候，世界上有些国家在某一确定的时间段仍然不能很好地被卫星所覆盖，容易产生假值。另外，在高山峡谷深处及密集森林区，城市高楼密布区，卫星信号被遮挡时间较长，使一天中可作业时间受限制。产生假值问题采用RTK测量成果的质量控制方法可以发现。作业时间受限制可由选择作业时间来解决。

3.1.2.天空环境影响

白天中午，受电离层干扰大，共用卫星数少，常接受不到5颗卫星，因而初始化时间长甚至不能初始化，也就无法进行测量。在马里水电站工程实际工作中，我们做过试验，在同样的条件和同样的地点上进行RTK测量，上午11：O0之前和下午3：30之后，RTK测量结果准而快，而中午时分，很难进行RTK测量。可见选择作业时段的重要性。

3.1.3.数据链传输受干扰和限制、作业半径比标称距离小的问题

RTK数据链传输易受到障碍物如高大山体、高大建筑物和各种高频信号源的干扰，在传输过程中衰减严重，严重影响测量精度和作业半径。在地形起伏高差较大的山区和城镇密楼区数据链传输信号受到限制。另外，当RTK作业半径超过一定距离(一般为几公里，每种机型在不同的环境又各不相同)时，测量结果误差超限，所以RTK的实际作业有效半径比其标称半径要小很多，在本次的工程实践中都证明了这一点。解决这类问题的有效办法是把基准站布设在测区中央的最高点上。

3.2.RTK测量成果质量控制

通过实际工作中证明，RTK确定整周模糊度的可靠性最高为95，RTK 比静态GPS还多出一些误差因素，如数据链传输误差等。因此，RTK和GPS静态测量相比，RTK测量更容易出错，必须进行质量控制。

3.2.1.质量控制的方法主要有

（1）已知点检核比较法,在布测控制网时用静态

在测量图根点时，我们利用RTK测量了GPS点的三维坐标，其平面坐标与用GPS静态定位方法测量的成果进行比较，RTK高程与四等水准成果和用静态GPS水准拟合的高程分别进行了比较，随机选择马里水电站实测的部分成果比较见表1：单位（m）

表1 测量成果精度比较表

点名 X静－XRTK Y静－YRTK H静－HRTK H静－HⅣ水 HRTK－HⅣ水

B1 +0.00287 -0.02605 -0.0146 -0.0048 +0.009

B2 +0.00896 -0.01221 +0.0326 +0.0010 -0.029

B3 -0.00201 -0.01385 +0.0029 +0.0112 +0.008

B4 +0.00798 -0.01878 +0.0086 +0.0106 +0.003

B5 +0.02245 -0.01035 +0.0034 -0.0075 -0.006

B6 -0.00216 -0.02245 +0.0706 +0.0158 -0.045

B7 +0.00654 -0.02178 +0.0243 +0.0121 -0.009

B8 +0.01765 -0.01987 +0.0136 +0.0131 -0.008

B9 +0.00821 -0.01542 +0.0039 +0.0087 +0.006

B10 +0.00499 -0.01126 +0.0245 +0.0237 +0.007

B11 -0.00269 -0.01589 +0.0069 +0.0059 -0.002

B12 +0.00701 +0.00715 -0.0079 -0.0231 -0.021

B13 +0.01253 +0.00369 -0.0159 -0.0179 -0.002

B14 +0.01186 -0.01592 +0.0284 +0.0151 -0.016

由比较结果可知：RTK测设的GPS点平面成果和静态GPS测设的精度比较接近；在高程方面，RTK测设的高程和四等水准高程精度也比较接近；静态GPS水准拟合的高程能满足地形测图的精度需求；RTK测设的平面成果和高程完全可以满足图根控制测量的精度。

(2)重测比较法

每次初始化成功后，先重测l至3个已测点的RTK点或高精度控制点，确认无误后才进行RTK测量。

(3).电台变频实时检测法

在测区内建立2个以上基准站，每个基准站采用不同的频率发送改正数据，流动站用变频开关选择性地分别接收每个基准站的改正数据从而得到2个以上解算结果，比较这些结果就可判断其质量高低。

以上方法中，最可靠的是已知点检核比较法，但控制点的数量总是有限的，所以没有控制点的地方需要用重测比较法来检验测量成果，电台变频实时检测法的实时性好，但它需具备一定的仪器条件。

4影响精度的因素及应对措施

4.1在实际作业过程中，我们发现影响RTK精度的主要因素

（1）基准站坐标精度

由RTK的工作原理可知，如果基准站的坐标精度较低，流动站得到的三维坐标都带有系统偏差，因此，基准站坐标具有较高的精度非常重要。

（2）坐标转换参数精度

求解坐标转换参数至少需要三个已知公共点，其精度不仅与测区内选择的公共点的位置和数量有关，还与选用的已知公共点的坐标精度有密切关系。

（3）作业环境

参考站的选择要合适，参考站要远离大功率无线电发射台、变电站、高压线等无线电干扰源，远离大面积水域、高大建筑物及树林，防止GPS信号的多路径效应影响。

（4）人为因素

测量员作业的熟练程度，在作业时，如果屏幕显示不是固定解就记录数据，会使测设点的精度很低，甚至出现错误；如果接收机天线未保持垂直，测设的成果就不可取，人为地降低了测设点坐标精度；如果电瓶电量不足，也会降低流动站测设的坐标的精度和可靠性。

4.2为提高GPS RTK测设精度，需要采取必要的措施

基准站尽量选在较高的位置，要适当提高基准站发射天线的高度；联测的控制点尽量采用已建成的国家高等级GPS点、三角点或在一个控制网内经过统一平差的GPS点，数量要尽量多；根据卫星星历预报，选择几何图形强度较小、卫星数量较多且分布较好的时间段进行测设；适当延长在每个测设点的观测时间，以确保测出的数据是固定解并且将流动站天线尽可能保持垂直；将流动站的作业半径控制在10公里以内，若想提高作业距离，可以选择电台中继站，即在适当的距离增设一台中继站电台，中继站电台一边接收来自基准站发射来的数据，一边发射这些数据，这样也能明显的提高作业距离，供电电瓶一定要有足够的电量；求取转换参数时，应严格检查各控制点的坐标，并仔细检查坐标转换栏的H残差和V残差值，看其数值是否在规定的允许范围内。

RTK方式出现后不要马上开始测量，要等GPS稳定约2分钟左右才能开始测量，否则将有较大的误差，代入记录数据后，如正常工作以后则其记录方式不受影响。

5 GPS RTK测绘技术展望

GPS正在越来越多的测量工作中得到应用，RTK技术与其它测量仪器和测量方法相比具有不能比拟的优势。通过实际工程应用试验表明，RTK技术可以用于地形测量，其精度能满足相关规范规程的要求，而且省时、省力，大大提高了工作效率，节省了费用。打破了传统的手工测绘理念，形成目前较好的一套数字化测绘解决方案，在工程应用中得到的一些数据和参数为以后运用RTK技术提供了宝贵的经验，在不久的将来更要大力发展多基准站RTK和网络RTK技术，为RTK在更广阔的领域应用，提供更高的精度和更好的效益。

参考文献

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