GNSS-RTK技术在道路断面测量中的应用

刘 鑫，朱 福，舒 航，孟令聪，于成江，尚桦雨

(吉林建筑大学 交通科学与工程学院 长春市 130118)

道路纵横断面测量是以绘制纵、横断面图为最终目的，按照相关技术要求在实地采集地貌特征点三维坐标的测量过程[1-2]。道路纵断面测量又称线路水准测量，其主要任务是测定中桩的地面高程，绘制道路纵断面图，用于线路纵坡设计，传统方法是采用水准仪先基平测量，后中平测量。道路横断面测量是测定各中桩两侧垂直于中线方向的地面高程，传统方法是用皮尺和水准仪相结合方法测出各地形特征点相对于中桩的平距和高差，绘制道路横断面图，用于路基设计与土石方量计算[3-4]。

随着测绘技术的飞速发展，尤其是GNSS的广泛应用，改进了传统的测量方式，外业测绘工作的劳动强度大大降低，工作效率大大提高，工作方式及工作环境显著改善[1-4]。GNSS-RTK技术可为厘米级精度需求的工程提供快速的测量和放样服务。因此，有必要就GNSS-RTK的工作原理、系统组成及用于道路纵横断面测量的可行性开展深入的研究。

1 GNSS-RTK工作原理与系统组成

GNSS是个综合性概念，泛指美国的GPS、俄罗斯的GLONASS、欧盟的Galileo及中国的BDS[5]。GNSS-RTK是一种实时动态测量技术，可分为常规RTK(Standard RTK)和网络RTK(Network RTK)两种类型。RTK的工作原理为载波相位差分原理。

1.1 常规RTK

常规RTK的基本工作思想是在基准站上安置一台GNSS接收机，对卫星进行连续观测，并通过无线传输设备(内置电台或外置电台)实时地将观测数据及基准站坐标信息传送给流动站；流动站一方面通过接收机接收GNSS卫星信号，同时还通过无线电接收设备接收基准站传送的观测数据，然后根据相对定位原理，实时地处理数据，并实时地以厘米级的精度给出流动站的三维坐标。常规RTK系统组成包括：GNSS接收设备，基准站与移动站间的数据传输系统，实时动态测量软件系统。

1.2 网络RTK

网络RTK是基于连续运行参考站(CORS)的网络实时动态定位系统的简称。其基本工作思想是在某一区域构成网状覆盖的多个GNSS参考站，利用载波相位观测值，以这些参考站中的一个或多个为基准计算和播发GNSS改正信息，对该区域内的用户进行实时改正定位。网络RTK系统组成包括：连续运行参考站网络系统(CORS)，数据处理中心，用户。

1.3 常规RTK与网络RTK的区别

(1)常规RTK的作业前提是基线两端大气传播误差强相关，因此流动站相对于基准站的距离一般应小于15 km；

(2)常规RTK要求实时或准实时解算，因而多余观测数大大减少，解算的整周未知数质量较低；

(3)常规RTK的数据传输方式与定位解算模式很难实现数据和解算结果的实时质量控制。

网络RTK较好地解决了上述问题，保证了流动站的定位精度，拓宽了RTK的应用范围。

2 道路纵横断面数据采集方法

本研究以上海华测导航技术有限公司生产的T8型GNSS接收机与多平台LandStar7.0测量软件为例，说明利用RTK技术对道路纵横断面测量的具体方法。

2.1 T8型GNSS接收机与LandStar7.0软件简介

T8型GNSS接收机的常规RTK精度为：平面±(8+1×10-6×D)mm，高程±(15+ 1×10-6×D)mm；网络RTK精度为：平面±(8 + 0.5×10-6×D)mm，高程±(15+ 0.5×10-6×D)mm。其突出特性包括220通道北斗全星座，支持30°以内倾斜测量功能，4G网络高速传输功能，具有云端智能升级功能等。

LandStar7.0测量软件结合了实际工程经验和GNSS作业优势，集点测量、地物测量、点放样、线放样、点校正、面积周长、角度转换、三参数和七参数的计算等功能于一身，能够较好地满足测量行业的各种工程需求。

2.2 道路纵横断面测量前的准备工作

(1)收集测区资料；

(2)基准站设置；

(3)流动站设置；

(4)点校正。

2.3 道路纵横断面测量实施步骤

(1)道路中桩放样与纵断面测量

LandStar7.0测量软件中道路放样模块提供了元素法与交点法两种平面曲线计算方法。

元素法首先在编辑界面选择元素类型，输入曲线要素。直线需输入方位角和长度；圆曲线需输入半径和长度，选择是左偏或右偏；出/入缓和曲线需输入起始半径、终止半径、长度，当起始半径、终止半径留空或为0时对应的半径为无穷大。输入完毕，点击OK，将该曲线添加到曲线列表中。全部曲线输入完毕，点击确认，使输入的参数生效，程序进行整条道路曲线的计算。

交点法首先在编辑界面输入起点坐标和桩号，点击OK，在列表中添加相应行，然后再次点击追加，输入第一个交点的坐标和对应的曲线组合类型及要素。在类型下拉列表中选择曲线的组合类型(圆弧、缓/缓、缓/圆/缓、点)。根据所选的曲线组合类型，分别填入所需的数据(半径、圆曲线长、入缓和曲线长、出缓和曲线长)。输入完毕后，点击确认，使所输入的数据生效。采用相同的方法依次添加各交点及对应数据要素。最后点击追加，输入终点坐标。全部输入完毕点击确认，使输入参数生效，程序进行整条道路曲线的计算。

点击【测量】→【道路放样】，进入道路放样界面，打开已有道路文件，准备放样。在放样选项里，使用里程作为点名，设置放样限差，当不满足限差测量时，软件将弹出警告提示“距离超出限制，是否继续测量”。在测量选项里，可选择的放样指示方法有显示北、东类型；显示横偏纵偏；根据当前位置实时显示里程；显示设置里程的坐标。输入中桩里程，根据提示放样，并进行三维坐标测量，即纵断面测量。

(2)道路横断面测量

在【道路放样】界面，测量选项里勾选横断面，即进入横断面测量模式，在道路视图中出现一条与道路曲线垂直的红色线条表示横断面。横断面采集时，一般是纵偏接近于0，表示当前位置在横断面上；横偏不为0，表示测量位置与中桩的距离。横偏为负值，表示当前位置在道路左边；横偏为正值，表示当前位置在道路的右边。点位选好后，点击测量即可获取三维坐标数据，以此类推，完成道路横断面测量。

2.4 道路纵横断面测量数据导出

进入LandStar7.0测量软件中的【道路管理】界面，单击导出，可选择导出常用的纬地、海地格式的横断面、纵断面数据，并且可以导出中桩坐标的详细测量成果。

3 实例分析

依托学校公路勘测实习基地，进行了道路控制网布设与道路线型设计。开展了道路逐桩坐标计算与中桩坐标放样，采用T8型GNSS与博飞自动安平水准仪，分别就设计道路纵横断面进行了测量，部分点位的RTK高程与水准高程测量结果，见表1。

表1 RTK测量高程与水准测量高程的比较

由表1可知，RTK高程与水准高程最大差值不超过4 cm。GNSS-RTK高程能满足道路纵横断面设计的精度要求。

为了体现RTK技术一次性测量过程的优势，将RTK技术一次性测量与水准测量方法进行了比较，结果见表2。

表2 RTK技术与传统测量方法比较

实践证明，由于水准测量高程受本身条件束缚，速度较慢，且易受外界条件影响。使用RTK测高程，具有极大的灵活性，且RTK测的每个高程点是相互独立的，其高程精度基本一致。

4 主要结论

在阐述了GNSS-RTK工作原理与道路纵横断面测量方法基础上，进行RTK高程与水准高程实测数据的对比分析，并就两者的作业模式、工作效率等方面做了详细比较，取得如下主要结论。

(1)网络RTK保证了流动站的定位精度，拓宽RTK的应用范围。

(2)GNSS-RTK高程能满足道路纵横断面设计的精度要求。

(3)GNSS-RTK技术具有一次完成道路中桩放样与纵横断面测量的优势。