公路测量中GPS-RTK技术的应用研究

刘庆，陈侃侃

（中国海警局东海分局，上海，200333；2.中国航海图书出版社，天津，300450）

0 引言

我国幅员辽阔，公路跨度大，分布广，公路检测迥异。随着GPS通信技术的发展，GPS-RTK技术已被应用到公路工程测量中。RTK是一种常用的GPS测量方法，它的全称是实时运动学，即实时动态方式，它可以完成两个测量站的载波相位测量，将参考站采集到的载波相位采集到用户接收机进行接收。GPS-RTK技术允许预先设置参考站，参考站识别并接收卫星信号后，可直接通过通信网络将获取的信息转发给各用户[1]。用户可以通过联合求解接收到的接收机信息和参考台信息得到最终的基线向量，整个过程快速、准确便捷。随着GPS-RTK技术的不断完善，基于GPS-RTK技术的载波相位动态实时差分法已被应用于公路工程测量，其精度高，效果好，前景良好。

1 GPS-RTK技术在公路测量中的应用

1.1 公路控制测量

目前，我国的GPS-RTK技术主要是利用基站对被测目标位置进行观测和定位。测量基站装有GPS信号接收器，工作人员控制GPS监控系统，使GPS信号接收器获得测量目标的坐标定位信号。对于多个监测目标，可以控制GPS监测系统以获得相应顺序的目标观测点信号[2]，并通过GPS静态观测方式精确控制各观测点的坐标位置和监测时间。

1.2 公路中线测量

公路中心线的测量主要是利用GPS-RTK技术的线、曲线静态测量方法对公路中心线的位置坐标及相关信息数据进行测量。公路中线测量数据信息关系到整个公路工程的设计。根据公路施工方案，结合实际施工环境，工作人员在施工现场的关键点上定位采样点，利用GPS-RTK技术对主要观测点的位置信息和距离进行综合测量，获得准确的位置和测量结果。然后，根据调查结果，对公路中线重点桩点进行记录分析，并根据情况调整工程方案。

1.3 公路断面测量

公路中线测量完成后，利用地质调查设备和GPS-RTK技术对公路断面进行测量，得到公路断面或垂直断面的相关信息和测量数据。同时，该技术还可以对测量结果进行测试，将GPS-RTK技术信号接收器接收到的测量数据与信号进行对比分析，并通过匹配度对测量结果的准确性进行判断。之后，对收集和测量的数据按照一定的分类规则进行分类和存储，便于后续项目其他数据信息的测量和计算。

1.4 工程模型测绘

GPS-RTK技术也可用于道路模型绘制。首先，计算机模型绘图系统根据工程建设的基本地形确定公路基本绘图模型。然后，根据模型中的关键点和等高线点，采用GPS-RTK技术，通过静态和动态测量相结合的方法对公路实际的关键采样点和等高线进行测量和定位。必要时，建立模型制图网格，并将观测信息和测量结果按相应比例转换，建立网格中关键点对应的公路模型，绘制或调整准确的公路工程模型图。

2 GPS-RTK技术数字测绘

2.1 测量数据采集

公路测量和数字化测绘，根据工程方案和工程实际情况，收集主要工程测量数据信息。通过长期运用观测基站的GPS信号接收器，观测范围内一个或多个坐标点的空间、坐标信息和相对位置，接收天线接收卫星的定位信息。在野外观测过程中，主要采用GPS-RTK测量仪、全站仪等测量仪器进行公路工程的野外测量，将采集到的数据传输到计算机系统，通过数字测图系统对信号数据进行处理和分析。然后根据信息分析结果对公路工程图像进行编辑和绘制。

2.2 RTK数据处理

GPS信号数据采集设备采集的信号信息存在一定的误差，在信号传输过程中容易受到时差、大气折射等诸多因素的干扰。采用伪距离法对数据信息进行校正，根据接收机与信号卫星之间的距离计算接收过程中的时差或其他信息误差，使最终定位测量结果更加准确。伪距离法的操作过程：

式中，σ为信号传输的伪距离;ta为信号卫星发送信号的时间;tb是地面GPS接收器接收卫星信号所需的时间。伪距离等于信号传播的时间差乘以光速C。

然后根据卫星时间与地面时间的误差对传播时间进行修正：

根据上式可得到修正后的信号传播时间，再代入式(1)即可得到：

式中:tb-ta为经过时间误差校正后的实际信号传播时间，但在此过程中测量的信号仍会受到大气电离子等因素的干扰，所以需要再次进行除杂校正操作：

式中， 为信号在大气中传播时电离折射引起的延迟时间。之后，可以得到信号卫星与GPS接收机之间更精确的距离：

根据上式，通过伪距离法得到实际信号传播距离，代入观测点(x‘，y‘，z’)的空间坐标，得到精确的定位数据，并修正距离误差：

通过上述计算过程，获得了误差小、精度高的定位信息和距离测量数据。

2.3 工程模型测绘

（1）映射程序根据项目的现场测量数据绘制草图,导入要点空间坐标信息和相对距离数据,并生成一个相对于GPS观测基站观察的公路工程草图。这个过程需要测量工人和观察者观察、记录和校正位置和角度等参数。生成的公路局部草图，如图1所示。

图1 公路局部草图

（2）采用编码方法绘制公路局部草图。计算机测绘系统根据采集的测量数据和相对位置关系对地形进行识别和编码，并根据系统的内部语言绘制数字编码地图。特殊地形点要用相应的编码语言进行表达，公路工程重点也要进行编码和标记。公路与观测参考对象位置关系的编码图像如图2所示，公路基本形状的编码图像如图3所示。

图2 公路与观测参照物位置关系编码图像

图3 基本的公路形态编码图像

（3）利用数字测图程序通过测量偏移方法对测量目标进行测量，通过垂直偏移测量不同测量目标测点的角度、水平距离和实际特征。

（4）数字测图系统根据现场数据和局部编码地图，结合实际地形的等高线信息，将二维数字信息转化为三维空间数据，通过三维建模程序绘制公路地形数字地图。然后，根据项目要求，对数字地图进行优化，利用动画制作程序，结合卫星信号信息和采集的真实场景图像，对三维道路数字地图进行动态投影和调整。从而更清晰、真实地反映道路工程建设的全景形象。

3 相关应用

3.1 公路概况

乌干达公路升级项目是一条104公里长的公路，环绕维多利亚湖，穿过乌干达东部的五个地区，连接乌干达和肯尼亚之间的重要边境城镇布蒂亚。该项目的起点是Musita，距离首都坎帕拉约200公里。Musita和Lumino距离约77公里，Busia和Majanji距离约27公里。布西亚位于乌干达和肯尼亚的国际边界上。将现有约6m的土路改造为7m的沥青路。道路两侧设置宽度为1.5m的路肩，路肩结构与路面相同。项目属于热带气候区。每年有两个雨季，降水量大，气候相对湿润。地势平坦，沿花岗岩分布，少量玄武岩和部分石灰石;该线广泛覆盖洪积层、上覆砂层、亚砂层和亚粘土层。

3.2 应用结果

采用CORS、激光雷达和GPS-RTK技术对高速公路进行了测量，并对测量精度进行了计算和比较。具体结果见表1。

表1 3种测量技术测量精度

由表1可以看出，GPS-RTK测量技术在公路建设测量过程中具有较高的测量精度和较大的优势。这有利于提高公路施工数据信息的准确性和可靠性，提高公路工程数字化模型测绘施工的真实性。根据目标区域内观测点位置和距离的测量数据，导入数字测图系统，绘制区域公路数字图像。结果如图4所示。从图4可以看出，基于GPS-RTK技术测量数据的测绘数字图像更加清晰准确，整体环境观测和测绘更加全面。传统测量技术基于测量数据生成的局部道路数字图像清晰度低，缺乏区域道路图像，整体图像模糊，图像绘制完整性低。

图4 3种测量技术数字图像测绘效果图

4 结语

本文介绍了GPS-RTK技术在公路测量中的应用现状，分析了基于GPS-RTK技术的公路图像数字化测图方法，并通过工程实例证明了GPS-RTK技术具有较高的测量精度，表明其实际应用效果良好。可以为公路测量技术的相关研究提供技术参考，有利于公路建设研究的进一步发展。