GPS定位技術(shù)和全站儀相配合在航道測(cè)量中的應(yīng)用

1、GPS定位技術(shù)和全站儀相配合在航道測(cè)量中的應(yīng)用廣東省航道勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司 林方炎摘要：內(nèi)河航道工程的整治和維護(hù)，迫切需要實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地反映航道水深變化的航道水深地形圖。而GPS定位技術(shù)的應(yīng)用迅速滲透到航道工程測(cè)量領(lǐng)域，尤其是GPS-RTK現(xiàn)代測(cè)繪技術(shù)的應(yīng)用，大大提高了航道水深測(cè)量的周期和精度。本文結(jié)合西江航道整治工程的航道測(cè)量中GPS定位技術(shù)和全站儀相配合使用的應(yīng)用實(shí)踐，探討兩者的優(yōu)化組合能夠快速、準(zhǔn)確和高效地完成測(cè)量任務(wù)，取得良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。關(guān)鍵詞：航道測(cè)量 全站儀 GPS RTK 1 引言以前的內(nèi)河航道測(cè)量是采用全站儀、測(cè)深儀等常規(guī)儀器進(jìn)行，工作進(jìn)度慢、效率低，且得花費(fèi)大量的人

2、力物力，而GPS測(cè)繪定位技術(shù)在航道工程測(cè)量中的應(yīng)用，大大地實(shí)現(xiàn)了航道測(cè)量人的美夢(mèng)。本院測(cè)量隊(duì)在西江（肇慶至封開(kāi)界首）172km的航道整治工程測(cè)量中，靈活配置全站儀和GPS定位儀的組合，大大提高了野外測(cè)量效率，在兩個(gè)月時(shí)間內(nèi)高速優(yōu)質(zhì)地完成了所需的航道數(shù)字化水深地形圖。2 GPS定位技術(shù)和全站儀測(cè)量工作原理2.1作業(yè)工作原理實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量RTK（Real Time Kinematic）技術(shù)是基于載波相位觀測(cè)值的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位技術(shù)，它能夠?qū)崟r(shí)快速地獲得測(cè)量點(diǎn)的三維定位坐標(biāo)值。在RTK作業(yè)模式下，基準(zhǔn)站接收機(jī)架設(shè)在已知坐標(biāo)的參考點(diǎn)上，連續(xù)接收所有可視GPS衛(wèi)星信號(hào)。流動(dòng)站接收機(jī)在初始后，通過(guò)無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)鏈接收

3、來(lái)自基準(zhǔn)站的載波相位觀測(cè)值、偽距觀測(cè)值等數(shù)據(jù)的同時(shí)也同步觀測(cè)采集GPS衛(wèi)星載波相位數(shù)據(jù)，通過(guò)系統(tǒng)內(nèi)差分處理求解載波相位整周模糊度，實(shí)時(shí)求算出流動(dòng)站厘米精度級(jí)坐標(biāo)。而全站儀雖然屬于電子測(cè)量設(shè)備，除了受測(cè)站互通視環(huán)境影響外，使用范圍還是比較廣，是一門(mén)比較成熟的測(cè)量定位技術(shù)。它的工作原理是在測(cè)站上架設(shè)儀器，通過(guò)測(cè)角、測(cè)邊確定測(cè)量點(diǎn)的位置，或直接測(cè)量待定點(diǎn)的坐標(biāo)值，是常規(guī)的三維極坐標(biāo)測(cè)量方法。2.2測(cè)量坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換 GPS衛(wèi)星觀測(cè)的坐標(biāo)系統(tǒng)為世界大地坐標(biāo)系（WGS-84），而我們?cè)谄綍r(shí)的測(cè)量工作中通常使用的是國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的1954年北京坐標(biāo)系或1980西安坐標(biāo)系，這樣就存在一個(gè)坐標(biāo)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換問(wèn)題，坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

4、根據(jù)工程特點(diǎn)進(jìn)行有七參數(shù)或三參數(shù)的轉(zhuǎn)換。全站儀測(cè)量不涉及到參數(shù)的轉(zhuǎn)換問(wèn)題，如果需要轉(zhuǎn)換也是控制網(wǎng)坐標(biāo)系統(tǒng)的統(tǒng)一轉(zhuǎn)換，與測(cè)量?jī)x器無(wú)關(guān)。3 兩種測(cè)量?jī)x器在西江航道測(cè)量的實(shí)際應(yīng)用3.1工程概況、測(cè)量?jī)?nèi)容和設(shè)備西江（肇慶至梧州界首）172km航道整治工程是“十·五”期間廣東省的重點(diǎn)建設(shè)工程，按國(guó)家內(nèi)河二級(jí)航道標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行整治設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)尺度3.5m×80m×550m（水深×航寬×彎曲半徑），航道整治的最終目標(biāo)要達(dá)到江海直航標(biāo)準(zhǔn)，常年通航3000t級(jí)江海輪。測(cè)量?jī)?nèi)容是對(duì)該河段進(jìn)行全程172km的平面控制、高程控制、地形測(cè)量、水深測(cè)量及水位觀測(cè)等，測(cè)量比例尺為1

5、:5000，并以CAD數(shù)字化建模成圖。測(cè)量技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)主要以交通部水運(yùn)工程測(cè)量規(guī)范（JTJ 2032001）為依據(jù)。測(cè)量要求以GPS-D級(jí)網(wǎng)作為測(cè)區(qū)首級(jí)平面控制，并以河道走向布設(shè)I級(jí)附（閉）合導(dǎo)線(xiàn)和加密圖根點(diǎn)的測(cè)量，兩岸陸域地形從河道水邊線(xiàn)測(cè)至防洪大堤，地形測(cè)量面積約計(jì)80km2；河道全部水深測(cè)量面積約計(jì)140km2；加對(duì)河道中阻航礁石區(qū)進(jìn)行1:500放大圖測(cè)量；測(cè)繪工期為100個(gè)工作歷日。 根據(jù)測(cè)區(qū)的特點(diǎn)，我們以?xún)蓚€(gè)作業(yè)班組分組分段施測(cè)，共投入了6臺(tái)套雙頻GPS接收機(jī)（標(biāo)稱(chēng)靜態(tài)精度5mm±1 ppm、動(dòng)態(tài)精度10mm±1 ppm），6臺(tái)套各類(lèi)型級(jí)別的全站儀，3臺(tái)套數(shù)字化測(cè)深儀

6、以及配備必要的多套地形水深測(cè)量成圖軟件。3.2平面控制測(cè)量中的應(yīng)用根據(jù)測(cè)區(qū)河道流域的地形特點(diǎn)，結(jié)合今后航道整治的施工定位、竣工驗(yàn)收、航標(biāo)設(shè)計(jì)定位及航道維護(hù)的實(shí)際需要，以D級(jí)GPS網(wǎng)作為測(cè)區(qū)平面控制的首級(jí)控制網(wǎng)，且以滿(mǎn)足I級(jí)導(dǎo)線(xiàn)測(cè)量規(guī)范下每隔8km左右在兩岸布設(shè)一對(duì)互相通視的D級(jí)點(diǎn)作為導(dǎo)線(xiàn)起（閉）點(diǎn)。本測(cè)區(qū)以三大段D級(jí)GPS網(wǎng)組成，且每個(gè)網(wǎng)交接處公共邊均進(jìn)行聯(lián)測(cè)。I級(jí)導(dǎo)線(xiàn)測(cè)量是利用新測(cè)GPS-D級(jí)點(diǎn)作為起算閉合。導(dǎo)線(xiàn)布設(shè)時(shí)依江面寬窄情況沿單岸走向或之字形兩岸過(guò)渡。3.3碎部地形測(cè)量中的應(yīng)用地形測(cè)量時(shí)根據(jù)各種因素綜合考慮，采用了GPS-RTK與全站儀相配合的生產(chǎn)模式，每測(cè)段各分為一個(gè)RTK作業(yè)組，

7、兩個(gè)全站儀組，并跟水深組同步進(jìn)行。由于地形測(cè)量范圍是從水邊線(xiàn)測(cè)至兩岸大堤頂?shù)拈L(zhǎng)距離帶狀，堤岸上的地形幾乎沒(méi)有遮擋，有利于RTK組的采點(diǎn)施測(cè)。在正式野外施測(cè)時(shí)，將基準(zhǔn)站架設(shè)于已知的河邊小山頂、水閘頂和樓（屋）頂上的D級(jí)點(diǎn)上，RTK流動(dòng)站初始化后，利用附近3個(gè)已知控制點(diǎn)求算坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)和高程異常，然后進(jìn)行碎部點(diǎn)的三維坐標(biāo)的施測(cè)，每點(diǎn)觀測(cè)2min，觀測(cè)數(shù)據(jù)存入手薄機(jī)內(nèi)存中，同時(shí)現(xiàn)場(chǎng)畫(huà)草圖。一天的外業(yè)結(jié)束后，再取出所有的測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)，到內(nèi)業(yè)繪制地形圖。而在測(cè)區(qū)江邊的城鎮(zhèn)、村莊、橋梁、碼頭、水閘和果園等地形，GPS天線(xiàn)遮擋嚴(yán)重，不利于RTK的固定解，則由全站儀組來(lái)完成。作業(yè)時(shí)先由RTK組在復(fù)雜的地形中布設(shè)至

8、少兩個(gè)互相通視的RTK控制點(diǎn)，全站儀組在其上架設(shè)儀器進(jìn)行碎部復(fù)雜地形測(cè)量，但施測(cè)前必須對(duì)測(cè)站和定向站的距離（或坐標(biāo)差）與高程進(jìn)行檢核，如果s>2cm或者h(yuǎn)>2cm就要注意檢查，如有必要?jiǎng)t圖根點(diǎn)須重測(cè)。全站儀與便攜式電腦和繪圖軟件構(gòu)成“電子平板作業(yè)模式”，即所測(cè)則所得，避免事后內(nèi)業(yè)處理的錯(cuò)誤和負(fù)擔(dān)。3.4航道水深測(cè)量中的應(yīng)用動(dòng)態(tài)GPS-RTK水上定位技術(shù)，使水深測(cè)量走上了自動(dòng)化測(cè)深的軌道。從水深斷面線(xiàn)的布設(shè)，水深點(diǎn)采集及最后成圖，均在計(jì)算機(jī)上完成，大大縮短了測(cè)量時(shí)間，并且做到測(cè)深定標(biāo)與水上定位的時(shí)間完全同步，GPS天線(xiàn)與測(cè)深儀換能器可在同一位置，做到測(cè)深點(diǎn)與定位位置完全重合，從而提高

9、了測(cè)深質(zhì)量。在西江河面上基準(zhǔn)站的數(shù)據(jù)鏈傳播可達(dá)15km，減少了以往全站儀測(cè)量時(shí)的搬站時(shí)間。一艘測(cè)深艇上只需配備2人（其中1人駛船、1人操作電腦）一天則可完成4km2的水域測(cè)量面積。作業(yè)時(shí)不緊張，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，提高工作效率，徹底改變了傳統(tǒng)的水深測(cè)量作業(yè)方法。4 兩種測(cè)量?jī)x器中實(shí)際應(yīng)用的對(duì)比和精度分析從精度上分析，由于RTK測(cè)量不存在誤差積累問(wèn)題，從大量的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析其測(cè)點(diǎn)精度基本可滿(mǎn)足圖根控制和碎部測(cè)量的要求，但要滿(mǎn)足一級(jí)導(dǎo)線(xiàn)的精度要求還應(yīng)采取相應(yīng)的措施，且其高程精度不是太穩(wěn)定，有時(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn)一些明顯的測(cè)點(diǎn)高程偏差。而全站儀施測(cè)過(guò)程中則不會(huì)產(chǎn)生這樣的情況。經(jīng)用全站儀對(duì)RTK所測(cè)的部分碎部測(cè)量點(diǎn)進(jìn)行檢

10、核，它們的坐標(biāo)和高程之差均在23cm，基本沒(méi)有超過(guò)5cm，可見(jiàn)用RTK所測(cè)結(jié)果是可信的，但在使用RTK測(cè)量過(guò)程中應(yīng)與周?chē)乃鶞y(cè)相鄰點(diǎn)注意校核。從效率上考慮，RTK測(cè)量時(shí)只需較少的控制點(diǎn)，也就不需要經(jīng)常遷站，一個(gè)基準(zhǔn)站數(shù)據(jù)鏈可以控制十幾公里的測(cè)程距離，節(jié)省了遷站上的時(shí)間，另一方面，RTK測(cè)量投入的人員少，一般一組只需12人，而全站儀一組則要配45人，特別是水深測(cè)量方面更能發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)，因此利用RTK進(jìn)行碎部地形、水深測(cè)量可以提高外業(yè)測(cè)量效率、減少現(xiàn)場(chǎng)成本開(kāi)支。從經(jīng)濟(jì)上考慮，雖然RTK正逐漸得到普及，但它的價(jià)格還是比較昂貴，一般兩臺(tái)套基本型高精度的GPS配置售價(jià)30多萬(wàn)元，而一臺(tái)比較好的全站儀售價(jià)在

11、10萬(wàn)元左右，并且性能非常穩(wěn)定，在十年內(nèi)基本不需要對(duì)其投入任何維護(hù)費(fèi)用。如RTK整天當(dāng)作全站儀來(lái)進(jìn)行地形測(cè)量，日積月累，其天線(xiàn)和電臺(tái)很容易出現(xiàn)問(wèn)題，維護(hù)費(fèi)用較高。為此在進(jìn)行碎部測(cè)量時(shí)能夠使用全位儀的地方則多利用，而RTK則主要作控制測(cè)量、水深測(cè)量和在一些困難地區(qū)輔助全站儀使用。這種儀器配置模式，從本工程效果看，在各組相互配合、人員調(diào)配、工作效率上都取得了很好的功效，原本100天的測(cè)量工日，本隊(duì)僅用兩個(gè)月時(shí)間就順利地完成了所需的航道數(shù)字化水深地形圖測(cè)量任務(wù)。5 結(jié)論（1）GPS測(cè)繪定位新技術(shù)在未來(lái)的測(cè)繪行業(yè)將發(fā)揮越來(lái)越大的作用，靜態(tài)控制網(wǎng)測(cè)量，可完全起到控制整條江河流域的控制測(cè)量，至少能達(dá)到D級(jí)網(wǎng)以上精度，而在目前條件中RTK平面定位精度也比較穩(wěn)定，但高程測(cè)量方面應(yīng)加以注意。（2）動(dòng)態(tài)GPS-RTK定位技術(shù)，使航道水深測(cè)量走上了自動(dòng)化測(cè)深的軌道，徹底改變了傳統(tǒng)的水深測(cè)量作業(yè)方法。（3）全站儀作為一門(mén)成熟的測(cè)量?jī)x器在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)還會(huì)在碎部測(cè)量方面起主導(dǎo)作用。（4）在實(shí)