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浅谈RTK在线路纵横断面测量中的应用.doc

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浅谈 RTK 线路 纵横 断面 测量 中的 应用
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龙岩学院资源工程学院毕业论文题 目: 浅谈 RTK 在线路纵横断面测量中的应用 资源工程学院浅谈 RTK 在线路纵横断面测量中的应用【摘要】:本文介绍了 RTK 的组成、原理以及优缺点。并简述了 RTK 测量的关键技术,通过 RTK在线路纵横断面测量的方法和纵横断面测量的一般方法的对比,分析了线路纵横断面测量的精度及优缺点。并且对 RTK 技术在纵横断面测量的发展前景进行了简要的分析。【关键词】:RTK、线路、纵横断面、测量目录1 RTK 技术简介 ................................................................11.1 RTK系统的组成 ........................................................11.2 RTK技术的基本原理 ....................................................11.3 RTK技术的优点 ........................................................11.4 RTK技术的缺点 ...............................................................................................................12 RTK 测量的关键技术 ..........................................................22.1整周模糊度的确定 ......................................................22.2RTK数据传输 ...........................................................32.3坐标转换参数的求定 ....................................................32.4实时质量监控能力 ...........................................................................................................43 RTK 在公路纵横断面测量中的应用及其优势 ......................................43.1纵横断面测量的一般方法及要求 ..........................................43.1.1横断面测量 ..........................................................43.1.2 纵断面测量 ..........................................................53.2采用 RTK测量公路纵横断面的方法 ........................................53.3 RTK测量的误差来源和精度分析 ..........................................53.4 RTK在线路纵横断面测量的发展前景 ............................................................................64 结束语 ......................................................................6致谢 ..........................................................................611 RTK 技术简介1.1 RTK 系统的组成RTK系统主要由基准站接收机、数据链及移动接收机三部分组成。它为了提高定位精度,利用 2台以上 GPS接收机同时接收卫星信号,其中一台用来测定未知点的坐标(移动站) ,另一台安置在已知坐标点上作为基准站。基准站根据该点的准确坐标求出 其他卫星的距离改正数并将这一改正数发给移动站,移动站根据这一改正数来改正其定位结果。它能够实时地提供测站点指定坐标系中的三维定位结果,并达到厘米级精度。RTK 技术根据差分方法的不同分为修正法和差分法修正法是基准站将载波相位修正值发送给流动站,以改正其载波相位,然后求解坐标。差分法是将基准站采集的载波相位发送给流动站进行求差,解算坐标。前者为准 RTK技术,后者为真正的 RTK技术。1.2 RTK 技术的基本原理RTK技术实际上是一种实时动态差分 GPS定位技术,它采用了载波相位动态实时差分限方法。RTK 技术的原理是取点位精度较高的首级控制点作为基准点,安置一台接收机作为参考站对卫星进行连续观测,流动站在完成初始化后,一方面通过数据链接接收来自基准站的数据,另外自身也采集 GPS数据,并在系统内组成差分观测值进行实时处理,再经过坐标转换和投影改正,历时只需几秒钟时间就可以得到厘米级的定位结果。这样用户就可以实时监测待测点的数据观测质量和基线解算结果的收敛情况,根据待测点的精度指标,确定观测时间,从而减少冗余观测,提高工作效率。1.3 RTK 技术的优点作业效率高。传统测量外业容易受地形、气候、季节等诸多因素的影响,使测量精度、作业速度都受到很大限制,在能见度低,通视条件差的情况下,有些测量工作很难进行。而 RTK技术可以全天候作业,无论何时何地都可施测,一般不受天气状况影响。测站之间无须通视,但测站上空必须开阔,以便接收 GPS卫星信号不受干扰。定位精度高。GPS 不但能够达到 1:500 图根控制测量的点位和高程精度要求,而且误差分布均匀,不具有误差积累问题,完全可以满足大比例尺测图的需求。RTK 控制测量操作便捷,有很好的机动力,一方面可以大幅度提高作业速度,另一方面还能有效降低作业人员的劳动强度,特别在通视困难的地区更具有明显的优势,为了获得高精度的测量数据,必须求出适合于本地区的坐标系转换参数和水准面模型转换参数。根据四等及其以下各级控制测量与 1:500 图根控制测量对于精度要求的相似性以及原有 GPS点的检测结果,可以说明 RTK同样适用于四等及其以下的各级控制测量。综合测绘能力强,作业集成度高。可以胜任各种测量内外业工作,减少测量工作流程。基准站能够为不同用户提供多项信息输出,在作业时,无需人工干预就可以进行整周未知数的动态初始化解算,使辅助测量工作大大减少,作业精度也可以得到自动控制和记录。同时 RTK技术打破了分级布网,逐级控制的原则,简化控制测量繁锁的工作,一个测区可一次性整体布网,整体平差,控制网可以是任意混合,所需控制点数目比传统白纸测图大大减少。作业人员少,定位速度快,综合效益高。GPS 接收机只需一个人操作,在待测点等待的时间只需几秒就可得到该点的坐标数据,外业效率非常高。内业成图时自动进行分幅和接边,便于计算处理,节省了时间和人力。21.4 RTK 技术的缺点受卫星状况限制。受到技术的限制,GPS 卫星的空间组成和卫星信号强度都不能满足当前测量作业的需要,世界上有些国家在某一段时间段不能很好的被卫星覆盖。例如在中、低纬度地区每天总有两次盲区,盲区时卫星几何图形结构强度低,RTK 测量很难得到固定解。同时由于信号强度弱,在对空遮挡比较严重的地方 GPS无法正常应用。天空环境(电离层)影响。白天中午某段时间,受电离层干扰大,公用卫星数少,因而初始化时间长甚至不能初始化,也就无法进行相应的测量作业。由以往的经验告诉我们,每天中午 12-13点,RTK 测量很难得到固定解。数据链传输受干扰和限制、作业半径比标称距离小的问题。数据链电台信号在传输过程中容易受外界环境的影响,如高大山体、建筑物和各种高频信号源的干扰,在传输的过程中衰减下来,严重影响外业精度和作业半径。因此,我们摆设基准站时常常选择地域开阔的地方,而在建筑物密集的城镇,我们经常很难得到精确的外业数据。另外,当 RTK作业半径超过一定距离时,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。受高程异常问题影响。RTK 作业模式要求高程的转换必须精确,但是我国现有的高程异常分布图在有些地区,尤其是山区,存在较大误差,在有些地区还是空白的,这就使GPS大地高程转换至海拔高程的工作变得比较困难,精度也不是很高很均匀。2 RTK 测量的关键技术2.1 整周模糊度的确定目前, 存在多种求解整周模糊度的方法, 按观测过程中 GPS接收机所处的状态来分, 可分为动态法和静态法, 但这些方法求解模糊度的时间较长, 在进行动态使用时往往不能满足实时要求。本文采用一种利用低阶卡尔曼滤波器进行动态快速模糊度求解方法, 可实现对模糊度的动态、实时求解。实践表明, 该方法简单易行、计算量少、快速准确, 适合整周模糊度的快速动态求解。利用 GPS 双差载波相位测量时, 其数学模型式中,DD 为双差载波相位, G 为由天线到卫星的方向矢量线性组合矩阵,R a 为基线矢量, N0 为初始整周模糊度,√ G 为观测噪声, 在不考虑多路径误差时 , 其标准差为 0. 0019m。对公式( 2-1) 作以下线性变换, 令￿= null(￿T), 则￿ T￿=0即￿ T￿= 0在公式( 2-1) 两边同时乘以 AT, 得令￿=￿ T ￿￿, ￿= λ￿T, 则式( 2-2) 为由公式( 2-3) 可见观测方程中只含有 N0 为未知量, 因此取 N0 为状态量, 其状态方程为Ν 0 = 0 (2-4)利用式( 2-3) 、( 2-4) 可以组成 Kalman滤波器该 Kalman滤波方程不含有位置和基线等状态信息, 因此可大大降低 Kalman滤波阶次, 3有效提高运算速度, 加速模糊度的求解过程; 另外由于 Kalman滤波器是对动态线性系统的无偏最小方差估计, 适合于在动态情况下对整周模糊度进行在线估计, 所以利用该方法可以实现对模糊度的动态求解。2.2RTK 数据传输RTK通讯主要采用 UHF波,传播的方式主要是空间波,即直射波、折射波、散射波以及它们的合成波。这些传播方式穿透性强,直线传播性能好,但容易受地形、障碍物和地球曲率的影响当使用 9600波特率来传送数据时,每发送一组数据大约要占用 0.8秒左右的时间。因此基准站通常每秒传送一组 RTK改正数据。理想传送的距离为:D=4.24(√h 1+√h 2) (2-5)式(2-5)中,￿ 为数据链所覆盖范围的半径 ,以 km 为单位: h1和 h2分别为基准站和流动站的天线高,以 m为单位式(5)是指在无障碍物遮挡和无电波干拢的理想状态下的覆盖范围,实际上只是一个大概的数据,与实际情况多少会有一点差距。为了增强通讯能力,在进行 RTK测量时,可采用以下的方法:把 RTK基准站布设在RTK有效测区中央最高的控制点上;另一方面提高基准站和移动站天线的架设高度;同时是增益天线及高灵敏度接收机,并尽量缩短各移动点与基准站的距离,使其能满足“电磁波通视”如在地形地物遮挡时,可增设中继站等。2.3 坐标转换参数的求定RTK流动站在实现实时提供用户坐标成果的一个重要环节是 WGS-84大地坐标系到地方坐标系的转换参数问题。坐标转换参数的确定误差是 RTK 作业的主要误差源之一。选择先进的坐标转换的模型, 求得高精度的转换参数至关重要, 是获取高精度成果的基础。利用转换参数才能将 WGS-84 坐标转换成工程项目所在坐标系的坐标, 因此坐标转换参数的确定是 RTK 技术投入实际使用的关键。求解转换参数, 常用方法为七参数法( 三个平移参数∆X、∆Y、∆Z 三个旋转参数 εX、ε Y、ε Z,一个尺度比参数 m) , 而坐标转换的精度取决于已知参考点与待测点的几何关系。转换参数一般是利用重合点的 2 套坐标值通过一定的数学模型进行计算。当重合点的个数为 3 个以上时, 经常采用 BURSA-WOLF 模型进行转换。BURSA-WOLF坐标转换公式为:式中,X 𝒾、Y 𝒾、 Z𝒾为待求的空间大地直角坐标系坐标;X、Y、Z 为原空间大地直角坐标系坐标; ∆X、∆Y、∆Z 为两个坐标系统原点之间的平移参数; m 为两个坐标系统原点之间的尺度比参数; ε X、ε Y、ε Z 为旋转参数(欧勒角)。当测量精度要求不高时, 常略去尺度比 m、转换参数 εX、ε Y、ε Z, 可得到简化 BURSA-WOLF模型:式(2- 7) 中有 3个平移参数, 当有 1个重合点时就可进行 2中坐标系的坐标转换。当有 2个重合点时, 可选择其中一个为原点, 对( 2-6) 式变形得:式( 2-8) 中 Xi、Y i、Z i为空间大地直角坐标系坐标 ;X0、 Y0、Z 0为空间大地直角坐标4系原点坐标 X、Y、Z 为 WGS-84坐标系下任意点与原点的基线向量。如忽略尺度比参数, 则公式(2-8) 可简化为:+ (2-9)[Χ𝑖𝑌𝑖𝑍𝑖]=[Χ'𝑌'𝑍'][0 𝜀𝑧 ‒𝜀𝑦‒𝜀𝑧 0 𝜀𝑥𝜀𝑦 ‒𝜀𝑥 0]×[Χ'𝑌'𝑍']+[X0Y0Z0]转换模型(2- 9) 消除了坐标平移参数, 略去了尺度比, 仅保留 3个旋转参数, 有 2个重合点即可进行两种坐标系的坐标转换。简化的 BURSA-WOLF公式( 2-7) 、( 2-9) 具有形式简单、参数少、转换参数解算简便等优点。两个坐标系有 1或 2个重合点, 即可求出转换参数, 进行坐标转换。2.4 实时质量监控能力为了有效地开展实时 GPS测量,RTK 测量系统必须提供实时质量监控能力。工作人员不仅要了解流动站接收机的工作状态、卫星跟踪状态和信号质量、整周模糊度求解及点位成果的收敛情况,而且还能随时调阅参考站的工作状态、卫星跟踪状态和信号质量。只有这样,才能保证输出成果的可靠性,及时发现作业过程中出现的问题,并作出必要的干预。实时质量监控还应该包括对同一点位的当时测量成果与系统存储的先前测量成果进行实时比较功能。对于需要重复测量,进一步提高测量成果精度和可靠性的用户来说,野外就可以万无一失地提供经过检核的准确无误的测量成果,使 RTK作业免除大量的内业处理,同时也杜绝了一切返工现象。3 RTK 在公路纵横断面测量中的应用及其优势3.1 纵横断面测量的一般方法及要求3.1.1 横断面测量横断面测量的任务是测定线路各中桩处与中线相垂直方向的地面高低起伏情况,通过测定中线两侧地面变坡点至中线的距离和高差,即可绘制横断面图,为路基横断面设计,土石方量的计算和施工时边桩的放样提供依据。横断面应逐桩施测,其施测宽度及断面点间的密度应根据地形地质和设计需要而定。横断面测量的方法:横断面测量以中线地面点即中桩位置为直角坐标原点,分别沿断面方向向两侧施测地面各地形变化特征点间的相对平距和高差,由此点绘出横断面的地面线。常用的横断面测量方法有抬杆法、手水准法、花杆皮尺法和斜距法。5图 3-1抬杆法抬杆法适用于横向变化较多较大的地段,但由于测站较多,测量和累积误差较大图 3-2手水准法与抬杆法相比,此法精度较高,但不如抬杆法简便,一般适用于横坡较缓的地段。图 3-3花杆皮尺法图 3-4斜距法6用倾斜仪或带角手水准,以中桩为测站,分别测出各变坡点间的倾斜角 a,并用皮尺量出斜距 l,据以定出各变坡点的位置。横断面图的绘制:横断面图是绘在透明毫米方格纸的背面。在绘图前,先在图上标出中桩位置,注明桩号,一幅图上可绘制多个断面,一般是从左到右,由下到上依次测绘,如图 3-5所示。图 3-5横断面示例图横断面采集要求:根据纵断面选取的点位 ,进行横断面采集,保证横断面数据与纵断面上选取的点位数据一一对应横断面与纵断切面方向垂直,宽度一般为 50-100米,需要满足施工及征地范围的要求。进行横断面测量时,必须采集经过的地形变化点(包括陡坎坎上、坎下,既有公路铁路路堤、护坡,山谷、山脊,河流边线,水塘及鱼塘边线等) 。典型地形横断面测量时,需要选取的测量点数据精度要求达到厘米级,以保证计算施工造价的准确性。3.1.2 纵断面测量线路纵断面测量又称路线水准测量,它的主要任务是沿路中线设立水准点;测定路中线上各里程桩和加桩的地面高程;然后根据各里程桩的高程绘制纵断面图。纵断面测量常分为两步施测一是基平测量二是中平测量。基平测量的主要任务是沿线设置水准点,并测定它们的高程。中平测量是水准点测设后,根据水准点高程,用附合水准测量的方法,测定路中线各里程桩的地面高程,称为中平测量,即中桩高程测量(如图3-6) 。图 3-6中平测量纵断面图的绘制:路线纵断面图是表示线路中线方向地面高低起伏形状和纵坡变化的剖视图,它是根据中平测量成果绘制而成,如图 3-7。7图 3-7纵断面示例图纵断面采集要求:中桩采集间隔不超过 20米,遇地形变化点(包括陡坎坎上、坎下,既有公路铁路路堤、护坡,山谷、山脊等)及明显地物点(房屋边线,公路两侧边线,小路中心,电力线下方等)需要采集其标高数据,在工程中称为“加桩” 。3.2 采用 RTK 测量公路纵横断面的方法与一般 RTK相同,在外业开始前,首先在内业将需要进行测量的纵横断面设计坐标和需利用的控制点坐标按手簿要求的固定格式传入手簿。纵断采集:首先我们需要在合适的地方设置基准站,再利用移动站采集两个或两个以上控制点坐标进行平面和高程参数转换,满足限差要求后根据逐桩坐标进行中桩放样并将手簿调整到道路放线模块-纵断测量工具,手簿将计算出纵断线位上任意一点的坐标数据,然后进行放线采集,把编好号的木桩钉到实地正确位置。横断采集:由于 RTK采集的是三维坐标,我们设置好基准站和移动站后采用与全站仪相同的方法采集变坡点的三维坐标,将其按里程加上左右标记编号并保存,我们也可以利用 RTK里配置的采集横断面程序,省去立十字架步骤,直接通过手簿调整道路放线模块-横断测量模块,手簿能够计算出任意里程的纵断点位,并标示出该点位所处横断面位置,利用实时定位的方位,在外业能够准确选取横断面上的地形变化点。采用此种方法进行纵横断数据采集,能够有效的保证数据的可靠性,全视窗操作,优化作业人员的操作。另外,此方法还延续了 RTK一系列优点,包括作业半径大,作业灵活等。RTK 采集的数据为三维坐标,可供计算机直接使用 ,省去了繁琐的数据录入过程,大大的减少了内业录入造成的错误,还可利用三维坐标数据检查外业采集的数据是否准确,是否满足纵横断采集的要求。3.3 工程应用实例及相关数据3.3.1 工程概况测区位于南平市顺昌县将军村所拟建的一条公路,全长约 6 公里。该公路地势相对平坦,植被稀疏,完全适用于 RTK 进行断面测量,经过几天的施测,
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