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【摘 要】在地下管线探测工程项目活动中,为了提高工程质量,提高工作效率,不断吸纳新技术新方法。RTK在地下管线探测方面的运用就是如此。我们通过对RTK在不同条件下的工作状态和能达到的技术指标,寻找出RTK适宜的工作环境及应注意的相关问题。
【关键词】RTK;实时差分;系统误差;偶然误差;初始化;流动站;基准站
Application analysis of RTK Surveying Technology in underground pipeline detection of Engineering
Niu Zhi-jie
(Henan Province Geophysical Engineering Investigation Institute Zhengzhou Henan 450053)
【Abstract】In the detection of underground pipeline project activities, in order to improve project quality, improve the work efficiency, we should be continue to absorb the new technologies and new methods. RTK exploration is the case which in the use of underground pipeline. We passed through the RTK which under different conditions of working states and achieved the technical indicators to find out the RTK suitable working environment as well as the related issues should be noted.
【Key words】RTKReal-time differential;System Error;Accidental error;Initialization;Roxing station;Base station
1. 序言
随着GPS (RTK)方面技术成熟,它们在工程方面的应用日益广泛。而城市地下管线作为工程测量的一部分,RTK技术的引进和应用,将会给该行业带来一场革命,一次飞跃。
为了进一步验证RTK技术在工程测量中的精度和可靠度,结合在成都市温江区城市地下管线普查项目的实施情况,通过对比作业结果,总结出了RTK使用应采取的测量措施,以利于在确保工程精度的前提下,减轻劳动强度并提高工作效率。
2. RTK技术的工作原理
RTK(GPS实时动态)测量技术以载波相位观测量为依据的实时差分。GPS测量技术,它能够实时获得观测点在指定坐标系统中的三维定位结果,达到厘米级精度。RTK系统主要由一个参考站(即基准站)、若干个流动站、数据通讯系统三大部分组成。在RTK作业模式下,基准站通过数据链将其观测值和测站坐标(已知)信息一并传输给流动站,流动站不仅通过数据链接收基准站数据,还采集了GPS观测数据,并在系统内组成差分观测值进行实时处理,同时解算出厘米级定位结果。只要能够保持4颗以上卫星相位观测值和必要的几何图形,流动站可随时给出厘米级的结果。
3. RTK测量误差源及参数
3.1 RTK测量误差源。
影响RTK测量误差主要有GPS卫星、设备自身测量环境、应用技能、技术方案等几种因素。
(1) GPS卫星。
GPS系统本身误差源包括GPS卫星数、卫星图形、大气等状况,RTK在该方面的误差类似于GPS系统误差。大量的文献资料表明,基线越长,电离层和对流层对其产生的影响越大,观测结果的误差也越大,解算的结果可靠性越低。所以RTK的控制半径在5KM以内较适宜。
(2) RTK设备。
RTK设备品牌较多,精度高低、稳定性能也参差不齐。设备的影响因子、数据链、天线类型和处理软件也不尽相同,对精度影响、性能的稳定度、故障率高低、结果的可靠度也存在差异。对于设备本身所标定的精度而言,只能说明在理想状态下,仪器设备本身所能达到指标,而在实际工作中,仅能作为参考,其实际达到的精度,要在实际工作中予以验证——统计——确定。
(3) 测量环境。
在观测使用过程中,必须注意地形条件、基准站与流动站之间的传输条件、基准站的覆盖情况、路径效应、、电磁波(无线电、电力设施等)干扰等因素。
(4) 应用技能。
测量误差一般分为系统误差和偶然误差。系统误差具有固定性,一旦发现,易于排除;偶然误差具有随机性,不固定性,所以操作员的专业水平、工作经验和作业态度对提高测量成果精度和数据的可靠性起着很大作用。操作员需具备外业采点、内业处理的综合能力,具备快速判断导致异常情况、粗差数据的处理能力。
(5) 技术方案。
技术方案选择的合理和正确性对观测成果的可靠性起着很大的影响。如基准站位置的选择、坐标系统参数的选择、观测时间的选择、质量控制手段及数据检核路线等等。
3.2 RTK的转换参数。
一般来说,RTK实在WGS-84坐标系中进行,但往往在地下管线工程施工中,最终提交成果大部分要求统一于地方坐标系中,也就是说要通过一定的转换参数,将施测的坐标控制系统转换到本地的坐标系统之内。
考虑到城市地下管线探测范围一般均大于15Km2,所以在参数设置上采用七参数设置(三维平移向量、三维旋转值和一个尺度因子)。尽量多的选择公共点(大于等于3个),按最小二乘法求得七个参数的最或然值,而后对控制网进行三维平差,转变坐标系统。七参数的求解尽管复杂,但它不受作业范围的限制,有利于基准站的选择,使用过程中测量精度相对稳定,精度也相对较高。
4. RTK定位精度可靠性试验
通常设备厂商提供的精度参数只是在理想状态下仪器本身可以达到的精度,这方面的数值只能
界定仪器本身的级别,对使用者仅作参考。它将受到工作时段的卫星状态、气候条件、作业环境、技术应用等方面的影响,这些影响因素将直接的影响设备最终达到的实际测量精度。所以对设备进行必要的试验、一定量的测定是必须的。
我们在温江测区使用美国天宝5800的RTK(平面精度10mm+1ppm,高程精度20mm+1ppm)进
行了控制和物探点采集这方面的验证和测试。
4.1 控制点精度的验证。
在参数设定完成后,为了验证RTK的实测精度,首先利用拓普康GTS-332W仪器布设了
一条5个点的二级导线,两者进行对比。另外对温江区规划局提供的I级导线点和个别GPS点进行了对比,对比结果见表1、表2。观测时,基准站设于已知点上,流动站采用三脚架对中,观测时段在当天的基本允许时段,观测时间不少于1分钟,每点对观测到的4次有效的数据进行平均,作为该点的坐标值。
从以上两个表的统计结果表明,平面精度相对较高,高程精度相对较低,但都在《规范》允许范围之内。
4.2 物探点采集精度的验证。
对RTK的应用,不能只局限于控制网的加密,只有把它运用到能够利用的地方,才能发挥它的有效功能。为了验证在物探点(碎部点)采集过程中的精度情况和对自然环境的使用范围,我们分不同的区域验证了RTK测量与全站仪测量的对比数据。各类环境测量成果对比结果表3、表4、表5;
由现场的实测经过表3、表4统计结果可以看出,由于城市管线施工多在道路上,一般情况下,RTK可以直接运用到实际生产中,能充分发挥其速度快、准确、高效的特点;在街道狭窄,且两边为高大建筑物密布地段(这样地段少)时,RTK初始化速度较慢,测量精度也受到影响,但如果无高大建筑物时,适当的改变对中杆的高度,也能达到高精度实测的目的。
表5的统计是在超高压输电线(≥10KV)下、或高压输电设备附近(变电站),树木高大,叶片覆盖较密的地方进行的验证,有两种情况出现:一是RTK在这样的自然环境下无法展开工作,一直处于待机状态,二是RTK初始化速度缓慢,所测得结果可信度低。
5. 提高RTK精度的方法
(1)在条件具备时,运用RTK是一种较好的选择,在条件不具备时,可以在合适位置以RTK布设一些图根级控制点,提供给全站仪使用,将RTK-全站仪有机的结合起,发挥各自优势,达到事半功倍之目的。
(2)在使用RTK技术施测控制点加密时(一般图根级),应充分保证RTK的高程控制数据的精度,对基准站的选择和流动站的位置选取,自然条件均要高于物探点的采集,尽量多的与周边已知点进行校核,再对数据采用合理的粗差剔除。
(3)对于一些RTK失锁的现象,要重新初始化,并在初始化完成后于臨近已知点进行校核,对失锁频繁的路段要用全站仪采集方法进行物探点的收集工作。
(4)在条件允许的条件下,对于图根控制加密,尽量采用双基站,可减小对流层的延迟对RTK产生的随机偶然误差,利于消除基准站对RTK站系统误差的影响。
(5)对RTK的参数设置应采用七参数实施,保证测量成果的可靠性和稳定性。
(6)基准站应选在远离强电强干扰源和信号反映物,基准站与流动站之间距离控制在5Km之内。
(7)在RTK作业范围内由全站仪进行检测,在全站仪施测定地段由RTK进行检查,增加检核机会,增大对比概率。
6. 结束语
先进的科学技术,有力的推动了生产力的发展。RTK的使用,它不但降低了城市地下管线工程施工中测量工作的劳动强度,而且又提高了效率,保证了精度。我们也是在温江工区的实际应用中,做了一些不算完全的验证,并对温江测量的一些具体情况做了必要的分析,难免有不妥之处。望大家指正,以促进城市地下管线测量工作向更高的层次迈进。
[文章编号]1006-7619(2010)09-10-822
【关键词】RTK;实时差分;系统误差;偶然误差;初始化;流动站;基准站
Application analysis of RTK Surveying Technology in underground pipeline detection of Engineering
Niu Zhi-jie
(Henan Province Geophysical Engineering Investigation Institute Zhengzhou Henan 450053)
【Abstract】In the detection of underground pipeline project activities, in order to improve project quality, improve the work efficiency, we should be continue to absorb the new technologies and new methods. RTK exploration is the case which in the use of underground pipeline. We passed through the RTK which under different conditions of working states and achieved the technical indicators to find out the RTK suitable working environment as well as the related issues should be noted.
【Key words】RTKReal-time differential;System Error;Accidental error;Initialization;Roxing station;Base station
1. 序言
随着GPS (RTK)方面技术成熟,它们在工程方面的应用日益广泛。而城市地下管线作为工程测量的一部分,RTK技术的引进和应用,将会给该行业带来一场革命,一次飞跃。
为了进一步验证RTK技术在工程测量中的精度和可靠度,结合在成都市温江区城市地下管线普查项目的实施情况,通过对比作业结果,总结出了RTK使用应采取的测量措施,以利于在确保工程精度的前提下,减轻劳动强度并提高工作效率。
2. RTK技术的工作原理
RTK(GPS实时动态)测量技术以载波相位观测量为依据的实时差分。GPS测量技术,它能够实时获得观测点在指定坐标系统中的三维定位结果,达到厘米级精度。RTK系统主要由一个参考站(即基准站)、若干个流动站、数据通讯系统三大部分组成。在RTK作业模式下,基准站通过数据链将其观测值和测站坐标(已知)信息一并传输给流动站,流动站不仅通过数据链接收基准站数据,还采集了GPS观测数据,并在系统内组成差分观测值进行实时处理,同时解算出厘米级定位结果。只要能够保持4颗以上卫星相位观测值和必要的几何图形,流动站可随时给出厘米级的结果。
3. RTK测量误差源及参数
3.1 RTK测量误差源。
影响RTK测量误差主要有GPS卫星、设备自身测量环境、应用技能、技术方案等几种因素。
(1) GPS卫星。
GPS系统本身误差源包括GPS卫星数、卫星图形、大气等状况,RTK在该方面的误差类似于GPS系统误差。大量的文献资料表明,基线越长,电离层和对流层对其产生的影响越大,观测结果的误差也越大,解算的结果可靠性越低。所以RTK的控制半径在5KM以内较适宜。
(2) RTK设备。
RTK设备品牌较多,精度高低、稳定性能也参差不齐。设备的影响因子、数据链、天线类型和处理软件也不尽相同,对精度影响、性能的稳定度、故障率高低、结果的可靠度也存在差异。对于设备本身所标定的精度而言,只能说明在理想状态下,仪器设备本身所能达到指标,而在实际工作中,仅能作为参考,其实际达到的精度,要在实际工作中予以验证——统计——确定。
(3) 测量环境。
在观测使用过程中,必须注意地形条件、基准站与流动站之间的传输条件、基准站的覆盖情况、路径效应、、电磁波(无线电、电力设施等)干扰等因素。
(4) 应用技能。
测量误差一般分为系统误差和偶然误差。系统误差具有固定性,一旦发现,易于排除;偶然误差具有随机性,不固定性,所以操作员的专业水平、工作经验和作业态度对提高测量成果精度和数据的可靠性起着很大作用。操作员需具备外业采点、内业处理的综合能力,具备快速判断导致异常情况、粗差数据的处理能力。
(5) 技术方案。
技术方案选择的合理和正确性对观测成果的可靠性起着很大的影响。如基准站位置的选择、坐标系统参数的选择、观测时间的选择、质量控制手段及数据检核路线等等。
3.2 RTK的转换参数。
一般来说,RTK实在WGS-84坐标系中进行,但往往在地下管线工程施工中,最终提交成果大部分要求统一于地方坐标系中,也就是说要通过一定的转换参数,将施测的坐标控制系统转换到本地的坐标系统之内。
考虑到城市地下管线探测范围一般均大于15Km2,所以在参数设置上采用七参数设置(三维平移向量、三维旋转值和一个尺度因子)。尽量多的选择公共点(大于等于3个),按最小二乘法求得七个参数的最或然值,而后对控制网进行三维平差,转变坐标系统。七参数的求解尽管复杂,但它不受作业范围的限制,有利于基准站的选择,使用过程中测量精度相对稳定,精度也相对较高。
4. RTK定位精度可靠性试验
通常设备厂商提供的精度参数只是在理想状态下仪器本身可以达到的精度,这方面的数值只能
界定仪器本身的级别,对使用者仅作参考。它将受到工作时段的卫星状态、气候条件、作业环境、技术应用等方面的影响,这些影响因素将直接的影响设备最终达到的实际测量精度。所以对设备进行必要的试验、一定量的测定是必须的。
我们在温江测区使用美国天宝5800的RTK(平面精度10mm+1ppm,高程精度20mm+1ppm)进
行了控制和物探点采集这方面的验证和测试。
4.1 控制点精度的验证。
在参数设定完成后,为了验证RTK的实测精度,首先利用拓普康GTS-332W仪器布设了
一条5个点的二级导线,两者进行对比。另外对温江区规划局提供的I级导线点和个别GPS点进行了对比,对比结果见表1、表2。观测时,基准站设于已知点上,流动站采用三脚架对中,观测时段在当天的基本允许时段,观测时间不少于1分钟,每点对观测到的4次有效的数据进行平均,作为该点的坐标值。
从以上两个表的统计结果表明,平面精度相对较高,高程精度相对较低,但都在《规范》允许范围之内。
4.2 物探点采集精度的验证。
对RTK的应用,不能只局限于控制网的加密,只有把它运用到能够利用的地方,才能发挥它的有效功能。为了验证在物探点(碎部点)采集过程中的精度情况和对自然环境的使用范围,我们分不同的区域验证了RTK测量与全站仪测量的对比数据。各类环境测量成果对比结果表3、表4、表5;
由现场的实测经过表3、表4统计结果可以看出,由于城市管线施工多在道路上,一般情况下,RTK可以直接运用到实际生产中,能充分发挥其速度快、准确、高效的特点;在街道狭窄,且两边为高大建筑物密布地段(这样地段少)时,RTK初始化速度较慢,测量精度也受到影响,但如果无高大建筑物时,适当的改变对中杆的高度,也能达到高精度实测的目的。
表5的统计是在超高压输电线(≥10KV)下、或高压输电设备附近(变电站),树木高大,叶片覆盖较密的地方进行的验证,有两种情况出现:一是RTK在这样的自然环境下无法展开工作,一直处于待机状态,二是RTK初始化速度缓慢,所测得结果可信度低。
5. 提高RTK精度的方法
(1)在条件具备时,运用RTK是一种较好的选择,在条件不具备时,可以在合适位置以RTK布设一些图根级控制点,提供给全站仪使用,将RTK-全站仪有机的结合起,发挥各自优势,达到事半功倍之目的。
(2)在使用RTK技术施测控制点加密时(一般图根级),应充分保证RTK的高程控制数据的精度,对基准站的选择和流动站的位置选取,自然条件均要高于物探点的采集,尽量多的与周边已知点进行校核,再对数据采用合理的粗差剔除。
(3)对于一些RTK失锁的现象,要重新初始化,并在初始化完成后于臨近已知点进行校核,对失锁频繁的路段要用全站仪采集方法进行物探点的收集工作。
(4)在条件允许的条件下,对于图根控制加密,尽量采用双基站,可减小对流层的延迟对RTK产生的随机偶然误差,利于消除基准站对RTK站系统误差的影响。
(5)对RTK的参数设置应采用七参数实施,保证测量成果的可靠性和稳定性。
(6)基准站应选在远离强电强干扰源和信号反映物,基准站与流动站之间距离控制在5Km之内。
(7)在RTK作业范围内由全站仪进行检测,在全站仪施测定地段由RTK进行检查,增加检核机会,增大对比概率。
6. 结束语
先进的科学技术,有力的推动了生产力的发展。RTK的使用,它不但降低了城市地下管线工程施工中测量工作的劳动强度,而且又提高了效率,保证了精度。我们也是在温江工区的实际应用中,做了一些不算完全的验证,并对温江测量的一些具体情况做了必要的分析,难免有不妥之处。望大家指正,以促进城市地下管线测量工作向更高的层次迈进。
[文章编号]1006-7619(2010)09-10-822