技术施工放样中的应用.docx

RTK技术在福州市火车南站西广场施工放样中的应用
RTK测量技术，是以载波相位观测量为根据的实时差分GPS测量技术。众所周之，GPS测量工作模式有静态、快速静态和动态相对定位等，但用这些测量模式时，如果不与数据传输系统相结合，其定位结果均需要通过测后处理而获得。由于测量数据需要在测后处理，所以上述几种测量模式均无法实时地给出观测站的定位结果，而且也不能对基准站和用户观测数据的质量进行实时地检验，因而难以避免在后处理数据时发现不合格的测量成果，造成需进行返工重测的情况。过去解决这一问题的措施，主要是延长测量时间，以获得大量的多余数据，来保障测量结果的可靠性，但是这样大大降低了测量工作的效率。
    实时动态测量的基本思想是，在基准站上安置一台GPS接收机，对所有可见GPS卫星进行连续地观测，并将其测量数据通过无线电传输设备，实时地发送给用户观测站。在用户站上，GPS接收机在接收GPS卫星信号的同时，通过无线电接收设备，接收基准站传输的测量数据，然后根据相对定位的原理，实时地计算并显示用户站的三维坐标及其精度。通过实时计算的定位结果，便可监测基准站与用户站测量数据的质量和解算结果的收敛情况，从而可实时地判定解算结果是否成功，以减少冗余测量，缩短测量时间。因此RTK技术在工程中的应用，有着非常广阔的前景。下面就RTK技术的应用作些介绍。
RTKRTK（Real Time Kinematic）实时动态定位技术，是一项以载波相位观测为基础的实时差分GPS测量技术，是利用两台或两台以上GPS接收机同时接收卫星信号，其中一台安置在已知坐标点上作为基站，其它作为移动站。在RTK作业模式下，基站通过数据链将其观测值和测站坐标信息一起传送给移动站。移动站不仅通过数据链接收来自基站的数据，还要采集GPS观测数据，并在系统内组成差分观测值进行实时处理，同时给出厘米级的定位结果，历时不到一秒钟。移动站可处于静止状态，也可处于运动状态；可在固定点上先进行初始化后再进入动态作业，也可在动态条件下直接开机，并在动态环境下完成周模糊度的搜索求解。在整周未知数解固定后，即可进行每个历元的实时处理，只要能保持四颗以上卫星相位观测值的跟踪和必要的几何图形，移动站可随时给出厘米级定位结果。RTK技术受外界条件限制小，只要满足工作条件，就能快速、高精度地完成定位作业。
(二)  RTK测量系统主要由三部分构成： GPS接收设备；数据传输系统；软件系统。
    1.GPS接收设备
    RTK测量系统中，至少包含二台接收机，分别安置在基站和移动站上。基站应设在测区内地势较高，视野开阔，且坐标已知的点上。在城区可考虑设在楼顶平台上。作业期间，基站的接收机应连续跟踪全部可见GPS卫星，并将测量数据通过数据传输系统，实时地发送给移动站。
    2.数据传输系统
    数据传输系统，由基站的发射台和移动站的接收台组成，它是实现实时动态测量的关键设备。
    数据传输设备要充分保证传输数据的可靠性，其频率和功率的选择主要决定于移动站与基站间的距离、环境质量及数据的传输速度。
    3.支持实时动态测量的软件系统
    软件系统的质量与功能，对于保障实时动态测量的可行性测量结果的精确性与可靠性，具有决定性的意义。
施工放样是把设计图纸上工程建筑物的平面位置和高程，用一定的测量仪器和方法测设到实地上去的测量工作称为施工放样(也称施工放线)。 测图工作是利用控制点测定地面上地形特征点，缩绘到图上。施工放样则与此相反，是根据建筑物的设计尺寸，找出建筑物各部分特征点与控制点之间位置的几何关系，算得距离、角度、高程等放样数据，然后利用控制点，在实地上定出建筑物的特征点，据以施工。现在一般概括为传统放样与RTK放样，下面就这两种放样方法做些介绍。

在传统的工程放样方法中，必须求出设计图中的放样点或线相对于控制网原有建筑的相互关系，即求出其间的角度及间距和高程，这些数据称为放样数据。然后按照放样数据利用传统光学经纬仪、皮尺、钢尺、水准仪等工具测设出点位和高程。通常，测设点和高程是分开进行的。测设点位的常用方法有：直角坐标法，极坐标法、角度交会法和距离交会法等。高程放样最常用的是几何水准测量，对于工程精度要求稍低的，可用钢卷尺直接丈量或用三角高程测量等方法。
工业建筑物的总图设计，是根据生产的工艺流程要求和建筑场的地形情况进行的，主要建筑物的轴线往往不能与测量坐标系的坐标轴平行，如果设计建筑物的坐标计算在测量坐标系中进行，则计算工作较为复杂。因此，建筑设计人员往往根据现场情况选定独立坐标系，使独立坐标系的坐标轴与主要建筑物的轴线方法相一致。这样，再通过旋转换算，把建筑坐标换算成测量坐标。X=X′cosα-Y′sinα+Xo;
Y=X′sinα+Y′cosα+yo;
其中XOY为测量坐标系，X′O′Y′为建筑坐标系。α为测量坐标系的X轴正向顺时针转至建筑坐标系X′轴正向的夹角，Xo、Yo为建筑坐标系原点在测量坐标系中的坐标值。在传统的工程放样中，圆曲线和缓和曲线的放样最为繁杂，我国多采用螺旋线作为缓和曲线，测设方法多采用切线支距法和偏角法。这些方法很容易产生累计误差，为了消除这些误差，往往需要多次测量进行分配误差，不但浪费了工时，而且精度不高。
放样是测量一个应用分支，它要求通过一定方法采用一定仪器把人为设计好的点位在实地给标定出来，过去采用常规的放样方法很多，如经纬仪交会放样，全站仪的边角放样等等，一般要放样出一个设计点位时，往往需要来回移动目标，而且要2-3人操作，同时在放样过程中还要求点间通视情况良好，在生产应用上效率不是很高，有时放样中遇到困难的情况会借助于很多方法才能放样，如果采用RTK技术放样时，仅需把设计好的点位坐标输入到电子手簿中，背着RTK接收机，它会提醒你走到要放样点的位置，既迅速又方便，由于RTK是通过坐标来直接放样的，而且精度很高也很均匀，因而在外业放样中效率会大大提高，且只需一个人操作。因此RTK技术有以下特点：
1、工作效率高：在一般的地形地势下，高质量的RTK设站一次即可测完4km半径的测区，大大减少了传统测量所需的控制点数量和测量仪器的设站次数，移动站一人操作即可，劳动强度低，作业速度快，提高了工作效率。
2、定位精度高：只要满足RTK的基本工作条件，在一定的作业半径范围内（一般为4km ）RTK的平均精度和高程精度都能达到厘米级。
3、全天候作业：RTK测量不要求基准站、移动站间光学通视 ，只要求满足“电磁波通视”，因此和传统测量相比，RTK测量受通视条件、能见度、气候、季节等因素的影响和限制较小，在传统测量看来难于开展作业的地区，只要满足RTK的基本工作条件，它也能进行快速的高精度定位，使测量工作变得容易轻松。
4、RTK测量自动化、集成化程度高，数据处理能力强：RTK可进行多种测量内、外业工作。移动站利用软件控制系统，无需人工干预便可自动实现多种测绘功能，减少了辅助测量工作和人为误差，保证了作业精度。
5、操作简单，易于使用：现在的仪器一般都提供中文菜单，只要在设站时进行简单的设置，就可方便地获得二维坐标。数据输入、存储、处理、转换和输出能力强，能方便地与计算机、其他测量仪器通信。
应用RTK进行施工放样是要根据建筑物的设计尺寸，找出建筑物各部分特征点与控制点之间位置的几何关系，算得距离、角度、高程等放样数据，然后利用控制点，在实地上定出建筑物的特征点，据以施工。而在福州市火车南站西广场放样中，广场的形状和大小是通过其特征点在实地上表示出来的，如广场的中心、转折点等。因此点放样是广场建设的基础。这里主要结合福州市火车南站西广场建设进行研究。

图3-1福州市火车南站俯视图
(一) 福州市火车南站西广场工程简介
福州火车南站采用中轴对称、地域风格浓郁的建筑造型，建成后将成为福州市又一处地标建筑。站房入口位于东西向的“向海”轴上，设计手法开放而大气，借以表达福州“海纳百川、有容乃大”的城市精神；立面构图撷取传统建筑飞檐的流线型元素，与福州当地的“鞍形墙”形象暗合，显示出建筑的福州本土特征。
福州火车南站总体布局为“两轴”、“四区”。两轴：规划以福州南站交通 枢纽为中心，通过两条轴线来控制周边规划和城市空间。其中，南北方向为铁路轴线，沿铁路向南北延伸，南经清凉山往厦门，北经城门山往福州市区；东西方向为城市景观生态轴线，轴线将延伸至东部新城核心区，形成火车南站与东部新城核心区的有机衔接。
四区：分别为站房、广场区、市政配套区、商业开发区。
福州南站建成后，3条高速铁路线将从地面穿站而过，分别是向莆线、福厦线及温福线。除此之外，周边多条道路使将进出南站的车辆实现快速互通。车站周边现有和即将兴建的道路主要有福峡路、福泉高速公路连接线、环岛路、螺城路、三环二期、三江路、南江滨大道东段、马尾大桥及站前路、站后路等。其中，三环二期、环岛路规划为城市快速路，构成快速便捷的交通路网。
RTK
获取3个控制点的坐标，控制点布设空旷或高处并可以相互通视，至少要有两点可以通视，布设测量后在解算或用相关软件求出放样点的坐标，检查仪器是否能正常使用。

将基准站架设在上空开阔、没有强电磁干扰、多路径误差影响小的控制点上，正确连接好各仪器电
图3-2火车南站西广场红线图和点号 缆，打开各仪器。将 基准站设置为动态测量模式。架设完后安装电台，连接好仪器后开启基准站主机，打开电台并设置频率。

开启移动站主机，待卫星信号稳定并达到5颗以上卫星时，先连接蓝牙，连接成功后设置相关参数：工程名称、椭球系名称、投影参数设置、参数设置（未启用可以不填写），最后确定，工程新建完毕。

打开坐标库，点击打开红线坐标放样点文件图3-2，软件会提示我们是对坐标库进行覆盖或是追加。

（1）拨号:打开手簿，选择“START”---PROGRAMS---COMMUNICATION---REMOTE NETWORKING,如果界面下只有“MAKE NEW CONNECTION”，就先新建连接，连接类型为“Dial-Up Connection”，Modem为CF-CARD-GENERIC，Configure中Baud Rate选115200，Phone number 为#777，然后双击”My connection”,User name 为CARD，Password也为CARD，选择保存密码后连接，必须等到显示“Connected Hide this message”才能Hide，这时才时拨号连接成功。如果还是连接不了，删除这次拨号连接，重新再新建拨号连接，或者打开手簿电池重新对手簿初始化。
（2）连接手簿与主机，端口为A口。
(3)新建工程，工程名称一般格式为为20080118 ZWS（含年月日和创建者），在GPS+设置中选择MY NETWORK RTK,并点击右边的 “。。。”按纽，对MY NETWORK RTK进行编辑，将高度角设置为“15”（图：3-3），协议为

图3-3高度角与协议设置界面
NTRIP Internet信息为 218.66.36.216/8080，用户名和密码都为 user1，虚拟电台接口为D，天线型号为Hiper PRO,天线高为2.0米，测量类型为“垂高”，观测次数为7或10，多路径和共同跟踪全选，卫星系统为“GPS+GLONASS”，RTK计算为“外推”，当在采用“RTK-GG-FUZHOU”接点时，距离基站大于10KM采用RTK计算为“匹配的历元”。
(4)设置Modem ，选择节点后连接，会弹出Modem Config 窗口，显示IP和接入点信息，关闭此窗口，再次进入设置Modem窗口会看到连接进度在递进，表示设置成功，直接关闭窗口转入下一步操作。
(5)点测量
①控制测量：应采用三角架、基座设备，对中整平后，精确量取仪器高，天线设置中，天线高为精确量取的仪器高，测量类型为“斜高”。采用7或10个观测数据平滑采集，旋转基座（天线）120度后再采集一个平滑数据，再旋转120度再采集一个平滑数据，最后采用三个平滑数据平均值作为控制点成果。
②散点测量：应采用TOPCON对中杆按7或10个平滑数据采集碎步点，杆高为2米，测量类型为“垂高”。散点测量为本论文的研究方法，其具体操作步骤如下：
Ⅰ.选择测量点放样，进入放样屏幕，点击打开按钮目，打开坐标管理库，在这里可以打开事先编辑好的放样文件，选择放样点，也可以点击“增加”输入放样点坐标。本次工程点的设计坐标值见表3-1。
表3-1 点放样设计坐标
点号
X坐标(M)
Y坐标(M)
备注
1
2875780.803
438033.024

2
2875782.484
438042.881

3
2875670.036
438062.061

4
2875668.355
438052.204

5
2875562.081
438070.331

6
2875504.616
438090.276

7
2875405.561
438112.193

8
2875352.847
438144.455

9
2875329.699
438222.439

10
2875339.881
438293.444

11
2875349.815
438398.425

12
2875361.790
438480.825

13
2875451.070
438433.945

14
2875510.719
438389.661

15
2875601.230
438358.902

16
2875578.707
438292.624

17
2875874.115
438192.233

18
2875869.815
438123.112

备注：本坐标系为福州城市地方平面直角坐标系
Ⅱ.将光标移至点，回车，显示如图3-4。

图3-4放样选择
Ⅲ.控制器内数据库的点增加到“放样点”菜单中，显示如图3-5：

图3-5放样点菜单
Ⅳ.选“从列表中选”，为了选择所要放样的点，按下“选项”后就会在点的左边出现“√”，那么这个点就增加到“放样”菜单中，按回车，返回“放样点”菜单，选择要放样的点，回车，显示如图3-6。

图3-6放样过程界面
两个图可以通过“选项”来转换，根据你的需要而选择。当你的当前位置很接近放羊点时，就会出现下图3-7显示：

图3-7仪器接近目标时操作界面
· 表示杆所在的位置，“+”表示放样点位置，此时按下F2进入精确放样模式，直至出现“+”与“”重合，放样完成，然后按两下“测量”，测量3到5秒，存储此点，并打下木桩做标记，再按“测量”就可以放样其它点。
Ⅴ.测量结束后，在“测量”菜单中选“结束测量”。并用内业软件导出得到以下表3-2数据：
表3-2放样点回测坐标成果
点号
X坐标（M）
Y坐标(M)
备注
1
2875780.779
438033.019

2
2875782.491
438042.879

3
2875670.040
438062.068

4
2875668.343
438052.206

5-1#
2875562.100
438062.348
5-1#与5-2#为5#的指示桩
5-2#
2875562.081
438045.341
6
2875504.603
438090.279

7
2875405.578
438112.182

8
2875352.860
438144.438

9
2875329.699
438222.443

10
2875339.884
438293.440

11
2875349.816
438398.427

12
2875361.792
438480.818

13
2875451.057
438433.969

14
2875510.718
438389.646

15
2875601.261
438358.893

16
2875578.682
438292.631

17
2875874.115
438192.236

18
2875869.798
438123.119

(一) 点放样精度分析
放样完毕后，为了检验用RTK放样点的精度是否满足要求。我们需要将所测得的各点坐标与红线坐标对比表4-1。
表4-1福州市火车南站西广场测量坐标成果
点号
X(m)
Y(m)
点号
X`(m)
Y`(m)
△X(cm)
△Y(cm)
点位误差(cm)
1
2875780.803
438033.024
1
2875780.779
438033.019
0.4
0.5
0.64
2
2875782.484
438042.881
2
2875782.491
438042.879
-0.7
0.2
0.73
3
2875670.036
438062.061
3
2875670.040
438062.068
-0.4
-0.7
0.81
4
2875668.355
438052.204
4
2875668.343
438052.206
1.2
-0.2
1.22
5
2875562.081
438070.331
5-1#
2875562.100
438062.348
5-1#至5-2#为5#的指示桩
5-2#
2875562.081
438045.341
6
2875504.616
438090.276
6
2875504.603
438090.279
1.3
-0.3
1.33
7
2875405.561
438112.193
7
2875405.578
438112.182
-1.7
-1.1
2.02
8
2875352.847
438144.455
8
2875352.860
438144.438
-1.3
1.7
2.14
9
2875329.699
438222.439
9
2875329.699
438222.443
0
-0.4
0.4
10
2875339.881
438293.444
10
2875339.884
438293.440
0.3
0.4
0.5
11
2875349.815
438398.425
11
2875349.816
438398.427
-0.1
-0.2
0.22
12
2875361.790
438480.825
12
2875361.792
438480.818
-0.2
0.7
0.73
13
2875451.070
438433.945
13
2875451.057
438433.969
1.3
-2.4
2.73
14
2875510.719
438389.661
14
2875510.718
438389.646
0.1
1.5
1.81
15
2875601.230
438358.902
15
2875601.261
438358.893
-3.1
0.9
3.23
16
2875578.707
438292.624
16
2875578.682
438292.631
2.5
-0.7
2.60
17
2875874.115
438192.233
17
2875874.115
438192.236
0
-0.3
0.3
18
2875869.815
438123.112
18
2875869.798
438123.119
1.7
-0.7
1.84
表格中5#桩由于处于建筑物内无法直接放样，故通过放样5-1#与5-2#指示桩延长得到5#桩，点X(m) 与Y(m)分别为点设计X轴与Y轴的坐标，X`(m)与 Y`(m)分别为测量的成果X轴与Y轴的坐标，△X(cm)与 △Y(cm)分别为点设计坐标与测量成果坐标X轴差与Y轴差，通过X轴差与Y轴差解算得出的点位误差即为放样点误差，即点位误差(cm)=。根据《工程测量规范》点位误差<5cm,可得如下结论。
1.RTK测量结果互差均在厘米级，其中互差最大为3.23cm ,最小为0.3cm。
2.统计数据表明:RTK测量结果的点位精度达到厘米级，需要指出的是各点位之间不存在误差累计，克服了传统测量技术的弊端，完全能满足点的测设精度要求。
(二) 存在的问题及其解决方案
对于施工放样过程中出现的问题，我们可以采取一定的措施来解决这些问题，如：
1.点位应设在易于安装接收机设备、视野开阔、视场内周围障碍物高度角应小于15°(如可以选在最高建筑物的顶楼)。
2.点位应远离大功率无线电发射源(如电视台、微波站、微波通道等)，其距离不小于200 m；远离高压电线，距离不小于50m 。
3.点位附近不应有大面积的水域或强烈干扰卫星信号接收的物体。
4.点位选择要充分考虑到与其它测量手段联测和扩展。
5.点位要选在交通方便的地方，以提高工作效率。
6.点位要选在地面地基坚硬的地方，易于点的保存。
7.当放样过程中遇到无法放到的点或点在某建筑物内，可以在该点附近方两个指示桩，并通过这已知指示桩点引出所求桩点的位置，如本次放样过程中的5#桩，由于该点位于一建筑内，我们就在其外围放5-1#与5-2#指示桩，并计算得到5#为沿5-2#至5-1#方向由5-1#指示桩延长8.0M处。
除此之外，为了保证地物点的测量精度，我们还要对接收机天线进行校验，选择有削弱多路径误差的各种技术的天线。同时，我们还要不断利用新的数据处理技术，以削弱各种误差带来的影响。
RTK在工程放样的应用，对大面积的放样工作产生的革命性的影响。本论文主要结合福州市火车南站西广场，利用RTK进行该广场的红线图各点的放样，并将成果坐标与设计坐标比较得出成果坐标在误差范围内。在工程放样中RTK工作效率高、定位精度高、全天候作业、测量自动化、集成化程度高、数据处理能力强、操作简单，易于使用等都将使其成为测绘行业中不可缺少的工具。
[1] CJJ8-99,城市测量规范［S］，1999.
[2] 徐绍铨,张华海,杨志强.GPS 测量原理及应用[M],武汉大学出版社,2001.
[3] 张正禄编著,工程测量学[M],武汉大学出版社,2009.
[4] 徐绍铨,张华海,杨志强.GPS测量原理及应用(修订版) [M],武汉大学出版社. 2003.
[5] 魏二虎,黄劲松.GPS测量操作与数据处理[M],武汉大学出版社,2004-06.
[6] 全球定位系统（GPS）测量规范［S］,2001.
[7] 黄丁发.GPS卫星导航定位技术与方法[M],科学出版社,2009.
[8] 孔祥元,郭际明.控制测量学（第三版）[M],武汉大学出版社,2006.
[9] 吴俐民,丁仁军,李凤霞.GPS参考站系统原理与应用[M],西南交通大学出版社,2008.
[10] 潘威,华学礼.实用公路施工放样疑难解析[M],人民交通出版社,2006.
[11] 蓝善勇,王万喜,鲁有柱.工程测量[M],中国水利水电出版社,2009.
[12] 周忠谟,易杰军. GPS测量原理及应用[M],北京:测绘出版社,2002.
[13] 徐豁,陈顺华.RTK确定高程的方法及其应用[J].遥感信息,2003.
[14] 勇仲明.GPS高程测量的若干理论与实践的研究[J].煤炭技术,2004.
[15] 谢劭峰.GPS高程转换初探[J].地矿测绘,2005.

致 谢
本论文是在导师刘友文的悉心指导下完成的。从论文选题、写作到最后定稿都倾注他们的智慧和心血。导师正直宽厚的为人品格、敏锐的学术洞察力、严谨的科学态度和孜孜不倦的科学精神，让我受益匪浅。这一切特别是导师在我人生道路上的诸多指导以及在生活上无微不至的关心都让我永远铭记在心。在写做过程中，导师不断启发，给以鼓励，才使本人得以顺利完成。在此，首先向导师致以最真挚的谢意！对他们给予的关心和帮助表示衷心的感谢！
感谢我所有的老师和同学在课题研究过程中给予我大量的帮助和支持！
此外，我要把深深的谢意献给我的父母和家人，他们的支持和关爱是我学业得以完成的保障。
感谢在百忙中参与我论文评阅和答辩的所有老师，非常感谢你们给我提出的宝贵的意见和建议！
最后向所有关心和帮助我的领导、老师、同学、朋友表示衷心的感谢！