淺析RTK在線路勘測(cè)中關(guān)于轉(zhuǎn)換參數(shù)問(wèn)題

一. 引言

GPS RTK(Real Time Kinematic)定位系統(tǒng)是基于載波相位觀測(cè)值的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)差分技術(shù)發(fā)展而來(lái)的，它能夠?qū)崟r(shí)地提供測(cè)點(diǎn)在指定坐標(biāo)系中的三維定位結(jié)果，并達(dá)到厘米級(jí)精度?；鶞?zhǔn)站通過(guò)數(shù)據(jù)鏈將其觀測(cè)值和測(cè)站坐標(biāo)信息一起傳送給流動(dòng)站。流動(dòng)站接收GPS衛(wèi)星和基準(zhǔn)站發(fā)射的數(shù)據(jù)，將兩者進(jìn)行差分處理，求解出基準(zhǔn)站和流動(dòng)站在WGS-84參考橢球體下的相對(duì)位置關(guān)系，然后通過(guò)WGS-84坐標(biāo)系和地方坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換參數(shù)，將WGS-84坐標(biāo)系下的成果轉(zhuǎn)換到地方坐標(biāo)系中。因而，獲得WGS-84坐標(biāo)系和地方坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換參數(shù)是RTK測(cè)量中的必要條件之一。鑒于高壓線路勘測(cè)的特點(diǎn)，這里淺析在線路應(yīng)用中關(guān)于求取轉(zhuǎn)換參數(shù)的相關(guān)問(wèn)題。

二. 地方坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)的原理

WGS-84坐標(biāo)系與地方坐標(biāo)系(1980國(guó)家坐標(biāo)系、1954北京坐標(biāo)系或各地獨(dú)立的地方坐標(biāo)系)或工程坐標(biāo)之間的轉(zhuǎn)換大概分為校正參數(shù)、一步法、經(jīng)典三維(七參數(shù)) 和擬合參數(shù)等方法，按照原理可分為三維轉(zhuǎn)換和平面加高程轉(zhuǎn)換兩種模式。

三維轉(zhuǎn)換模式是在空間直角坐標(biāo)系下進(jìn)行的，大多采用bursa-wolf模型，可分為七參數(shù)以及簡(jiǎn)化的三參數(shù)方法，七參數(shù)轉(zhuǎn)換模型比較嚴(yán)密，適合于大區(qū)域，如30-50km。簡(jiǎn)化的三參數(shù)方法適合于小區(qū)域，10km以內(nèi)。平面加高程轉(zhuǎn)換模式是將平面轉(zhuǎn)換和高程轉(zhuǎn)換分別進(jìn)行，這種方式易于實(shí)現(xiàn)，也適合于小區(qū)域。平面加高程轉(zhuǎn)換模式中平面轉(zhuǎn)換參數(shù)通常包括平移參數(shù)( ， )、尺度參數(shù) 和旋轉(zhuǎn)參數(shù) 。由于WGS-84坐標(biāo)系數(shù)據(jù)可以用空間直角坐標(biāo)、大地坐標(biāo)、平面直角坐標(biāo)等形式表示，對(duì)于不同表示形式的起算數(shù)據(jù)，尺度參數(shù)和旋轉(zhuǎn)參數(shù)代表的含義只是會(huì)有所不同。

三. 在線路勘測(cè)中通常使用的求取參數(shù)的方法

RTK在輸電線路中的應(yīng)用主要用于定線，定位，直線樁位及塔位的放樣，另外還有平斷面的測(cè)量。GPS所能直接提供的數(shù)據(jù)形式就是坐標(biāo)，RTK最主要的兩大功能就是實(shí)時(shí)測(cè)圖和工程放樣，我們所用的基本都是放樣功能。對(duì)于平斷面測(cè)量時(shí)也同樣是利用放樣直線功能記錄下每個(gè)地物的點(diǎn)坐標(biāo)，利用事先約定的點(diǎn)標(biāo)識(shí)來(lái)區(qū)別不同的地物;也可以利用同樣的方法測(cè)量塔位地形圖。RTK技術(shù)應(yīng)用到輸電路的必然與其特點(diǎn)密切相關(guān)：對(duì)于線路中的相鄰的轉(zhuǎn)角之間要比較高的精度要求，在同一耐張段所有桿位樁的精度在技術(shù)規(guī)程里要求180°±1′的偏角值。故在線路勘測(cè)中相鄰控制點(diǎn)之間相對(duì)精度要求比較高，才能滿足線路定位要求。那么只有求取高質(zhì)量的可應(yīng)用于本工程區(qū)域的轉(zhuǎn)換參數(shù)是首要的質(zhì)量保證。

1. 獲取參數(shù)方法通常有以下三種

①、同時(shí)有地方坐標(biāo)和WGS-84坐標(biāo)的兩種成果。工程附近區(qū)域有符合起算精度要求的高等級(jí)控制點(diǎn)，這些點(diǎn)同時(shí)又具有統(tǒng)一的約束平差后的WGS-84坐標(biāo)，利用我們前面說(shuō)到的三維轉(zhuǎn)換和平面加高程轉(zhuǎn)換來(lái)計(jì)算得出轉(zhuǎn)換參數(shù)，但前提是這些點(diǎn)的WGS-84坐標(biāo)必須有精確的相對(duì)位置關(guān)系。

②、如果高等級(jí)控制點(diǎn)沒(méi)有對(duì)應(yīng)WGS-84坐標(biāo)，或者點(diǎn)比較少。這時(shí)我們要根據(jù)實(shí)地情況做GPS加密的控制測(cè)量，將靜態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行整體網(wǎng)統(tǒng)一平差，給出相對(duì)精度準(zhǔn)確的WGS84坐標(biāo)和地方坐標(biāo)再求解參數(shù)。

③、RTK方式直接測(cè)取WGS-84坐標(biāo)以轉(zhuǎn)換。只有地方坐標(biāo)成果，可以在一個(gè)開(kāi)闊位置較高地方設(shè)GPS基站，以基準(zhǔn)站為起算位置(這個(gè)起算位置的坐標(biāo)由GPS接收機(jī)觀測(cè)確定，是一個(gè)精度有限的大地坐標(biāo)，但它不影響RTK觀測(cè)的相對(duì)位置關(guān)系)，確定各控制點(diǎn)之間相對(duì)精確的位置關(guān)系，并實(shí)時(shí)測(cè)定WGS84大地坐標(biāo)。該方法具體實(shí)施時(shí)可能會(huì)遇到難處，比如控制點(diǎn)的距離太遠(yuǎn)，而RTK的作用距離有限。

在惠州龍門(mén)勘測(cè)220kV仰天至昆山線路定測(cè)中利用以上第1、3 種方法建立坐標(biāo)系,同樣測(cè)量了10控制點(diǎn),其檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 RTK測(cè)量重合點(diǎn)檢測(cè)表

需要說(shuō)明的是，上面三種情況中，不管是那一種情況，控制點(diǎn)的地方坐標(biāo)必須是相對(duì)準(zhǔn)確的，同時(shí)控制點(diǎn)的大地坐標(biāo)也應(yīng)該是相對(duì)準(zhǔn)確的。靜態(tài)數(shù)據(jù)平差得到的大地坐標(biāo)，不能同RTK實(shí)時(shí)觀測(cè)的大地坐標(biāo)混合在一起來(lái)求地方坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)，因?yàn)樗麄兤鹚愕幕鶞?zhǔn)可能不一樣。另外，如果有兩個(gè)靜態(tài)控制網(wǎng)，沒(méi)有進(jìn)行統(tǒng)一平差，分別給出的大地坐標(biāo)，也可能不能混合在一起來(lái)求地方坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)，因?yàn)橐粋€(gè)網(wǎng)中的點(diǎn)和另一個(gè)網(wǎng)中的點(diǎn)的大地坐標(biāo)，其位置關(guān)系可能不準(zhǔn)確。對(duì)于WGS84坐標(biāo)，我們應(yīng)該保留至少十萬(wàn)分之一秒。

2.起算控制點(diǎn)的數(shù)量、分布及精度都對(duì)求取參數(shù)的影響

①、控制點(diǎn)的數(shù)量應(yīng)足夠。一般來(lái)講，平面控制應(yīng)至少三個(gè)(如果是兩個(gè)我們可以采用求取參數(shù)的第二種方法)，高程控制應(yīng)視線路方向地形地貌條件，山地起伏，數(shù)量要求會(huì)更多(比如4個(gè)或以上)以確保擬合精度要求。

②、 控制點(diǎn)的控制范圍和分布的合理性?？刂品秶鷳?yīng)以能夠覆蓋線路沿線工區(qū)為原則，一般情況下，相鄰控制點(diǎn)之間的距離在1km~5km，所謂分布的合理性主要是指控制點(diǎn)分布的均勻性，控制點(diǎn)網(wǎng)形基本能覆蓋施測(cè)的線路沿線區(qū)域，不能偏離太遠(yuǎn)。當(dāng)然控制點(diǎn)是越多越好。

某線路工程起算共有四個(gè)比較均勻同等精度已知點(diǎn)組成。取其中3個(gè)和4個(gè)采用三參數(shù)法求得不同坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)，分別測(cè)得線路轉(zhuǎn)角樁的成果?？梢钥闯鰧?duì)于分布在已知點(diǎn)構(gòu)成的網(wǎng)形周?chē)浇膮^(qū)域高程較差越小，越偏離于網(wǎng)形之外越遠(yuǎn)較差越大，而對(duì)于平面影響則比較小。

表2 起算點(diǎn)數(shù)量不同的觀測(cè)成果比較

③、控制點(diǎn)之間應(yīng)具備相互位置關(guān)系精確的WGS84大地坐標(biāo)BLH和地方坐標(biāo)XYZ，以確保轉(zhuǎn)換關(guān)系的正確性，也保證在施放線路同一耐張段的直線塔位的過(guò)程中，因擺設(shè)不同基準(zhǔn)站而對(duì)流動(dòng)站放樣造成精度影響。

四. 轉(zhuǎn)換參數(shù)在線路工程中的誤差來(lái)源及措施

1、采用GPS RTK放樣定線，其成果精度及質(zhì)量主要取決于：其一是GPS的測(cè)量誤差，其二是坐標(biāo)轉(zhuǎn)換帶來(lái)的誤差。對(duì)于使用Trimble GPS,前者在實(shí)時(shí)測(cè)量時(shí)可以從手簿上看得到(H RMS 和 V RMS);對(duì)于坐標(biāo)轉(zhuǎn)換誤差來(lái)說(shuō)，又可能有兩個(gè)誤差源，一是投影帶來(lái)的誤差，二是已知點(diǎn)誤差的傳遞。Trimble 5800的RTK控制軟件所采用的投影為抵償投影(中央子午線為基準(zhǔn)站所在點(diǎn)的經(jīng)度，投影面可選為測(cè)區(qū)平均高程面)，所以，可以忽略投影誤差，只需考慮已知點(diǎn)誤差的影響。

當(dāng)平面已知點(diǎn)為三個(gè)以上時(shí)，計(jì)算轉(zhuǎn)換七參數(shù)(或四參數(shù))的同時(shí)會(huì)給出轉(zhuǎn)換參數(shù)的殘差(北方向分量和東方向分量。值得注意的是，如果此時(shí)發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)換參數(shù)中誤差比較大(比如，大于5cm),而在采集點(diǎn)時(shí)實(shí)時(shí)顯示的測(cè)量誤差在標(biāo)稱精度范圍之內(nèi)，則可以判定是已知點(diǎn)的問(wèn)題，有可能已知點(diǎn)的精度不夠，也有可能已知點(diǎn)的分布不均勻。當(dāng)平面已知點(diǎn)只有兩個(gè)時(shí)，則只能滿足計(jì)算坐標(biāo)轉(zhuǎn)換四參數(shù)的必要條件，無(wú)多余條件，也就不能給出坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的精度評(píng)定。此時(shí)，可以從以下方面入手檢驗(yàn)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的精度，一是看轉(zhuǎn)換參數(shù)之一----尺度比ρ，該值理想值為1，如果發(fā)現(xiàn)ρ偏離1較多(比如： |ρ-1|R1/40000，超出了工程精度)，則在保證GPS測(cè)量精度滿足要求的情況下，可判定已知點(diǎn)有問(wèn)題。

在RTK線路測(cè)量坐標(biāo)轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換參數(shù)時(shí)，一般情況下，對(duì)于范圍小于100平方公里的區(qū)域采用三參數(shù)法，大于100平方公里的區(qū)域采用七參數(shù)法。這期間待測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)的精度存在著坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的損失，與控制點(diǎn)的精度和分布有關(guān)。如果選取的已知點(diǎn)精度高、分布均勻且能覆蓋整個(gè)測(cè)區(qū)，可較好的控制轉(zhuǎn)換參數(shù)引起的精度損失。

五. 結(jié)束語(yǔ)

在測(cè)量工作中參數(shù)轉(zhuǎn)換工作是影響工程質(zhì)量的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。在作業(yè)前收集測(cè)區(qū)的控制點(diǎn)的詳細(xì)情況，如中央子午線、整體精度情況等，網(wǎng)形的設(shè)計(jì)決定參數(shù)的可靠性，而網(wǎng)形的設(shè)計(jì)又受限于所收集的控制點(diǎn)，故收集盡量多的控制點(diǎn)也是必要的。再者是選擇轉(zhuǎn)換參數(shù)的方法的選取也是根據(jù)所收集的控制點(diǎn)情況。但在實(shí)際工程初設(shè)中不管測(cè)量工作遇到的是那種情況，區(qū)域性的地方轉(zhuǎn)換參數(shù)，總可以利用點(diǎn)校正來(lái)求取。點(diǎn)校正的方法在實(shí)踐中是可靠的。點(diǎn)校正必須知道每個(gè)控制點(diǎn)的WGS84坐標(biāo)和地方坐標(biāo)。點(diǎn)校正的廣泛應(yīng)用，在于它有以下幾個(gè)顯著的特點(diǎn)： ⑴點(diǎn)校正可以為RTK測(cè)量提高平面精度; ⑵ 點(diǎn)校正可以檢驗(yàn)控制點(diǎn)的平面相對(duì)精度和高程相對(duì)精度;⑶足夠的點(diǎn)參與點(diǎn)校正，RTK就可以進(jìn)行高程測(cè)量;⑷點(diǎn)校正可以求取區(qū)域地方坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù);

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