張宏立
（武漢市自來(lái)水公司）

　　摘　要：通過(guò)動(dòng)態(tài)GPS在城市供水管網(wǎng)中的應(yīng)用，對(duì)動(dòng)態(tài)GPS的特性和使用方法做了闡述，指出了動(dòng)態(tài)GPS在供水管網(wǎng)管理中的重要作用。
　　關(guān)鍵詞：供水管網(wǎng) 動(dòng)態(tài)GPS 坐標(biāo)定位

GPS-RTK and Its Application in the Water Supplying NetWork
Zhang HongLi
(Wuhan water supply CO.,Wuhan 430034)

　　Abstract: Through the application of the GPS-RTK in the Water supplying network, It is expounded the characerstics and application method of the GPS-RTK and pointed out the important role of the GPS-RTK in the water supplying network management.
　　Key Words: Water supplying Network, GPS-RTK, GPS Coordinate Positoning

1 概述

　　一般大中城市市區(qū)地下都有著龐大的供水管網(wǎng)，由于管網(wǎng)的復(fù)雜性和隱蔽性，因此就不能進(jìn)行一目了然的管理和維護(hù)，給管網(wǎng)管理增加了很大的難度；再加上重水1、輕管網(wǎng)的傳統(tǒng)觀念，使地下管網(wǎng)的埋設(shè)資料不全，給管網(wǎng)的數(shù)字化和信息化設(shè)置了障礙，不利于管網(wǎng)的延續(xù)性和現(xiàn)代化管理。在城市形成一套供水管網(wǎng)管理體制的同時(shí)，管網(wǎng)的測(cè)量定位以及管網(wǎng)信息的數(shù)字化對(duì)管網(wǎng)系統(tǒng)的可靠性起著關(guān)鍵的作用。GPS－RTK應(yīng)用于管網(wǎng)管理當(dāng)中，在很大程度上提高了工作質(zhì)量和效率。利用Rh技術(shù)即時(shí)動(dòng)態(tài)、厘米級(jí)定位精度的特點(diǎn)，將動(dòng)態(tài)GPS應(yīng)用于城市供水行業(yè)中的管網(wǎng)圖形測(cè)量、管道定位和管道施工放樣等方面，獲取大量的地形、管網(wǎng)附屬設(shè)備等定位坐標(biāo)數(shù)據(jù)，在完善管網(wǎng)基礎(chǔ)信息資料方面可以收到顯著的成效。

2 GPS－RTK的特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)

　　GPS（Global Position System）即為全球定位系統(tǒng)的簡(jiǎn)稱，它是一套利用美國(guó)GPS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行全天候、全方位的測(cè)量定位設(shè)備。根據(jù)GPS提供的坐標(biāo)或坐標(biāo)演變量精度和方式的不同可以分為毫米級(jí)，厘米級(jí)，靜態(tài)，動(dòng)態(tài)后處理，RTK(Real Time Kinematic 實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài))，RTD(Real Time Differnce 實(shí)時(shí)差分)等幾種設(shè)備分類和測(cè)量方式，其中 RTK是一種定位精度比DGPS高100倍的載波相位差分GPS技術(shù)。在這里我們主要對(duì)單頻雙星RTK的設(shè)備及測(cè)量方式進(jìn)行討論。
　　盡管作為GPS應(yīng)用的最尖端技術(shù)的RTK，己經(jīng)有好幾年的歷史了，但是，GPS－RTK在技術(shù)上有其局限性，即當(dāng)被鎖定的衛(wèi)星數(shù)目少于5顆時(shí)，RTK將不能正常工作，而且此時(shí)的定位速度很慢，其定位精度甚至不如DGPS（差分GPS）。而雙星接收機(jī)是將美國(guó) GPS衛(wèi)星系統(tǒng)和俄羅斯GLONASS衛(wèi)星系統(tǒng)聯(lián)合起來(lái)使用的RTK接收機(jī)，接收機(jī)衛(wèi)星通道可達(dá)48顆。這樣，開(kāi)機(jī)后即可鎖定盡量多的衛(wèi)星，很快就能使用RTK技術(shù)，并能夠賣(mài)時(shí)地每秒提供厘米級(jí)精度的平面坐標(biāo)和海拔高程。
　　RTK技術(shù)就是使用更高速的和更小型的計(jì)算機(jī)，并將其裝入GPS接收機(jī)內(nèi)，在外業(yè)作業(yè)時(shí)可以即時(shí)提供厘米級(jí)的定位解。在進(jìn)行動(dòng)態(tài)測(cè)量時(shí)，基準(zhǔn)站將已知 WGS84坐標(biāo)和觀測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)用電臺(tái)傳給流動(dòng)站，在流動(dòng)站實(shí)時(shí)進(jìn)行差分處理，得到基準(zhǔn)站和流動(dòng)站坐標(biāo)差△x，△y，△Z；坐標(biāo)差加上基準(zhǔn)站坐標(biāo)得到流動(dòng)站每個(gè)點(diǎn)WGS84坐標(biāo)，通過(guò)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)轉(zhuǎn)換得出流動(dòng)站每個(gè)點(diǎn)的平面坐標(biāo)X，Y和海拔高H。
　　雙星系統(tǒng)接收機(jī)主要的標(biāo)稱精度和技術(shù)規(guī)范為：

測(cè)量 12通道GPS L1碼和載波相位測(cè)量 12通道GLONASS L1碼和載波相位測(cè)量 精度 水平定位精度(1σ)1cm 垂直定位精度(1σ)2cm 解算 5Hz(0.2秒)RTK定位解輸出 定位取數(shù)等待時(shí)間小于0.1秒 初始化 RTK OTF初始化可靠性好于99.9％ 　RTCM信息：1，2，3，9，18，19，22，31，32，34 電源 2.6瓦(傳感器)，1.8瓦(OEM板)

　　GPS－FIK測(cè)量的示意圖見(jiàn)附圖。

3 GPS－RTK在管網(wǎng)中的應(yīng)用

3.1 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)的求取
　　為了使GPS接收機(jī)中原始的大地經(jīng)緯度坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為當(dāng)?shù)氐淖鴺?biāo)系統(tǒng)，必須先計(jì)算出坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)進(jìn)行坐標(biāo)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換，坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)的求取，必須己知至少3個(gè)高精度控制點(diǎn)的地方坐標(biāo)值X、Y、H。例如根據(jù)已知控制點(diǎn)均勻分布在測(cè)區(qū)的原則，在測(cè)區(qū)內(nèi)選擇4個(gè)己知的靜態(tài)GPS控制點(diǎn)，坐標(biāo)數(shù)據(jù)如下：

點(diǎn) X坐標(biāo) Y坐標(biāo) H高程 區(qū) D08 3382680.4030 528741.3950 52.0560 武 D13 3372489.1740 523092.7550 29.3110 武 D4^- 3388903.1021 533005.9849 30.2890 武 DWC 3378774.9680 534220.2710 50.0297 武

　　將其中一個(gè)點(diǎn)D084作為己知站，單點(diǎn)定其WGS84坐標(biāo)，用RTK方式／靜態(tài)（三角架采點(diǎn)）測(cè)得其余各控制點(diǎn)的WGS84坐標(biāo)。利用隨機(jī)軟件求出坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)；比例SCALE：S—1000014，旋轉(zhuǎn)度ROTATION：R＝-0.101454，高程參數(shù)為:a=-0.000047323，b=0.000023643，c=1.373809185。
3.2 加密控制點(diǎn)的測(cè)量：
　　為了使管網(wǎng)待定位的設(shè)施位于測(cè)量控制點(diǎn)的工作范圍內(nèi)，需要將較稀疏的控制點(diǎn)進(jìn)行加密，方便測(cè)量定位作業(yè)的實(shí)施。選擇其中一個(gè)較高精度的控制點(diǎn)作為基準(zhǔn)站，用RTK／~P態(tài)測(cè)量的方法，對(duì)需加密的控制點(diǎn)進(jìn)行坐標(biāo)的定位，得到該控制點(diǎn)的WGS84坐標(biāo)和地方坐標(biāo)，再在加密的控制點(diǎn)所覆蓋的作業(yè)范圍內(nèi)進(jìn)行管網(wǎng)設(shè)施的測(cè)量作業(yè)，這樣利于作業(yè)范圍內(nèi)測(cè)量精度和作業(yè)效率的提高。
3.3 用RTK動(dòng)態(tài)測(cè)量和找尋管網(wǎng)設(shè)施
　　選擇其中一個(gè)控制點(diǎn)或加密控制點(diǎn)作為基準(zhǔn)站，用RTK坐標(biāo)測(cè)量數(shù)據(jù)的采集功能(Data Collection)按地方坐標(biāo)系的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)需要定位的管線點(diǎn)如閥門(mén)方頭、管道中心等進(jìn)行測(cè)量，現(xiàn)場(chǎng)可以實(shí)時(shí)得到該點(diǎn)的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)和精度評(píng)定水平，在精度允許的情況下開(kāi)始采集，坐標(biāo)數(shù)據(jù)自動(dòng)存儲(chǔ)在電子手簿中。內(nèi)業(yè)可將數(shù)據(jù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中進(jìn)行數(shù)據(jù)庫(kù)的整理。
　　如果找尋坐標(biāo)己知的管線點(diǎn)或是對(duì)管道安裝溝槽設(shè)計(jì)中心的定位，可以利用隨機(jī)軟件中放樣的功能(StakingOut)進(jìn)行作業(yè)。輸入待確定的管線點(diǎn)的已知坐標(biāo)作為參考點(diǎn)和目標(biāo)點(diǎn)，流動(dòng)站實(shí)地所在位置的坐標(biāo)作為修正點(diǎn)，電子手簿屏幕上的圖形顯示出實(shí)地待定點(diǎn)相對(duì)于目標(biāo)點(diǎn)所偏移的距離(Left：andBack：)，按照指示移動(dòng)流動(dòng)站，直到滿足所要求的精度。管道溝槽中心點(diǎn)的確定類似-上面的操作。利用這一特點(diǎn)可以對(duì)供水管道設(shè)施點(diǎn)進(jìn)行了找尋定位，還可以對(duì)管道的施工起到指導(dǎo)的作用。
3.4 RTK在管網(wǎng)圖形測(cè)量中的應(yīng)用
　　利用RTK快速定位和實(shí)時(shí)得到坐標(biāo)結(jié)果的特點(diǎn)，在一定的測(cè)量環(huán)境中可以進(jìn)行地形的碎部測(cè)量。地形點(diǎn)的測(cè)量可以在數(shù)據(jù)采集(Data Collection)的功能下進(jìn)行，也可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地形的實(shí)際情況進(jìn)行測(cè)量設(shè)定，在測(cè)量管道中心線或道路邊線時(shí)可以設(shè)定按距離進(jìn)行采集，距離可以人為設(shè)定；在勻速運(yùn)動(dòng)測(cè)量的過(guò)程中，可以設(shè)定按時(shí)間采集，時(shí)間間隔也可人為設(shè)定。采集完的地形點(diǎn)坐標(biāo)經(jīng)過(guò)成圖處理，生成數(shù)字化管網(wǎng)地形圖。地形點(diǎn)的采集可以單人作業(yè)，極大地節(jié)約了人力和時(shí)間，因?yàn)橛忻總€(gè)地形點(diǎn)的坐標(biāo)數(shù)據(jù)也使成圖質(zhì)量上了一個(gè)檔次。在白沙洲水廠廠區(qū)管網(wǎng)平面圖的測(cè)量應(yīng)用中，取得了很好的效果。
3.5 利用RTK進(jìn)行管網(wǎng)GIS數(shù)據(jù)的采集
　　根據(jù)不同GIS平臺(tái)要求各異，RTK在數(shù)據(jù)采集時(shí)可以將管網(wǎng)不同的設(shè)施點(diǎn)的屬性加進(jìn)去，對(duì)應(yīng)于每個(gè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)，再進(jìn)行一定的數(shù)據(jù)處理，可以生成適應(yīng)GIS平臺(tái)數(shù)據(jù)格式要求的基礎(chǔ)資料數(shù)據(jù)庫(kù)，并易于修改和完善。

4 動(dòng)態(tài)RTK測(cè)量的流程如下：

4.1 基準(zhǔn)站：

4.2 流動(dòng)站：

　　一般依照以上的程序進(jìn)行操作，結(jié)合供水管網(wǎng)管理的要求，就可以得到所要的結(jié)果數(shù)據(jù)。

5 RTK的應(yīng)用對(duì)管網(wǎng)管理的影響

　　GPS-RTK測(cè)量技術(shù)在供水管網(wǎng)中的應(yīng)用，對(duì)于管網(wǎng)的現(xiàn)代化管理有著很大的推動(dòng)作用。主要反映在以下幾點(diǎn)：
　　1)．相對(duì)于傳統(tǒng)管線定位和施工測(cè)量手段來(lái)說(shuō)，是-場(chǎng)革命性的飛躍。在管道定位和施工放樣的工作中，我們大都使用經(jīng)緯儀加測(cè)距儀或是用全站儀進(jìn)行定位測(cè)量，用經(jīng)緯儀進(jìn)行直管道的放樣測(cè)量，用水準(zhǔn)儀進(jìn)行高程的放樣測(cè)量。在使用過(guò)程中，不僅使用儀器種類繁多、人員多，而且精度在施工作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)由于各方面的阻擋和干擾，也受到影響。GPS-RTK的特點(diǎn)使測(cè)量和放樣工作變的簡(jiǎn)單方便和耳目一新，它的應(yīng)用在很大程度上綜合代替了其他幾種不同的測(cè)量?jī)x器，并在作業(yè)效率上有了很大的提高。
　　2)．促進(jìn)管網(wǎng)圖形的數(shù)字化管理和使用，對(duì)原始作業(yè)手段在很大程度上有著沖擊和革新的作用。在傳統(tǒng)的管網(wǎng)測(cè)量和維護(hù)上，大多使用描圖筆繪白紙圖、用皮尺拉管線點(diǎn)相對(duì)位置，來(lái)制作管網(wǎng)設(shè)計(jì)和施工等用圖，它最大的弊端就是圖形不能統(tǒng)一到國(guó)家坐標(biāo)系中，管線點(diǎn)的位置都是相對(duì)的，在GIS等管理系統(tǒng)中無(wú)法使用。而利用GPS-RTK的測(cè)量手段，可以得到每一個(gè)測(cè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)，可以以數(shù)據(jù)、圖形和位置等不同的表現(xiàn)形式反映到不同的應(yīng)用環(huán)境中，為各種人員的使用和管理提供方便。
　　3)．GPS-RTK在供水管網(wǎng)上的應(yīng)用，使得代表著當(dāng)今尖端科學(xué)水平的"3S"(GPS、GIS、RS)技術(shù)得以在供水行業(yè)中的實(shí)際應(yīng)用實(shí)現(xiàn)突破。要使以工程技術(shù)為主的管理水平上臺(tái)階，就要借助現(xiàn)代人類文明創(chuàng)造的先進(jìn)的科技成果。而"3S"技術(shù)在現(xiàn)階段涉及工程技術(shù)行業(yè)中越來(lái)越顯出其優(yōu)越性和先進(jìn)性。因此，隨著GPS供水管網(wǎng)中的深入應(yīng)用和其不斷與GIS的緊密結(jié)合，必將對(duì)管網(wǎng)的現(xiàn)代化管理產(chǎn)生深刻的影響。

6 結(jié)論

　　將動(dòng)態(tài)GPS應(yīng)用于自來(lái)水供水管網(wǎng)管理中，在完善管網(wǎng)圖紙和對(duì)供水管道施工和定位方面起到了很大的作用，提高了管網(wǎng)管理的效率和質(zhì)量，為管網(wǎng)的現(xiàn)代化管理起到了推動(dòng)的作用。

附圖：

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作者簡(jiǎn)介：
　　張宏立(1975-)，男，漢族，河北石家莊人，助理工程師，學(xué)士，工程測(cè)量專業(yè)