GPS-RTK在供水管網管理中的應用
張宏立
（武漢市自來水公司）
摘 要：通過動態GPS在城市供水管網中的應用，對動態GPS的特性和使用方法做了闡述，指出了動態GPS在供水管網管理中的重要作用。
關鍵詞：供水管網 動態GPS 坐標定位
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
一般大中城市市區地下都有著龐大的供水管網，由于管網的復雜性和隱蔽性，因此就不能進行一目了然的管理和維護，給管網管理增加了很大的難度；再加上重水1、輕管網的傳統觀念，使地下管網的埋設資料不全，給管網的數字化和信息化設置了障礙，不利于管網的延續性和現代化管理。在城市形成一套供水管網管理體制的同時，管網的測量定位以及管網信息的數字化對管網系統的可靠性起著關鍵的作用。GPS－RTK應用于管網管理當中，在很大程度上提高了工作質量和效率。利用Rh技術即時動態、厘米級定位精度的特點，將動態GPS應用于城市供水行業中的管網圖形測量、管道定位和管道施工放樣等方面，獲取大量的地形、管網附屬設備等定位坐標數據，在完善管網基礎信息資料方面可以收到顯著的成效。
2 GPS－RTK的特點和優點
GPS（Global Position System）即為全球定位系統的簡稱，它是一套利用美國GPS衛星導航系統進行全天候、全方位的測量定位設備。根據GPS提供的坐標或坐標演變量精度和方式的不同可以分為毫米級，厘米級，靜態，動態后處理，RTK(Real Time Kinematic 實時動態)，RTD(Real Time Differnce 實時差分)等幾種設備分類和測量方式，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。在這里我們主要對單頻雙星RTK的設備及測量方式進行討論。
盡管作為GPS應用的最尖端技術的RTK，己經有好幾年的歷史了，但是，GPS－RTK在技術上有其局限性，即當被鎖定的衛星數目少于5顆時，RTK將不能正常工作，而且此時的定位速度很慢，其定位精度甚至不如DGPS（差分GPS）。而雙星接收機是將美國 GPS衛星系統和俄羅斯GLONASS衛星系統聯合起來使用的RTK接收機，接收機衛星通道可達48顆。這樣，開機后即可鎖定盡量多的衛星，很快就能使用RTK技術，并能夠賣時地每秒提供厘米級精度的平面坐標和海拔高程。
RTK技術就是使用更高速的和更小型的計算機，并將其裝入GPS接收機內，在外業作業時可以即時提供厘米級的定位解。在進行動態測量時，基準站將已知 WGS84坐標和觀測數據實時用電臺傳給流動站，在流動站實時進行差分處理，得到基準站和流動站坐標差△x，△y，△Z；坐標差加上基準站坐標得到流動站每個點WGS84坐標，通過坐標轉換參數轉換得出流動站每個點的平面坐標X，Y和海拔高H。
雙星系統接收機主要的標稱精度和技術規范為：
GPS－FIK測量的示意圖見附圖。
3 GPS－RTK在管網中的應用
3.1 坐標轉換參數的求取
為了使GPS接收機中原始的大地經緯度坐標系統轉換為當地的坐標系統，必須先計算出坐標轉換參數進行坐標系統的轉換，坐標轉換參數的求取，必須己知至少3個高精度控制點的地方坐標值X、Y、H。例如根據已知控制點均勻分布在測區的原則，在測區內選擇4個己知的靜態GPS控制點，坐標數據如下：
將其中一個點D084作為己知站，單點定其WGS84坐標，用RTK方式／靜態（三角架采點）測得其余各控制點的WGS84坐標。利用隨機軟件求出坐標轉換參數；比例SCALE：S—1000014，旋轉度ROTATION：R＝-0.101454，高程參數為:a=-0.000047323，b=0.000023643，c=1.373809185。
3.2 加密控制點的測量：
為了使管網待定位的設施位于測量控制點的工作范圍內，需要將較稀疏的控制點進行加密，方便測量定位作業的實施。選擇其中一個較高精度的控制點作為基準站，用RTK／~P態測量的方法，對需加密的控制點進行坐標的定位，得到該控制點的WGS84坐標和地方坐標，再在加密的控制點所覆蓋的作業范圍內進行管網設施的測量作業，這樣利于作業范圍內測量精度和作業效率的提高。
3.3 用RTK動態測量和找尋管網設施
選擇其中一個控制點或加密控制點作為基準站，用RTK坐標測量數據的采集功能(Data Collection)按地方坐標系的標準對需要定位的管線點如閥門方頭、管道中心等進行測量，現場可以實時得到該點的三維坐標數據和精度評定水平，在精度允許的情況下開始采集，坐標數據自動存儲在電子手簿中。內業可將數據傳輸到計算機中進行數據庫的整理。
如果找尋坐標己知的管線點或是對管道安裝溝槽設計中心的定位，可以利用隨機軟件中放樣的功能(StakingOut)進行作業。輸入待確定的管線點的已知坐標作為參考點和目標點，流動站實地所在位置的坐標作為修正點，電子手簿屏幕上的圖形顯示出實地待定點相對于目標點所偏移的距離(Left：andBack：)，按照指示移動流動站，直到滿足所要求的精度。管道溝槽中心點的確定類似-上面的操作。利用這一特點可以對供水管道設施點進行了找尋定位，還可以對管道的施工起到指導的作用。
3.4 RTK在管網圖形測量中的應用
利用RTK快速定位和實時得到坐標結果的特點，在一定的測量環境中可以進行地形的碎部測量。地形點的測量可以在數據采集(Data Collection)的功能下進行，也可以根據現場地形的實際情況進行測量設定，在測量管道中心線或道路邊線時可以設定按距離進行采集，距離可以人為設定；在勻速運動測量的過程中，可以設定按時間采集，時間間隔也可人為設定。采集完的地形點坐標經過成圖處理，生成數字化管網地形圖。地形點的采集可以單人作業，極大地節約了人力和時間，因為有每個地形點的坐標數據也使成圖質量上了一個檔次。在白沙洲水廠廠區管網平面圖的測量應用中，取得了很好的效果。
3.5 利用RTK進行管網GIS數據的采集
根據不同GIS平臺要求各異，RTK在數據采集時可以將管網不同的設施點的屬性加進去，對應于每個點的三維坐標，再進行一定的數據處理，可以生成適應GIS平臺數據格式要求的基礎資料數據庫，并易于修改和完善。
4 動態RTK測量的流程如下：
4.1 基準站：
4.2 流動站：
一般依照以上的程序進行操作，結合供水管網管理的要求，就可以得到所要的結果數據。
5 RTK的應用對管網管理的影響
GPS-RTK測量技術在供水管網中的應用，對于管網的現代化管理有著很大的推動作用。主要反映在以下幾點：
1)．相對于傳統管線定位和施工測量手段來說，是-場革命性的飛躍。在管道定位和施工放樣的工作中，我們大都使用經緯儀加測距儀或是用全站儀進行定位測量，用經緯儀進行直管道的放樣測量，用水準儀進行高程的放樣測量。在使用過程中，不僅使用儀器種類繁多、人員多，而且精度在施工作業現場由于各方面的阻擋和干擾，也受到影響。GPS-RTK的特點使測量和放樣工作變的簡單方便和耳目一新，它的應用在很大程度上綜合代替了其他幾種不同的測量儀器，并在作業效率上有了很大的提高。
2)．促進管網圖形的數字化管理和使用，對原始作業手段在很大程度上有著沖擊和革新的作用。在傳統的管網測量和維護上，大多使用描圖筆繪白紙圖、用皮尺拉管線點相對位置，來制作管網設計和施工等用圖，它最大的弊端就是圖形不能統一到國家坐標系中，管線點的位置都是相對的，在GIS等管理系統中無法使用。而利用GPS-RTK的測量手段，可以得到每一個測點的三維坐標，可以以數據、圖形和位置等不同的表現形式反映到不同的應用環境中，為各種人員的使用和管理提供方便。
3)．GPS-RTK在供水管網上的應用，使得代表著當今尖端科學水平的"3S"(GPS、GIS、RS)技術得以在供水行業中的實際應用實現突破。要使以工程技術為主的管理水平上臺階，就要借助現代人類文明創造的先進的科技成果。而"3S"技術在現階段涉及工程技術行業中越來越顯出其優越性和先進性。因此，隨著GPS供水管網中的深入應用和其不斷與GIS的緊密結合，必將對管網的現代化管理產生深刻的影響。
6 結論
將動態GPS應用于自來水供水管網管理中，在完善管網圖紙和對供水管道施工和定位方面起到了很大的作用，提高了管網管理的效率和質量，為管網的現代化管理起到了推動的作用。
附圖：
作者簡介：
張宏立(1975-)，男，漢族，河北石家莊人，助理工程師，學士，工程測量專業
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