基于GNSS的碾压机械监控技术研究

基于GNSS的碾压机械监控技术研究

黄英标及今生

天津市测绘院天津300381

摘要：从系统的应用分析入手，分别论述了高程精度的评定和Surfer软件在碾压控制方面的操作，阐述了Surfer8.0利用RTK测量数据绘制等值线、3D平面图等的方法，并分析这些图形在碾压控制中的作用。

关键词：GPS；填筑工程；质量控制；碾压参数

1、引言

在传统的填筑工程施工过程中，国内实行碾压参数和试坑取样“双控”的原则进行质量管理，即主要依靠人工控制碾压参数（铺层厚度与平整度、碾压速度与碾压遍数等）和碾压后人工现场挖坑取样检验压实密度的检测手段。工程规模的扩大，机械化生产的大量投入使得传统的方法已经远远不能满足施工的需要。基于此，本文提出基于GNSS的碾压机械监控技术，利用全球导航卫星系统来实现碾压机械监控，并结合数据通信、计算机等技术，实现填筑工程碾压施工质量监控的实时化。

2、监控原理

GPSRTK（RealTimeKinematic）是一种利用GPS载波相位观测值进行实时动态定位的技术。进行RTK测量时，位于基准站（具有良好观测条件的已知站）上的GPS接收机通过数据通信链实时地把载波相位观测值以及已知的站坐标等信息播发给在附近工作的流动用户，这些用户就能根据基准站及自己所采集的载波相位观测值利用RTK数据处理软件进行实时相对定位，进而根据基准站的坐标求出自己的三维坐标并估算其精度，如有必要还能进行其他操作，比如坐标转换。RTK测量成果的精度和可靠性在很大程度上取决于数据处理软件的质量和性能，即RTK软件的性能。

基于GNSS的碾压机械监控技术主要需要进行碾压参数的准确测定，继而根据碾压参数进行相应的操作来实现自动化管理。在碾压机械上装置GPS接收机，在工程监控中心附件选择合适位置安装一台GPS接收机作为基准站，利用RTK原理即可进行测量。RTK利用相对定位原理，利用载波相位观测值进行测距，平面精度足以满足碾压参数的计算，另外在高程方面，只要采用较好的数学模型和数据处理软件，配合一些国家三等高程点，精度也能满足系统的需求。

3、应用分析

基于GPS的填筑工程施工质量过程控制系统目前国内主要是应用在公路工程的路基碾压以及堆石坝大坝的碾压，本文将结合已有的应用情况分析系统的精度以及利用模拟数据、surfer软件来说明系统等值线、碾压参数的表示形式。

3.1精度评定

系统的精度主要是指移动远端利用GPSRTK技术采集点位信息时的平面精度和高程精度以及碾压参数处理时所采用的数学模型和表示方法的精度。利用GPSRTK技术，只要基准站和流动站控制在一定范围，一般都控制在5、6公里。采用双频GPS接收机，其平面都能满足系统定位、计算和统计的需求，本节将重点讲述高程精度。

3.2实验分析

模拟实验在天津市理工大学校园内进行，采用RTK技术，采用华测X91（基准站型号、流动站是华测X90接收机）型号的接收机采集点位信息。其中基准站架在学生宿舍16栋楼顶，在游泳池旁边篮球场划定一个小区域（大约50m25m），作为碾压面进行模拟实验。

实验中利用自行车模拟压路机，一共采集三次数据。其中第一次的天线高设为2米，第二次设为2.8米，第三次设为2.5米来模拟碾压前、铺料后以及碾压后的高程面，GPS接收机固定在自行车的后座上。自行车在行驶过程中不可能做到车姿完全相同，因此虽然地面较平仍能模拟出小起伏的高程面。另外在行驶过程中也不可能做到完全按直线行驶，来回的错距严格相等，因此采集到的数据在空间位置上具有随机性。在实验过程中，每次一共走5个来回，其中第一次采集了84个点，第二次采集了81个点，第三次采集了78个点。

GoldenSoftwareSurfer8.0是一款具有插值功能的三维画图软件，其最主要的功能是绘制等高线，本模拟实验根据RTK采集的点位数据，利用Surfer8.0对碾压面进行描绘，画出碾压前后的三维图、等值线。

利用某一插值方法（本文采用克里格插值）生成格网文件后，需要对插值误差进行分析，通过统计指标看所作等值线图能否满足碾压实验的指标要求。残差值可定量估计源数据Z值与插值后Z值之间的一致性，根据残差计算结果，可计算得到平均残差、标准残差和标准误差等。

（1）

式中，为残差值，为源数据Z值，为该点格网值，本实验中，第一次碾压格网化后的残差值见下表。

为了更加直观地表示碾压前后高程面的高程变化，可以对两次碾压的格网数据求差运算。利用求差后重新生成的格网数据绘制3D平面图和渐变地形图。由图1可以看出，虽然实验中采集点位信息时错距和速度相差相对较大，但是图形显示与实际地形还是比较符合（图中有一处低洼地方是篮球场旁边用于排水的地面）。

表1第一次碾压部分点格网化后的残差值

X（m）Y（m）Z（m）残差值（m）3379141.6533819.44-102.727-0.0011553379141.7533819.45-102.7150.00786513379141.7533819.49-102.7080.010783379141.7533819.47-102.710.00824643379141.7533819.45-102.710.01231383379141.5533819.34-102.743-0.00550853379141.2533819.13-102.778-0.00471343379141.1533818.85-102.806-0.01881653379142.8533818.59-102.7550.0005163379142.8533818.64-102.756-0.00125673379142.8533818.68-102.757-0.00312173379142.8533818.67-102.783-0.02884573379142.8533818.65-102.758-0.00342523379142.8533818.63-102.766-0.01089383379153533818.35-102.6120.00615133379147.8533818.2-102.6810.00365343379144.2533818.08-102.767-0.00366993379139.1533818-102.710.00292553379133.9533817.74-102.759-0.00383723379128.3533817.61-102.640.00850813379123.3533817.54-102.812-0.01049433379118.1533817.42-102.994-0.01482183379114.5533817.83-102.6970.00168623379121.3533818.76-102.6330.02240713379126.5533818.58-102.722-0.00063473379132.1533818.7-102.6810.00229213379136.8533818.71-102.6770.00372843379141.9533818.5-102.7530.00553743379145.7533818.73-102.7360.0006894

图1求差后的3D平面图（c-a）

4、结语

从上述分析可以看出，利用Surfer软件的计算和绘图功能，GPS采集的碾压数据与Surfer软件分析相结合的一种实时动态监测系统能满足计算碾压参数的要求，结果以图像形式显示，清楚可观，易于判断，另外插值后的残差值不大，可以作为基于GPS的填筑工程施工质量过程控制系统的一个重要辅助工具。

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