GPSRTK技術(shù)在地形測量中的應(yīng)用分

GPS RTK技術(shù)在地形測量中的應(yīng)用分析劉宗波（甘肅建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅 蘭州 ）【摘 要】通過對GPS RTK原理分析以及RTK技術(shù)在控制測量、數(shù)字測圖等工程中的基本應(yīng)用，對動態(tài)GPS的特性和使用方法做了闡述，指出了動態(tài)GPS在測量中的重要作用；并對測量精度進(jìn)行了一定的分析，得出一些有益的結(jié)論和體會?！娟P(guān)鍵詞】 RTK技術(shù) 流動站 基準(zhǔn)站 1 前言GPS（Global Position System）即為全球定位系統(tǒng)的簡稱，它是一套利用美國GPS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行全天候、全方位的測量定位設(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，厘米級，靜態(tài)，動態(tài)后處理，RTK(Real Time Kinematic 實時動態(tài))，RTD(Real Time Differnce 實時差分)等幾種設(shè)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(shù)。RTK(Real Time Kinematic)技術(shù)又稱載波相位動態(tài)實時差分技術(shù)，其實時動態(tài)定位技術(shù)效率高，可以在作業(yè)現(xiàn)場提供經(jīng)過檢驗的測量成果，能夠在滿足精度的前提下，擺脫后處理的負(fù)擔(dān)和外業(yè)返工的困擾。目前，該技術(shù)已廣泛應(yīng)用于地形測量、航空攝影測量、地籍測量、房產(chǎn)測量、勘界與撥地測量、工程測量等各個領(lǐng)域。本文主要通過一些實例體會來探討RTK技術(shù)在工程中的應(yīng)用。2 基本方法RTK定位通常由1臺基準(zhǔn)站接收機(jī)和1臺或多臺流動站接收機(jī)以及用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)碾娕_組成，在RTK作業(yè)模式下將一些必要的數(shù)據(jù)輸入GPS控制手簿，如基準(zhǔn)站的坐標(biāo)、高程、坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換參數(shù)、水準(zhǔn)面擬合參數(shù)等；流動站接收機(jī)在若干個待測點上設(shè)置?；鶞?zhǔn)站與流動站保持同時跟蹤至少4顆以上的衛(wèi)星，基準(zhǔn)站不斷地對可見衛(wèi)星進(jìn)行觀測，將接收到的衛(wèi)星信號通過電臺發(fā)送給流動站接收機(jī)，流動站接收機(jī)將采集到的GPS觀測數(shù)據(jù)和基準(zhǔn)站發(fā)送來的信號傳輸?shù)娇刂剖植荆M成差分觀測值，進(jìn)行實時差分及平差處理，實時得出本站的坐標(biāo)和高程。基準(zhǔn)站一般架設(shè)在已知點(平面坐標(biāo)或高程已知)上，點位一般位于測區(qū)中間，視野開闊，周圍無高大的樹木、樓房等建筑物影響，遠(yuǎn)離強(qiáng)電磁波發(fā)射源和大面積的水面，如果事先沒有確定地心坐標(biāo)(WGS-84)與當(dāng)?shù)刈鴺?biāo)系的轉(zhuǎn)換參數(shù)，也可以將基準(zhǔn)站架設(shè)在符合上述條件的未知點上。流動站依次設(shè)置在待測點上觀測?；鶞?zhǔn)站和流動站同時接收衛(wèi)星信號?；鶞?zhǔn)站通過連接的電臺將測站坐標(biāo)、偽距觀測值、載波相位觀測值、衛(wèi)星跟蹤狀態(tài)和接收機(jī)工作狀態(tài)發(fā)送給流動站，流動站接收該信息后與衛(wèi)星信息進(jìn)行實時差分平差處理，實時得到流動站的三維坐標(biāo)及其觀測精度信息。系統(tǒng)的顯著特點是GPS測量技術(shù)與數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)組合而成，其數(shù)據(jù)傳輸由無線數(shù)據(jù)鏈完成，數(shù)據(jù)鏈采用UHF頻段，具有可靠、穩(wěn)定和抗干擾能力的優(yōu)點。求解平面轉(zhuǎn)換參數(shù)，至少要聯(lián)測兩個平面坐標(biāo)點，求解高程轉(zhuǎn)換參數(shù)則需要聯(lián)測三個高程點。為了提高地心坐標(biāo)系與當(dāng)?shù)刈鴺?biāo)系數(shù)學(xué)模型的擬合程度，進(jìn)而提高待測點的精度，通常要聯(lián)測盡可能多的已知點，轉(zhuǎn)換參數(shù)的求得通常有兩種方法：充分利用已有的GPS控制網(wǎng)資料，將多個已知點的地心坐標(biāo)與相應(yīng)的當(dāng)?shù)刈鴺?biāo)輸入電子手簿中，基準(zhǔn)站架設(shè)在已知點上實地虛擬聯(lián)測，解算出轉(zhuǎn)換參數(shù)；基準(zhǔn)站架設(shè)在已知點或未知點上，流動站依次測量各已知點的地心坐標(biāo)，將各已知點所對應(yīng)的當(dāng)?shù)刈鴺?biāo)系的平面坐標(biāo)和高程輸入手簿中進(jìn)行點校正，淘汰校正殘差比較大的已知點，從而解算出兩坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換參數(shù)。3 RTK測量實例3.1 RTK在控制測量中的應(yīng)用在某工業(yè)區(qū)5平方公里1:500地形測量中，由于廠礦工業(yè)區(qū)建筑物密，通視困難，采用RTK的技術(shù)優(yōu)勢進(jìn)行測量較為方便。此次測量以工業(yè)廠區(qū)為主，基準(zhǔn)站設(shè)置在測區(qū)的中部、地勢較高的五層樓樓頂，符合基準(zhǔn)站的架設(shè)條件，與已知點的距離在2.03.0km之間。聯(lián)測四個D級GPS點和三個三、四等水準(zhǔn)點，采用兩臺雙頻GPS接收機(jī)實時動態(tài)測量模式，流動站用支撐桿豎直。布點時為了方便測圖使用和便于RTK測量等因素，盡量避開高壓線、高大建筑物及高密樹林等因素對RTK測量的影響。實在無法回避的地方，采用增加觀測時間、增加觀測次數(shù)的方法以提高觀測精度。由于GPS并不需要點間通視，不必為通視的原因而搬好幾次站，大大減少了測量時間。流動站僅需一次完成，所以減少了人力、財力。RTK控制測量時，首先用已知控制點建立投影的局部歸化參數(shù)，儀器將直接記錄坐標(biāo)和高程，查看解算后每個控制點的水平殘差和垂直殘差。本次測量解算出兩坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換參數(shù)，水平殘差最大為2.5cm，垂直殘差最大為0.6cm。為了提高待測點的觀測精度，將天線設(shè)置在對點器上，觀測時間大于20秒，采用不同的時間段進(jìn)行兩次觀測取平均值；機(jī)內(nèi)精度指標(biāo)預(yù)設(shè)為點位中誤差1.5cm，高程中誤差2.0cm；觀測中，取平面和高程中誤差均小于1.0cm時進(jìn)行記錄。RTK點兩次觀測值坐標(biāo)較差最大值為2.8cm，最小值為0.3cm。考慮到兩次觀測采用了同一基準(zhǔn)站，觀測條件基本相同，可以將其視為同精度雙觀測值的情況，進(jìn)而求得觀測值中誤差和平均值中誤差。觀測值中誤差為0.9cm，平均值中誤差為0.6cm（0.9/2）。這說明RTK技術(shù)能滿足城市測量規(guī)范中最弱點的點位中誤差(相對于起算點)不大于5cm的要求。同時，我們采用常規(guī)手段對RTK控制點進(jìn)行了四等水準(zhǔn)測量。平差后，每公里高差中誤差為4.2mm，最弱點高程中誤差為6.5mm。在進(jìn)行RTK平面控制測量的同時，我們也利用RTK技術(shù)進(jìn)行了高程測量。兩次RTK高程測量的成果高程較差最大為-4.7cm，最小為0cm.觀測值中誤差為1.4cm，平均值中誤差為1.0cm。四等水準(zhǔn)測量與RTK高程測量成果較差高程較差最大為-4.8cm，最小為-0.1cm，高程較差中誤差為2.3cm。如果四等水準(zhǔn)網(wǎng)高程中誤差取2.0cm，RTK高程測量的中誤差采用其預(yù)設(shè)精度2.0cm，則利用誤差傳播定律可以得到高程較差理論中誤差為2.8cm，高程較差允許誤差為5.6cm?？梢娗蟮玫母叱梯^差中誤差小于高程較差理論中誤差。根據(jù)實際經(jīng)驗，由RTK測量的高程計算出的相鄰高差受相鄰點間的長度影響較小，高差精度主要與四等水準(zhǔn)測段長度有關(guān)。利用高差較差參照不同精度雙觀測值情況計算出高差較差單位(每公里)中誤差為1.89cm。如果RTK高程測量的中誤差采用其預(yù)設(shè)精度2.0cm，四等水準(zhǔn)高差中誤差取1.0cm，得高差較差理論單位中誤差為3.0cm。顯然，計算的高差較差單位中誤差小于高差較差理論單位中誤差，證明RTK高程測量能夠滿足城市測量規(guī)范對四等水準(zhǔn)網(wǎng)的精度要求。3.2 RTK在數(shù)字測圖中的應(yīng)用利用RTK快速定位和實時得到坐標(biāo)結(jié)果的特點，可以進(jìn)行地形的碎部測量來代替常規(guī)的數(shù)字測圖。以1臺GPS基準(zhǔn)站，另一臺或幾臺移動的GPS接收機(jī)分別開始進(jìn)行碎部點測量。地形點的測量可以在數(shù)據(jù)采集的功能下進(jìn)行，也可以根據(jù)現(xiàn)場地形的實際情況進(jìn)行測量設(shè)定，在測量管道中心線或道路邊線時可以設(shè)定按距離進(jìn)行采集，距離可以人為設(shè)定；在勻速運(yùn)動測量的過程中，可以設(shè)定按時間采集，時間間隔也可人為設(shè)定。采集完將數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換為“點號，東坐標(biāo)，北坐標(biāo)，高程”形式，保存到硬盤，使用Cass軟件經(jīng)過成圖處理，生成數(shù)字化地形圖。地形點的采集可以單人作業(yè)，在建筑區(qū)內(nèi)較為開闊的區(qū)域進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，發(fā)現(xiàn)RTK的采點速度相當(dāng)快，由于初始化速度快(小于30s)，并且在線運(yùn)動過程中不失鎖，每個碎部點采集時間不超過2s(含點位代碼輸人)，因此，采點速度幾乎等于走路的速度，可以充分發(fā)揮RTK快速高精度定位的優(yōu)勢。也可以在作業(yè)中采用RTK測量模式的優(yōu)勢，準(zhǔn)確快速地建立圖根控制點，在圖根控制點上由全站儀配合電子手簿進(jìn)行碎部點的數(shù)據(jù)采集。該法不像常規(guī)圖根導(dǎo)線測量那么煩瑣，受地形的限制，也不用支儀器設(shè)站，從而減少了因多次設(shè)站帶來的測量累計誤差，提高了全站儀碎部點采點的點位絕對精度，使地形測量方便快捷，大大提高了地形測量的工作效率。在地形圖、地籍圖等的測量應(yīng)用中，均取得了很好的效果。4 動態(tài)RTK測量的流程如下：5 幾點認(rèn)識5.1 通過對以上事例的分析，可以得出RTK技術(shù)能夠滿足城市測量中對導(dǎo)線和四等水準(zhǔn)測量的要求。由于RTK技術(shù)不同于常規(guī)的控制測量，不可能完全用常規(guī)控制測量的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)來衡量，尤其是在邊長較短的相鄰點表現(xiàn)比較明顯。RTK技術(shù)的測量誤差均勻、獨立，不存在誤差積累,精度可靠程度較高。5.2 RTK技術(shù)能夠?qū)崟r地提供測量成果，不需要分級布網(wǎng)，可以大大減少生產(chǎn)成本，減輕作業(yè)員的勞動強(qiáng)度，提高測量速度和企業(yè)效益。5.3 誤差與流動站至基準(zhǔn)站的距離成正比，因此解求轉(zhuǎn)換參數(shù)的已知點應(yīng)分布均勻，覆蓋整個測區(qū)，水平、垂直殘差宜在3.5cm以下?；鶞?zhǔn)站盡可能設(shè)置在符合條件的已知點上，這對高程測量尤為重要。5.4 測量過程中，盡可能地檢測一定數(shù)量的測區(qū)內(nèi)和相鄰的控制點，以發(fā)現(xiàn)異常情況，并剔除原控制網(wǎng)的粗差點，便于做好與已有地形圖或工程項目的接邊工作。5.5 測量時需采用一些方法來提高測量精度。如延長測量時間。架設(shè)對點器。選擇有利觀測時間。增加觀測次數(shù)或改變基準(zhǔn)站等。同精度兩次測量值的較差取3cm以下為宜。5.6 如輔助相應(yīng)的軟件，RTK可與全站儀聯(lián)合作業(yè)，充分發(fā)揮RTK與全站儀各自的優(yōu)勢。6 結(jié)論6.1 RTK技術(shù)操作簡便，靈活方便，工作狀態(tài)穩(wěn)定。能快速、準(zhǔn)確地測定圖根點、碎部點的坐標(biāo)和高程，實時提供精度可達(dá)厘米級經(jīng)檢核的三維坐標(biāo)。與傳統(tǒng)的測圖方法相比，人員少，費用省，效率高。6.2 基準(zhǔn)站的選擇對于RTK測量非常重要，它將直接影響到流動站的施測精度和測量速度，應(yīng)注意二者之間的“準(zhǔn)光學(xué)通視”。6.3 應(yīng)根據(jù)測區(qū)的實際情況選擇合適的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)求解方法，參與坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的已知點應(yīng)在3個以上，且分布要均勻，做到在滿足精度要求的情況下，盡可能的減少外業(yè)的工作強(qiáng)度。6.4在城市地形測量中，GPS一RTK技術(shù)可以替代全站儀進(jìn)行圖根導(dǎo)線測量，所測范圍內(nèi)在不通視的條件下測定無累積誤差的圖根點，使測圖所需圖根點的數(shù)量在滿足要求時，可多可少，機(jī)動靈活；而且移動點至基準(zhǔn)點的距離可以很長(最好不要超過10 km)。6.5在城市空曠地區(qū)，建筑物不太稠密的住宅區(qū)和大馬路上，RTK能快速地完成碎部測量作業(yè)。在夜間作業(yè)，比常規(guī)測量作業(yè)方法更具優(yōu)越性。6.6在個別高大建筑物或建筑稠密地區(qū)，GPS出現(xiàn)盲區(qū)，初始化時間長或失鎖，影響碎部測量速度，可采用RTK增補(bǔ)圖根導(dǎo)線點，配合全站儀測量碎部點的方法，從而快速地完成野外作業(yè)，也可以大大提高外業(yè)測圖的工作效率，進(jìn)而達(dá)到縮短工期，節(jié)約成本的目的。參考文獻(xiàn)1 孔祥元，梅是義；控制測量學(xué)(上,下)；武漢測繪科技大學(xué)出版社；1996年。2 城市測量規(guī)范；CJJ 8-99；建設(shè)部頒布；1999年。3 GB 7931-87，1:500,1:1000,1:2000地形圖航測攝影測量外業(yè)規(guī)范S。4 劉大杰，施一民等；全球定位系統(tǒng)（GPS）的原理與數(shù)據(jù)處理M；同濟(jì)大學(xué)出版社；1996年。5 徐紹銓，張華海，楊志強(qiáng)； GPS測量原理及應(yīng)用；武漢測繪科技大學(xué)出版社；1997年。6武漢測繪科技大學(xué)測量平差教研室編著；測量平差基礎(chǔ)；測繪出版社；1996年。Applied analyse of GPS(Global Position System)RTK(Real Time Kinematic) in relief surveyLIU Zong-bo(Gansu Construction Vocational Technical College,Lanzhou )【summary】This paper analyzes the principles of GPS(Global Position System)RTK(Real Time Kinematic), the basic application of RTK technology in control survey and digital mapping and other projects,and expound