GPSRTK技術(shù)在地形測(cè)量中的應(yīng)用分

GPS RTK技術(shù)在地形測(cè)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(guò)對(duì)GPS RTK原理分析以及RTK技術(shù)在控制測(cè)量、數(shù)字測(cè)圖等工程中的基本應(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在測(cè)量中的重要作用；并對(duì)測(cè)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(huì)?！娟P(guān)鍵詞】 RTK技術(shù) 流動(dòng)站 基準(zhǔn)站 1 前言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)。RTK(Real Time Kinematic)技術(shù)又稱載波相位動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)差分技術(shù)，其實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位技術(shù)效率高，可以在作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)提供經(jīng)過(guò)檢驗(yàn)的測(cè)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(cè)量、航空攝影測(cè)量、地籍測(cè)量、房產(chǎn)測(cè)量、勘界與撥地測(cè)量、工程測(cè)量等各個(gè)領(lǐng)域。本文主要通過(guò)一些實(shí)例體會(huì)來(lái)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(tái)基準(zhǔn)站接收機(jī)和1臺(tái)或多臺(tái)流動(dòng)站接收機(jī)以及用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)碾娕_(tái)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(dòng)站接收機(jī)在若干個(gè)待測(cè)點(diǎn)上設(shè)置?；鶞?zhǔn)站與流動(dòng)站保持同時(shí)跟蹤至少4顆以上的衛(wèi)星，基準(zhǔn)站不斷地對(duì)可見(jiàn)衛(wèi)星進(jìn)行觀測(cè)，將接收到的衛(wèi)星信號(hào)通過(guò)電臺(tái)發(fā)送給流動(dòng)站接收機(jī)，流動(dòng)站接收機(jī)將采集到的GPS觀測(cè)數(shù)據(jù)和基準(zhǔn)站發(fā)送來(lái)的信號(hào)傳輸?shù)娇刂剖植?，組成差分觀測(cè)值，進(jìn)行實(shí)時(shí)差分及平差處理，實(shí)時(shí)得出本站的坐標(biāo)和高程?；鶞?zhǔn)站一般架設(shè)在已知點(diǎn)(平面坐標(biāo)或高程已知)上，點(diǎn)位一般位于測(cè)區(qū)中間，視野開(kāi)闊，周圍無(wú)高大的樹(shù)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(méi)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(diǎn)上。流動(dòng)站依次設(shè)置在待測(cè)點(diǎn)上觀測(cè)。基準(zhǔn)站和流動(dòng)站同時(shí)接收衛(wèi)星信號(hào)?；鶞?zhǔn)站通過(guò)連接的電臺(tái)將測(cè)站坐標(biāo)、偽距觀測(cè)值、載波相位觀測(cè)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(dòng)站，流動(dòng)站接收該信息后與衛(wèi)星信息進(jìn)行實(shí)時(shí)差分平差處理，實(shí)時(shí)得到流動(dòng)站的三維坐標(biāo)及其觀測(cè)精度信息。系統(tǒng)的顯著特點(diǎn)是GPS測(cè)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(wú)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(diǎn)。求解平面轉(zhuǎn)換參數(shù)，至少要聯(lián)測(cè)兩個(gè)平面坐標(biāo)點(diǎn)，求解高程轉(zhuǎn)換參數(shù)則需要聯(lián)測(cè)三個(gè)高程點(diǎn)。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(cè)點(diǎn)的精度，通常要聯(lián)測(cè)盡可能多的已知點(diǎn)，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(gè)已知點(diǎn)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(diǎn)上實(shí)地虛擬聯(lián)測(cè)，解算出轉(zhuǎn)換參數(shù)；基準(zhǔn)站架設(shè)在已知點(diǎn)或未知點(diǎn)上，流動(dòng)站依次測(cè)量各已知點(diǎn)的地心坐標(biāo)，將各已知點(diǎn)所對(duì)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(diǎn)校正，淘汰校正殘差比較大的已知點(diǎn)，從而解算出兩坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換參數(shù)。3 RTK測(cè)量實(shí)例3.1 RTK在控制測(cè)量中的應(yīng)用在某工業(yè)區(qū)5平方公里1:500地形測(cè)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(shì)進(jìn)行測(cè)量較為方便。此次測(cè)量以工業(yè)廠區(qū)為主，基準(zhǔn)站設(shè)置在測(cè)區(qū)的中部、地勢(shì)較高的五層樓樓頂，符合基準(zhǔn)站的架設(shè)條件，與已知點(diǎn)的距離在2.03.0km之間。聯(lián)測(cè)四個(gè)D級(jí)GPS點(diǎn)和三個(gè)三、四等水準(zhǔn)點(diǎn)，采用兩臺(tái)雙頻GPS接收機(jī)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量模式，流動(dòng)站用支撐桿豎直。布點(diǎn)時(shí)為了方便測(cè)圖使用和便于RTK測(cè)量等因素，盡量避開(kāi)高壓線、高大建筑物及高密樹(shù)林等因素對(duì)RTK測(cè)量的影響。實(shí)在無(wú)法回避的地方，采用增加觀測(cè)時(shí)間、增加觀測(cè)次數(shù)的方法以提高觀測(cè)精度。由于GPS并不需要點(diǎn)間通視，不必為通視的原因而搬好幾次站，大大減少了測(cè)量時(shí)間。流動(dòng)站僅需一次完成，所以減少了人力、財(cái)力。RTK控制測(cè)量時(shí)，首先用已知控制點(diǎn)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(gè)控制點(diǎn)的水平殘差和垂直殘差。本次測(cè)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(cè)點(diǎn)的觀測(cè)精度，將天線設(shè)置在對(duì)點(diǎn)器上，觀測(cè)時(shí)間大于20秒，采用不同的時(shí)間段進(jìn)行兩次觀測(cè)取平均值；機(jī)內(nèi)精度指標(biāo)預(yù)設(shè)為點(diǎn)位中誤差1.5cm，高程中誤差2.0cm；觀測(cè)中，取平面和高程中誤差均小于1.0cm時(shí)進(jìn)行記錄。RTK點(diǎn)兩次觀測(cè)值坐標(biāo)較差最大值為2.8cm，最小值為0.3cm?？紤]到兩次觀測(cè)采用了同一基準(zhǔn)站，觀測(cè)條件基本相同，可以將其視為同精度雙觀測(cè)值的情況，進(jìn)而求得觀測(cè)值中誤差和平均值中誤差。觀測(cè)值中誤差為0.9cm，平均值中誤差為0.6cm（0.9/2）。這說(shuō)明RTK技術(shù)能滿足城市測(cè)量規(guī)范中最弱點(diǎn)的點(diǎn)位中誤差(相對(duì)于起算點(diǎn))不大于5cm的要求。同時(shí)，我們采用常規(guī)手段對(duì)RTK控制點(diǎn)進(jìn)行了四等水準(zhǔn)測(cè)量。平差后，每公里高差中誤差為4.2mm，最弱點(diǎn)高程中誤差為6.5mm。在進(jìn)行RTK平面控制測(cè)量的同時(shí)，我們也利用RTK技術(shù)進(jìn)行了高程測(cè)量。兩次RTK高程測(cè)量的成果高程較差最大為-4.7cm，最小為0cm.觀測(cè)值中誤差為1.4cm，平均值中誤差為1.0cm。四等水準(zhǔn)測(cè)量與RTK高程測(cè)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(cè)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?jiàn)求得的高程較差中誤差小于高程較差理論中誤差。根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，由RTK測(cè)量的高程計(jì)算出的相鄰高差受相鄰點(diǎn)間的長(zhǎng)度影響較小，高差精度主要與四等水準(zhǔn)測(cè)段長(zhǎng)度有關(guān)。利用高差較差參照不同精度雙觀測(cè)值情況計(jì)算出高差較差單位(每公里)中誤差為1.89cm。如果RTK高程測(cè)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(jì)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(cè)量能夠滿足城市測(cè)量規(guī)范對(duì)四等水準(zhǔn)網(wǎng)的精度要求。3.2 RTK在數(shù)字測(cè)圖中的應(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)，可以進(jìn)行地形的碎部測(cè)量來(lái)代替常規(guī)的數(shù)字測(cè)圖。以1臺(tái)GPS基準(zhǔn)站，另一臺(tái)或幾臺(tái)移動(dòng)的GPS接收機(jī)分別開(kāi)始進(jìn)行碎部點(diǎn)測(cè)量。地形點(diǎn)的測(cè)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(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。采集完將數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換為“點(diǎn)號(hào)，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(guò)成圖處理，生成數(shù)字化地形圖。地形點(diǎn)的采集可以單人作業(yè)，在建筑區(qū)內(nèi)較為開(kāi)闊的區(qū)域進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，發(fā)現(xiàn)RTK的采點(diǎn)速度相當(dāng)快，由于初始化速度快(小于30s)，并且在線運(yùn)動(dòng)過(guò)程中不失鎖，每個(gè)碎部點(diǎn)采集時(shí)間不超過(guò)2s(含點(diǎn)位代碼輸人)，因此，采點(diǎn)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(shì)。也可以在作業(yè)中采用RTK測(cè)量模式的優(yōu)勢(shì)，準(zhǔn)確快速地建立圖根控制點(diǎn)，在圖根控制點(diǎn)上由全站儀配合電子手簿進(jìn)行碎部點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集。該法不像常規(guī)圖根導(dǎo)線測(cè)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(lái)的測(cè)量累計(jì)誤差，提高了全站儀碎部點(diǎn)采點(diǎn)的點(diǎn)位絕對(duì)精度，使地形測(cè)量方便快捷，大大提高了地形測(cè)量的工作效率。在地形圖、地籍圖等的測(cè)量應(yīng)用中，均取得了很好的效果。4 動(dòng)態(tài)RTK測(cè)量的流程如下：5 幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)5.1 通過(guò)對(duì)以上事例的分析，可以得出RTK技術(shù)能夠滿足城市測(cè)量中對(duì)導(dǎo)線和四等水準(zhǔn)測(cè)量的要求。由于RTK技術(shù)不同于常規(guī)的控制測(cè)量，不可能完全用常規(guī)控制測(cè)量的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)衡量，尤其是在邊長(zhǎng)較短的相鄰點(diǎn)表現(xiàn)比較明顯。RTK技術(shù)的測(cè)量誤差均勻、獨(dú)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(shí)地提供測(cè)量成果，不需要分級(jí)布網(wǎng)，可以大大減少生產(chǎn)成本，減輕作業(yè)員的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高測(cè)量速度和企業(yè)效益。5.3 誤差與流動(dòng)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(diǎn)應(yīng)分布均勻，覆蓋整個(gè)測(cè)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(diǎn)上，這對(duì)高程測(cè)量尤為重要。5.4 測(cè)量過(guò)程中，盡可能地檢測(cè)一定數(shù)量的測(cè)區(qū)內(nèi)和相鄰的控制點(diǎn)，以發(fā)現(xiàn)異常情況，并剔除原控制網(wǎng)的粗差點(diǎn)，便于做好與已有地形圖或工程項(xiàng)目的接邊工作。5.5 測(cè)量時(shí)需采用一些方法來(lái)提高測(cè)量精度。如延長(zhǎng)測(cè)量時(shí)間。架設(shè)對(duì)點(diǎn)器。選擇有利觀測(cè)時(shí)間。增加觀測(cè)次數(shù)或改變基準(zhǔn)站等。同精度兩次測(cè)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(shì)。6 結(jié)論6.1 RTK技術(shù)操作簡(jiǎn)便，靈活方便，工作狀態(tài)穩(wěn)定。能快速、準(zhǔn)確地測(cè)定圖根點(diǎn)、碎部點(diǎn)的坐標(biāo)和高程，實(shí)時(shí)提供精度可達(dá)厘米級(jí)經(jīng)檢核的三維坐標(biāo)。與傳統(tǒng)的測(cè)圖方法相比，人員少，費(fèi)用省，效率高。6.2 基準(zhǔn)站的選擇對(duì)于RTK測(cè)量非常重要，它將直接影響到流動(dòng)站的施測(cè)精度和測(cè)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(cè)區(qū)的實(shí)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(diǎn)應(yīng)在3個(gè)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(cè)量中，GPS一RTK技術(shù)可以替代全站儀進(jìn)行圖根導(dǎo)線測(cè)量，所測(cè)范圍內(nèi)在不通視的條件下測(cè)定無(wú)累積誤差的圖根點(diǎn)，使測(cè)圖所需圖根點(diǎn)的數(shù)量在滿足要求時(shí)，可多可少，機(jī)動(dòng)靈活；而且移動(dòng)點(diǎn)至基準(zhǔn)點(diǎn)的距離可以很長(zhǎng)(最好不要超過(guò)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(cè)量作業(yè)。在夜間作業(yè)，比常規(guī)測(cè)量作業(yè)方法更具優(yōu)越性。6.6在個(gè)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(shí)間長(zhǎng)或失鎖，影響碎部測(cè)量速度，可采用RTK增補(bǔ)圖根導(dǎo)線點(diǎn)，配合全站儀測(cè)量碎部點(diǎn)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(cè)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(cè)量學(xué)(上,下)；武漢測(cè)繪科技大學(xué)出版社；1996年。2 城市測(cè)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(cè)攝影測(cè)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(cè)量原理及應(yīng)用；武漢測(cè)繪科技大學(xué)出版社；1997年。6武漢測(cè)繪科技大學(xué)測(cè)量平差教研室編著；測(cè)量平差基礎(chǔ)；測(cè)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