GPSRTK技术在地形测量中的应用分

GPSRTK技术在地形测量中的应用分析刘宗波（甘肃建筑职业技术学院，甘肃兰州730050）【摘要】通过对GPSRTK原理分析以及RTK技术在控制测量、数字测图等工程中的基本应用，对动态GPS的特性和使用方法做了阐述，指出了动态GPS在测量中的重要作用；并对测量精度进行了一定的分析，得出一些有益的结论和体会。【关键词】RTK技术流动站基准站1前言GPS（GlobalPositionSystem）即为全球定位系统的简称，它是一套利用美国GPS卫星导航系统进行全天候、全方位的测量定位设备。根据GPS提供的坐标或坐标演变量精度和方式的不同可以分为毫米级，厘米级，静态，动态后处理，RTK(RealTimeKinematic实时动态)，RTD(RealTimeDiffernce实时差分)等几种设备分类和测量方式，其中RTK是一种定位精度比DGPS高100倍的载波相位差分GPS技术。RTK(RealTimeKinematic)技术又称载波相位动态实时差分技术，其实时动态定位技术效率高，可以在作业现场提供经过检验的测量成果，能够在满足精度的前提下，摆脱后处理的负担和外业返工的困扰。目前，该技术已广泛应用于地形测量、航空摄影测量、地籍测量、房产测量、勘界与拨地测量、工程测量等各个领域。本文主要通过一些实例体会来探讨RTK技术在工程中的应用。2基本方法RTK定位通常由1台基准站接收机和1台或多台流动站接收机以及用于数据传输的电台组成，在RTK作业模式下将一些必要的数据输入GPS控制手簿，如基准站的坐标、高程、坐标系转换参数、水准面拟合参数等；流动站接收机在若干个待测点上设置。基准站与流动站保持同时跟踪至少4颗以上的卫星，基准站不断地对可见卫星进行观测，将接收到的卫星信号通过电台发送给流动站接收机，流动站接收机将采集到的GPS观测数据和基准站发送来的信号传输到控制手簿，组成差分观测值，进行实时差分及平差处理，实时得出本站的坐标和高程。基准站一般架设在已知点(平面坐标或高程已知)上，点位一般位于测区中间，视野开阔，周围无高大的树木、楼房等建筑物影响，远离强电磁波发射源和大面积的水面，如果事先没有确定地心坐标(WGS-84)与当地坐标系的转换参数，也可以将基准站架设在符合上述条件的未知点上。流动站依次设置在待测点上观测。基准站和流动站同时接收卫星信号。基准站通过连接的电台将测站坐标、伪距观测值、载波相位观测值、卫星跟踪状态和接收机工作状态发送给流动站，流动站接收该信息后与卫星信息进行实时差分平差处理，实时得到流动站的三维坐标及其观测精度信息。系统的显著特点是GPS测量技术与数据传输技术组合而成，其数据传输由无线数据链完成，数据链采用UHF频段，具有可靠、稳定和抗干扰能力的优点。求解平面转换参数，至少要联测两个平面坐标点，求解高程转换参数则需要联测三个高程点。为了提高地心坐标系与当地坐标系数学模型的拟合程度，进而提高待测点的精度，通常要联测尽可能多的已知点，转换参数的求得通常有两种方法：①充分利用已有的GPS控制网资料，将多个已知点的地心坐标与相应的当地坐标输入电子手簿中，基准站架设在已知点上实地虚拟联测，解算出转换参数；②基准站架设在已知点或未知点上，流动站依次测量各已知点的地心坐标，将各已知点所对应的当地坐标系的平面坐标和高程输入手簿中进行点校正，淘汰校正残差比较大的已知点，从而解算出两坐标系之间的转换参数。3RTK测量实例3.1RTK在控制测量中的应用在某工业区5平方公里1:500地形测量中，由于厂矿工业区建筑物密，通视困难，采用RTK的技术优势进行测量较为方便。此次测量以工业厂区为主，基准站设置在测区的中部、地势较高的五层楼楼顶，符合基准站的架设条件，与已知点的距离在2.0～3.0km之间。联测四个D级GPS点和三个三、四等水准点，采用两台双频GPS接收机实时动态测量模式，流动站用支撑杆竖直。布点时为了方便测图使用和便于RTK测量等因素，尽量避开高压线、高大建筑物及高密树林等因素对RTK测量的影响。实在无法回避的地方，采用增加观测时间、增加观测次数的方法以提高观测精度。由于GPS并不需要点间通视，不必为通视的原因而搬好几次站，大大减少了测量时间。流动站仅需一次完成，所以减少了人力、财力。RTK控制测量时，首先用已知控制点建立投影的局部归化参数，仪器将直接记录坐标和高程，查看解算后每个控制点的水平残差和垂直残差。本次测量解算出两坐标系之间的转换参数，水平残差最大为±2.5cm，垂直残差最大为±0.6cm。为了提高待测点的观测精度，将天线设置在对点器上，观测时间大于20秒，采用不同的时间段进行两次观测取平均值；机内精度指标预设为点位中误差±1.5cm，高程中误差±2.0cm；观测中，取平面和高程中误差均小于±1.0cm时进行记录。RTK点两次观测值坐标较差最大值为±2.8cm，最小值为0.3cm。考虑到两次观测采用了同一基准站，观测条件基本相同，可以将其视为同精度双观测值的情况，进而求得观测值中误差和平均值中误差。观测值中误差为±0.9cm，平均值中误差为±0.6cm（±0.9/√2）。这说明RTK技术能满足《城市测量规范》中最弱点的点位中误差(相对于起算点)不大于±5cm的要求。同时，我们采用常规手段对RTK控制点进行了四等水准测量。平差后，每公里高差中误差为±4.2mm，最弱点高程中误差为±6.5mm。在进行RTK平面控制测量的同时，我们也利用RTK技术进行了高程测量。两次RTK高程测量的成果高程较差最大为-4.7cm，最小为0cm.观测值中误差为±1.4cm，平均值中误差为±1.0cm。四等水准测量与RTK高程测量成果较差高程较差最大为-4.8cm，最小为-0.1cm，高程较差中误差为±2.3cm。如果四等水准网高程中误差取±2.0cm，RTK高程测量的中误差采用其预设精度±2.0cm，则利用误差传播定律可以得到高程较差理论中误差为±2.8cm，高程较差允许误差为±5.6cm。可见求得的高程较差中误差小于高程较差理论中误差。根据实际经验，由RTK测量的高程计算出的相邻高差受相邻点间的长度影响较小，高差精度主要与四等水准测段长度有关。利用高差较差参照不同精度双观测值情况计算出高差较差单位(每公里)中误差为±1.89cm。如果RTK高程测量的中误差采用其预设精度±2.0cm，四等水准高差中误差取±1.0cm，得高差较差理论单位中误差为±3.0cm。显然，计算的高差较差单位中误差小于高差较差理论单位中误差，证明RTK高程测量能够满足《城市测量规范》对四等水准网的精度要求。3.2RTK在数字测图中的应用利用RTK快速定位和实时得到坐标结果的特点，可以进行地形的碎部测量来代替常规的数字测图。以1台GPS基准站，另一台或几台移动的GPS接收机分别开始进行碎部点测量。地形点的测量可以在数据采集的功能下进行，也可以根据现场地形的实际情况进行测量设定，在测量管道中心线或道路边线时可以设定按距离进行采集，距离可以人为设定；在匀速运动测量的过程中，可以设定按时间采集，时间间隔也可人为设定。采集完将数据格式转换为“点号，东坐标，北坐标，高程”形式，保存到硬盘，使用Cass软件经过成图处理，生成数字化地形图。地形点的采集可以单人作业，在建筑区内较为开阔的区域进行数据采集，发现RTK的采点速度相当快，由于初始化速度快(小于30s)，并且在线运动过程中不失锁，每个碎部点采集时间不超过2s(含点位代码输人)，因此，采点速度几乎等于走路的速度，可以充分发挥RTK快速高精度定位的优势。也可以在作业中采用RTK测量模式的优势，准确快速地建立图根控制点，在图根控制点上由全站仪配合电子手簿进行碎部点的数据采集。该法不像常规图根导线测量那么烦琐，受地形的限制，也不用支仪器设站，从而减少了因多次设站带来的测量累计误差，提高了全站仪碎部点采点的点位绝对精度，使地形测量方便快捷，大大提高了地形测量的工作效率。在地形图、地籍图等的测量应用中，均取得了很好的效果。4动态RTK测量的流程如下：5几点认识5.1通过对以上事例的分析，可以得出RTK技术能够满足城市测量中对导线和四等水准测量的要求。由于RTK技术不同于常规的控制测量，不可能完全用常规控制测量的技术标准来衡量，尤其是在边长较短的相邻点表现比较明显。RTK技术的测量误差均匀、独立，不存在误差积累,精度可靠程度较高。5.2RTK技术能够实时地提供测量成果，不需要分级布网，可以大大减少生产成本，减轻作业员的劳动强度，提高测量速度和企业效益。5.3误差与流动站至基准站的距离成正比，因此解求转换参数的已知点应分布均匀，覆盖整个测区，水平、垂直残差宜在3.5cm以下。基准站尽可能设置在符合条件的已知点上，这对高程测量尤为重要。5.4测量过程中，尽可能地检测一定数量的测区内和相邻的控制点，以发现异常情况，并剔除原控制网的粗差点，便于做好与已有地形图或工程项目的接边工作。5.5测量时需采用一些方法来提高测量精度。如延长测量时间。架设对点器。选择有利观测时间。增加观测次数或改变基准站等。同精度两次测量值的较差取3cm以下为宜。5.6如辅助相应的软件，RTK可与全站仪联合作业，充分发挥RTK与全站仪各自的优势。6结论6.1RTK技术操作简便，灵活方便，工作状态稳定。能快速、准确地测定图根点、碎部点的坐标和高程，实时提供精度可达厘米级经检核的三维坐标。与传统的测图方法相比，人员少，费用省，效率高。6.2基准站的选择对于RTK测量非常重要，它将直接影响到流动站的施测精度和测量速度，应注意二者之间的“准光学通视”。6.3应根据测区的实际情况选择合适的坐标转换参数求解方法，参与坐标转换的已知点应在3个以上，且分布要均匀，做到在满足精度要求的情况下，尽可能的减少外业的工作强度。6.4在城市地形测量中，GPS一RTK技术可以替代全站仪进行图根导线测量，所测范围内在不通视的条件下测定无累积误差的图根点，使测图所需图根点的数量在满足要求时，可多可少，机动灵活；而且移动点至基准点的距离可以很长(最好不要超过10km)。6.5在城市空旷地区，建筑物不太稠密的住宅区和大马路上，RTK能快速地完成碎部测量作业。在夜间作业，比常规测量作业方法更具优越性。6.6在个别高大建筑物或建筑稠密地区，GPS出现盲区，初始化时间长或失锁，影响碎部测量速度，可采用RTK增补图根导线点，配合全站仪测量碎部点的方法，从而快速地完成野外作业，也可以大大提高外业测图的工作效率，进而达到缩短工期，节约成本的目的。参考文献[1]孔祥元，梅是义；控制测量学(上,下)；武汉测绘科技大学出版社；1996年。[2]《城市测量规范》；CJJ8-99；建设部颁布；1999年。[3]GB7931-87，1:500,1:1000,1:2000地形图航测摄影测量外业规范[S]。[4]刘大杰，施一民等；全球定位系统（GPS）的原理与数据处理[M]；同济大学出版社；1996年。[5]徐绍铨，张华海，杨志强；GPS测量原理及应用；武汉测绘科技大学出版社；1997年。[6]武汉测绘科技大学测量平差教研室编著；测量平差基础；测绘出版社；1996年。AppliedanalyseofGPS(GlobalPositionSystem)＆RTK(RealTimeKinematic)inreliefsurveyLIUZong-bo(GansuConstructionVocationalTechnicalCollege,Lanzhou730050)【summary】ThispaperanalyzestheprinciplesofGPS(GlobalPositionSystem)＆RTK(RealTimeKinematic),thebasicapplicationofRTKtechnologyincontrolsurveyanddigitalmappingandotherprojects,andexpoundsthefeaturesofdynamicGPSandhowtouseandindicatesthatdynamicGPSpla