載波相位差分技術和無棱鏡測繪技術聯合應用研究

謝宗繁

(廣西南寧水利電力設計院 南寧 530001)

1 前言

載波相位差分技術又稱為RTK技術 (Real Time Kinematic),建立在實時處理兩個測站的載波相位基礎上。它能提供觀測點的三維坐標,達到厘米級的高精度。無棱鏡測繪技術通過測量激光脈沖的傳播時間,結合定位姿態數據,直接獲取高精度的地面三維坐標。隨著測繪科學技術的發展,傳統的單獨采用全站儀測量測圖方法正逐步被GPS-RTK(以下簡稱RTK)和全站儀聯合進行數字化測繪地形圖所代替。我們通過云南省綠春縣勐漫河東龍水電站工程測量實踐證明,應用載波相位差分和無棱鏡測繪技術聯合應用,可以實現優勢互補,提高工作效率。

2 載波相位差分原理[1]

載波相位差分原理是由基準站通過數據鏈實時將其載波觀測量及站坐標信息一同傳送給用戶站。用戶站接收GPS衛星的載波相位與來自基準站的載波相位,并組成相位差分觀測值進行實時處理,能實時給出厘米級的定位結果。如果基準站與用戶站同時觀測相同的4顆衛星,則有4個聯立方程,可求解出用戶站的坐標,如果在一個歷元中觀測4顆衛星,就可以求解出用戶站的精確坐標,精度可達到厘米級。

3 無棱鏡測繪技術[2]

3.1 無棱鏡測量技術簡介

無棱鏡測量技術主要運用激光測量技術,利用激光傳輸時間來測量距離的基本原理是通過測量激光往返目標所需時間來確定目標距離,記錄并處理從光脈沖發出到返回被接收所經歷的時間,即可測定目標距離。

3.2 無棱鏡測量技術的適用條件

據無棱鏡測量技術的特點確定其適用范圍,通過實踐發現無棱鏡測量技術適用條件為:

(1)適用于通視條件好,反射介質好的地方,在反射介質較暗,吸光性太強,反射條件不好等地方不宜使用無棱鏡測量。

(2)無棱鏡測量技術適宜測量反射面裸露的測點高程,如巖石,房屋、公路等視線可及的地形、地物點高程。

(3)無棱鏡測量適用于視線沒有任何障礙的地形地物測量,若中間有障礙物則測量到的是障礙物的坐標、高程。如要測400m外的地形點,若在200m的地方有樹葉擋住視線,將測到的是樹葉的坐標、高程。

(4)注意不要將激光束射向似鏡表面,以免燒壞感光元器件。

(5)施測過程中不宜通過目鏡觀測標的物,以免將眼睛置于激光束中導致受傷。

(6)無棱鏡測量適用于人員難以到達,反射介質好的地形地物測量,如懸崖、溪谷、客流大的公路、有劇毒的地物等。

4 兩種技術的聯合應用

隨著GPS-RTK定位精度的提高、硬件性能的改善,定位速度比常規儀器要快得多。它不要站間通視,精度高、作業快、費用省、應用靈活。以無棱鏡測量、自動目標識別、自動跟蹤全站儀等新技術潮流為代表的測繪新技術因其數據采集自動化程度高、大大釋放勞動力等優勢,使工作得以更高效、精確地完成,目前已被廣泛應用于控制測量、地形測量、地籍和房產測量、施工放樣、工業測量及近海定位等方面。

RTK和全站儀聯合測繪地形圖,可以優劣互補。在地形平坦、交通方便、植被覆蓋率不高、測量人員容易到達的空曠地區的地形、地物適用RTK測進行測量,村莊、城市內的建筑物、構筑物用RTK實時測量圖根點的三維坐標,然后用全站儀測量。采用RTK測圖,可以省去建立圖根控制這個中間環節,節省大量的時間,可全天侯地觀測。由于衛星的截止高度角必須大于15°,在高大建筑物旁邊或在大樹下,很難接收到衛星和無線電信號,在急流峭壁、懸崖、高溫地區、劇毒地帶等測量人員不易到達的地方,RTK無法測量,便體現不出其快速、便捷的優勢,此時可以應用全站儀測量進行彌補;由此可見用RTK和全站儀聯合測圖,解決了全站儀測量地勢平坦、交通方便的地方浪費大量人力物力和RTK無法測量測量人員無法到達的測區的地形的缺點,從根本上克服了全站儀測繪技術和RTK測繪技術的盲點,大大加快測量速度,提高工作效率。

5 載波相位差分技術和無棱鏡測繪技術在東龍水電站工程數字化測圖中的聯合應用

云南省綠春縣東龍水電站位于黃連山自然保護區外邊緣地帶的勐漫河上,為了充分利用水資源,分四個梯級水電站進行開發,總裝機容量為103.1MW,該河段兩岸高山環繞,水量充沛,土地肥沃,森林茂密,村落較集中,土地開發比例較高,是農業經濟發達的地區之一。

適當布設GPS網,有利于根據測區各階段的需要布設,采用全網的結構呈長短邊相結合的形式,減少網的邊緣處誤差的積累,也便于GPS網的數據處理和成果檢核。由于測區呈狹長的帶狀,距離跨度大,河道總長度為36.4km,控制點精度要求高。我們采用五臺套Ashtech GPS進行控制測量,為了抵消兩基準站公共誤差,提高測量精度,用兩臺GPS做基站,其他三臺流動站進行采集數據。在觀測前先選擇衛星星歷較好時段觀測,截止高度角為15°。衛星星歷是描述衛星運動軌道的信息,根據衛星星歷可以算出任意時刻的衛星位置及其速度。GPS衛星星歷分為廣播星歷 (預報星歷)和后處理星歷 (精密星歷)。GPS廣播星歷是指含于每顆GPS衛星發射的導向電文的GPS衛星的預報位置,通常包括相對于某一參考歷元的開普勒根數和必要的軌道攝動改正項參數[2]。觀測前,根據測區中心的概略經緯度和高程及較新的星歷進行星歷預報,衛星星歷預報見圖1,并根據星歷預報選擇有利的觀測時段,減小星歷數據引起的差分誤差,提高作業效率。

為了提高GPS定位精度,選用PDOP小于5的觀測時段,由圖1可看出最佳觀測時間為0︰00～11︰30和17︰30～19︰30,在其他時段則不宜外業數據采集。將基站選在視野開闊和交通方便的地方,衛星截止高度角要求大于15°,用流動站進行數據采集并符合到至少3個首級控制網上,以該控制點做數據糾正數度如下表1。

表1 RTK測量檢校記錄表

由上表可見,較正的誤差絕對值都在4mm以內,精度符合加密控制網的要求。在交通方便、地勢平坦、地物復雜、測量人員容易到達的地方應用RTK進行碎部點的數據采集,對于開闊的地段(主要是田野、公路、河流、溝、渠、塘等)直接采用實時動態定位(RTK)測量模式進行全數字野外數據采集,實地繪制地形草圖,施測過程中注意:第一基準站架設在測區的中心,并遠離高壓線和無線電發射塔50m以上。根據已知點進行點位校正和檢核RTK的可靠性;第二基準站上的儀器應精確對中,嚴格整平;第三接收機接收衛星的高度角應設置為15°;第四基準站天線高度應多次丈量取其平均值作為基準站的天線高度;第五流動站就在以基準站為中心半徑為8km的范圍進行測量,觀測衛星高度角≥13°,觀測衛星個數不少于5顆,計算得固定解時才進行測量;第六流動站每次觀測前,應先對已知點或已測點進行檢測,直到滿足精度要求后再繼續測量;第七運用RTK定圖根點時,應盡量選擇通視良好,且易于儀器搬運和操作的圖根點,切記給定后視點作為檢測。對于密集的村莊、植被茂密的地形等采用RTK給定圖根點位,利用全站儀采集地形、地物等特征點,實地繪制草圖;對于地勢陡峭、水流湍急的水邊、塌岸、塌方地帶,測量人員無法到達的地方則采用免棱鏡1000m的徠卡全站儀進行無棱鏡測量特征點的三維坐標。實踐證明,若僅采用無棱鏡全站儀測量需要花90d時間,全部采用GPSRTK測量需要79d,目前采用RTK和無棱鏡全站儀聯合測量后僅花了45d時間即完成了整個工程測量。可見采用RTK和無棱鏡全站儀對測區的開闊地帶、險要地形進行測量,優勢互補,縮短測量工期,提高工作效率。

6 結論

裁波相位差分技術和無棱鏡測繪技術的聯合應用充分展現了現代測繪科技新思維,在諸多方面打破了傳統的觀念和局限。采用RTK采集數據快速便捷、全天候、不受通視條件約束,采用的全站儀操作簡便,觀測速度快,精度高,可自由設站,靈活采用多種方法測量碎部點。聯合作業方法針對測區范圍內的不同地形地貌選取適當的測繪技術,保證測量成果準確性、可靠性,做到高效快捷、質量保證、可靠,是一種嶄新的取長補短作業方法。

略)