GPS—RTK聯(lián)合全站儀數(shù)字化測圖技術研究
——以內蒙古赤峰市為例

張愛民 方民 薛永軍

1、內蒙古自治區(qū)測繪院；2、內蒙古自治區(qū)測繪事業(yè)局

GPS—RTK聯(lián)合全站儀數(shù)字化測圖技術研究
——以內蒙古赤峰市為例

張愛民1方民2薛永軍1

1、內蒙古自治區(qū)測繪院；2、內蒙古自治區(qū)測繪事業(yè)局

介紹了GPS—RTK聯(lián)合全站儀的工作原理與方法，以內蒙古赤峰市為例，依據(jù)GPS—RTK、全站儀等儀器設備，結合已有的控制資料和地形圖資料，選用差分后處理測量模式在內蒙古赤峰市市區(qū)實施了1：500數(shù)字測圖，將測圖成果與現(xiàn)有地形圖數(shù)據(jù)進行了比較，系統(tǒng)分析了數(shù)據(jù)偏差原因。本文的研究表明，本文所選用的儀器設備和作業(yè)模式獲取的測圖成果，能夠滿足1:500數(shù)字測圖需要。GPS應用于數(shù)字測圖是完全可行的，利用GPS不僅可以獲取所需精度的定位結果，還可以利用接收機內置電腦輸入并存儲對象的屬性信息，直接滿足GIS建庫需要。若需要更優(yōu)的測圖成果，可以選用更高精度的測量型GPS接收機以及能夠提供更高精度的作業(yè)模式。

GPS—RTK；聯(lián)合全站儀測圖；精度分析

GPS技術的迅速發(fā)展使得GPS 技術不僅在大地測量、工程測量、航空攝影測量、城市測量等測繪領域得到了應用，而且在軍事、交通、資源、通信、管理等領域展開了研究并得到廣泛應用。科學技術的進步推動了計算機技術與信息技術的發(fā)展，使得傳統(tǒng)的測繪技術和方法得到進一步完善，推動了GPS定位技術與數(shù)字測圖的結合發(fā)展。基于GPS的野外數(shù)字測圖，測定的圖根點、碎部點的坐標和高程較為準確。與傳統(tǒng)的測圖方法相比，優(yōu)勢在于工作效率比較高、工作人員減少了、數(shù)據(jù)精度較高，而且在測量過程中不受通視條件限制。目前，傳統(tǒng)的地形測量已經(jīng)逐步淡出市場，取而代之的是數(shù)字測圖，數(shù)字測圖不僅作為獲取空間屬性數(shù)據(jù)的技術方法之一，而且已經(jīng)成為地理信息產(chǎn)業(yè)的重要組成部分。 本文選取內蒙古自治區(qū)赤峰市測區(qū)作為研究區(qū)，進行基于GPS的GIS數(shù)字測圖研究。

1 GPS—RTK的工作原理

1.1 GPS—RTK的工作原理

GPS—RTK的工作原理是在兩臺接收機間加上一套無線電通信系統(tǒng)，將相對獨立的接收機連成一個有機的整體；基準站把接收到的偽距、載波相位觀測值和基準站的一些信息（如基準站的坐標和天線高等）都通過通信系統(tǒng)傳送到流動站；流動站在接收衛(wèi)星信號的同時，也接收基準站傳送來的數(shù)據(jù)并進行處理：將基準站的載波信號與自身接收到的載波信號進行差分處理，即可實時求解出兩站間的基線向量，同時輸入相應的坐標，轉換參數(shù)和投影參數(shù)，即可求得實用的未知點坐標。

在GPS—RTK的動態(tài)定位中，要實時確定流動接收機所在的位置的坐標，其計算程序如下：

1）流動站好首先進行初始化：靜態(tài)觀測若干歷元，快速確定整周未知數(shù)，這一過程即為初始化過程；

2）流動站將接收機的載波相位觀測值和基準站的載波相位觀測值進行差分處理，類似靜態(tài)觀測的數(shù)據(jù)處理，即將求出的整周未知數(shù)代入雙差模型，實時求解出基線向量；

4）利用當?shù)刈鴺讼蹬cWGS-84地心坐標系的轉換參數(shù)（七參數(shù)），就可得到當?shù)刈鴺讼档目臻g直角坐標：

當然，也可以將流動站的WGS-84地心坐標轉換為實用的二維平面直角坐標。

一般轉換參數(shù)未知，則可利用公共點的兩套坐標代入上式，反求出轉換參數(shù)，再用上式求出非重合點的坐標。

1.2 GPS—RTK測量的基本工作方法

1）在基準站安置GPS接收機，進行基準站設置；

2）進行流動站設置；

3）在至少3個公共點，求GPS坐標與使用坐標系間的轉換參數(shù)（有的稱為點校正）；

4）實測流動點坐標，將其與檢測點的已經(jīng)坐標進行對比，之差應在允許范圍內；

5）流動接收機繼續(xù)進行未知點的測量工作。

2 GPS—RTK聯(lián)合全站儀測圖

2.1 聯(lián)合測圖的工作原理

碎部點測量應充分利用圖內的GPS網(wǎng)點、圖根點，因地形條件、通視等情況影響，利用圖根點設置測站，其密度仍不能滿足測圖要求時，可按需要增補少量的測站點（支站）。各種地形、地物要素的測定，以GPS —RTK和全站儀實測的方法進行，當采用全站儀測量時，碎部點坐標測量可采用極坐標法、高程采用三角高程測量，配以量距法和交會法等。

在進行作業(yè)時，可利用原1:1000地形圖的噴繪圖作為工作草圖。但原有的1:1000地形圖數(shù)據(jù)絕對禁止利用。設站時，儀器對中誤差不應大于0.5mm，照準一已知點作為起始方向，觀測另一已知點作為檢核，檢核點平面位置誤差不應大于圖上0.2mm。檢查另一測站高程，其較差不應大于0.2m，儀器高、覘標高應量至毫米。高程注記點的密度為每格10～25個，高程注記至0.01米。采集數(shù)據(jù)時，在全站儀上可直接儲存坐標。測距長度和高程注記點間距見表1。 地貌變化較大的地區(qū)應適當加密。數(shù)據(jù)采集所生成的數(shù)據(jù)文件每天應及時下載存盤，并做備份。

表1 野外數(shù)據(jù)采集技術要求

2.2 地形圖繪制

采用南方CASS 2008測量繪圖軟件進行編輯處理，該軟件為AUTOCAD 平臺。每個元素定義相應的層、顏色值，線型庫、符號庫使用統(tǒng)一規(guī)定的格式，作業(yè)員不得隨意進行變更，輸出與圖形一致的（DWG格式）圖形數(shù)據(jù)。具體技術要求如下：

1）圖形文件名應與圖號一致。每一幅圖為一個圖形文件，其擴展名為.dwg。

2）數(shù)字地形圖分層按軟件要求執(zhí)行。

3）注記位置按《圖式》要求執(zhí)行，注記字體大小按軟件自動生成為準，不做改動。

4）圖內公里網(wǎng)繪制十字線，十字線大小為10mm×10mm。

5）等高線遇各種注記、獨立符號時應斷開0.3mm；遇雙線道路、雙線河渠、沖溝、路堤、路塹、圍墻符號時繪至符號邊線。

6）各類符號按《圖式》要求配置，符號間關系要合理，不得互相壓蓋，各符號間距離不得小于0.3mm。

7）圖廓應采用理論值進行生成。圖外整飾按《圖式》要求執(zhí)行，但字體大小按軟件自動生成為準，不做改動。

8）地形圖表示內容要合理。

3 GPS—RTK聯(lián)合全站儀測圖實例

3.1 研究區(qū)概況

赤峰市位于內蒙古自治區(qū)東南部，地理坐標北緯41°17′10″～45°24′15″，東經(jīng)116°21′07″～120°58′52″。東、東南與通遼市和遼寧省朝陽市毗鄰，西南與河北承德接壤，西和北部與錫林郭勒盟相連。本次作業(yè)坐標系統(tǒng)采用1985國家高程基準和赤峰市獨立坐標系，該測區(qū)中央子午線為117度，帶號39，采用數(shù)字化實測的方法構筑1:500比例尺地形圖。行政隸屬于赤峰市松山區(qū)、紅山區(qū)。該測區(qū)屬平地、丘陵地段，屬中溫帶半干旱大陸性內陸季風氣候，晝夜溫差大，最大凍土層深度為1.8米。年平均氣溫6～7℃,年平均降水量340～420毫米，多集中在7～9月份，無霜期145天，平均海拔約600米。

3.2 測量成果分析

由于赤峰市測區(qū)面積較大，本次測量成果分析選取一個研究區(qū)域進行分析。外業(yè)數(shù)據(jù)利用GPS— RTK 和全站儀進行采集，內業(yè)主要是通過計算機及相應南方CASS繪圖軟件系統(tǒng)對采集來的原始數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)的預處理，形成最終的成果圖。通過相關的平差軟件檢驗本次測量數(shù)據(jù)的合理性，并將1:500的測圖成果與現(xiàn)有1:1000地形圖數(shù)據(jù)進行了比較分析。

研究區(qū)域的圖根點數(shù)據(jù)及其成果圖見圖1。通過數(shù)據(jù)平差軟件對地物點平面和高程誤差進行檢測，成果圖完全可以滿足測圖精度要求。

圖1 研究區(qū)成果圖

4 結論與建議

本文探討了GPS應用于數(shù)字測圖的原理和方法，對基于GPS技術的數(shù)字測圖方法進行了系統(tǒng)的分析和總結，并闡述了GPS作業(yè)模式的選取、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理等關鍵問題。GPS—RTK的技術的出現(xiàn)，使得地形圖測量的傳統(tǒng)做法“先控制，再測圖”改變?yōu)椤耙徊椒ā弊詣踊瘮?shù)字成圖，減少了手工操作程序，提高了工作效率。本文使用GPS—RTK、全站儀等儀器和南方CASS測圖軟件，結合已有的控制資料和地形圖資料，選用差分后處理測量模式在內蒙古赤峰市市區(qū)實施了1：500數(shù)字測圖，將測圖成果與現(xiàn)有地形圖數(shù)據(jù)進行了比較，并且分析了數(shù)據(jù)偏差原因。通過研究得到以下結論和建議。

4.1 結論

（1）利用GPS-RTK 聯(lián)合全站儀數(shù)字化地圖容易掌握、科技含量高、功能強大、可以實現(xiàn)測繪一體化，大大減輕了測繪工作人員的工作強度，減少了成本費用，提高了作業(yè)效率和測繪精度。

（2）利用GPS-RTK 作業(yè)不需要作圖根點控制，主要架設好基準站，進行點校正后就可以施測。GPS-RTK 一般只需要1～2個作業(yè)人員，而且測圖采集數(shù)據(jù)點僅需3秒左右，這就使得工作效率大大提高。

（3）CASS測圖系統(tǒng)的出現(xiàn)使得測圖工作人員淘汰了傳統(tǒng)的圖板，利用CASS繪圖軟件也可以直接準確地讀取全站儀測量出的坐標、方位和高程，取代了傳統(tǒng)從圖上量取數(shù)據(jù)的方法。

（4）CASS測圖系統(tǒng)在外業(yè)采集數(shù)據(jù)時，利用全站儀自動測量角度、測量距離，自動測算出三維坐標并且自動存儲于儀器中，為內業(yè)處理保證了測量的精度，消除了原來由于人為操作產(chǎn)生的誤差，而且外業(yè)工作省略了讀數(shù)、計算、展點、繪圖等工序，同時也減少了作業(yè)人員，縮短了外業(yè)工作時間，大大提高了工作效率，降低了生產(chǎn)成本大。能夠測量到的點盡量實測，盡量避免用皮尺量取。因為用全站儀所測量的速度遠高于皮尺量取所的速度，而且精度也會高些。

4.2 建議

（1）GPS-RTK 的基準站不僅應該架設在地勢較高、視野開闊的地方，而且還要避免電磁干擾源，為了滿足測圖精度的要求流動站距基準站控制最好在6千米之內。

（2）測量成果的可靠性作業(yè)中調用轉換參數(shù)時，要先進行已知點的檢核防止假值，粗差情況的發(fā)生，校差符合要求后方可開測，確保測量成果正確。

（3）測量等高線時，為了滿足計算機建模的需要，除了測量特征線之外，還應該盡量多測一些加密的點。野外測定地貌時可以采取網(wǎng)格法和三角網(wǎng)法。為了詳盡準確地反映出實際地貌，在實地測量時應該將山脊山谷的相對位置用草圖標繪清楚，并用測量的專業(yè)點號標志。

（4）建立三角網(wǎng)時，若只考慮幾何條件，在某些區(qū)域可能會出現(xiàn)與實際地形不相符的情況，如在山脊線處可能會出現(xiàn)三角形穿入地下，在山谷線處可能會出現(xiàn)三角形懸空。為此，在構網(wǎng)時引入地性線，并給地性線上的數(shù)據(jù)點編碼，優(yōu)先連接地性線上的邊，然后在此基礎上構網(wǎng)。

（5）由于數(shù)字測圖的內業(yè)處理工作是在計算機上完成的，所以如何加強檢核工作是承包單位所必須解決的問題，特別是在測區(qū)遠離內業(yè)地點時，必須要有設計一定的補救措施。

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10.3969/j.issn.1001-8972.2011.11.048