城市地形圖測(cè)量中RTK技術(shù)應(yīng)用研究

曹玉禎 呂林濤 李玉潔

摘 要：與傳統(tǒng)的導(dǎo)線測(cè)量比較，RTK圖根控制測(cè)量自動(dòng)化程度高，實(shí)時(shí)提供經(jīng)過(guò)檢驗(yàn)的成果資料，無(wú)需數(shù)據(jù)后處理。擁有彼此不通視條件下遠(yuǎn)距離傳遞三維坐標(biāo)的優(yōu)勢(shì)，并且不像導(dǎo)線測(cè)量那樣會(huì)產(chǎn)生誤差累積，定位精度高，數(shù)據(jù)安全可靠。該文以合肥某測(cè)區(qū)案例為研究背景，探討了trimble 5700 GPS-RTK接收機(jī)在圖根控制測(cè)量中的應(yīng)用，簡(jiǎn)述了RTK的工作原理，并對(duì)其精度進(jìn)行了分析，根據(jù)GPS-RTK技術(shù)在圖根控制測(cè)量中的應(yīng)用情況得出幾點(diǎn)建議。相信對(duì)從事相關(guān)工作的同行能有所裨益。

關(guān)鍵詞：GPS-RTK 控制測(cè)量 精度

中圖分類號(hào)：TB22 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2014）11（b）-0042-02

隨著衛(wèi)星定位技術(shù)的快速發(fā)展，人們對(duì)快速高精度位置信息的需求也日益強(qiáng)烈。而目前使用最為廣泛的快速高精度定位技術(shù)就是 RTK（實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位：Real Time Kinematic），RTK技術(shù)的關(guān)鍵在于使用了 GPS的載波相位觀測(cè)量，并利用參考站和移動(dòng)站之間觀測(cè)誤差的空間相關(guān)性，通過(guò)差分的方式除去移動(dòng)站觀測(cè)數(shù)據(jù)中的大部分誤差，從而實(shí)現(xiàn)高精度（分米甚至厘米級(jí)）的定位。它的出現(xiàn)為工程放樣、地形測(cè)圖，各種控制測(cè)量帶來(lái)了新曙光，極大地提高了外業(yè)作業(yè)效率。

1 RTK概論

1.1 RTK的工作原理

RTK是以載波相位觀測(cè)量為根據(jù)的實(shí)時(shí)差分GPS測(cè)量，它能夠?qū)崟r(shí)地提供測(cè)站點(diǎn)在指定坐標(biāo)系中的厘米級(jí)精度的三維定位結(jié)果。RTK定位測(cè)量通常是由一個(gè)基準(zhǔn)站和一個(gè)或多個(gè)流動(dòng)站組成，接收機(jī)之間建立實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通訊。開始作業(yè)時(shí)，流動(dòng)站首先依次在兩個(gè)或兩個(gè)以上已知點(diǎn)上進(jìn)行測(cè)量，通過(guò)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸，和基準(zhǔn)站觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行差分處理，得到流動(dòng)站與基準(zhǔn)站之間的高精度GPS基線向量。同時(shí)，利用已知點(diǎn)之間GPS基線向量（間接基線）及已知坐標(biāo)數(shù)據(jù)，求得GPS三維基線向量轉(zhuǎn)換到當(dāng)?shù)刈鴺?biāo)系統(tǒng)三維基線向量的轉(zhuǎn)換參數(shù)，及基準(zhǔn)點(diǎn)的當(dāng)?shù)刈鴺?biāo)，這個(gè)過(guò)程稱為初始化。初始化完成后即可開始測(cè)量。流動(dòng)站到待測(cè)點(diǎn)上，通過(guò)與基準(zhǔn)站觀測(cè)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)差分處理，求得基準(zhǔn)站到流動(dòng)站的高精度的當(dāng)?shù)刈鴺?biāo)系統(tǒng)三維坐標(biāo)差。

1.2 RTK測(cè)量系統(tǒng)的組成

RTK測(cè)量系統(tǒng)一般由以下三部分組成：GPS接收設(shè)備、數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備、軟件系統(tǒng)。數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)由基準(zhǔn)站的發(fā)射電臺(tái)與流動(dòng)站的接收電臺(tái)組成，它是實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量的關(guān)鍵設(shè)備。其基本組成至少需要一個(gè)基準(zhǔn)站和一個(gè)流動(dòng)站。

2 RTK測(cè)量實(shí)例

2.1 測(cè)區(qū)范圍概況

測(cè)區(qū)位于合肥市某區(qū)，面積約為6平方公里。測(cè)區(qū)多為居民區(qū)及工廠，西邊較少部分臨山。總體上測(cè)區(qū)地勢(shì)較為平坦、建筑物平均高度較低。海拔1900 m～2000 m。測(cè)區(qū)共有四個(gè)街區(qū)，上百家大小單位，近七個(gè)村莊。在進(jìn)行測(cè)量工作前，收集了測(cè)區(qū)相應(yīng)的資料。收集到測(cè)區(qū)范圍內(nèi)及其周邊41個(gè)I級(jí)導(dǎo)線點(diǎn)成果（高程為三等水準(zhǔn)成果）。在本次測(cè)繪工作中平面采用2004昆明坐標(biāo)系；高程采用1985國(guó)家高程基準(zhǔn)。采用的主要儀器設(shè)備主要有：“1+2”雙頻trimble5700 GPS-RTK、徠卡TCR802全站儀一臺(tái)、拓普康全站儀GTS-300兩臺(tái)、筆記本電腦6臺(tái)等。

2.2 RTK測(cè)量的具體步驟（見圖1）

（1）架設(shè)基準(zhǔn)站

在進(jìn)行RTK圖根測(cè)量中，首先進(jìn)行基準(zhǔn)站假設(shè)，基準(zhǔn)站架設(shè)點(diǎn)必須滿足以下要求：基準(zhǔn)站周圍要視野開闊，衛(wèi)星截止高度角應(yīng)超過(guò)15度，周圍無(wú)信號(hào)發(fā)射物（大面積的水域、大型建筑物等），以減少多路徑效應(yīng)干擾。并且要盡量避開交通要道、過(guò)往行人的干擾。基準(zhǔn)站應(yīng)盡量架設(shè)于測(cè)區(qū)內(nèi)相對(duì)制高點(diǎn)上，以方便傳播差分改正信號(hào)。基準(zhǔn)站要遠(yuǎn)離微波塔、通信塔等大型電磁發(fā)射源200 m外，要遠(yuǎn)離高壓輸電線、配電線、通訊線50 m外。RTK在作業(yè)期間，基準(zhǔn)站不能移動(dòng)或者關(guān)機(jī)重新啟動(dòng)，如果重新啟動(dòng)必須進(jìn)行重新校正。基準(zhǔn)站連接必須正確，注意蓄電池的正負(fù)極。

（2） 流動(dòng)站設(shè)置

1個(gè)流動(dòng)站只需1名測(cè)量員通過(guò)手簿進(jìn)行測(cè)量操作。連接好流動(dòng)站接收機(jī)、天線、測(cè)桿后，先進(jìn)行測(cè)量類型，電臺(tái)的配置，使其與基站無(wú)線電連接，輸入流動(dòng)站的天線高，輸入觀測(cè)時(shí)間、次數(shù)，設(shè)置機(jī)內(nèi)精度，機(jī)內(nèi)精度指標(biāo)預(yù)設(shè)為點(diǎn)位中誤差±1.5 cm，高程中誤差±2.0 cm，PDOP<6。

（3）校正測(cè)量

由于基準(zhǔn)站設(shè)置于未知點(diǎn)上，因此必須對(duì)已知點(diǎn)進(jìn)行校正測(cè)量，才能在手簿上求解出WGS-84坐標(biāo)與當(dāng)?shù)刈鴺?biāo)系之間的轉(zhuǎn)換參數(shù)。校正點(diǎn)的數(shù)量視測(cè)區(qū)的大小而定，一般取3～6點(diǎn)為宜。在手簿中輸入校正點(diǎn)的當(dāng)?shù)刈鴺?biāo)，流動(dòng)站置于校正點(diǎn)上測(cè)量出該點(diǎn)的WGS-84坐標(biāo)，將所選的校正點(diǎn)逐一測(cè)量后，通過(guò)手簿上的點(diǎn)校正計(jì)算即可求解出轉(zhuǎn)換參數(shù)。點(diǎn)校正測(cè)量結(jié)束后，先在已知點(diǎn)上測(cè)量，檢查轉(zhuǎn)換參數(shù)無(wú)誤時(shí)才能進(jìn)行新的測(cè)量。

（4）圖根點(diǎn)控制測(cè)量

圖根點(diǎn)的布設(shè)應(yīng)該以點(diǎn)組的形式出現(xiàn)，每組應(yīng)有兩個(gè)或者三個(gè)兩兩通視的圖根點(diǎn)組成，以便于安置全站儀測(cè)量時(shí)定向和測(cè)站檢核，圖根點(diǎn)之間的距離應(yīng)隨點(diǎn)位而定，一般不超過(guò)100 m。圖根點(diǎn)測(cè)量時(shí)只需在測(cè)站上輸入點(diǎn)名，按提示測(cè)量存儲(chǔ)，正常情況下，5 s即可結(jié)束一個(gè)點(diǎn)的觀測(cè)。該測(cè)區(qū)一共布設(shè)了287個(gè)圖根點(diǎn)。

2.3 精度分析

在整個(gè)測(cè)區(qū)約6平方公里的范圍中，用GPS-RTK一共布設(shè)了287個(gè)圖根點(diǎn)。為了檢驗(yàn)RTK圖根點(diǎn)的實(shí)際精度，RTK測(cè)量結(jié)束后，用全站儀（徠卡TCR802power 2〞）對(duì)部分相互通視的點(diǎn)實(shí)測(cè)檢查。

在進(jìn)行全站儀實(shí)測(cè)過(guò)程中，首先邊長(zhǎng)檢查。用I級(jí)導(dǎo)線點(diǎn)檢查RTK實(shí)測(cè)圖根點(diǎn)，進(jìn)行邊長(zhǎng)復(fù)測(cè)檢查。結(jié)果見表1。

除了對(duì)邊長(zhǎng)檢查外，還對(duì)部分圖根點(diǎn)與I級(jí)導(dǎo)線點(diǎn)進(jìn)行聯(lián)測(cè)，再對(duì)RTK實(shí)測(cè)圖根點(diǎn)進(jìn)行復(fù)測(cè)，對(duì)復(fù)測(cè)得到的坐標(biāo)與RTK實(shí)測(cè)圖根點(diǎn)的測(cè)量坐標(biāo)反算邊長(zhǎng)、高差比較，得到點(diǎn)位置誤差最大誤差為4.1 cm，高程誤差最大為5.9 cm，結(jié)果表明所測(cè)點(diǎn)精度良好。因此可以看出，RTK實(shí)測(cè)精度完全符合圖根測(cè)量的精度要求。而且RTK測(cè)量誤差分布均勻，不存在誤差積累問(wèn)題。結(jié)果見表2。

3 結(jié)論

（1）RTK圖根控制測(cè)量與傳統(tǒng)的導(dǎo)線測(cè)量比較，RTK圖根控制測(cè)量自動(dòng)化程度高，實(shí)時(shí)提供經(jīng)過(guò)檢驗(yàn)的成果資料，無(wú)需數(shù)據(jù)后處理。（2）擁有在彼此不通視條件下遠(yuǎn)距離傳遞三維坐標(biāo)的優(yōu)勢(shì)，定位精度高，數(shù)據(jù)安全可靠。（3）精度達(dá)到圖根點(diǎn)等級(jí)要求，而且誤差分布均勻，不存在誤差積累問(wèn)題。（4）GPS-RTK操作簡(jiǎn)單，作業(yè)速度快，勞動(dòng)強(qiáng)度低，節(jié)省了外業(yè)費(fèi)用，提高了勞動(dòng)效率。綜上所述，GPS-RTK測(cè)量的精度完全能滿足圖根控制測(cè)量的要求，與傳統(tǒng)控制測(cè)量比較，GPS RTK測(cè)量作業(yè)效率高，定位精度高，數(shù)據(jù)安全可靠，作業(yè)不受通視條件影響、單站測(cè)量控制范圍廣、操作簡(jiǎn)單，能有效減少因地形復(fù)雜帶來(lái)的繁重工作量，顯現(xiàn)出RTK的作業(yè)優(yōu)勢(shì)。

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