RTK技術(shù)在沛縣新城區(qū)圖根控制測量中的應(yīng)用①

詹家民 周 楊

(1.徐州師范大學測繪學院,江蘇徐州221116;2.江陰市重點水利工程建設(shè)管理處,江蘇江陰214431)

0 概 述

江蘇省沛縣新城區(qū)建設(shè)發(fā)展迅速,城市面貌日新月異,隨著新城區(qū)建設(shè)的發(fā)展和第二次土地調(diào)查的開展,急需1:500地形地籍圖。為此,沛縣國土局決定,從2009年3月至2009年7月對新城區(qū)進行1:500地形地籍圖測繪 。測圖前應(yīng)進行圖根控制測量。測區(qū)內(nèi)已有江蘇省C級GPS網(wǎng)控制點1個、沛縣D級GPS網(wǎng)控制點6個,2009年1月測設(shè)的I級GPS點178個。其平面精度:最大點誤差為10 mm,最弱邊相對中誤差為1/32237。高程精度:垂直相對誤差為0.010 m,垂直相對精度為1/19650。這185個點可以作為本測區(qū)圖根控制的起算點。

1 圖根點的布設(shè)

在測區(qū)范圍內(nèi),布設(shè)并施測永久和臨時性圖根點,用于沛縣新城區(qū)1:500地形地籍圖的測繪和工程施工放樣。

1.1 圖根點的精度要求

圖根點相對于圖根起算點的點位中誤差,不得大于圖上0.1 mm(實地5 cm);當圖根點的密度不夠,需增補測站點時,測站點相對圖根點的點位中誤差,不得大于圖上0.3 mm(實地15 cm);高程中誤差不得大于1/10等高距(即實地5 cm)。

1.2 圖根點的布設(shè)

永久性圖根點沿沛縣新城區(qū)主要街道、鐵路、公路、大車路、鄉(xiāng)村路、工廠內(nèi)的內(nèi)部道路、溝渠田埂布設(shè),點位大部分布設(shè)在十字路口的交叉中心、重要單位門前的路口等處。點間距離在150 m～400 m之間,道路上的點的標志:用直徑18～20 mm,長為300 mm的鐵棍打入地面并在其頂部用2 mm的鉆頭鉆孔作為點的標志。溝渠田埂及田間的圖根點采用埋石圖根點,標石的規(guī)格為:上頂面為15 cm×15 cm,下底面為30 cm×30 cm,高度為50 cm的梯形,在標石中心埋設(shè)直徑為1 cm,長度為20 cm的鋼筋,并在鋼筋的頂部鉆一小孔或刻一十字作為點的標志。臨時性圖根點可用木樁打入地面,在木樁上釘一釘,作為點的標志,臨時性圖根點可根據(jù)測圖需要任意布設(shè),以方便測圖為原則。

2 施測方案

本測區(qū)內(nèi)的所有圖根點均使用技術(shù)較為領(lǐng)先的Trimble(天寶)5700雙頻GPS接收機,以實時動態(tài)(RTK)的方法測定圖根點的平面位置。高程采用水準測量的方法按等外水準的精度測定,與RTK高程測量進行比較。

3 RTK的工作原理及系統(tǒng)組成[1-3]

RTK(Real Time Kinematic)實時動態(tài)測量系統(tǒng),它是集計算機技術(shù)、數(shù)字通訊技術(shù)、無線電技術(shù)和GPS測量定位技術(shù)為一體的組合系統(tǒng)。實時動態(tài)測量的基本思想是,在基準站安設(shè)一臺GPS接收機,對所有可見GPS衛(wèi)星進行連續(xù)的觀測,并將觀測數(shù)據(jù)通過無線電傳輸設(shè)備實時地發(fā)送給用戶觀測站(流動站);在流動站上,GPS接收機在接收衛(wèi)星信號的同時,通過無線電接收設(shè)備,接收基準站傳輸?shù)挠^測數(shù)據(jù),然后根據(jù)相對定位的原理實時地計算并顯示出流動站的三維坐標及精度。通過實時計算定位結(jié)果,便可監(jiān)測基準站與流動站的觀測成果的質(zhì)量和解算結(jié)果的收斂情況,從而可以實時地判定解算結(jié)果是否成功,以減少冗余觀測、縮短觀測時間。

3.1 RTK的工作原理

GPS-RTK是一項技術(shù)復(fù)雜的系統(tǒng)工程。整個系統(tǒng)包括三大部分:地面監(jiān)控部分、空間衛(wèi)星部分、用戶接收部分,各部分均有各自獨立的功能和作用,同時又相互配合形成一個有機整體系統(tǒng)。RTK實時動態(tài),是在兩臺靜態(tài)型GPS測量儀器間加上一套無線電數(shù)據(jù)通訊系統(tǒng)(也稱數(shù)據(jù)鏈),將相對獨立的GPS信號接收系統(tǒng)連成一個有機整體?；鶞收景呀邮盏降乃行l(wèi)星信息(包括偽距和載波相位觀測值)和基準站的一些信息(如基站坐標天線高等)都通過無線電通訊系統(tǒng)傳送到流動站,流動站在接收衛(wèi)星數(shù)據(jù)的同時也接收基準站傳送的衛(wèi)星數(shù)據(jù)。在流動站完成初始化后,把接收到的基準站信息傳送到控制器內(nèi)并將基準站的載波觀測信號與本身接收到的載波觀測信號進行差分處理,即可實時求得未知點的坐標。RTK實時相對定位原理如圖1所示,數(shù)據(jù)流程如圖2所示。

圖1 RTK實時相對定位示意圖

圖2 RTK-GPS數(shù)據(jù)流程圖

3.2 RTK系統(tǒng)的組成

GPS-RTK系統(tǒng)由一個基準站、若干個流動站及無線電通訊系統(tǒng)三部分組成?；鶞收景℅PS接收機、GPS天線、無線電通訊發(fā)射系統(tǒng)、供GPS接收機和無線電臺使用的電源(汽車用12V蓄電瓶)及基準站控制器等部分。流動站由以下幾個部分組成:GPS接收機、GPS天線、無線電通訊接收系統(tǒng)、供GPS接收機和無線電使用的電源及流動站控制器等部分。用框圖表示,如圖3所示。

圖3 RTK-GPS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

4 GPS-RTK對圖根控制點的技術(shù)要求[4-5]

地面上的圖根點應(yīng)和建筑物、構(gòu)筑物保持一定的距離。確保衛(wèi)星高度角大于等于15°;有效觀測衛(wèi)星個數(shù)不少于5顆;圖根點的位置應(yīng)在基準站控制轉(zhuǎn)換范圍內(nèi),且離基準參考站的距離不大于10 km;每次觀測前,應(yīng)先對已知點或已測點進行檢測,直到符合精度要求后再繼續(xù)測量;每個圖根點,皆應(yīng)觀測兩個時段,時段間隔不小于6 h,當其平面較差小于圖上0.1 mm(實地5 cm),高程較差小于0.05 m(即5 cm)時,取其中數(shù)作為結(jié)果。

5 圖根點的外業(yè)觀測

5.1 使用的儀器及標稱精度

利用三臺Trimble 5700雙頻GPS接收機(一臺基準站,兩臺流動站)進行實時動態(tài)測量,該機具有24個通道、L1 C/A碼、L1、L2全波長載波;其內(nèi)存為96 Mb,按30 s間隔可采集2750 h的L1+L2數(shù)據(jù),另外,三臺主機均配置了48 Mb內(nèi)存卡,可存儲2500 h的數(shù)據(jù)(按30 s間隔,跟蹤6顆衛(wèi)星);作業(yè)范圍:單基準站RTK定位時的作業(yè)半徑為10 km,靜態(tài)測量水平標稱精度為:±5 mm+1 ppm×D,垂直標稱精度為:±10 mm+1 ppm×D,實時動態(tài)、實時連續(xù)動態(tài)測量時的水平標稱精度為:±10 mm+1 ppm×D,垂直標稱精度為:±20 mm+1 ppm×D。

5.2 點校正與檢測

首先將基準站架設(shè)在沛縣新城區(qū)郝堯村大隊部的3樓的樓頂上(未知點)。此基準站控制整個測區(qū)。接收機接收衛(wèi)星的截止高度角設(shè)置為15°?；鶞收咎炀€高度在三個方向上量取三次取其平均值作為天線高度,其精度取至mm。儀器進行精確對中、整平,整平精度其偏差不超過半格,對中偏差不超過1 mm。此基準站在本測區(qū)內(nèi)利用了I206、I217、I368、I384四個已知GPS點進行了點校正,分別對測區(qū)南部、中部和北部的I233、I239、I258、I320四個點進行了檢測,在進行點校正和檢測過程中,利用兩臺 RTK同時進行,每臺均進行兩個時段的觀測,觀測時間均為180 s(3 min)。檢測結(jié)果與已知成果比較如表1所示。

表1 檢測結(jié)果與已知成果

由表1可知,檢測結(jié)果與已知成果比較,X最大誤差為2.0 cm,Y最大誤差為2.2 cm,高程最大誤差為3.4 cm,均小于5 cm的精度要求。

同一臺流動站分兩個時段檢測同一點,其檢測結(jié)果比較如表2所示。

由表2可知,同一臺流動站兩個時段觀測同一點,檢測結(jié)果相比,X最大差值為2.1 cm,Y最大差值為1.4 cm,高程最大差值為8 mm。X最小誤差為1 mm,Y最小誤差為3 mm,高程最小誤差為3 mm。說明點校正是成功的,觀測結(jié)果是可靠的。

表2 不同時段檢測結(jié)果比較

5.3 圖根點外業(yè)觀測及內(nèi)業(yè)計算

為了提高圖根點外業(yè)觀測精度和速度,我們將2臺RTK流動站分成二個大組,每組四個人三個架腿(1人施儀、三人架設(shè)架腿),采用4人三架輪流交替前進的方法對本測區(qū)內(nèi)的所有圖根點進行觀測,每個圖根點均進行兩個時段的觀測,時段間的間隔約6 h,每個時段的觀測長度仍然控制為3 min,衛(wèi)星高度截止角為15°,有效觀測衛(wèi)星個數(shù)≥5顆,觀測精度設(shè)置為“觀測控制點精度”。當二個時段的觀測結(jié)果互差不超過5 cm時,取二個時段觀測結(jié)果的平均值作為最終結(jié)果。在白天外業(yè)觀測完成后晚上進行內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理,使用隨機商用軟件將觀測數(shù)據(jù)下載到計算機,然后使用Excel進行數(shù)據(jù)處理,把不超限的數(shù)據(jù)取其平均值提供給測圖組使用,對超限的圖根點進行統(tǒng)計,以便進行重測。

本測區(qū)共測圖根點1395個,超限的85個,占總數(shù)的6%,其平面超限的5個,平面和高程均超限的12個,高程超限的68個,高程超限占圖根點總數(shù)的5.73%。由此可以看出:RTK可以滿足圖根點的精度要求,但在測定高程方面還有一定的局限性。

6 RTK在圖根控制測量中的優(yōu)點

1)RTK可以全天侯的觀測,不受通視條件的限制。

2)用RTK觀測,人員少、速度快、效率高。傳統(tǒng)的方法需要4～5人才能進行作業(yè),而RT K流動站只需一人即可進行,如果幾個流動站同時作業(yè),則可大大加快觀測進度,提高工作效率。

3)利用RTK測量圖根點其點位誤差不積累、不傳播,測量精度高。

7 結(jié) 論

本測區(qū)圖根控制測量從2009年2月16日開始,至2月28日結(jié)束,歷時12天。測區(qū)內(nèi)的圖根點,除少量的幾個因在樹下或離建筑物、高壓線、大功率無線電發(fā)射臺較近,接收機無法接收到衛(wèi)星或無線電(有的即使接收到信號,但RTK不固定)不能測定外,其余均已測定。本測區(qū)共測圖根點1395個,不合格的85個,一次合格率達93.9%。

由觀測成果可知:同一臺RTK接收機兩個時段較差:最大誤差(個別)為:X為86 mm,Y為80 mm,高程為160 mm,最小誤差均為0,二個時段較差在0～10 mm之間的約占80%以上。由此可以看出,利用RTK技術(shù)建立圖根控制,質(zhì)量是可靠的,精度完全能夠滿足圖根控制點的精度要求,其方法是可行的。

[1] 詹家民 .吉安市區(qū)GPS地籍控制網(wǎng)的建立[J].全球定位系統(tǒng),2007,32(5):33-38.

[2] 詹家民 .GPS定位技術(shù)在連云港海堤路控制測量中的應(yīng)用[J].全球定位系統(tǒng),2008,33(2):37-41.

[3] 詹家民.RTK技術(shù)在沈陽市區(qū)圖根控制測量中的應(yīng)用[J].北京測繪,2003,01:34-36.

[4] 劉基余、李征航、王躍虎、桑吉章.全球定位系統(tǒng)原理及應(yīng)用[M].測繪出版社,北京:1995.

[5] 國家測繪局.全球定位系統(tǒng)(GPS)測量規(guī)范[M].測繪出版社,1992,10.