RTK技術(shù)在控制測(cè)量與大比例尺測(cè)圖中的應(yīng)用研究

張 東,梁 勇,劉紀(jì)平,葛 帥

(1.山東農(nóng)業(yè)大學(xué)信息學(xué)院,山東 泰安271018;2.中國(guó)測(cè)繪科學(xué)研究院,北京 100039)

0 引 言

目前,野外測(cè)量在空間數(shù)據(jù)采集、動(dòng)態(tài)更新,特別是在大比例尺空間數(shù)據(jù)獲取方面占有重要的地位。但傳統(tǒng)的電子平板、全站儀等測(cè)圖存在起算控制點(diǎn)密度不足,測(cè)站之間通視差及精度不均勻等問題。

實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量技術(shù)(RTK)的發(fā)展為野外數(shù)字測(cè)圖提供了全新的手段。實(shí)施基于RTK的野外數(shù)字測(cè)圖人員少、費(fèi)用低、易操作,可以大大提高作業(yè)效率,而且具有測(cè)站間無需通視以及可全天時(shí),全天候作業(yè)等特點(diǎn)[1]。但利用 RTK技術(shù)測(cè)繪大比例尺地形圖存在的一些問題有待探索和解決。因此,此技術(shù)的研究對(duì)今后的實(shí)踐活動(dòng)有一定的指導(dǎo)意義。

1 GPS RTK技術(shù)

1.1 GPS RTK工作原理

RTK是Real-Time Kinematic的英文縮寫,是實(shí)時(shí)載波相位差分GPS技術(shù),它是GPS測(cè)量技術(shù)與數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)相結(jié)合而構(gòu)成的組合系統(tǒng),是GPS測(cè)量技術(shù)發(fā)展中一個(gè)新的突破。

RTK由GPS接收設(shè)備、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)三部分組成。其工作原理是[2]:將一臺(tái)接收機(jī)置于基準(zhǔn)站上。另一臺(tái)或幾臺(tái)接收機(jī)置于載體(稱為移動(dòng)站)上,基準(zhǔn)站和移動(dòng)站同時(shí)接收同一時(shí)間、同一GPS衛(wèi)星發(fā)射的信號(hào),基準(zhǔn)站所獲得的觀測(cè)值與已知位置信息進(jìn)行比較,得到GPS差分改正值。然后,將這個(gè)改正值通過無線電數(shù)據(jù)鏈電臺(tái)及時(shí)傳遞給共視衛(wèi)星的移動(dòng)站精化其GPS觀測(cè)值,從而得到經(jīng)差分改正后移動(dòng)站較準(zhǔn)確的實(shí)時(shí)位置。

1.2 GPS RTK應(yīng)用方法

1)基準(zhǔn)站的設(shè)置

基準(zhǔn)站架設(shè)時(shí)應(yīng)遵循以下原則[3]:在10°截止高度角以上的空間應(yīng)該沒有障礙物;臨近不應(yīng)有電磁輻射源,以免對(duì) RTK信號(hào)造成干擾;基準(zhǔn)站最好選在地勢(shì)相對(duì)較高的地方;地面穩(wěn)固,利于點(diǎn)的保存;盡量避開交通繁忙或人流較多的地方。

在任意選定的點(diǎn)位上架設(shè)好儀器后,只需將基準(zhǔn)站安置在三腳架上,無需對(duì)中整平。將主機(jī)與發(fā)射電臺(tái)、天線、備用電池與通訊電纜正確連接。分別打開配置的電瓶開關(guān)、GPS主機(jī)電源開關(guān)、數(shù)據(jù)鏈開關(guān)即可。然后設(shè)置好衛(wèi)星高度角、天線類型、無線電類型、頻率等各項(xiàng)配置參數(shù)即可。

2)移動(dòng)站的設(shè)置

設(shè)置連接方式和電臺(tái)通道號(hào),輸入流動(dòng)站的天線高、輸入觀測(cè)時(shí)間、次數(shù)等參數(shù)。通過單點(diǎn)或兩點(diǎn)校正,求解出WGS-84坐標(biāo)系與當(dāng)?shù)刈鴺?biāo)系之間的轉(zhuǎn)換參數(shù)。校正完畢后,將移動(dòng)站在待測(cè)點(diǎn)對(duì)中,當(dāng)狀態(tài)為固定解且PDOP小于6時(shí),對(duì)點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行采集。

2 研究方案

2.1 測(cè)區(qū)概況

泰安市龍澤花苑小區(qū)位于馳名中外的泰山腳下,東鄰市政廣場(chǎng),南靠龍澤湖,面積約0.1 km2。小區(qū)地勢(shì)北高南低,南北高差較大。高樓林立,通視條件較差,不利于全站儀測(cè)圖。另外,由于樓層過高,對(duì)衛(wèi)星信號(hào)的接收有一定的影響。

2.2 控制點(diǎn)的布設(shè)

在小區(qū)附近原有兩個(gè)E級(jí)GPS控制點(diǎn)的基礎(chǔ)上,根據(jù)小區(qū)的實(shí)際情況選擇了8個(gè)二級(jí)控制點(diǎn)進(jìn)行加密控制。通過這8個(gè)控制點(diǎn)可以較好的對(duì)小區(qū)進(jìn)行控制,少部分觀測(cè)不到的地方采用支導(dǎo)線的方法進(jìn)行測(cè)量。

閉合導(dǎo)線的多邊形角度閉合差為35 s,容許角度閉合差為39 s。導(dǎo)線長(zhǎng)度∑D=567.312 m,導(dǎo)線全長(zhǎng)閉合差 fx=0 cm,fy=1.5 cm,相對(duì)閉合差K=1/37820,K容=1/10000,達(dá)到二級(jí)導(dǎo)線要求,且點(diǎn)位精度較高,可作為數(shù)據(jù)對(duì)比的基準(zhǔn)。

2.3 作業(yè)流程

1)用全站儀進(jìn)行控制測(cè)量,然后對(duì)所測(cè)導(dǎo)線點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行平差。得到控制點(diǎn)坐標(biāo);

2)根據(jù)小區(qū)的情況分別選擇較空曠處、高度小于2 m的地物處、樓房房角等處作為特征點(diǎn),并做標(biāo)記;

3)用全站儀對(duì)特征點(diǎn)進(jìn)行碎部測(cè)量;

4)用RTK對(duì)控制點(diǎn)和特征點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量;

5)RT K和全站儀數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比,分析RTK數(shù)據(jù)精度、誤差來源以及質(zhì)量控制方法。

2.4 精度分析

全站儀與RTK所測(cè)的控制點(diǎn)坐標(biāo)如表1所示。

表1 控制點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)對(duì)比

數(shù)據(jù)表明,除了ZI26點(diǎn)以外(此點(diǎn)靠近高壓線路),其余各點(diǎn)X最大差值1.4 cm,Y最大差值2.9 cm。X中誤差為mx=±1.21 cm。Y中誤差為my= ±1.51 cm。RTK測(cè)量成果與全站儀測(cè)量成果相差較小,圖根點(diǎn)位精度等各項(xiàng)指標(biāo)滿足《城市測(cè)量規(guī)范》要求,說明在城市進(jìn)行大比例尺測(cè)量的圖根控制可以采用RTK技術(shù)。

選取了部分有代表性的碎部點(diǎn)進(jìn)行精度對(duì)比,如表2所示:

表2 碎部點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)對(duì)比

由上表可得地形圖比例尺精度為0.1×M(mm),其中M為比例尺分母,故1∶1000地形圖比例尺精度為10 cm,Mx=±3.47 m,My=±3.17 cm。點(diǎn)位誤差最大值為7.63小于10 cm,符合1∶1000地形圖碎部測(cè)量的精度要求。但在房角或周圍有較高建筑物的區(qū)域,由于信號(hào)遮蔽,只能得到單點(diǎn)解或差分解,不能滿足測(cè)圖精度需要,故不能用RTK測(cè)量。

2.5 誤差分析與質(zhì)量控制

RTK測(cè)量過程中的誤差來源主要有以下5個(gè)方面:

1)GPS定位誤差

GPS定位誤差主要包括衛(wèi)星軌道誤差、衛(wèi)星鐘和接收機(jī)的時(shí)鐘誤差、對(duì)流層和電離層的大氣延時(shí)誤差等[4]。

2)轉(zhuǎn)換參數(shù)引起的精度損失

WGS-84坐標(biāo)和地方坐標(biāo)系坐標(biāo)轉(zhuǎn)換存在一定誤差,與控制點(diǎn)的精度和分布有關(guān)。

3)實(shí)驗(yàn)中的操作誤差

移動(dòng)站在點(diǎn)位對(duì)中,儀器置平等方面產(chǎn)生的誤差。

4)基準(zhǔn)站的誤差

基準(zhǔn)站周圍環(huán)境對(duì)GPS觀測(cè)質(zhì)量的影響也會(huì)影響到流動(dòng)站坐標(biāo)的精度。

5)基準(zhǔn)站與流動(dòng)站之間的距離誤差

GPS誤差的空間相關(guān)性隨基準(zhǔn)站與移動(dòng)站之間距離的增大而逐漸失去線性[5],當(dāng)兩者相距較遠(yuǎn)時(shí),差分處理后的移動(dòng)站數(shù)據(jù)仍然含有較大的觀測(cè)誤差。

針對(duì)RTK測(cè)量中存在的誤差問題,可采用以下三種方法進(jìn)行質(zhì)量控制,以提高測(cè)量的精度。

1)已知點(diǎn)檢校法—在控制網(wǎng)布設(shè)時(shí)用全站儀或靜態(tài)GPS多測(cè)出一些控制點(diǎn),然后用RTK測(cè)量結(jié)果與這些控制點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行比較,當(dāng)發(fā)現(xiàn)問題時(shí)及時(shí)糾正。

2)電臺(tái)變頻檢校法—在測(cè)區(qū)內(nèi)安置兩個(gè)以上基準(zhǔn)站,每個(gè)基準(zhǔn)站采用不同的頻率發(fā)送改正數(shù)據(jù),移動(dòng)站利用變頻開關(guān)選擇性地接收基準(zhǔn)站的數(shù)據(jù),從而得到兩個(gè)以上解算結(jié)果,通過比較判斷質(zhì)量高低[5]。

3)重測(cè)比較法—每次初始化成功后先重測(cè)1～2個(gè)已測(cè)坐標(biāo)點(diǎn),確認(rèn)無誤后再進(jìn)行RTK測(cè)量。

2.6 RTK+遙感影像的成圖方法

在一些測(cè)區(qū)由于高層建筑較多且較密集,對(duì)衛(wèi)星信號(hào)影像較嚴(yán)重,利用RTK很難測(cè)到,因此我們?cè)赗TK測(cè)圖的基礎(chǔ)上利用遙感影像對(duì)地圖進(jìn)行補(bǔ)充和校正,能得到較好的效果。具體步驟為:

1)影像的幾何校正

獲取測(cè)區(qū)的遙感影像,利用遙感影像處理軟件,對(duì)影像圖進(jìn)行幾何校正。

2)校正后的影像圖與地形圖疊加

在CASS中打開地形圖,然后按1:1比例插入柵格影像,量取影像和對(duì)應(yīng)地形圖上兩點(diǎn)之間距離,解算比例尺。根據(jù)解算的比例尺重新插入影像,并通過移動(dòng)使兩者嚴(yán)格重合。疊加后效果如圖1所示:

圖1 地形圖與影像圖疊加效果圖

3)利用疊加好的影像圖糾正和補(bǔ)充地形圖通過疊加后的影像可以補(bǔ)測(cè)RTK無法測(cè)量的區(qū)域,并對(duì)部分失真地形圖進(jìn)行糾正,效果如圖2所示:

圖2 利用遙感影像補(bǔ)充的部分地形圖

3 結(jié) 論

實(shí)驗(yàn)表明RTK測(cè)量精度較高,能夠滿足控制測(cè)量和大比例測(cè)圖要求。對(duì)于RTK測(cè)圖中存在的誤差,通過質(zhì)量控制的方法可很好地解決。但是在房角或周圍有較高建筑物的區(qū)域,由于信號(hào)遮蔽,只能得到單點(diǎn)解或差分解,不能滿足測(cè)圖精度需要,為了彌補(bǔ)這種缺陷,可利用遙感影像進(jìn)行補(bǔ)測(cè)和糾正,這樣既充分發(fā)揮了 RTK測(cè)圖的優(yōu)點(diǎn),又解決了其在測(cè)圖中存在的不足,可極大提高測(cè)圖的效率。

[1]李英冰,徐紹銓.利用RTK進(jìn)行數(shù)字化測(cè)圖的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)[J].全球定位系統(tǒng),2005,30(5):30-34.

[2]李慶龍.淺談GPS實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位原理及應(yīng)用[J].中國(guó)無線電,2007(6):47-51.

[3]潘純建.RTK技術(shù)在圖根控制測(cè)量中的應(yīng)用[J].地礦測(cè)繪,2007,23(1):30-32.

[4]GEOFFREY B.GPS data Processing Methodology:From Theory to Application[J].GPS For Geodesy,Spring-Verlag,Berlin,1998:231-270.

[5]胡 奎,黎 曦,胡伍生等.GPS-RTK測(cè)量結(jié)果的精度分析[J].現(xiàn)代測(cè)繪,2007(3):3-4.