GPS－RTK技術(shù)在北京順義區(qū)1∶500地形圖測(cè)繪中的應(yīng)用＊

孫立方

（吉林省第一測(cè)繪院，吉林 四平136001）

0 引 言

實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位技術(shù)（GPS－RTK），又稱載波相位動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)差分技術(shù)，是集計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)字通訊技術(shù)、無(wú)線電技術(shù)和GPS測(cè)量定位技術(shù)為一體的組合技術(shù)，能夠?qū)崟r(shí)提供測(cè)點(diǎn)（用戶站）在指定坐標(biāo)系的三維坐標(biāo)成果；它是GPS測(cè)量技術(shù)發(fā)展中的一個(gè)新突破。全站儀的應(yīng)用使傳統(tǒng)的測(cè)量方式實(shí)現(xiàn)了質(zhì)的飛躍，而GPS－RTK技術(shù)的應(yīng)用給測(cè)繪行業(yè)帶來(lái)了一場(chǎng)革命。以北京順義區(qū)1∶500地形圖測(cè)繪為例，介紹了GPS－RTK的相關(guān)原理，闡述了GPS－RTK在地形測(cè)繪具體應(yīng)用中的相關(guān)問(wèn)題。

1 GPS－RTK的測(cè)量原理與數(shù)據(jù)處理的關(guān)鍵問(wèn)題

1.1 定位的原理

GPS－RTK實(shí)時(shí)相對(duì)定位的原理：基準(zhǔn)站把接收到的所有衛(wèi)星信息（包括偽距和載波相位觀測(cè)值）和基準(zhǔn)站的一些信息（如基站坐標(biāo)天線高等）都通過(guò)無(wú)線電通訊系統(tǒng)傳遞到流動(dòng)站，流動(dòng)站在接收衛(wèi)星數(shù)據(jù)的同時(shí)也接受基準(zhǔn)站傳遞的衛(wèi)星數(shù)據(jù)。在流動(dòng)站完成初始化后，將接收到的基準(zhǔn)站信息傳送到控制器內(nèi)并將基準(zhǔn)站的載波觀測(cè)信號(hào)與本身接受到的載波觀測(cè)信號(hào)進(jìn)行差分處理，即可實(shí)時(shí)求得未知點(diǎn)的坐標(biāo)[1]。

GPS－RTK相對(duì)于常規(guī)GPS靜態(tài)定位、快速靜態(tài)定位需要事后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理來(lái)說(shuō)，其定位效率有了較大的提高。并且實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)檢核，從而避免了在數(shù)據(jù)后處理中發(fā)現(xiàn)不合格的測(cè)量成果，需要進(jìn)行返工重測(cè)的情況[2]。

1.2 GPS－RTK數(shù)據(jù)處理的關(guān)鍵問(wèn)題

GPS－RTK測(cè)量數(shù)據(jù)處理的關(guān)鍵問(wèn)題就是如何快速的進(jìn)行轉(zhuǎn)換參數(shù)的求解。在野外作業(yè)時(shí)，轉(zhuǎn)換參數(shù)的求得通常采用以下兩種方法[3－4]：

1）充分利用已有的GPS靜態(tài)控制網(wǎng)資料，將多個(gè)已知點(diǎn)的地心坐標(biāo)與相應(yīng)的當(dāng)?shù)刈鴺?biāo)通過(guò)電子手簿中自帶轉(zhuǎn)換軟件或者外部自編坐標(biāo)轉(zhuǎn)換軟件解算出轉(zhuǎn)換參數(shù)；

2）基準(zhǔn)站架設(shè)在已知點(diǎn)或未知點(diǎn)上，移動(dòng)站依次測(cè)量各已知點(diǎn)的地心坐標(biāo)，將各已知點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的當(dāng)?shù)刈鴺?biāo)系的平面坐標(biāo)和高程輸入手簿中進(jìn)行點(diǎn)校正，淘汰校正殘差比較大的已知點(diǎn)，從而解算出兩坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換參數(shù)。

2 GPS RTK在地形測(cè)繪中的應(yīng)用

2.1 測(cè)區(qū)概況

北京市順義區(qū)位于北京市東北部，城區(qū)距市中心30公里，北緯40°00′～40°18′，東經(jīng)116°28′～116°58′.地處燕山南麓，華北平原北端，屬潮白河沖積扇下段。平原面積占95.7%，地勢(shì)北高南低，坡度為6／10 000，北部山地最高點(diǎn)海拔637m，平原海拔25－45m，平均海拔35m.經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)勘查，測(cè)區(qū)有6個(gè)保存完好的D級(jí)控制點(diǎn)，其平面坐標(biāo)是1980國(guó)家大地坐標(biāo)系，高程是1985國(guó)家高程基準(zhǔn)，且分布均勻，可作為圖根控制點(diǎn)的起算數(shù)據(jù)。

2.2 作業(yè)過(guò)程

2.2.1 基準(zhǔn)站設(shè)置

結(jié)合測(cè)區(qū)的實(shí)地情況，我們把基準(zhǔn)站架設(shè)在地勢(shì)較好，并且沒(méi)有太強(qiáng)無(wú)線電信號(hào)干擾的辦公樓上，在架設(shè)好儀器后，啟動(dòng)手簿。并進(jìn)行基準(zhǔn)站的相應(yīng)設(shè)置，如創(chuàng)建新的作業(yè)項(xiàng)目，坐標(biāo)系統(tǒng)的選擇、天線類型的選擇、無(wú)線電類型的選擇、接收機(jī)的端口的選擇、波特率的選擇、測(cè)量類型的選擇等工作，并將基準(zhǔn)站的坐標(biāo)通過(guò)單點(diǎn)定位測(cè)量出來(lái)后存儲(chǔ)于所建立的項(xiàng)目，輸入天線高。最后進(jìn)行無(wú)線電臺(tái)的連接，當(dāng)無(wú)線電連接上后，即可將手簿從基站接收機(jī)上分離，至此基站設(shè)置啟動(dòng)完成。

2.2.2 流動(dòng)站設(shè)置及點(diǎn)校正

連接好流動(dòng)站接收機(jī)、天線、對(duì)中桿后，啟動(dòng)手簿。對(duì)流動(dòng)站接收機(jī)進(jìn)行相關(guān)的設(shè)置，具體設(shè)置內(nèi)容同基準(zhǔn)站。完成流動(dòng)站的設(shè)置后就可以進(jìn)入測(cè)量模式，要注意衛(wèi)星個(gè)數(shù)，無(wú)線電標(biāo)志，GPS－RTK是否固定等。如無(wú)問(wèn)題，可進(jìn)行下一步。

在完成基準(zhǔn)站和流動(dòng)的設(shè)置后，利用四個(gè)已知點(diǎn)（SY1、SY3、SY4、SY5）進(jìn)行點(diǎn)校正，利用另外兩個(gè)已知點(diǎn)（SY2、SY6）進(jìn)行檢測(cè)。在進(jìn)行點(diǎn)校正和檢測(cè)過(guò)程中，利用五臺(tái)GPS－RTK接收機(jī)同時(shí)進(jìn)行，每臺(tái)均進(jìn)行三個(gè)時(shí)段的觀測(cè)，觀測(cè)時(shí)間均為240s。點(diǎn)校正后，在SY2點(diǎn)和SY6點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果與已有成果進(jìn)行比較，X最大誤差為2.0 cm，Y最大誤差為1.5cm，高程最大誤差為2.4 cm，最小誤差為8mm，均小于5cm的要求。同一臺(tái)GPS－RTK接收機(jī)三個(gè)時(shí)段的最大誤差平面為7mm，高程為16mm，最小誤差0，說(shuō)明點(diǎn)校正是成功的，觀測(cè)結(jié)果是可靠的。

使用GPS－RTK技術(shù)作圖根控制時(shí)，應(yīng)盡量選擇測(cè)區(qū)外圍的已知控制點(diǎn)作為求解坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換參數(shù)的起算點(diǎn)。另外，若只求平面坐標(biāo)，必須有3個(gè)起算點(diǎn)，這樣可消除平面殘差；若同時(shí)求解高程結(jié)果，則至少有4個(gè)已知點(diǎn)，以保證能消除高程殘差。

2.2.3 圖根測(cè)量與碎步測(cè)量

1）圖根測(cè)量：使用GPS－RTK技術(shù)作圖根控制時(shí)，應(yīng)盡量選擇測(cè)區(qū)外圍的已知控制點(diǎn)作為求解坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換參數(shù)的起算點(diǎn)。另外，若只求平面坐標(biāo)，必須有3個(gè)起算點(diǎn)，這樣可消除平面殘差；若同時(shí)求解高程結(jié)果，則至少有4個(gè)已知點(diǎn)，以保證能消除高程殘差。

2）碎步測(cè)量：在實(shí)際操作過(guò)程中，會(huì)遇到衛(wèi)星信號(hào)遮擋、點(diǎn)位精度及穩(wěn)定性不夠好等問(wèn)題，具體解決方法：由于GPS采用衛(wèi)星信號(hào)定位，遇到高大障礙物時(shí)，就很難接收到衛(wèi)星和無(wú)線電信號(hào)，即使能夠得到數(shù)據(jù)，精度也受很大影響。例如在樓角下面進(jìn)行觀測(cè)時(shí)，衛(wèi)星信號(hào)會(huì)受到遮擋而造成不容易得到固定解，這時(shí)，可以采用偏移的方法解決。操作人員可以配備一根2～3m的卷尺，測(cè)量出與房屋墻線間距固定且平行的線段，不但精度不受影響，作業(yè)效率也會(huì)大大提高。對(duì)于個(gè)別受遮擋無(wú)法得到固定解的點(diǎn)還可以采用測(cè)繪一條與該點(diǎn)在一條直線上的線段的方式。

3）GPS－RTK 和全站儀聯(lián)合作業(yè)[5]：隨著工程質(zhì)量要求的不斷提高，單一使用GPS－RTK或全站儀已經(jīng)滿足不了實(shí)際測(cè)量工作的需要，這樣就出現(xiàn)了在同一工程中同時(shí)采用兩種方法的聯(lián)合應(yīng)用，即GPS－RTK的測(cè)量成果常為全站儀所用，全站儀測(cè)量值又常作為檢校GPS作業(yè)的依據(jù)，可以優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)、取長(zhǎng)補(bǔ)短，可快速布設(shè)控制點(diǎn)，又能高精度快速地獲得三維坐標(biāo)?？梢源蟠蠹涌鞙y(cè)量速度，提高工作效率。

3 數(shù)據(jù)傳輸和圖形文件生成

當(dāng)外業(yè)數(shù)據(jù)采集完畢，需將所測(cè)數(shù)據(jù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)上。即先用數(shù)據(jù)傳輸線將GPS電子手薄和計(jì)算機(jī)連接起來(lái)，再利用同步軟件Microsoft Active－Sync4.5完成數(shù)據(jù)傳輸下載，并保存在相關(guān)的目錄下。

圖形文件在CASS7.0平臺(tái)下生成，圖形比例尺為1∶500.將得到的原始數(shù)據(jù)采用相關(guān)方法處理成CASS7.0所需的＊.dat格式文件，并在CASS7.0下進(jìn)行展點(diǎn)，根據(jù)外業(yè)所繪草圖，通過(guò)軟件編輯，連線成圖。為了避免接邊誤差，將整個(gè)測(cè)區(qū)的圖形編輯在一起，根據(jù)需要進(jìn)行分幅。

4 地形圖檢查及精度分析

整個(gè)測(cè)區(qū)的地圖編輯完成后，利用HP designjet 3500CP繪圖儀出樣圖，在實(shí)地進(jìn)行對(duì)比檢查，利用場(chǎng)地中的控制點(diǎn)架設(shè)全站儀，檢核GPS RTK測(cè)得的圖面上明顯地物點(diǎn)的平面坐標(biāo)和高程，與圖上對(duì)應(yīng)點(diǎn)的點(diǎn)位進(jìn)行比較，實(shí)查結(jié)果96%的點(diǎn)誤差在±5cm以下，最大的不超過(guò)±10 cm[6].根據(jù) CJJ82－99《城市測(cè)量規(guī)范》的要求[7]，碎部點(diǎn)對(duì)于鄰近圖根點(diǎn)的平面位置中誤差不應(yīng)超過(guò)圖上±0.6mm，實(shí)地檢查后滿足精度要求。

5 結(jié) 論

通過(guò)本次實(shí)踐證明，GPS－RTK在大比例尺地形測(cè)繪中具有要求低、投入少、精度好、效率高、操作簡(jiǎn)便、方便適用、數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)大等優(yōu)點(diǎn)。但其本身也存在衛(wèi)星的限制、存在高程異?，F(xiàn)象、沒(méi)有圖形約束，缺少多余觀測(cè)、數(shù)據(jù)鏈?zhǔn)芨蓴_和限制、作業(yè)半徑比標(biāo)稱距離小等問(wèn)題。相信隨著GPSRTK測(cè)量技術(shù)不斷成熟，該技術(shù)在大比例地形測(cè)繪中日益顯現(xiàn)巨大的應(yīng)用潛力，特別是連續(xù)運(yùn)行衛(wèi)星定位服務(wù)系統(tǒng)（CORS）的建立和GPS軟硬件的不斷更新，GPS－RTK在未來(lái)的應(yīng)用更加廣泛的被應(yīng)用。

[1]周建鄭.GPS測(cè)量定位技術(shù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004.

[2]高成發(fā)等.GPS測(cè)量[M].北京：人民交通出版社，2000.

[3]喬仰文，趙長(zhǎng)勝，夏春林，等.GPS衛(wèi)星定位原理及其在測(cè)繪學(xué)中的應(yīng)用[M].北京：教育科學(xué)出版社，2003.

[4]劉建文，陳 然.GPS RTK測(cè)量中4參數(shù)和7參數(shù)應(yīng)用的探討[J].地礦測(cè)繪，2005，21（1）：13－15.

[5]孟凡超.GPS－RTK與全站儀聯(lián)合作業(yè)在數(shù)字測(cè)圖中的應(yīng)用[J].北京測(cè)繪，2010（2），57－60.

[6]國(guó)家測(cè)繪局.CH 2001－92，全球定位系統(tǒng)（GPS）測(cè)量規(guī)范[S].北京：測(cè)繪出版社，1992

[7]北京市測(cè)繪設(shè)計(jì)研究院.CJJ 82－99城市測(cè)量規(guī)范[S].中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1999.