GPS-RTK在地形測(cè)量中的應(yīng)用與優(yōu)劣的分析

黃萬(wàn)村

（南寧市東測(cè)科技有限公司，廣西 南寧530023）

實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)(RTK)測(cè)量系統(tǒng)，是GPS測(cè)量技術(shù)與數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)的結(jié)合而構(gòu)成的組合系統(tǒng)。它是GPS定位測(cè)量技術(shù)的一個(gè)新的突破，RTK的基本思路是：在基準(zhǔn)站上安置一臺(tái)GPS接收機(jī),對(duì)所有可見衛(wèi)星進(jìn)行連續(xù)觀測(cè),并將其觀測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線電傳輸設(shè)備,實(shí)時(shí)地發(fā)送給用戶觀測(cè)站,在用戶站上,GPS接收機(jī)在接收衛(wèi)星信號(hào)的同時(shí),通過(guò)無(wú)線接收設(shè)備,接收基準(zhǔn)臺(tái)傳輸?shù)挠^測(cè)數(shù)據(jù),然后根據(jù)相對(duì)定位原理,實(shí)時(shí)地計(jì)算和顯示用戶站的三維坐標(biāo)及其精度。

RTK由基準(zhǔn)站接收機(jī)、數(shù)據(jù)鏈、流動(dòng)站接收機(jī)三部分組成。它不僅能夠獲取碎部點(diǎn)，也能制作出圖根控制點(diǎn)，這樣不僅減少了勞動(dòng)難度，也節(jié)約了經(jīng)費(fèi)開支。下面就其在測(cè)量行業(yè)中的應(yīng)用及存在一些優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行簡(jiǎn)要的分析。

1 RTK的作業(yè)模式

1.1 電臺(tái)模式

通過(guò)架設(shè)UHF無(wú)線電臺(tái)，把基準(zhǔn)站的差分信號(hào)數(shù)據(jù)傳輸?shù)搅鲃?dòng)站，獲取流動(dòng)站的三維坐標(biāo)。操作簡(jiǎn)單，初始化速度較快，但在山區(qū)、丘陵地帶信號(hào)受影響較大，覆蓋范圍小。

1.2 網(wǎng)絡(luò)模式

使用GSM、GPRS、CDMA等網(wǎng)絡(luò)替代電臺(tái)傳輸基準(zhǔn)站差分信號(hào)，并連同基準(zhǔn)站的同步觀測(cè)數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)地解算流動(dòng)站的三維坐標(biāo)。基準(zhǔn)站傳送數(shù)據(jù)的范圍大，但有些區(qū)域存在盲區(qū)，網(wǎng)絡(luò)流量會(huì)產(chǎn)生一定的費(fèi)用。

1.3 CORS模式

CORS連續(xù)運(yùn)行參考站系統(tǒng)，工作原理與常規(guī)RTK模式有所不同。它的固定參考站不向流動(dòng)站發(fā)射改正信息，而是將原始數(shù)據(jù)發(fā)送給控制中心，控制中心根據(jù)流動(dòng)站的位置自動(dòng)選擇一組固定基準(zhǔn)站，整體改正后將高精度的差分?jǐn)?shù)據(jù)發(fā)給流動(dòng)站。CORS模式的作業(yè)距離不受限制，無(wú)需架設(shè)基準(zhǔn)站，不需點(diǎn)校正，由于缺乏氣象實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，利用標(biāo)準(zhǔn)大氣對(duì)流層模型，對(duì)改正數(shù)的精度會(huì)有所影響。

2 GPS-RTK在地形測(cè)量中的主要優(yōu)點(diǎn)

2.1 實(shí)時(shí)顯示儀器(天線)當(dāng)前的位置

只要儀器各種數(shù)據(jù)設(shè)定正確，并正常運(yùn)行時(shí)，就可以實(shí)時(shí)顯示儀器所處的地理位置，工作人員可按照所顯示的地理位置判斷出要設(shè)置的物理點(diǎn)所在的方向、距離等具體事項(xiàng)，從而便于指導(dǎo)作業(yè)，大大提高了野外測(cè)量工作的效率。

2.2 定位精度高

只要位于儀器15km的工作范圍內(nèi)測(cè)量，精確可以到厘米級(jí)（儀器標(biāo)稱精度一般為10mm+2ppm,根據(jù)這樣計(jì)算,在距參考站15km處相對(duì)于參考站的精度為40mm)，這樣的精確度可以直接采集碎部點(diǎn)。

2.3 操作方便，容易使用

隨著GPS接收機(jī)不斷改進(jìn),自動(dòng)化程度越來(lái)越高,有的已達(dá)“傻瓜化”的程度；接收機(jī)的體積越來(lái)越小，重量越來(lái)越輕，極大地減輕測(cè)量工作的工作緊張程度和勞動(dòng)強(qiáng)度，數(shù)據(jù)輸入、存儲(chǔ)、處理、轉(zhuǎn)換和輸出能力，能方便快捷地與計(jì)算機(jī)、其他測(cè)量?jī)x器通信。使野外工作變得輕松愉快。

2.4 事先輸入測(cè)量點(diǎn)坐標(biāo),采用導(dǎo)航方式引導(dǎo)放樣

根據(jù)測(cè)線設(shè)計(jì)方案，將需要放樣的物理點(diǎn)導(dǎo)入到GPS動(dòng)態(tài)測(cè)量流動(dòng)站儀器當(dāng)中,然后通過(guò)儀器的導(dǎo)航方法引導(dǎo)，便于迅速找到放樣地點(diǎn),根據(jù)儀器的顯示數(shù)據(jù)得知放樣地點(diǎn)的具體方向、距離、時(shí)間等有效信息,甚至還能知道當(dāng)前的前進(jìn)方位和速度。這種方式能夠提高實(shí)地放樣的效率，杜絕出現(xiàn)有些點(diǎn)的漏測(cè)現(xiàn)象，確保了測(cè)線的全面性。

2.5 作業(yè)效率高

在較為平坦的地勢(shì)情況下，高質(zhì)量的RTK設(shè)站一次就可以一次測(cè)量完4km半徑的測(cè)區(qū)，極大減少了常規(guī)測(cè)量所需的控制點(diǎn)數(shù)量和測(cè)量?jī)x器搬站的次數(shù)，僅需要一人操作，在電磁波環(huán)境下幾秒鐘就可以測(cè)量出一點(diǎn)坐標(biāo)，比如對(duì)于地形測(cè)量來(lái)說(shuō)，每小組每天正常工作的情況下，一天可以0.8－1.5km的地形圖測(cè)繪，其精度和效率與常規(guī)測(cè)量是無(wú)法比較的，運(yùn)作速度快，勞動(dòng)強(qiáng)度低，節(jié)約了野外費(fèi)用，提高了工作效率。

2.6 降低了作業(yè)條件要求

RTK技術(shù)不需要滿足兩點(diǎn)間光學(xué)通視，只要滿足“電磁波通視”即可，與常規(guī)測(cè)量相比，RTK技術(shù)受通視條件、能見度、氣候、季節(jié)等因素的影響和限制較小。常規(guī)測(cè)量系統(tǒng)常常受到地形復(fù)雜、障礙物較多的影響，只要滿足RTK的基本工作條件，它就能進(jìn)行快速、高精度的定位作業(yè)。

2.7 可全天候作業(yè)

目前GPS觀測(cè)可在一天24小時(shí)內(nèi)的任何時(shí)間進(jìn)行，不受一般天氣狀況的影響，因此，衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)的發(fā)展是對(duì)經(jīng)典測(cè)量技術(shù)的一次重大突破。一方面，它使經(jīng)典的測(cè)量理論與方法產(chǎn)生了深刻的變革；另一方面，也進(jìn)一步加強(qiáng)了測(cè)繪學(xué)科和其他學(xué)科之間的相互滲透，從而促進(jìn)了測(cè)繪科學(xué)技術(shù)的現(xiàn)代化發(fā)展。

3 GPS-RTK在地形測(cè)量中的缺點(diǎn)

3.1 由于反射物的影響,產(chǎn)生多路徑效應(yīng)

若測(cè)量區(qū)域周圍出現(xiàn)大面積的水域時(shí)，GPS衛(wèi)星信號(hào)就會(huì)通過(guò)水面進(jìn)行反射，GPS接收天線將接收到的信號(hào)傳入接收機(jī)，從而影響GPS測(cè)量的精確度,測(cè)量結(jié)果出現(xiàn)了一些誤差。在靜態(tài)測(cè)量過(guò)程中,這種誤差是可以采取某些方法進(jìn)行彌補(bǔ)，然而在動(dòng)態(tài)測(cè)量過(guò)程中，消除這些誤差是十分困難的。

3.2 強(qiáng)大電磁場(chǎng)的影響

由于電視臺(tái)、電臺(tái)和高壓線都會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)大的電磁場(chǎng)，這對(duì)GPS信號(hào)產(chǎn)生了嚴(yán)重的干擾,從而降低了GPS測(cè)量精度，這是影響GPS測(cè)量最大的影響因素,無(wú)論是靜態(tài)測(cè)量還是動(dòng)態(tài)測(cè)量,要彌補(bǔ)這一干擾造成的誤差十分困難。在靜態(tài)測(cè)量中,選點(diǎn)可以避免電磁場(chǎng)的影響，然而在動(dòng)態(tài)測(cè)量過(guò)程中，因?yàn)榉艠狱c(diǎn)具有客觀性，不能避開電磁場(chǎng)。若發(fā)現(xiàn)了這種放樣點(diǎn)產(chǎn)生了異常情況，需要立刻采取常規(guī)測(cè)量方法。

3.3 障礙物遮擋無(wú)法測(cè)量

由于GPS實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量同時(shí)接收兩個(gè)地方的無(wú)線電信號(hào)，一個(gè)來(lái)源于衛(wèi)星，另一個(gè)來(lái)源于參考站。衛(wèi)星接收信號(hào)時(shí)需要天空廣闊，這就要求測(cè)點(diǎn)對(duì)天通視較好。參考站接收信號(hào)時(shí)要求測(cè)點(diǎn)與參考站之間的發(fā)射天線沒(méi)有被大型障礙物所阻礙。這樣的情況下，GPS實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量作業(yè)在樹林、農(nóng)村、城市、山間的測(cè)量變得十分困難。

3.4 天空環(huán)境影響

在白天中午進(jìn)行GPS測(cè)量，信號(hào)往往會(huì)受到電離層的干擾，衛(wèi)星接收能力較差，所以初始化時(shí)間長(zhǎng)或完全不能進(jìn)行初始化，我們做過(guò)試驗(yàn)，在同樣的條件和同樣的地點(diǎn)上進(jìn)行RTK測(cè)量，上午12點(diǎn)前和下午3點(diǎn)后，RTK測(cè)量信號(hào)穩(wěn)定，精度較高。而中午時(shí)段，信號(hào)較差，不穩(wěn)定，因此RTK測(cè)量也受到作業(yè)時(shí)間段的制約。

3.5 初始化能力和所需時(shí)間

當(dāng)GPS-RTK位于山區(qū)、林區(qū)、城鎮(zhèn)比較密集的地帶開展工作，其衛(wèi)星信號(hào)極易被阻擋，導(dǎo)致儀器失鎖、初始化失敗，使用RTK常常需要重新初始化，這樣必然會(huì)影響到測(cè)量的精確度和工作速度。如何避免這種情況只有采用初始化能力強(qiáng)、初始化時(shí)間段的RTK儀器，若不符合RTK測(cè)量的基本需求的情況下，還是應(yīng)該采取其他測(cè)量方法。

3.6 電量不足問(wèn)題

RTK儀器測(cè)量耗電量較大，需要配置了多個(gè)大容量電池、電瓶，只有這樣才能連續(xù)測(cè)量，這無(wú)疑是限制了那些電力供應(yīng)不足的偏遠(yuǎn)地區(qū)測(cè)量工作的開展。

3.7 精度和穩(wěn)定性問(wèn)題

RTK儀器的精確度和穩(wěn)定性比不上全站儀，尤其是穩(wěn)定性方面，這是因?yàn)镽TK受到衛(wèi)星信號(hào)、天氣情況、數(shù)據(jù)傳輸狀況的制約。另外不同質(zhì)量的RTK系統(tǒng)的精確度和穩(wěn)定性也存在很大的區(qū)別。如何避免這種問(wèn)題的出現(xiàn)，首先需要挑選精確度高、穩(wěn)定性好、質(zhì)量高的機(jī)型，然后在設(shè)置控制點(diǎn)時(shí)多設(shè)置一些“多余”的控制點(diǎn)，作為RTK測(cè)量最終數(shù)據(jù)的檢核點(diǎn)。

4 RTK的優(yōu)化方法

4.1 把握儀器特性

在經(jīng)過(guò)了不同環(huán)境下反復(fù)的實(shí)驗(yàn)，掌握了儀器的各種特征，比如是否能夠達(dá)到要求的精確度，在不同環(huán)境下測(cè)量誤差和測(cè)量的半徑。另外也要掌握了儀器的穩(wěn)定性和不同環(huán)境下的初始化能力以及所花費(fèi)的時(shí)間等等，有利于在測(cè)量過(guò)程中得心應(yīng)手，提高工作的效率。

4.2 設(shè)置控制點(diǎn)

將控制點(diǎn)設(shè)置在制高點(diǎn)上，并建立基準(zhǔn)站，有助于更好地接收衛(wèi)星信號(hào)，控制點(diǎn)的間隔不得超過(guò)RTK有效測(cè)量半徑的2／3倍。為了便于對(duì)RTK測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行控制檢核以及杜絕產(chǎn)生測(cè)量盲點(diǎn)，需要在測(cè)量區(qū)域內(nèi)設(shè)置一些“多余”的控制點(diǎn)?？刂泣c(diǎn)的選取需要注意避免無(wú)線電的干擾，符合有關(guān)行業(yè)規(guī)定，采用具有制約多路徑效應(yīng)的技術(shù)，對(duì)于無(wú)線電和環(huán)境不佳的區(qū)域進(jìn)行有關(guān)的技術(shù)處理。

總之，RTK在地形測(cè)量過(guò)程中有很多優(yōu)點(diǎn)，最大程度符合了降低作業(yè)難度、增強(qiáng)工作效率，減少設(shè)計(jì)時(shí)間的需求，另外RTK在地形測(cè)量中也存在一定的缺點(diǎn)，要通過(guò)把握儀器特性和設(shè)置控制點(diǎn)的處理措施來(lái)克服測(cè)量過(guò)程中的不足，更好地發(fā)揮自身優(yōu)勢(shì)。

［1］胡文玉.GPS-RTK技術(shù)在道路放線中的應(yīng)用[J].山西建筑,2006,22.

［2］邢子豐,邢苒苒.GPS-RTK在地形測(cè)量中的應(yīng)用[J].內(nèi)蒙古水利,2012,4.

［3］陳慶運(yùn).GPS-RTK在地形測(cè)量中的應(yīng)用[C]//2010中國(guó)礦業(yè)科技大會(huì)論文集. 2010.