GPS—RTK測(cè)量在城市建筑群中的應(yīng)用

摘要：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，是GPS 測(cè)量技術(shù)中的一個(gè)新突破。本文結(jié)合工程實(shí)例，介紹了GPS -RTK在城市控制測(cè)量中的應(yīng)用，并就其測(cè)量精度、方法進(jìn)行了分析、比較，獲得了滿足地理信息大數(shù)據(jù)要求的城市數(shù)據(jù)。

關(guān)鍵詞：GPS測(cè)量;城市建筑;大數(shù)據(jù)

RTK 測(cè)量技術(shù)是以載波相位觀測(cè)量為根據(jù)的實(shí)時(shí)差分GPS 測(cè)量技術(shù)，其基本思想是：在基準(zhǔn)站上設(shè)置1 臺(tái)GPS 接收機(jī)，對(duì)所有可見(jiàn)GPS 衛(wèi)星進(jìn)行連續(xù)地觀測(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GPS 衛(wèi)星信號(hào)的同時(shí)，通過(guò)無(wú)線電接收設(shè)備，接收基準(zhǔn)站傳輸?shù)挠^測(cè)數(shù)據(jù)，然后根據(jù)相對(duì)定位原理，實(shí)時(shí)地解算整周模糊度未知數(shù)并計(jì)算顯示用戶站的三維坐標(biāo)及其精度。

1.工程實(shí)例

從化區(qū)，廣東省廣州市三個(gè)城市副中心之一，位于廣東省廣州市東北面，東與龍門(mén)縣、增城區(qū)接壤，南跟白云區(qū)毗鄰，西和清遠(yuǎn)市、花都區(qū)交界，北面同佛岡、新豐縣相連。北回歸線橫跨境內(nèi)南端的太平鎮(zhèn)，氣候溫和，雨量充沛。隨著次貸危機(jī)的平穩(wěn)解凍，廣州的建設(shè)速度正在加快，道路基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)日新月異。這就要求地理信息大數(shù)據(jù)的更新必須足夠迅速。2014年12月上旬，某商業(yè)地圖運(yùn)營(yíng)商委托我方進(jìn)行最新的道路及地表物的測(cè)量。我單位使用了多站聯(lián)合移動(dòng)GPS測(cè)量的方式對(duì)該地區(qū)進(jìn)行了高精度測(cè)量。

該地區(qū)在從化中學(xué)以東、街口大橋以西、東富廣場(chǎng)以北、從化體校以南，東西長(zhǎng)度約1.9公里，南北長(zhǎng)度約3.0公里。該地區(qū)道路支巷比較密集，實(shí)際測(cè)量路徑長(zhǎng)度694公里，GPS固定基站假設(shè)6處，移動(dòng)基站采用車載方式運(yùn)行，最終目標(biāo)數(shù)據(jù)在移動(dòng)基站上測(cè)出。

圖1：測(cè)量區(qū)衛(wèi)星地貌

固定基站采用采用G PS-R TK 技術(shù)對(duì)測(cè)區(qū)進(jìn)行圖根控制測(cè)量。為了滿足1∶500數(shù)字化地形測(cè)量的需要，在此基礎(chǔ)上采用R TK技術(shù)在測(cè)區(qū)內(nèi)做了一定數(shù)量的一級(jí)圖根點(diǎn)進(jìn)行圖根控制網(wǎng)的加密工作。

2 GPS RTK測(cè)量技術(shù)

2.1 基準(zhǔn)站的選定原則

數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)由基準(zhǔn)站發(fā)射電臺(tái)和流動(dòng)站接收電臺(tái)組成，它們是實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量的關(guān)鍵設(shè)備，穩(wěn)定可靠的數(shù)據(jù)鏈?zhǔn)莿?dòng)態(tài)初始化的前提，保持高質(zhì)量的數(shù)據(jù)傳輸，可以減少整周模糊度的解算時(shí)間，大大提高工作效率，所以基準(zhǔn)站的安置是順利實(shí)施R TK 作業(yè)的關(guān)鍵之一，基準(zhǔn)站安置應(yīng)滿足下列條件：

（1）基準(zhǔn)站可設(shè)立在有精確坐標(biāo)的已知點(diǎn)上，也可設(shè)在未知點(diǎn)上（最好設(shè)在已知點(diǎn)上），如果不架設(shè)在已知點(diǎn)，可通過(guò)找到控制點(diǎn)，重設(shè)當(dāng)?shù)刈鴺?biāo)。

（2）基準(zhǔn)站安置應(yīng)選擇地勢(shì)較高、視空無(wú)遮擋、電臺(tái)有良好覆蓋域的地方，城市測(cè)量首選測(cè)區(qū)高大建筑物上。

（3）為防止數(shù)據(jù)鏈的丟失和多路徑效應(yīng)，應(yīng)遠(yuǎn)離大面積水域、大型建筑物等，基準(zhǔn)站周圍應(yīng)無(wú)G PS 信號(hào)反射物（大型停車場(chǎng)、大型建筑物、車輛擁擠的街區(qū)等）、200 m 范圍內(nèi)無(wú)高壓電線、電視臺(tái)、無(wú)線電發(fā)射臺(tái)等干擾源。

2.2 布網(wǎng)

G PS 基線向量網(wǎng)的等級(jí)：依據(jù)國(guó)家測(cè)量規(guī)范、各行業(yè)測(cè)量規(guī)范、任務(wù)要求來(lái)定等級(jí)。根據(jù)我國(guó)1992 年所頒布的全球定位系統(tǒng)測(cè)量規(guī)范，G PS 基線向量網(wǎng)被分成了A，B，C，D，E 5 個(gè)級(jí)別（詳見(jiàn)表1）

表1" GPS 基線向量網(wǎng)等級(jí)表

注：A 級(jí)網(wǎng)一般為區(qū)域或國(guó)家框架網(wǎng)，區(qū)域動(dòng)力學(xué)網(wǎng);B 級(jí)網(wǎng)為國(guó)家大地控制網(wǎng)或地方框架網(wǎng);C 級(jí)網(wǎng)為地方控制網(wǎng)和工程控制網(wǎng);D 級(jí)網(wǎng)為工程控制網(wǎng);E 級(jí)網(wǎng)為體圖網(wǎng)。

2.3 控制測(cè)量

利用G PS-R TK 協(xié)同全站儀進(jìn)行數(shù)字化測(cè)圖的作業(yè)流程圖所示，包括控制測(cè)量、圖根點(diǎn)測(cè)量、碎部點(diǎn)測(cè)量和數(shù)字化測(cè)圖。其中，利用R TK技術(shù)既可測(cè)量圖根點(diǎn)，又可測(cè)量碎部點(diǎn)。如圖2所示。

圖2" 數(shù)字化測(cè)圖作業(yè)流程

控制測(cè)量可以直接用R TK 建立G PS 控制網(wǎng)。從這一點(diǎn)上來(lái)說(shuō)，如果在數(shù)字測(cè)圖工作中選用既可以進(jìn)行靜態(tài)測(cè)量又可以進(jìn)行R TK 測(cè)量的G PS 儀器，就可以完成整個(gè)數(shù)字測(cè)圖的全部控制測(cè)量外業(yè)和大部分地形測(cè)量工作，只有少部分無(wú)法使用G PS-R TK 進(jìn)行測(cè)量的區(qū)域需要使用全站儀進(jìn)行測(cè)量。而且使用G PS 動(dòng)態(tài)測(cè)量技術(shù)進(jìn)行地形點(diǎn)和碎部點(diǎn)的測(cè)量工作，還可以大大減少圖根控制點(diǎn)的數(shù)量。因?yàn)镚 PS 動(dòng)態(tài)測(cè)量的作業(yè)半徑一般可以達(dá)到15km 甚至更長(zhǎng)，所以相鄰圖根控制點(diǎn)間的距離可以在20 至25km 左右，從而大大減少了控制測(cè)量的工作量。

2.4 地形測(cè)量和碎部測(cè)量

在地形測(cè)量項(xiàng)目中，采用G PS-R TK 系統(tǒng)進(jìn)行碎部數(shù)據(jù)采集具有受天氣因素影響小、測(cè)圖精度高、無(wú)須考慮控制點(diǎn)間的通視問(wèn)題等優(yōu)點(diǎn)，但是也存在不能觀測(cè)居民地及復(fù)雜地形（如溝渠）觀測(cè)困難等缺陷。

（1）在地形測(cè)量過(guò)程中對(duì)于開(kāi)闊區(qū)域的獨(dú)立地物、線狀地物，G PS-R TK 系統(tǒng)可以直接觀測(cè)，其精度可達(dá)1～2cm。具體做法為在各類地物的定位點(diǎn)上安放流動(dòng)站，待儀器的狀態(tài)固定后輸入各類地物相應(yīng)的屬性編碼進(jìn)行保存，在內(nèi)業(yè)整理時(shí)由程序根據(jù)屬性編碼對(duì)各類地物進(jìn)行相應(yīng)的表示。

（2）在地形測(cè)量的開(kāi)闊區(qū)域也會(huì)有一些居民地、廠房、廢棄房、機(jī)井房、養(yǎng)殖場(chǎng)等獨(dú)立或小片的建筑物，對(duì)上述地物進(jìn)行分類，以項(xiàng)目效益最大化為原則，采取不同的措施進(jìn)行處理。G PS-R TK 系統(tǒng)對(duì)地形測(cè)量中遇到的建筑物處理方式如下：

①對(duì)于低矮建筑物，將對(duì)中桿加高，讓G PS-R TK 系統(tǒng)的衛(wèi)星接收天線伸到房頂后直接觀測(cè);②對(duì)于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的高大建筑物，以G PS2R TK 系統(tǒng)采用觀測(cè)輔助點(diǎn)的方式觀測(cè)，如圖3所示，欲觀測(cè)房角A、B、C、D，在其各自的延長(zhǎng)線上觀測(cè)輔助點(diǎn)1～8，然后畫(huà)草圖并注記待測(cè)點(diǎn)、輔助點(diǎn)點(diǎn)號(hào)及連接順序，內(nèi)業(yè)編輯時(shí)按順序連線，即可求出房角A、B、C、D;③對(duì)于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的高大建筑物，在其附近合適位置利用G PS-R TK 系統(tǒng)做圖根控制點(diǎn)，然后用全站儀補(bǔ)測(cè)。

（3）地形測(cè)量項(xiàng)目多分布于城鎮(zhèn)、廠礦等經(jīng)濟(jì)相對(duì)發(fā)達(dá)的區(qū)域，此區(qū)域內(nèi)通訊、電力系統(tǒng)都比較發(fā)達(dá)，輸電塔、高壓桿、低壓桿、通訊桿比比皆是。在G PS-R TK 系統(tǒng)碎部數(shù)據(jù)的采集中，對(duì)高壓桿、低壓桿、通訊桿等必須精確定位，而各類桿均有一定的粗細(xì)與高度，當(dāng)G PS 衛(wèi)星接收天線靠緊桿位后會(huì)遮擋一部分衛(wèi)星信號(hào)，且桿上的電力線、通訊線均具有電磁干擾，會(huì)給數(shù)據(jù)采集造成困難。如果以G PS-R TK 系統(tǒng)采集其他碎部數(shù)據(jù)，以全站儀補(bǔ)測(cè)各類電桿、通訊桿，工作量會(huì)成倍增加。

3 RTK 與全站儀數(shù)字化測(cè)圖比較

RTK 數(shù)字化測(cè)量與全站儀數(shù)字化測(cè)圖的比較如表2 所示。

從表2 可看出，利用G PS-R TK 定位技術(shù)進(jìn)行數(shù)字化測(cè)圖比全站儀數(shù)字化測(cè)圖更具有優(yōu)勢(shì)。在從化1：500 地形圖測(cè)繪項(xiàng)目中，如地勢(shì)較為開(kāi)闊就盡量采用R TK 定位技術(shù)進(jìn)行作業(yè);當(dāng)遇到高大建筑物等信號(hào)遮擋區(qū)域時(shí)，采用全站儀測(cè)圖?？梢?jiàn)，在從化數(shù)字化測(cè)圖工程中，采用R TK 協(xié)同全站儀進(jìn)行數(shù)字化測(cè)圖，而非單一方式作業(yè)，對(duì)提高整體工效是非常有意義的。

表2" RTK 數(shù)字化測(cè)量與全站儀數(shù)字化測(cè)圖的比較

4 結(jié)束語(yǔ)

總之，在城市測(cè)量中，RTK 測(cè)量是一場(chǎng)革命性的飛躍，其特點(diǎn)使城市控制、地形、工程以及像控等測(cè)量變得簡(jiǎn)單、方便和耳目一新。在應(yīng)用方面正逐漸取代常規(guī)的測(cè)量手段。而RTK 系統(tǒng)的質(zhì)量越高，其初始化能力就越強(qiáng)，受環(huán)境的限制就越小，精度也就越高，其優(yōu)勢(shì)也就越明顯。

參考文獻(xiàn)：

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