利用RTK測(cè)量建筑物墻角點(diǎn)方法的研究

張為成，邢立新，馬俊海，張 雷，劉 江，梅曉丹，儲(chǔ)曉雷

（1．黑龍江工程學(xué)院 測(cè)繪工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱150050；2．吉林大學(xué) 地球探測(cè)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春130026）

基于RTK模式下的GPS測(cè)量定位技術(shù)，以實(shí)時(shí)定位、施測(cè)靈活和高效率等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于地形測(cè)繪、地籍測(cè)量、工程測(cè)量和土地利用規(guī)劃等工程建設(shè)中，深受廣大測(cè)量工作者的喜愛(ài)。然而在應(yīng)用RTK測(cè)量定位方法測(cè)定房屋等建筑物墻角點(diǎn)時(shí)卻遇到了非常大的困難。一是由于建筑物本身高度的遮擋影響使RTK接收機(jī)天線不能同時(shí)接收到4顆（或4顆以上）GPS衛(wèi)星的信號(hào)，也就無(wú)法實(shí)時(shí)地測(cè)定和計(jì)算出房屋等建筑物的墻角點(diǎn)坐標(biāo)，或者測(cè)定出的坐標(biāo)數(shù)據(jù)解算精度很差，遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了相應(yīng)規(guī)范或工程建設(shè)的要求。二是由于RTK接收機(jī)天線都是具有一定尺寸的幾何外形，從而使RTK接收機(jī)與建筑物的墻角點(diǎn)無(wú)法完全靠近，致使測(cè)定結(jié)果產(chǎn)生較大的誤差，當(dāng)進(jìn)行大比例尺地形測(cè)繪或地籍測(cè)量時(shí)滿足不了相應(yīng)規(guī)范的要求。受此制約，當(dāng)前進(jìn)行墻角點(diǎn)測(cè)量方法，如地形圖測(cè)繪中的居民地測(cè)繪、地籍測(cè)量等，一般都是通過(guò)RTK結(jié)合全站儀來(lái)測(cè)量，而測(cè)量的主要儀器是全站儀，這樣就大大降低了測(cè)量的效率，增加了測(cè)量人數(shù)，從而使得測(cè)量的人力、物力、財(cái)力大大增加。也有專(zhuān)家學(xué)者提出了僅利用RTK進(jìn)行墻角點(diǎn)測(cè)量的方法，如通過(guò)測(cè)量房屋墻角的延長(zhǎng)線上的多點(diǎn)坐標(biāo)和距離用解線性方程或者三角函數(shù)計(jì)算的方法來(lái)計(jì)算墻角點(diǎn)坐標(biāo)，這些方法在測(cè)量外業(yè)上需要測(cè)量的點(diǎn)位比較多，而且無(wú)論是測(cè)角和測(cè)距都有嚴(yán)格的要求，測(cè)量非常不方便。在內(nèi)業(yè)上計(jì)算也相對(duì)繁瑣，而且最終也只能解算出該點(diǎn)的平面坐標(biāo)，高程坐標(biāo)卻無(wú)法得到，所以當(dāng)有些時(shí)候需要測(cè)量墻角點(diǎn)高程時(shí)，RTK測(cè)量則無(wú)法辦到。以上這些問(wèn)題嚴(yán)重地影響了RTK在地形圖測(cè)繪 地籍測(cè)量等工程中的廣泛應(yīng)用。

1 RTK測(cè)量建筑物墻角要解決的幾個(gè)問(wèn)題

通過(guò)以上分析可以看出，如果想解決RTK測(cè)量墻角點(diǎn)坐標(biāo)，必須解決以下幾個(gè)問(wèn)題：①RTK不受遮擋，能同時(shí)接收4顆（或4顆以上）GPS衛(wèi)星的信號(hào)；②RTK接收機(jī)天線有幾何外形的存在，如何在不能完全靠近建筑物的墻角點(diǎn)時(shí)測(cè)量；③要能否通過(guò)RTK直接測(cè)量，而不需要全站儀的配合；④如何解決高程點(diǎn)的高程測(cè)量問(wèn)題。經(jīng)多年外業(yè)測(cè)量實(shí)踐探索，實(shí)際測(cè)量中建筑物的墻角點(diǎn)（如房屋墻角點(diǎn)或者圍墻墻角點(diǎn)），絕大多數(shù)都是垂直的，呈90°。正因?yàn)榇?，筆者產(chǎn)生了解決這一問(wèn)題的思路，并制作了非常簡(jiǎn)單而且實(shí)用的輔助RTK測(cè)量的裝置，從而從根本上解決了不能直接利用RTK測(cè)量墻角點(diǎn)的問(wèn)題。

2 輔助裝置設(shè)計(jì)

輔助裝置共分4部分。第1部分為輔助裝置的前端為V形擋板，角度呈90°。V形擋板與第2部分內(nèi)尺連接，內(nèi)尺外是第3部分外尺，內(nèi)外尺均有刻度，可伸縮。在外尺的底端為第4部分U形口，測(cè)量時(shí)U形口與RTK對(duì)中桿進(jìn)行連接。實(shí)物如圖1所示。

圖1 輔助裝置

3 作業(yè)流程和坐標(biāo)計(jì)算原理

3．1 作業(yè)流程

在使用RTK測(cè)量墻角點(diǎn)時(shí)，前期的設(shè)置基站、匹配參數(shù)等操作流程與普通測(cè)量使用RTK一樣，只是在測(cè)量墻角點(diǎn)時(shí)，要用RTK的輔助裝置配合RTK來(lái)共同完成。具體的使用方法如下：

1）在墻角選擇合適的高度和位置，將V形擋板貼緊墻角，調(diào)整內(nèi)尺和外尺之間的距離，搜索有GPS信號(hào)的位置，將U形口與RTK接收機(jī)連接，整平RTK接收機(jī)，使外尺與RTK的對(duì)中桿處于垂直狀態(tài)。

2）進(jìn)行RTK測(cè)量，并對(duì)RTK測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)存儲(chǔ)，記錄此點(diǎn)為A點(diǎn)坐標(biāo)（XA，YA，ZA），同時(shí)記錄RTK快速輔助測(cè)量裝置的長(zhǎng)度SAQ。

3）將RTK快速輔助測(cè)量裝置處于豎直狀態(tài)，使V形擋板與地面接觸，從而來(lái)測(cè)量從地面到墻角點(diǎn)的高差HQN和RTK的對(duì)中桿到地面的高差HAM。

4）重復(fù)1）和2），利用RTK快速輔助測(cè)量裝置在其延長(zhǎng)線上繼續(xù)測(cè)量B點(diǎn)，并同時(shí)記錄下RTK快速輔助測(cè)量裝置的長(zhǎng)度和SBQ。

3．2 坐標(biāo)計(jì)算原理

3．2．1 平面坐標(biāo)的計(jì)算

利用RTK采集和記錄的測(cè)量點(diǎn)A（XA，YA，ZA），B（XB，YB，ZB）和所需要觀測(cè)的遮擋信號(hào)的墻角點(diǎn)Q點(diǎn)共線，可根據(jù)A，B兩點(diǎn)的平面坐標(biāo)和到墻角點(diǎn)的距離SAQ，SBQ計(jì)算出墻角點(diǎn)Q的坐標(biāo)。如圖2所示。

圖2 平面坐標(biāo)計(jì)算原理圖

具體計(jì)算的原理為：先通過(guò)A，B兩點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行坐標(biāo)反算，計(jì)算出直線BA的坐標(biāo)方位角αBA，然后再根據(jù)B點(diǎn)坐標(biāo)和BQ的距離SBQ進(jìn)行坐標(biāo)正算，算出墻角點(diǎn)Q的坐標(biāo)。計(jì)算公式如下：

3．2．2 高程坐標(biāo)的計(jì)算

利用RTK采集并記錄的測(cè)量點(diǎn)A（XA，YA，ZA）的高程坐標(biāo)ZA、從地面Q點(diǎn)到V形擋板貼緊的墻角處點(diǎn)N的高差HQN以及U形口與RTK接收機(jī)的對(duì)中桿連接交點(diǎn)M到地面A點(diǎn)的高差HAM，如圖3所示。計(jì)算墻角點(diǎn)Q的高程Z值，即

圖3 高程坐標(biāo)計(jì)算原理圖

4 可行性與精度分析

為了驗(yàn)證此方法的可行性以及測(cè)量墻角點(diǎn)得到的坐標(biāo)精度情況，在黑龍江工程學(xué)院校內(nèi)進(jìn)行了實(shí)際的測(cè)量實(shí)驗(yàn)，如圖4所示。

圖4中GPS01、GPS02、GPS03、GPS04是利用GPS與哈爾濱城市坐標(biāo)系已知點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行聯(lián)測(cè)得到的C級(jí)控制網(wǎng)點(diǎn)坐標(biāo)。在這些控制點(diǎn)上安置徠卡TCR－402全站儀，對(duì)周?chē)膲屈c(diǎn)進(jìn)行了坐標(biāo)測(cè)量，為了保證精度，每個(gè)墻角點(diǎn)都測(cè)量了3次，并取平均值作為準(zhǔn)確值。同時(shí)也利用RTK與輔助裝置進(jìn)行配合，對(duì)墻角點(diǎn)進(jìn)行了數(shù)據(jù)采集。全站儀采集數(shù)據(jù)結(jié)果與RTK采集數(shù)據(jù)結(jié)果之差如表1所示。

圖4 測(cè)量實(shí)驗(yàn)點(diǎn)位圖

從表1不難看出，兩種方法采集建筑物墻角點(diǎn)坐標(biāo)之差非常小，X坐標(biāo)差最大為22 mm，Y坐標(biāo)差最大為23 mm，Z坐標(biāo)差最大為37 mm，平面點(diǎn)位差最大為32 mm。由此可知，利用RTK進(jìn)行墻角點(diǎn)測(cè)量的精度完全滿足地形圖測(cè)繪和地籍測(cè)量中采集墻角點(diǎn)坐標(biāo)的要求（在要求比較嚴(yán)格的地籍測(cè)量中，規(guī)定一類(lèi)界址點(diǎn)相當(dāng)于臨近已知點(diǎn)誤差不大于5 c m）。

表1 兩種方法采集建筑物墻角點(diǎn)數(shù)據(jù)坐標(biāo)之差mm

20 16 20 21 15 18 14 19 14 18 18 15 19 17 19 22 16 22 Y坐標(biāo)差 21 21 15 14 13 19 17 15 18 19 17 15 13 19 12 14 18 23 Z坐標(biāo)差 36 30 21 28 35 22 19 31 34 26 23 25 33 29 31 24 20 37 平面點(diǎn)位差X坐標(biāo)差29 26 25 25 20 26 22 24 23 26 25 21 23 25 22 26 24 32

5 工程應(yīng)用實(shí)例

吉林省扶余市地籍調(diào)查項(xiàng)目，總面積約40 k m2。由于時(shí)間緊，任務(wù)重，如果采用RTK結(jié)合全站儀進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的方法進(jìn)行，完成任務(wù)將有一定的困難，因此在此項(xiàng)目中第一次用到了RTK結(jié)合輔助裝置進(jìn)行數(shù)據(jù)點(diǎn)的采集，外業(yè)速度明顯加快，而在內(nèi)業(yè)成圖時(shí)，由于輔助裝置的距離測(cè)量，可以直接通過(guò)軟件的“延伸”、“偏移”等命令，成圖速度也明顯加快。最后通過(guò)了項(xiàng)目的驗(yàn)收，獲得了很好的評(píng)價(jià)。至此之后，此方法又在多個(gè)測(cè)量項(xiàng)目中得到了應(yīng)用。

6 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)RTK結(jié)合輔助裝置進(jìn)行墻角點(diǎn)測(cè)量在吉林省扶余市地籍調(diào)查中的實(shí)際應(yīng)用和在黑龍江工程學(xué)院校內(nèi)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的精度分析，可以得出該方法不僅好用又實(shí)用，而且大大提高了生產(chǎn)效率，同時(shí)滿足了精度要求，完全克服了RTK信號(hào)受遮擋、RTK接收機(jī)存在幾何外形、不能獨(dú)立進(jìn)行地籍測(cè)量等缺點(diǎn)。筆者認(rèn)為，RTK輔助裝置簡(jiǎn)單而且容易制造，如果大規(guī)模采用此方法，RTK的應(yīng)用前景將更加廣闊。

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