GPS-RTK與全站儀在數(shù)字城管測量中的聯(lián)合使用

李鵬，李廣海，王永吉,邢武杰

(中國礦業(yè)大學(xué)(北京)地球科學(xué)與測繪工程學(xué)院,北京 100083)

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GPS-RTK與全站儀在數(shù)字城管測量中的聯(lián)合使用

李鵬，李廣海，王永吉,邢武杰

(中國礦業(yè)大學(xué)(北京)地球科學(xué)與測繪工程學(xué)院,北京 100083)

摘要：本文主要概述了RTK技術(shù)作業(yè)模式的基本原理,以及全站儀的作業(yè)模式和基本原理,在對比分析了RTK技術(shù)和全站儀測量的優(yōu)缺點后,討論了RTK技術(shù)與全站儀在外業(yè)測量中的配合使用,并以東北某市數(shù)字城管部件測量為例來說明其在數(shù)字城管控制測量及部件測量中的應(yīng)用情況。結(jié)果表明全站儀和GPS-RTK一體化測量能在保證精度的前提下大大提高外業(yè)測量的進(jìn)度。

關(guān)鍵詞：RTK;全站儀;外業(yè)測量;數(shù)字城管

0引言

GPS是一個中距離圓型軌道衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。它可以為地球表面絕大部分地區(qū)(98%)提供準(zhǔn)確的定位、測速和高精度的時間標(biāo)準(zhǔn)。該系統(tǒng)由美國國防部研制及維護(hù)。該系統(tǒng)由24顆GPS衛(wèi)星;1個主控站、3個數(shù)據(jù)注入站以及5個監(jiān)測站和作為用戶終端的GPS接收機(jī)所組成[1]。一般最少只需4顆衛(wèi)星,就可以迅速確定地球上任意一點的位置及其海拔高度。由于它具有操作方便、定位精度高、受天氣與通視條件影響小等優(yōu)點,在測繪行業(yè)的應(yīng)用越來越廣泛。

1RTK測量基本原理

1.1RTK基本原理

實時動態(tài)差分法(RTK),是一種新的常用的GPS測量方法,是一種能夠在野外實時得到厘米級定位精度的測量方法。采用的是載波相位動態(tài)實時差分方法,由于其具有操作方便、直觀、高精度、高自動化、定位誤差不累積等優(yōu)點,是GPS應(yīng)用領(lǐng)域里的重大里程碑,它的出現(xiàn)使工程放樣、地形繪圖以及其他測量方向出現(xiàn)了新的曙光,大大地提高了外業(yè)測量效率[2]。

RTK的工作原理是在基準(zhǔn)站上安置一臺GPS接收機(jī),其余接收機(jī)安置于流動站上,基準(zhǔn)站和流動站同時接收相同GPS衛(wèi)星所發(fā)射的信號,基準(zhǔn)站通過對所獲得的觀測值與其已知坐標(biāo)信息進(jìn)行比較計算,得出GPS差分改正值,然后通過電臺將此改正值及時地傳遞給流動站以使其觀測值更精確,進(jìn)而得到經(jīng)過差分改正后較準(zhǔn)確的移動站的實時坐標(biāo)[3]。流動站的狀態(tài)共分為兩種:靜止?fàn)顟B(tài)、運(yùn)動狀態(tài)。

1.2RTK測量的優(yōu)點

1) 測量的精度比較高。2) 選點非常靈活、觀測費用較低。3) 系統(tǒng)抗干擾性能力強(qiáng),保密性能好;4) 可以全天候作業(yè),在任何時間、任何天氣條件下都可以進(jìn)行觀測;5) 操作簡單,測量方便;6) 觀測時間比較短。7) 自動化程度比較高。目前GPS接收機(jī)已經(jīng)趨于小型化和操作簡便,觀測人員只需將天線對中、整平,量取天線高度后,打開電源即可進(jìn)行自動觀測,利用數(shù)據(jù)后處理軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理即可求得觀測點的三維坐標(biāo)[4]。

1.3RTK測量過程中的誤差分析

RTK定位技術(shù)主要存在三類誤差[5]:一類是與測站相關(guān)的誤差,包括天線相位中心的變化、多徑誤差、信號干擾以及氣象等因素;另一類是與距離相關(guān)的誤差,包括衛(wèi)星軌道誤差、電離層誤差、對流層誤差;第三類是由于轉(zhuǎn)換參數(shù)引起的精度損失。

2全站儀測量基本原理

2.1全站儀簡介

全站儀,即全站型電子速測儀是一種集光、機(jī)、電為一體的高技術(shù)測量儀器,是集水平角、垂直角、距離(斜距、平距)、高差測量功能于一體的測繪儀器系統(tǒng)。其類型主要有:編碼盤測角系統(tǒng)、光柵盤測角系統(tǒng)及動態(tài)(光柵度盤)測角系統(tǒng)等三種。幾乎可以用在所有的測量領(lǐng)域。

2.2全站儀工作原理

全站儀的工作原理按其測量目的分為測角原理以及測距原理。測量就是通過對數(shù)學(xué)平面幾何、立體幾何的利用,結(jié)合測得的角度距離等數(shù)據(jù)來計算出其它邊的距離、及相應(yīng)角度。測角時通過角度度盤及角度傳感器來獲得數(shù)字化的角度數(shù)據(jù);測距部件與光電測距儀的部件基本相同,并且大多數(shù)都是通過電磁波測相技術(shù)來實現(xiàn)的。

2.3全站儀作業(yè)的條件

一般情況下使用全站儀工作必須要滿足以下幾個條件:

1) 必須要有可見光,而且光線不能太弱。2) 必須要保證光學(xué)通視,且觀測的目標(biāo)和全站儀之間的水平線上不能有任何遮擋物。3) 一般的測量工作中全站儀若要完成全部測量工作,都需要搬站,會導(dǎo)致測量時間增加,且存在誤差累積的情況。

3數(shù)字城管

3.1數(shù)字城管概念

“數(shù)字城管”系統(tǒng)是國家建設(shè)部在結(jié)合北京市東城區(qū)的成功經(jīng)驗的基礎(chǔ)上,面向全國推廣的一種新型城市管理模式,把信息技術(shù)和城市管理完美結(jié)合,將多種現(xiàn)代化技術(shù),例如GPS、地理信息系統(tǒng)、空間數(shù)據(jù)庫、通訊網(wǎng)絡(luò)等集成一體,構(gòu)建的城市管理信息綜合平臺,使得城市管理工作向信息化、數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化的方向進(jìn)行轉(zhuǎn)變[6]。使城市管理的組織機(jī)構(gòu)更加精簡、機(jī)構(gòu)反應(yīng)更快、系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)更加高效、靈活,也明確了各個部門的安全職責(zé),城市管理的模式變得更加開放。

“萬米單元網(wǎng)格城市管理模式”是北京東城區(qū)運(yùn)用“數(shù)字城管”技術(shù)在城市管理中取得的一個典型的成功案例。它的主要理論是:將網(wǎng)格地圖技術(shù)運(yùn)用在城市管理中,將1萬做為基本單位,在其所管轄區(qū)域內(nèi)劃分若干個網(wǎng)格單元,運(yùn)用地理編碼技術(shù)將本區(qū)范圍內(nèi)所有的公共設(shè)施都按其物理坐標(biāo)在萬米單元網(wǎng)絡(luò)地圖上表示出來,利用網(wǎng)絡(luò)化城市管理信息平臺分別對它們進(jìn)行管理,由城市里的管理員對所管轄的單元網(wǎng)格進(jìn)行全時段的不間斷城市監(jiān)控,同時明確了各級地區(qū)負(fù)責(zé)人做為轄區(qū)的城市管理責(zé)任人,進(jìn)而實施對管理空間的分層、分級、全區(qū)域的管理方法。

3.2數(shù)字城管普查的內(nèi)容及精度要求

數(shù)字城管技術(shù)是以“單元網(wǎng)格”原理進(jìn)行的分片管理,在對城市部件進(jìn)行普查時需先對城市轄區(qū)劃分單元網(wǎng)格,以單元網(wǎng)格做為基本單元進(jìn)而對城市里的各類部件進(jìn)行普查,城市部件又是城市基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的重要組成部分,其部件種類主要包括:市政類公用設(shè)施、市容環(huán)境、交通設(shè)施類、房屋建筑、景觀園林、牌匾廣告和其它擴(kuò)展部件類等，如表1所示。

表1　城市部件普查的主要內(nèi)容

按照建設(shè)部《城市市政綜合監(jiān)管系統(tǒng)管理部件和事件分類、編碼及數(shù)據(jù)要求》,城管部件的定位精度應(yīng)符合表2的規(guī)定。

表2　部件定位精度要求

4城管數(shù)據(jù)的采集

4.1城管部件普查方法

在明確了城市部件的普查內(nèi)容和“單元網(wǎng)格”的思想之后,就可以著手進(jìn)行城市部件普查的核心工作。由于不同的城市間區(qū)域差別較大以及所擁有的基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)也有差異的情況,在實際的普查工作中將城市部件普查方法分為三類:調(diào)繪法、常規(guī)測量法、移動測量法。

4.2城管部件碎部測量

綜合考慮到城管部件普查的進(jìn)度要求以及部件的精度要求,在大范圍開闊地帶RTK測量精度與效率足已滿足要求。RTK外業(yè)測量一般為兩人一組,一人手持儀器在城管部件中心處進(jìn)行位置采集,另外一人為其拍照、記錄屬性信息。規(guī)定作業(yè)過程中必須保證移動站接收到的衛(wèi)星數(shù)在6顆以上[8]。在用流動站進(jìn)行測量前要進(jìn)行儀器初始化工作,以保證系統(tǒng)在預(yù)定的精度水平下工作。在應(yīng)用RTK進(jìn)行部件測量時,要注意下面幾個問題:1) 減少信號干擾,要注意在基準(zhǔn)站周圍100～500 m范圍內(nèi)沒有大功率無線電的發(fā)射源,2) 在進(jìn)行測量作業(yè)前,應(yīng)使用儀器自帶軟件做好衛(wèi)星星歷的預(yù)報工作,應(yīng)注意在進(jìn)行RTK測量時保證PDOP值小于5,否則在實地測量中很難測得“固定解”;為了保證測量成果質(zhì)量,規(guī)定測量人員立點要準(zhǔn)確,測量部件時需保證對中桿氣泡居中等。

4.3RTK與全站儀的聯(lián)合作業(yè)在數(shù)字城管部件普查中的應(yīng)用實例。

4.3.1測區(qū)概況

測區(qū)位于遼寧省東部的地級市F市,本次數(shù)字城管測量區(qū)域位于該市城區(qū),測區(qū)總面積160 km2,測區(qū)包括四區(qū)一縣,測區(qū)整體東西帶狀分布,采取當(dāng)?shù)鬲毩⒆鴺?biāo)系,此次以其中一個區(qū)里RTK信號比較差的一個平方公里為例進(jìn)行闡述。

4.3.2儀器設(shè)備

本次測量采用南方靈銳s86型GPS接收機(jī)1+8套,接收機(jī)精度指標(biāo)為:靜態(tài)平面精度:3 mm+1 ppm;靜態(tài)高程精度:5 mm+1 ppm;RTK平面精度:1 cm+1 ppm;RTK高程精度:2 cm+1 ppm;通訊方式:USB、串口、藍(lán)牙;數(shù)據(jù)鏈:2～5W、GPRS/CDMA(可選);RTK初始化時間:典型15 s.另外還配備有南方nts362r全站儀(測角 2″,測距3 mm+2 ppm)兩套。

4.3.3作業(yè)組織安排

根據(jù)當(dāng)前擁有的儀器設(shè)備,結(jié)合測區(qū)地貌特征,作業(yè)分工如下:

1) 用GPS-RTK布設(shè)圖根點,根據(jù)實地建筑物及道路走向布設(shè)點位,保證通視以方便全站儀進(jìn)路口和小區(qū)測量為宜。

2) 用RTK測量測區(qū)內(nèi)的大道路及其兩邊開闊地帶的各類部件。

3) 建筑物根部、小區(qū)里、大樹下的部件以及其它地方用RTK采集有困難的部件用全站儀采集。

4.3.4作業(yè)過程

在合適的高處架設(shè)好基準(zhǔn)站,連接上移動站接收機(jī)、天線、花桿后,打開手簿。對移動站接收機(jī)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置,建立新的工程,工程名為當(dāng)天日期加本組編號。設(shè)置好坐標(biāo)系統(tǒng)參數(shù)后,就可以開始測量了,在這里要注意連接的衛(wèi)星個數(shù),無線電信號標(biāo)志,以及坐標(biāo)解是否固定等。如無問題,即可進(jìn)行下一步的校點工作。在基站較近的一個校核點上讓所有流動站進(jìn)行測量來比較精度,測量采用5次平滑,當(dāng)各組所測結(jié)果與校核點X,Y坐標(biāo)相差在幾個mm級時,這可以認(rèn)為點檢核成功,當(dāng)天的觀測結(jié)果是可靠的[9]。這樣有利于保證各組數(shù)據(jù)的統(tǒng)一性,便于后期內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到城市獨立坐標(biāo)系下。

進(jìn)行點檢核后,各組即可按照部署奔赴各自測區(qū)進(jìn)行測量,用RTK為全站儀打控制點,之后全站儀開始架站測量,往信號不好處做導(dǎo)線控制,并開始碎部測量;RTK打過控制點也開始在附近信號好的地方測量,這樣RTK確保了測量進(jìn)度,而全站儀又確保了RTK信號不好的地方的精度,二者相輔相成,互相配合。RTK與全站儀配合測量如圖1所示,確保了測量任務(wù)的快速高精度的完成。

圖1　RTK與全站儀配合測量簡圖

4.4關(guān)于GPS和全站儀所測數(shù)據(jù)的共用

GPS與全站儀采用的是兩種不同的坐標(biāo)系

統(tǒng):GPS采用的是WGS-84世界大地坐標(biāo)系,而全站儀的數(shù)據(jù)一般為以自身旋轉(zhuǎn)中心為原點、水平某一指定方向為X軸、豎直方向為Z軸、Y軸與Z軸構(gòu)成右手直角坐標(biāo)系[7]。將兩種儀器的應(yīng)用完美地融合起來的關(guān)鍵就是其測量數(shù)據(jù)在不同坐標(biāo)系中的相互轉(zhuǎn)換,通過數(shù)據(jù)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換將測量得到的數(shù)據(jù)變成我們所期望得到的結(jié)果。此外,由于全站儀補(bǔ)測的一般都是GPS信號比較弱的小區(qū)域或者狹長的道路,面積和距離都比較小,所以用全站儀補(bǔ)測的小部分?jǐn)?shù)據(jù)是可以直接和RTK采集的數(shù)據(jù)統(tǒng)一處理的,具體數(shù)據(jù)情況如表3所示,選取了RTK和全站儀共同測量的十個點位的X與Y坐標(biāo),分別求出了其差值Δx與Δy,及其大小分布情況如圖2所示,并以全站儀所測作為真值分別求出了RTK所測十個點位的Δx與Δy的真誤差,Δx=0.371,Δy=0.346.其精度能滿足要求[10]。所以全站儀和RTK配合測量后的數(shù)據(jù)是可以共用的。

表3　RTK與全站儀共測的十個點位的坐標(biāo)

圖2　RTK與全站儀共測的點位的Δx與Δy的分布圖

5結(jié)束語

本文是在已有的GPS-RTK和全站儀的研究資料及應(yīng)用成果的基礎(chǔ)上,更進(jìn)一步的對GPS-RTK和全站儀在數(shù)字城管部件采集中實際應(yīng)用進(jìn)行的總結(jié),探討了GPS-RTK與全站儀聯(lián)合作業(yè)的可行性及其優(yōu)勢。全站儀和GPS-RTK一體化測量,高程和平面精度都能滿足要求,能適合大多數(shù)測量工作,特別是特殊區(qū)域的數(shù)字城管部件測量作業(yè),能很大地提高作業(yè)速度,快速獲取大批量滿足精度要求的待測點的地理坐標(biāo)。

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作介簡介

李鵬(1990-),男，碩士生，主要從事GPS定位的研究。

李廣海(1990-),男,碩士生,主要從事GPS導(dǎo)航與定位的研究。

王永吉(1992-),男,碩士生,主要從事遙感圖像處理與應(yīng)用。

邢武杰(1993-),男,碩士生,主要從事網(wǎng)絡(luò)GIS的研究與應(yīng)用。

In the Digital Urban Management Measurement by the Combined Use of GPS-RTK and Total Station

LI Peng,LI Guanghai,WANG Yongji,XING Wujie

(ChinaUniversityofMining&Technology,Beijing100083,China)

Abstract:This article mainly introduced the basic principle of RTK technology operation mode and operation mode and the basic principle of total station,RTK technology and total station is discussed in the field measurement, the analysis of the RTK technology and the advantages and disadvantages of total station to measure,to discuss its application in the digital urban management control and component measurement, in the northeast city of digital urban management component measurement as an example.Results show that the integration of total station and GPS-RTK measurement can be on the premise of guarantee accuracy greatly improve the progress of the field measurement.

Keywords:RTK; total station; field measurements; digital urban management

中圖分類號：P228.4

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1008-9268(2016)01-0076-05

收稿日期：2015-11-09

doi:10.13442/j.gnss.1008-9268.2016.01.015

聯(lián)系人： 李鵬 E-mail: 466391679@qq.com