GPS RTK技術(shù)在地形測量中的應(yīng)用

陳國新

(福建省連城錳礦有限責(zé)任公司，福建 連城 366215)

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地質(zhì)

GPS RTK技術(shù)在地形測量中的應(yīng)用

陳國新

(福建省連城錳礦有限責(zé)任公司，福建 連城 366215)

簡要闡述了GPS RTK技術(shù)的基本原理，并通過在地形測量中的應(yīng)用，介紹了GPS RTK的作業(yè)流程以及分析了它的優(yōu)缺點(diǎn)。

GPS RTK；地形測量；技術(shù)應(yīng)用

1 GPS RTK系統(tǒng)的基本原理

高精度的GPS測量使用的是載波相位觀測值，RTK定位技術(shù)就是以載波相位觀測值的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位技術(shù)。他能夠?qū)崟r(shí)地提供測站點(diǎn)在指定坐標(biāo)系中的三維定位結(jié)果，并達(dá)到厘米級(jí)精度。在RTK作業(yè)模式下，基準(zhǔn)站通過數(shù)據(jù)鏈將其觀測值和測站坐標(biāo)信息一起傳送給流動(dòng)站。流動(dòng)站不僅通過數(shù)據(jù)鏈接收來自基準(zhǔn)站的數(shù)據(jù)，還要采集GPS觀測數(shù)據(jù)，并在系統(tǒng)內(nèi)組成差分觀測值進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，同時(shí)給出厘米級(jí)定位結(jié)果，歷時(shí)不到1 s[1]。流動(dòng)站可處于靜止?fàn)顟B(tài)，也可處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)；可在固定點(diǎn)上先進(jìn)行初始化后再進(jìn)入動(dòng)態(tài)作業(yè)，也可在動(dòng)態(tài)條件下直接開機(jī)。在整周末知數(shù)解固定后，即可進(jìn)行每個(gè)歷元的實(shí)時(shí)處理，只要能保持5顆以上衛(wèi)星相位觀測值的跟蹤和必要的幾何圖形，則流動(dòng)站可隨時(shí)給出厘米級(jí)定位結(jié)果。

2 GPS RTK在地形測量中的應(yīng)用

2.1測區(qū)概括

福建省連城錳礦有限責(zé)任公司廟前礦區(qū)一號(hào)點(diǎn)采空區(qū)及采空區(qū)鄰近山坡要進(jìn)行生態(tài)環(huán)境治理工程前期設(shè)計(jì)，現(xiàn)有地形圖精度不能滿足設(shè)計(jì)的需求，需要重新繪制1∶500最新地形圖。山坡地形條件復(fù)雜，地形起伏大，樹木和雜草叢生，通視條件很差，使用傳統(tǒng)全站儀測量方法，很難進(jìn)行觀測和設(shè)站。且測量工作一般要求至少3～4人操作，測量誤差也會(huì)隨著支站的不斷增加而加大，工作效率很低。而采用GPS RTK測量方法時(shí)，只要移動(dòng)站能保持5顆以上衛(wèi)星相位觀測值的跟蹤，僅需1人使用移動(dòng)接收機(jī)在地形地貌碎部點(diǎn)就能把點(diǎn)位坐標(biāo)和高程測量出來。不要求點(diǎn)間通視，并且各點(diǎn)的測量誤差是獨(dú)立的，不存在測量誤差的累積，大大提高了測量精度和工作效率。因此本次測量工作選用GPS RTK測量方法，使用的儀器是由南方衛(wèi)星導(dǎo)航儀器有限公司生產(chǎn)的S86測量系統(tǒng)。

2.2 GPS RTK測量方法

2.2.1 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

GPS接收機(jī)輸出的數(shù)據(jù)是WGS-84經(jīng)緯度坐標(biāo)，而本次測量所使用的是1980國家大地坐標(biāo)系統(tǒng)(以下簡稱80坐標(biāo))，這就要進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)的計(jì)算[2]。坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)主要是計(jì)算四參數(shù)或七參數(shù)和高程擬合參數(shù)，其中參與四參數(shù)計(jì)算的控制點(diǎn)至少要用兩個(gè)或兩個(gè)以上的點(diǎn)，四參數(shù)理想的控制范圍一般在20～30 km2以內(nèi)。本次測量任務(wù)范圍在0.5 km2以內(nèi)，使用四參數(shù)計(jì)算的方法完全可以滿足工作精度要求。

四參數(shù)的計(jì)算可以在GPS手簿中的工程之星軟件中計(jì)算，只要提供兩個(gè)已知點(diǎn)的GPS原始記錄坐標(biāo)和測量施工坐標(biāo)，工程之星軟件就會(huì)自動(dòng)計(jì)算得出四參數(shù)。GPS原始記錄坐標(biāo)的獲取有兩種方式：一種是布設(shè)靜態(tài)控制網(wǎng)，采用靜態(tài)控制網(wǎng)布設(shè)時(shí)后處理軟件的GPS原始記錄坐標(biāo)；另一種是GPS移動(dòng)站在沒有任何矯正參數(shù)起作用的Fixed狀態(tài)下記錄的GPS原始坐標(biāo)。本次GPS原始記錄坐標(biāo)的獲取采用的是后一種方法。

廟前礦區(qū)現(xiàn)有兩個(gè)已知控制點(diǎn)(80坐標(biāo)系)，LC21和LC22，兩個(gè)控制點(diǎn)相距350 m，控制點(diǎn)、公司辦公樓與測區(qū)相對(duì)位置示意如圖1。

圖1 已知控制點(diǎn)、公司辦公樓與測量區(qū)域位置

在距離控制點(diǎn)不遠(yuǎn)的空曠地帶且無干擾源的地方任意架設(shè)基準(zhǔn)站，移動(dòng)站分別記錄兩個(gè)控制點(diǎn)的WGS-84坐標(biāo)，測得數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 原始記錄坐標(biāo)與測量施工已知坐標(biāo)

再經(jīng)過RTK手簿中工程之星軟件計(jì)算得出四參數(shù)，并應(yīng)用到工程之星軟件測量任務(wù)的坐標(biāo)系統(tǒng)中。四參數(shù)計(jì)算結(jié)果：比例尺1.000 105 532 615 83，北原點(diǎn)6.368 672 981 337 02，東原點(diǎn)9.126 892 089 843 75，北平移-363.126 2，東平移39 000 246.143 6，旋轉(zhuǎn)角-0.003 051 703 1。

2.2.2 基準(zhǔn)站架設(shè)及校正向?qū)?/p>

基準(zhǔn)站接收機(jī)實(shí)時(shí)的把觀察數(shù)據(jù)及已知數(shù)據(jù)傳輸給流動(dòng)站接收機(jī)，因此基準(zhǔn)站與移動(dòng)站之間不能有大的障礙物。且基準(zhǔn)站一定要架設(shè)在視野比較開闊，周圍環(huán)境比較空曠、地勢比較高的地方，避免架設(shè)在高壓輸變電設(shè)備附近、無線電通訊收發(fā)天線附近、樹蔭下以及水邊，這些都對(duì)GPS信號(hào)的接收以及無線電信號(hào)的發(fā)射產(chǎn)生影響。RTK作用距離與基準(zhǔn)站架設(shè)的高度關(guān)系見表2。

表2 RTK作用距離與基準(zhǔn)站架設(shè)的高度關(guān)系

校正向?qū)Х譃閮煞N方法：一種是基準(zhǔn)站架設(shè)在已知點(diǎn)進(jìn)行校正；另一種是基準(zhǔn)站架設(shè)在未知點(diǎn)進(jìn)行校正。前一種方法的缺點(diǎn)就是不能靈活選擇基準(zhǔn)站最佳架設(shè)位置，有時(shí)在基準(zhǔn)站架設(shè)位置和移動(dòng)站之間會(huì)有信號(hào)干擾等不利因素的影響。而后一種方法可以自由選擇架設(shè)位置，能有效避開不利因素的影響，因此本次測量采用后一種方法。

公司辦公樓與采空區(qū)相對(duì)位置如圖1所示，樓頂距離地面10 m以上，視野開闊，沒有干擾源，且可以和采空區(qū)及其山坡通視。根據(jù)RTK作用距離與基準(zhǔn)站架設(shè)的高度關(guān)系可以得出，在公司辦公樓樓頂架設(shè)基準(zhǔn)站，完全能滿足測量精度的要求。因此本次測量基準(zhǔn)站選擇架設(shè)在公司樓頂，基準(zhǔn)站架設(shè)完成以后，移動(dòng)站架設(shè)在已知點(diǎn)水平對(duì)中并達(dá)到固定解以后進(jìn)行校正，然后進(jìn)行外業(yè)的數(shù)據(jù)采集。

2.2.3 外業(yè)數(shù)據(jù)采集

GPS RTK技術(shù)的外業(yè)數(shù)據(jù)采集，是把移動(dòng)接收機(jī)擺在要進(jìn)行測量的地形地貌碎部點(diǎn)上，再通過手簿把點(diǎn)位坐標(biāo)和高程測量出來。這種方法操作簡單，而且僅需1人操作。但是在數(shù)據(jù)的采集過程中，因?yàn)镚PS依靠的是接收太空中衛(wèi)星發(fā)射來的無線電信號(hào)，這些信號(hào)頻率高、功率低、不易穿透，可能阻擋衛(wèi)星和GPS接收機(jī)之間視線的障礙物。因此，GPS在樹林區(qū)有一定的局限性，但不意味著GPS只能用于視野開闊的地區(qū)。GPS測量在部分障礙的地區(qū)也是可以有效而精確的，因?yàn)镚PS要實(shí)現(xiàn)精確可靠的定位必需要5顆適當(dāng)分布的衛(wèi)星，而一般情況下在任何時(shí)間，任何地區(qū)都可能會(huì)有7～10顆GPS衛(wèi)星。在有障礙物的地點(diǎn)只要可以觀測到5顆衛(wèi)星，就有可能進(jìn)行GPS測量。在樹林四周進(jìn)行測量時(shí)，只要在該地留有足夠的開發(fā)空間，使GPS系統(tǒng)可以觀測到5顆衛(wèi)星，測量就能完成。一號(hào)點(diǎn)采空區(qū)山坡部分地區(qū)樹木較密，會(huì)部分阻擋反射和折射衛(wèi)星信號(hào)。GPS信號(hào)的接收在樹林茂密的地方會(huì)變差，難以達(dá)到厘米級(jí)水平的精度定位，所以我們在測量數(shù)據(jù)采集時(shí)，遇到樹木茂密的地方，必須要等到移動(dòng)站可觀察到至少5顆衛(wèi)星，并達(dá)到整周末知數(shù)解固定后，方可進(jìn)行數(shù)據(jù)采集[3]。

2.2.4 內(nèi)業(yè)處理

外業(yè)采集的數(shù)據(jù)經(jīng)手薄與電腦連接，使用手薄中的數(shù)據(jù)導(dǎo)出功能下載到電腦上，再打開南方cass軟件進(jìn)行展高程點(diǎn)。這些點(diǎn)號(hào)在cass軟件中展開之后如圖2所示。

圖2 高程點(diǎn)在cass軟件展開圖

展開高程點(diǎn)以后，再根據(jù)外業(yè)草圖進(jìn)行測區(qū)內(nèi)的房屋、林地、路等地形地貌的測制工作，并最終成圖。

3 GPS RTK測量技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)

GPS RTK測量技術(shù)優(yōu)點(diǎn)主要表現(xiàn)在以下4個(gè)方面[4]。

1) 只要滿足測量的基本工作條件，GPS RTK的精度都能達(dá)到厘米級(jí)，測量精度可靠，且誤差不會(huì)累積。

2) 測量人員少，效率高。只需要1人操作移動(dòng)站，就可進(jìn)行測量工作，在觀測條件良好的時(shí)候，每個(gè)測量點(diǎn)位僅需停留1～2 s就可完成作業(yè)；尤其在地形條件復(fù)雜的地方，GPS RTK測量技術(shù)比傳統(tǒng)測量方法更能快速、準(zhǔn)確地進(jìn)行作業(yè)。

3) 操作簡單，自動(dòng)化程度高。在測繪工作中，衛(wèi)星信號(hào)的捕獲、跟蹤、觀測等均由儀器自動(dòng)完成，操作人員只需使用手簿就能完成點(diǎn)位的測量，極大的減輕測量工作者的工作緊張程度和勞動(dòng)強(qiáng)度。

4) 在能見度低，通視條件差的情況下，GPS RTK技術(shù)都能夠進(jìn)行作業(yè)。

GPS RTK測量技術(shù)的缺點(diǎn)主要表現(xiàn)在以下4個(gè)方面[4]。

1) 受對(duì)空通視環(huán)境影響。在山區(qū)、林區(qū)、城鎮(zhèn)樓房區(qū)等地方，GPS衛(wèi)星信號(hào)會(huì)被阻擋，信號(hào)強(qiáng)度會(huì)比較弱，容易造成數(shù)據(jù)的失鎖，重新初始化困難，影響正常的作業(yè)。

2) 受大氣層的干擾。GPS RTK系統(tǒng)是要接收衛(wèi)星信號(hào)才能進(jìn)行作業(yè)，而衛(wèi)星信號(hào)是要通過大氣層才能達(dá)到地面，尤其是在白天中午，衛(wèi)星信號(hào)受到的干擾大，會(huì)使得系統(tǒng)初始化時(shí)間長，甚至不能初始化，造成系統(tǒng)無法正常作業(yè)。

3) 受數(shù)據(jù)鏈電臺(tái)傳輸距離影響。在測量工作中，移動(dòng)站和基準(zhǔn)站的數(shù)據(jù)鏈接會(huì)受到山體、強(qiáng)信號(hào)干擾源、樹林、房屋等的影響，造成數(shù)據(jù)精度的降低和作業(yè)半徑的減小。

4) 受天氣的影響。在多云、大風(fēng)等天氣情況下作業(yè)，衛(wèi)星信號(hào)強(qiáng)度都會(huì)受到影響，導(dǎo)致測量數(shù)據(jù)精度會(huì)降低。

4 結(jié) 語

GPS RTK技術(shù)不同于傳統(tǒng)的全站儀測量模式,他能夠在不通視的環(huán)境下，實(shí)時(shí)完成厘米級(jí)定位精度，他具有操作人員少、作業(yè)時(shí)間快、精度高等特點(diǎn),能夠極大地提高工作效率。但是他的作業(yè)方式又會(huì)受到接收的衛(wèi)星數(shù)量、數(shù)據(jù)鏈電臺(tái)傳輸、外部干擾源等外界條件的影響,在林區(qū)、房屋樓房區(qū)等測量中顯得尤其突出,甚至有時(shí)會(huì)出現(xiàn)無法正常作業(yè)的情況。而傳統(tǒng)全站儀測量方法又不受這些因素的限制，所以GPS RTK技術(shù)還不能完全替代傳統(tǒng)全站儀測量方法。我們在測量工作中要結(jié)合實(shí)際情況，靈活應(yīng)用GPS RTK測量技術(shù)和傳統(tǒng)全站儀測量技術(shù)，才能夠更好的完成各種測量工作。

[1] 黃燕明. GPS-RTK技術(shù)在工程測量中的應(yīng)用研究[J]. 中國新技術(shù)新產(chǎn)品, 2012(5): 1-2.

[2] 劉發(fā)明. GPS RTK技術(shù)在工程測量中的應(yīng)用淺析[J]. 中國地名, 2013(11): 58-59.

[3] 李翔. GPS-RTK技術(shù)在工程測量中的應(yīng)用[J]. 甘肅水利水電技術(shù), 2010(4): 39-42.

[4] 朱洪柳. GPS-RTK技術(shù)在工程測量中的應(yīng)用研究[J]. 山西建筑, 2012, 38(3): 222-223.

AnApplicationofTopographicSurveyofGPSRTKTechnology

CHEN Guoxin

(FuJianLianchengManganeseCo.,Ltd.,Liancheng,Fujian366215,China)

This paper, through practical application in topographic survey, briefly expounds the basic principle of GPS RTK technology. And it introduces the operation process of GPS RTK in analysis of its advantages and disadvantages.

GPS RTK; Topographic survey; Technology application

2016-07-27

陳國新(1987-)，男，江西省高安市人，測繪助理工程師，研究方向：測量技術(shù)在礦山中的應(yīng)用，手機(jī)：15960923550，E-mail：370921678@qq.com.

TD178

：Bdoi：10.14101/j.cnki.issn.1002-4336.2016.04.001