利用GNSS RTK高程擬合代替四等水準(zhǔn)的可行性分析

陳宗勇，閻鳳霞

（1.國家測繪地理信息局重慶測繪院，重慶 401120）

隨著GNSS技術(shù)的發(fā)展，區(qū)域性的CORS和單基站RTK技術(shù)不斷得到推廣。這兩項技術(shù)因覆蓋范圍和信號發(fā)送的介質(zhì)不一樣而有所區(qū)別，但從技術(shù)上來分析，二者都是利用差分信號進行精確定位，均屬于實時動態(tài)測量技術(shù)。隨著RTK技術(shù)的不斷普及和相關(guān)技術(shù)規(guī)范的出版，傳統(tǒng)的一級二級導(dǎo)線測量逐步被RTK替代，但在測繪項目生產(chǎn)中四等高程控制測量仍采用四等三角高程來施測，該方法雖相對于幾何水準(zhǔn)在進度上有所提高，但始終無法在更短的時間內(nèi)獲得測區(qū)控制點的高程數(shù)據(jù)。本文探討了利用RTK方法并結(jié)合高程擬合進行四等水準(zhǔn)測量的精度。結(jié)果表明，利用GNSS擬合高程完全能達到四等水準(zhǔn)的精度要求。

1 RTK工作原理

RTK是以載波相位觀測為依據(jù)的實時差分GPS技術(shù)，是測量技術(shù)發(fā)展里程中的一個突破，由基準(zhǔn)站接收機、數(shù)據(jù)鏈或無線電傳輸設(shè)備以及流動站接收機3 部分組成[1]。根據(jù)覆蓋范圍的大小，RTK測量方法可分為單基站RTK和網(wǎng)絡(luò)RTK，但二者的基本原理是完全一致的。

其工作原理和流程主要為[2]：①在基準(zhǔn)站上安置1 臺接收機為參考站，對衛(wèi)星進行連續(xù)觀測，并將其觀測數(shù)據(jù)和測站信息通過數(shù)據(jù)鏈或無線電傳輸設(shè)備實時地發(fā)送給流動站；②流動站GNSS接收機在接收GNSS衛(wèi)星信號的同時，通過無線接收設(shè)備接收基準(zhǔn)站傳輸?shù)臄?shù)據(jù)；③根據(jù)相對定位原理，實時解算得到流動站相對于基準(zhǔn)站的三維坐標(biāo)差及其精度（即基準(zhǔn)站和流動站的坐標(biāo)差ΔX、ΔY、ΔH，加上基準(zhǔn)坐標(biāo)得到各點的WGS84坐標(biāo)）；④通過測量的控制點計算坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)得出流動站各點的平面坐標(biāo)X、Y和海拔高H。

2 RTK測量的特點

相對于傳統(tǒng)測量技術(shù)，RTK技術(shù)有以下特點：

1）觀測站間無需通視。傳統(tǒng)測量方法通過光學(xué)測量獲取測站間的角度、距離等主要測量要素，所以必須要求觀測站之間有良好的通視條件，而RTK技術(shù)接收的是基站信號和基于衛(wèi)星星座的GNSS信號，所以觀測站間無需通視，只需保證測站附近的開闊度即可，使得實際生產(chǎn)中對測站點的選擇更具可操作性。

2）測量方法簡便。相對于傳統(tǒng)導(dǎo)線測量來說，RTK實時差分定位是一種能在野外實時得到cm級定位精度的測量方法，它的出現(xiàn)極大地提高了野外作業(yè)效率。野外數(shù)據(jù)無需太多檢核條件，只需對比每測回獲得的坐標(biāo)數(shù)據(jù)較差即可得知成果是否符合技術(shù)要求。

3）測量全天候。由于RTK技術(shù)接收的是基站信號和基于衛(wèi)星星座的GNSS信號，因此只要能保證主要基站信號和電源，RTK測量就可如期進行，不受霧天或烈日等天氣條件的影響。

4）定位精度高。在傳統(tǒng)RTK作業(yè)模式下，基準(zhǔn)站是通過數(shù)據(jù)電臺將觀測值和測站坐標(biāo)信息一起傳送給流動站的，流動站接收來自基準(zhǔn)站的數(shù)據(jù)，并采集GNSS觀測數(shù)據(jù)進行實時處理，其定位精度可達1～2 cm。

3 RTK擬合高程精度分析

3.1 項目基本情況

2016年5月某經(jīng)濟開發(fā)區(qū)1∶500地形測量項目測繪總面積為20 km2，測區(qū)內(nèi)共有18個能控制整個測區(qū)的四等GNSS控制點，55個均勻分布的一級RTK控制點。項目使用的儀器包括中海達V90 GNSS接收機6 臺套，接收機RTK平面標(biāo)稱精 度 為 ±(10 mm+1 mm×D×10-6)， 高 程 標(biāo) 稱 精 度 為±(20 mm+1 mm×D ×10-6)；Leica TS02 2"級全站儀 1臺套，角度測量標(biāo)稱精度為±2"，距離測量標(biāo)稱精度為±(2 mm+2 mm×D ×10-6)。利用RTK采集測區(qū)內(nèi)73個控制點的平面和高程數(shù)據(jù)，為保證高程數(shù)據(jù)質(zhì)量，利用全站儀和四等三角高程測量方法獲得73個控制點的高程數(shù)據(jù)。

利用TS02進行四等三角高程測量時，根據(jù)工程測量規(guī)范要求[3]，采用對象觀測方式進行每點3個測回的垂直角觀測，各測回的指標(biāo)差互差均小于7"，各測回較差均小于7"；距離觀測2測回，各測回4次讀數(shù)，讀數(shù)互差小于10 mm；測回中數(shù)之間的互差小于15 mm。項目線路形成結(jié)點網(wǎng)狀，最終利用清華山維對數(shù)據(jù)進行平差，平差后高程觀測權(quán)中誤差為±0.005 m，滿足規(guī)范要求的±0.010 m。

利用RTK測量時，根據(jù)CH/T 2009-2010《全球定位系統(tǒng)實時動態(tài)測量（RTK）技術(shù)規(guī)范》[4]要求，對控制點采集4測回，每測回采集30次，每次采樣間隔為2"。實際測量中各次測量的大地高較差均小于2 cm，RTK高程收斂精度均小于1 cm。利用項目中的19個點進行坐標(biāo)參數(shù)解算，并采用平面擬合模型和18個四等GNSS點的高程數(shù)據(jù)獲得55個一級RTK控制點的擬合高程，最終對擬合高程和四等三角高程數(shù)據(jù)進行對比分析。平面坐標(biāo)轉(zhuǎn)換后，18個四等GNSS點的最大殘差為±0.019 m，滿足規(guī)范要求，高程擬合后控制點的最大高程殘差為±0.043 m。

3.2 精度分析

1）內(nèi)符合精度。將各點4次高程觀測值取均值后，對比點與點之間的高差，并與四等三角高程測量的對應(yīng)點高差進行對比，計算RTK測量的內(nèi)符合精度以驗證RTK測量的穩(wěn)定性。由于相對高差數(shù)量采用兩兩組合的方式過多，若全部枚舉則數(shù)據(jù)過多，最終選取52 對相對高差數(shù)據(jù)進行分析，詳細數(shù)據(jù)統(tǒng)計見表1。

通過對比數(shù)據(jù)可知，RTK原始測量的高差與四等三角高程測量的高差之差的最大值為-0.059 m，最小值為-0.002 m，根據(jù)GB/T 24356-2009《測繪成果檢查與驗收》[5]§4.3.5節(jié)規(guī)定，按同精度檢測公式計算以上高差之差的中誤差為±0.018 m。從較差和精度數(shù)據(jù)來看，RTK觀測的高差較可靠，說明RTK觀測原始數(shù)據(jù)較穩(wěn)定。

2）外符合精度。將各點的RTK擬合高程與四等三角高程測量的結(jié)果進行對比，統(tǒng)計RTK擬合高程的外符合精度，以驗證RTK擬合高程結(jié)果的精度，詳細統(tǒng)計表見表2。

表1 RTK擬合高程的內(nèi)符合精度統(tǒng)計表/m

通過以上對比數(shù)據(jù)，RTK擬合高程與四等三角高程測量高程較差的最大值為-0.046 m，最小值為-0.000 m，根據(jù)GB/T 24356-2009《測繪成果檢查與驗收》[5]§4.3.5節(jié)的規(guī)定，按同精度檢測公式計算以上高程較差的中誤差為±0.015 m，說明RTK擬合高程數(shù)據(jù)可靠。

表2 RTK擬合高程的外符合精度統(tǒng)計表/m

4 結(jié) 語

綜上所述，RTK原始測量的高差和RTK高程擬合后的高程均能滿足規(guī)范要求，說明利用RTK結(jié)合一定的高程擬合模型能替代四等三角高程測量。通過筆者參與的其他項目應(yīng)用可知，利用RTK高程擬合方式進行低等級高程控制時，需盡量滿足以下條件[3]：

1）高等級控制點需覆蓋全測區(qū)，且測區(qū)內(nèi)的高等級控制點必須聯(lián)測四等以上的高程；

2）采用該方法時，若測區(qū)為類似公路的條帶狀，則聯(lián)測的GNSS點應(yīng)分布于測區(qū)兩端和中部；

3）根據(jù)規(guī)范要求，地形高差變化較大的地區(qū)應(yīng)適當(dāng)增加聯(lián)測的已知點數(shù)；

4）地形趨勢變化明顯的大面積測區(qū)宜采用分區(qū)擬合的方法；

5）RTK擬合高程的最大誤差為儀器高測量誤差，因此測量時需認真核實天線高和天線量測位置；

6）在進行RTK擬合高程前，需進行平面坐標(biāo)參數(shù)解算，且解算精度應(yīng)達到相應(yīng)規(guī)范要求。

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[3] GB 50026-2007.工程測量規(guī)范[S].

[4] CH/T 2009-2010.全球定位系統(tǒng)實時動態(tài)測量（RTK）技術(shù)規(guī)范[S].

[5] GB/T 24356-2009.測繪成果質(zhì)量檢查與驗收[S].

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