全站儀和GNSS-RTK聯(lián)合在數(shù)字測圖中的應(yīng)用初探

楊志文

（大陽泉煤炭有限公司， 山西 陽泉 045000）

引言

在地形測量過程中，傳統(tǒng)測量方法程序繁瑣，作業(yè)復(fù)雜，測區(qū)環(huán)境、地形地況以及人員操作均會對測量有較大影響，降低了測量精度。與傳統(tǒng)測圖方式相比，數(shù)字測圖勞動強(qiáng)度不高，作業(yè)時間較短，能夠達(dá)到很高的精度要求，并且能夠?qū)崿F(xiàn)自動化和數(shù)字化采集信息，因此逐漸成為測圖的主要方式。利用全站儀展開數(shù)字測圖，能夠大幅度提升測圖效率，獲得較高精度的結(jié)果，還能夠改善作業(yè)環(huán)境，然而在測量過程中還是會受到高山、林地、高大建筑的影響。隨著GNSS系統(tǒng)的廣泛運(yùn)用，其精度和靈敏度也在不斷提高，特別是我國自主研發(fā)的北斗系統(tǒng)的應(yīng)用范圍逐步擴(kuò)大，GNSS-RTK在數(shù)字測圖中也發(fā)揮著舉足輕重的作用。如何在數(shù)字測圖中實現(xiàn)全站儀和GNSS-RTK的聯(lián)合，從而達(dá)到二者優(yōu)勢互補(bǔ)，劣勢規(guī)避，也是當(dāng)前測繪行業(yè)中一個嶄新的課題。

1 數(shù)字測圖概述

自20世紀(jì)70年代以來，計算機(jī)技術(shù)飛速發(fā)展，對各行各業(yè)都產(chǎn)生了巨大影響。隨著全站儀以及GNSS-RTK等儀器和技術(shù)逐漸普及[1]，讓數(shù)字測圖也成為測繪領(lǐng)域的主要技術(shù)，逐漸在房地產(chǎn)、土地管理、環(huán)保、軍事以及城市規(guī)劃中廣泛運(yùn)用，隨著時代的發(fā)展，數(shù)字測圖技術(shù)也在不斷發(fā)展。

數(shù)字測圖是一種全解析機(jī)助測圖技術(shù)。通過運(yùn)用數(shù)字測圖技術(shù)，對于地形的實際測量成果從傳統(tǒng)模擬測圖技術(shù)下具體的地形圖轉(zhuǎn)變成為一種存儲在計算機(jī)中的一種數(shù)字信息，能夠通過計算機(jī)實現(xiàn)傳送、處理和共享。與傳統(tǒng)測圖技術(shù)相比，數(shù)字測圖無疑具有顯著優(yōu)勢，因此其發(fā)展前景十分廣闊。

與傳統(tǒng)的平板儀或經(jīng)緯儀測圖技術(shù)相比，數(shù)字測圖主要具有以下優(yōu)勢：測圖作業(yè)效率較高，勞動強(qiáng)度低；測繪結(jié)果數(shù)字化，更加便于運(yùn)用，利用率高，符合信息時代的需求；測繪成果精度較高，且精度與比例尺無關(guān)；測繪成果更加方便保存和更新。

2 全站儀數(shù)字測圖

所謂全站儀，其全稱是“全站型電子速測儀”，這是一種有效結(jié)合測距、測角和微處理機(jī)為一體，從而實現(xiàn)測距、測角、自動計算距離、高差和坐標(biāo)增量的測繪儀器。運(yùn)用全站儀展開數(shù)字測圖，就是運(yùn)用極坐標(biāo)法來得到碎部點坐標(biāo)，其基本原理是將測站看作中心，根據(jù)測站的已知方向，對已知方向與測量方向的角度以及觀測點距離各碎部點的距離展開測量，從而得到觀測點的具體位置。目前，全站儀數(shù)字測圖有三種主要的作業(yè)模式[2]。

1）電子平板模式。通過將全站儀與電子平板相連接，從而將測量數(shù)據(jù)直接傳遞給電子平板，再測圖并現(xiàn)場成圖。這種模式在野外作業(yè)時，往往會受到測區(qū)環(huán)境的影響，特別是在對測量的碎部點了解狀況不多、環(huán)境較為復(fù)雜的區(qū)域，往往會使外業(yè)效率受到影響，甚至?xí)档蛿?shù)字地圖的質(zhì)量。

2）草圖模式。草圖模式也被稱為數(shù)字側(cè)記模式。在采集數(shù)據(jù)過程中，需要同時繪制觀測草圖，同時對測繪目標(biāo)的屬性和測繪順序做好記錄。然后通過觀測草圖展開內(nèi)業(yè)圖形編輯工作。這種測圖方法便于操作，且成本較低，也是使用最多的測圖模式。但其也有顯著的缺點，內(nèi)業(yè)工作量大，長期實施相對較難。

3）編碼模式。在采集數(shù)據(jù)的過程中，測量人員對每個碎部點做好編碼，并且設(shè)置好包括地物屬性和點點連線關(guān)系等編碼內(nèi)容。內(nèi)業(yè)成圖只需測圖軟件解碼完成測點連線就可以形成地圖。然而這種方法對于觀測人員的要求也通常較高。

3 GNSS-RTK數(shù)字測圖

3.1 GNSS-RTK系統(tǒng)構(gòu)成

通過連接兩臺靜態(tài)型測量儀器和一套無線電數(shù)據(jù)通訊系統(tǒng)，從而把相對獨立的GNSS信號接收系統(tǒng)連接成一個系統(tǒng)，如圖1所示。

圖1 GNSS－RTK系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

基準(zhǔn)站通過通訊系統(tǒng)，將接收到的衛(wèi)星信息，包括偽距與載波相位觀測值，以及基準(zhǔn)站信息，比如坐標(biāo)、天線高等，傳遞給流動站。

流動站一邊自行接收衛(wèi)星數(shù)據(jù)，同時也接收基準(zhǔn)站傳遞過來的衛(wèi)星數(shù)據(jù)，待到基準(zhǔn)站初始化完成后，展開基準(zhǔn)站載波觀測信號和自身接收的載波觀測信號的差分處理，同時，將其對應(yīng)的坐標(biāo)、轉(zhuǎn)化參數(shù)以及投影參數(shù)輸入其中，就可以得到未知坐標(biāo)。

3.2 轉(zhuǎn)換參數(shù)和精度評定

運(yùn)用GNSS衛(wèi)星觀測一般的坐標(biāo)系統(tǒng)包括WGS－84、PZ90、CGCS2000 和 GTRF，實際使用過程中我們更常運(yùn)用北京54坐標(biāo)系、西安80國家坐標(biāo)系以及地方坐標(biāo)系，因此，我們可以通過七參數(shù)法或者四參數(shù)發(fā)來實現(xiàn)坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換。

4 GNSS-RTK與全站儀聯(lián)合作業(yè)方式研究

實現(xiàn)GNSS-RTK與全站儀聯(lián)合，其主要步驟如下：

1）運(yùn)用RTK技術(shù)采集碎部點，通過基線解算得到WGS－84系坐標(biāo)值。

2）通過GPS實時定位測量模式對平原、田野以及湖泊等相對平整的地域展開數(shù)據(jù)采集，并且完成草圖繪制；通過RTK設(shè)定固根點，以全站儀為主，采集遮擋物眾多以及視野狹窄地方的地形、地貌，然后完成草圖繪制；再將測量的數(shù)據(jù)傳輸給計算機(jī)，通過計算機(jī)處理并且生成[3]。

3）展開左邊轉(zhuǎn)換，并且完成三維左邊的精確結(jié)果計算。

4）將全站儀和計算機(jī)完成連接，并且將相關(guān)參數(shù)設(shè)置好。

5）運(yùn)用全站儀完成數(shù)據(jù)采集。

6）將采集結(jié)果傳輸給計算機(jī)，展開精確處理。

7）將測繪數(shù)據(jù)儲存為.dat格式文件。

8）與外業(yè)測量所繪制的草圖相結(jié)合，運(yùn)用計算機(jī)編輯完成最后的生成圖。

如圖2所示為數(shù)據(jù)采集和運(yùn)用過程。

5 全站儀和GNSS-RTK聯(lián)合作業(yè)實際實施

測區(qū)概況為了更好地說明全站儀和GNSS-RTK聯(lián)合作業(yè)怎樣在實際工作中完成數(shù)字測圖工作，接下來我們將以具體的測圖任務(wù)為例展開具體說明。該測圖任務(wù)的測區(qū)為農(nóng)業(yè)區(qū)域，東西南北均有村莊連接，測區(qū)南北距離6 km，東西距離2 km，呈條帶式形狀。測區(qū)全部面積一共為12.718 km2，地勢平坦開闊，然而地下水位較高，土地鹽漬化現(xiàn)象較為嚴(yán)重。在該區(qū)域內(nèi)有若干條鄉(xiāng)村公路，交通相對方便，同時該測區(qū)擁有較為均勻地高程系統(tǒng)，能夠一定程度上幫助到圖根控制點起算。

圖2 集成數(shù)據(jù)采集圖

5.1 測量使用的儀器設(shè)備

本次測圖任務(wù)主要使用的設(shè)備包括，兩臺全站儀，其測角為5″，測距為3 mm+2×10-6mm；兩套GNSS-RTK接收機(jī)，其水平精度為10 mm+1×10-6mm，垂直精度為20 mm+1×10-6mm。本次測圖是為了該地區(qū)土地整改需要的相關(guān)參數(shù)而啟動的，基于此目的，我們選擇1∶5000的成圖比例尺，設(shè)定其等高距為1 m，平面坐標(biāo)系采用該地區(qū)的獨立坐標(biāo)系，統(tǒng)一以1985國家高程基準(zhǔn)作為高程系統(tǒng)[4]。

5.2 建設(shè)基準(zhǔn)站

在對測區(qū)實際狀況展開調(diào)查，充分考慮各種要素之后決定將基準(zhǔn)站架設(shè)在某小高層建筑樓頂之上。完成設(shè)備架設(shè)之后啟動手簿，將基準(zhǔn)站情況完成設(shè)置。在任務(wù)管理欄建立一個新的作業(yè)項目，設(shè)定網(wǎng)格為坐標(biāo)，并且設(shè)定端口3為接收機(jī)端口，設(shè)定測量類型為“Trimble RTK”等。采用單點定位方式來完成基準(zhǔn)站坐標(biāo)的測量，同時將其存儲在新建項目中，再輸入天線高參數(shù)，之后與無線電臺相連，完成基站接收機(jī)分離手簿的過程，至此，基準(zhǔn)站設(shè)置全部完成。

5.3 設(shè)置流動站

依據(jù)相關(guān)要求，首先將流動站接收機(jī)完成連接，再將天線與中桿連接，之后與基準(zhǔn)站一樣需要啟動手簿，完成流動站接收機(jī)的相關(guān)設(shè)置。具體來說與基準(zhǔn)站設(shè)置大致相同，包括建立新的作業(yè)項目，設(shè)定網(wǎng)格為坐標(biāo)，設(shè)定測量類型為“Trimble RTK”，輸入天線高參數(shù)，然后選擇同電臺相同的頻率。之后工作人員需要對所有的設(shè)置展開認(rèn)真細(xì)致的檢查，確認(rèn)無誤之后，工作人員通過PA4和HL2完成檢測和校正。在兩個觀測時段中間，運(yùn)用兩臺GPS-RTK接收機(jī)觀測3 min，經(jīng)過檢測得出X誤差最大值為2.2 cm和Y誤差最大值為1.4cm，高程誤差最大值為2.1cm，最小值為7 mm。此誤差范圍符合測量標(biāo)準(zhǔn)[5]。

5.4 數(shù)據(jù)采集

決定為全站儀測設(shè)三個圖根點，完成并用來采集野外數(shù)據(jù)。同時，GPS-RTK與全站儀一起持續(xù)完成圖根點布置與測設(shè)圖根點的標(biāo)記工作。在本次全站儀與GNSS-RTK聯(lián)合作業(yè)完成數(shù)字測圖的實踐中，我們通過兩臺GPS-RTK接收機(jī)同時觀測，整個任務(wù)一共設(shè)置了180多個圖根點。對于測區(qū)內(nèi)信號不佳的區(qū)域，工作人員采用全站儀完成數(shù)據(jù)采集。

5.5 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)收集完成之后，工作人員將各輸出數(shù)據(jù)格式展開整理，以完成格式的全部統(tǒng)一，為后續(xù)工作中查詢、使用和保存數(shù)據(jù)提供便利。我們將全站儀和GPS-RTK所有得到的數(shù)據(jù)全部存儲為.dat格式。一般來說，工作人員整理數(shù)據(jù)依據(jù)逗號、東坐標(biāo)、北坐標(biāo)、以及高程的格式作為整理基礎(chǔ)。

5.6 圖像生產(chǎn)

運(yùn)用1∶5 000的比例尺，將經(jīng)過數(shù)據(jù)格式處理之后全部形成.dat格式的碎部點數(shù)據(jù)全部輸入計算機(jī)中。同時，工作人員運(yùn)用相關(guān)軟件將外業(yè)繪制的草圖完成連線成圖。

5.7 精度檢查

在將測區(qū)地圖編輯完成之后，運(yùn)用生成的圖形對比實際狀況，從而對測圖的精確性做出有效檢查。通過檢查我們分析誤差均被有效的控制在±5 mm以內(nèi)，由此證明本次數(shù)字測圖的結(jié)果符合要求的精度。

6 結(jié)語

通過以上分析可知：單獨使用全站儀或GNSS-RTK測圖，都會受到一定的局限。如果將二者有效聯(lián)合，通過共同作業(yè)就可實現(xiàn)全站儀和GNSS-RTK的優(yōu)勢互補(bǔ)，能夠使測圖效率與測圖精度更高。因此，全站儀和GNSS-RTK聯(lián)合測圖應(yīng)當(dāng)?shù)玫接行茝V。

參考文獻(xiàn)

[1]國家測繪局測繪標(biāo)準(zhǔn)化研究所.國家基本比例尺地圖圖式（第1部分 1∶500、1∶1 000、1∶2 000 地形圖圖式）：GB/T20257.1—2007[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2007．

[2]陳基煒，熊福文.GPS－RTK作業(yè)的若干技術(shù)問題與思考[J].上海地質(zhì)，2004（3）：47－50．

[3]張書華.RTK和全站儀聯(lián)合采集數(shù)據(jù)應(yīng)用于濮陽污水處理系統(tǒng)有關(guān)問題的探討[J].測繪科學(xué)，2007，32（4）：168－170．

[4]張書華，李小顯.RTK協(xié)同全站儀聯(lián)合采集數(shù)據(jù)有關(guān)問題分析[J].地理空間信息，2007（5）：8－10．

[5]北京市測繪設(shè)計研究院.城市測量規(guī)范：CJJ/T8—2011[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2012．