GPS RTK技術(shù)在數(shù)字化地形測量上的應(yīng)用分析

王峙達

（中元天瑋測繪工程有限公司 貴州畢節(jié) 551700）

1 引言

GPS定位技術(shù)一直在創(chuàng)新，現(xiàn)在已經(jīng)進入RTK的階段。RTK是一個縮寫，它的全名是實時動態(tài)定位。這是一種在當(dāng)前城市測量中正在實施和改進的新測量方法。目前，中國的大部分地質(zhì)勘查工作都是由基礎(chǔ)控制網(wǎng)絡(luò)壟斷的，但這種測量方法在繪制圖形的過程中缺乏精確性，而且基礎(chǔ)控制網(wǎng)絡(luò)的測量方法對于動態(tài)變化控制來說功效不是很強。用于地質(zhì)勘探的人力和物力資源也占很大比例。相比于這一原始方法，新的GPS RTK技術(shù)彌補了這些不足，取得了地質(zhì)勘探成果。

2 GPS RTK技術(shù)的基本原理

實時動態(tài)（RTK）定位技術(shù)是GPS測量技術(shù)和數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)的結(jié)合，GPS RTK技術(shù)是基于載波相位觀測的實時動態(tài)定位技術(shù)。實時動態(tài)定位技術(shù)的基本思想是參考站通過數(shù)據(jù)鏈路將其載波相位觀測值，偽距觀測值和基準站坐標實時傳送到運動中的流動站。流動站利用其自己的GPS數(shù)據(jù)觀測，進行實時載波相位差分處理獲得參考站與流動站之間的基線矢量（X，Y，Z），基線矢量加參考站坐標以獲得每個點WGS-84坐標。通過坐標轉(zhuǎn)換，流動站給出每個點的坐標（X，Y）和高度H。GPS RTK定位技術(shù)的關(guān)鍵在于數(shù)據(jù)處理技術(shù)和數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)。數(shù)據(jù)處理過程是參考站和流動站之間的單一基線過程，主要受到參考站和流動站觀測數(shù)據(jù)的質(zhì)量以及數(shù)據(jù)鏈路信號的擴展影響。在現(xiàn)場觀測中，參考站位置的選擇對數(shù)據(jù)鏈路上觀測數(shù)據(jù)和信號傳播的質(zhì)量有很大影響。但是，流動站位置只能由工作任務(wù)決定，因此，選擇參考站的有利位置非常重要。

3 在圖根控制測量中的應(yīng)用

在地形測量項目中，采用動態(tài)GPS RTK技術(shù)對已知控制點的圖根控制點進行直接越級加密，可以加快項目進度，提高項目質(zhì)量。

3.1 GPS RTK系統(tǒng)在圖根控制測量中的可行性

GPS RTK測量觀測值均為獨立觀測值，無法通過數(shù)據(jù)計算進行驗證。為了驗證其在地圖根控制調(diào)查中的準確性和可行性，在邢臺礦區(qū)的兩個地形測量項目中檢測并重復(fù)了已知控制點和GPS RTK圖根控制點。為了提高觀測精度和減小定心誤差，流動站觀測數(shù)據(jù)時均架設(shè)三角架或使用對中桿，天線高度精確到毫米。在這兩個項目中，建立了718個GPS RTK圖根控制點，檢測到20個已知點，重復(fù)觀測116個GPS RTK圖根點。表1顯示了檢測和重復(fù)觀測數(shù)據(jù)的準確度統(tǒng)計。從檢測和重復(fù)觀測數(shù)據(jù)可以看出，在觀測條件允許且計算精度較好的情況下，GPS RTK測量可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的圖根控制測量。

表1 已知點檢測及重復(fù)觀測精度統(tǒng)計

3.2 GPS RTK測量地圖控制點問題

GPS RTK測量可以替代傳統(tǒng)的圖根控制測量，其單點觀測精度可以達到或超過圖根控制點的精度要求。但由于其自身的工作原理，觀察條件和各種外界因素，很容易產(chǎn)生各種誤差。在地形測量項目中，誤差因素如下：①GPS全球定位系統(tǒng)由空間部分（GPS衛(wèi)星），地面監(jiān)測部分和用戶部分組成，如果不準確的GPS衛(wèi)星信號被接收，用于導(dǎo)航和定位的測距信號和導(dǎo)航消息的GPS定位精度是不切實際的；②將GPS RTK系統(tǒng)參考站的載波相位觀測值，偽距觀測值和參考站信息發(fā)送到移動數(shù)據(jù)鏈路站點，如果系統(tǒng)的無線電數(shù)據(jù)鏈路受到干擾或阻塞，系統(tǒng)無法獲得高精度解決方案結(jié)果；③GPS RTK技術(shù)的測量精度與特定參考站有關(guān)。盡管單個繪圖點的點精度較高，但繪圖點與繪圖點之間的相對精度可能較低。

3.3 在圖根控制點采取GPS RTK測量的措施

為了提高GPS RTK系統(tǒng)觀測結(jié)果的準確性，在測量地圖根控制點時，可以采取以下措施來減少或消除上述因素的影響：①每個圖根具有至少兩個視角方向，視線方向角度控制在60～120°之間，距離盡可能遠。當(dāng)全站儀采集到碎部數(shù)據(jù)時，觀察圖根點之間的距離和角度，以檢查點位置的精度和點之間的相對精度。發(fā)現(xiàn)問題后及時補救，削弱誤差。地形測量質(zhì)量的負面影響；②在寬視野，便捷的交通，便利的長期保存的地方選擇圖根點，便于接收GPS衛(wèi)星信號；③地圖點應(yīng)遠離各類輸電塔，高壓線路，通信線路，變壓器等帶有電磁輻射的物體，應(yīng)遠離大面積水域；④為了養(yǎng)成良好的工作習(xí)慣，GPS RTK系統(tǒng)必須在觀測前后的已知點進行檢查，并在觀測過程中進行多點檢測或重新檢測數(shù)據(jù)。

4 在地形測量碎部數(shù)據(jù)采集中的應(yīng)用

在地形測量項目中，使用GPS RTK系統(tǒng)收集現(xiàn)場數(shù)據(jù)具有天氣因素影響小，測繪精度高，無需考慮控制點之間可達性等優(yōu)勢。但是，也有無法觀察住宅區(qū)和森林，以及諸如觀察復(fù)雜地形（如溝壑）時遇到困難等缺陷。

（1）GPS RTK系統(tǒng)可以在地形測量過程中直接觀察開放區(qū)域內(nèi)的獨立特征（如墳?zāi)?，出水口，高程點等）和線性特征（所有類型的道路，水道等），精度可達達1～3cm。具體的做法是將流動站放置在各種地面物體的位置點上。儀器狀態(tài)固定后，輸入所有類型地物的相應(yīng)屬性代碼進行保存，在內(nèi)業(yè)整理時由程序根據(jù)屬性編碼對各類地物進行相應(yīng)的表示。

（2）在地形測量的空曠地區(qū)，還會有一些獨立或小型的建筑物和林地，如住宅用地，工廠建筑物，廢棄房屋，水井和農(nóng)場等，對上述地物進行分類，以項目效益最化為原則，采取不同的措施進行處理。GPS RTK系統(tǒng)遇到的地形測量處理方法如下：①對于低層建筑物，將增加對中桿的高度，使GPS RTK系統(tǒng)的衛(wèi)星接收天線直接延伸到屋頂；②用于觀測輔助點的GPS RTK系統(tǒng)觀測結(jié)構(gòu)簡單的高層建筑。觀察角度A，B，C和D，觀察其各自延伸線上的輔助點然后畫一個草繪并記錄要測量的點，輔助點的編號和連接順序；③對于在森林附近的結(jié)構(gòu)復(fù)雜的高層建筑，將GPS RTK系統(tǒng)用作適當(dāng)位置的圖根控制點，然后使用全站儀進行附加測量。

（3）地形調(diào)查項目主要分布在城市，工廠，礦山等經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)。這一地區(qū)的通信和電力系統(tǒng)相對發(fā)達，傳輸塔，高壓電桿，低壓電桿和通信電纜比比皆是。在收集GPS RTK系統(tǒng)數(shù)據(jù)時，必須精確定位高壓電極，低壓電極和通信極，每個電極具有一定的厚度和高度。當(dāng)GPS衛(wèi)星接收天線接近極點位置時，會阻擋部分衛(wèi)星信號，電桿上的電力線和通信線路均存在電磁干擾，造成數(shù)據(jù)采集困難。如果GPS RTK系統(tǒng)收集其他數(shù)據(jù)并使用全站儀測試各種類型的電線桿和通訊棒，則工作負荷將呈指數(shù)增長。利用GPS RTK技術(shù)的設(shè)計理念，當(dāng)在現(xiàn)場收集各種極點數(shù)據(jù)時，流動站的GPS衛(wèi)星接收天線關(guān)閉極點位置并更快地保存數(shù)據(jù)（一般為2～4s）。如果速度太快，則數(shù)據(jù)鏈路發(fā)送的基站信息不能被充分利用。如果速度太慢，由于某些衛(wèi)星信號的屏蔽，電源線和電源線的電磁干擾通信線路將導(dǎo)致系統(tǒng)在固定解決方案狀態(tài)下失鎖。

（4）GPS RTK系統(tǒng)在地形測量碎部數(shù)據(jù)采集中應(yīng)注意的問題：①對于小面積特征地物，應(yīng)盡可能采用各種輔助方法，以防止遺漏。在地形測量的數(shù)據(jù)采集過程中，由行走、站位到保存數(shù)據(jù)這一過程中不要動作太快。②從其工作原理可以看出，基站和漫游器每秒要求一次無線數(shù)據(jù)通信鏈路。為了提高準確度并降低錯誤率，可以在數(shù)據(jù)保存之前停頓2～4s保存數(shù)據(jù)。

5 總結(jié)

GPS RTK是一種地質(zhì)測量技術(shù)，是一種實時觀測技術(shù)，比以往的靜態(tài)觀測技術(shù)更具優(yōu)勢，特別是處理復(fù)雜環(huán)境的精度和測量速度。它在野外調(diào)查的開闊地區(qū)非常迅速地進行測量，并且通過使用光導(dǎo)體提高了測量的準確性和速度。常用的測量方法對植被密集的山區(qū)沒有明顯的影響，但RTK技術(shù)顯示出更大的優(yōu)勢。這種定位技術(shù)的快速反應(yīng)和準確定位為其帶來了良好的發(fā)展前景，它將在數(shù)字化測量中以新代舊，書寫新的歷史。