GPS—RTK在高原礦區(qū)大比例尺地形圖測(cè)繪中的應(yīng)用

孫學(xué)林　熊建

摘 要：地形測(cè)量是礦山建設(shè)時(shí)期和生產(chǎn)時(shí)期的重要一環(huán)，測(cè)量工作及測(cè)量成果是為礦山生產(chǎn)服務(wù)的。隨著測(cè)繪科學(xué)技術(shù)迅速發(fā)展，礦山測(cè)量也不斷創(chuàng)新和發(fā)展，面對(duì)各種挑戰(zhàn)和機(jī)遇同在的關(guān)鍵時(shí)代，GPS RTK技術(shù)的廣泛應(yīng)用，使得我們?cè)跍y(cè)量工作中得到極大便利。云南地區(qū)山高林密，地勢(shì)起伏較大，日常工作中經(jīng)常出現(xiàn)各種問題，導(dǎo)致工作進(jìn)度放緩本文主要以云南普洱市某礦業(yè)公司礦區(qū)為例，結(jié)合天寶R8型GPS在礦山地形測(cè)量中的實(shí)際應(yīng)用，作為探討。

關(guān)鍵詞：地形測(cè)量；GPS-RTK；應(yīng)用

0 前言

測(cè)繪地形圖的作業(yè).即對(duì)地球表面的地物、地形在水平面上的投影位置和高程進(jìn)行測(cè)定，并按一定比例縮小，用符號(hào)和注記繪制成地形圖的工作.現(xiàn)在我們使用全站儀結(jié)合GPS RTK采集野外碎步點(diǎn)的坐標(biāo)和高程.在銀子山地形測(cè)量工作中，我們面臨著山高林密，道路不通等客觀問題。使用傳統(tǒng)方法用全站儀進(jìn)行地形測(cè)量，則對(duì)其控制網(wǎng)之間的通視，測(cè)區(qū)視野等要求高，且測(cè)量進(jìn)度慢，難以實(shí)現(xiàn)。采用GPS RTK測(cè)量系統(tǒng)，則無太多條件限制，單人即可操作，節(jié)約時(shí)間以及人工、成本等。

1 GPS-RTK測(cè)量系統(tǒng)技術(shù)簡(jiǎn)介

1.1GPS-RTK測(cè)量系統(tǒng)組成

實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量（RTK）Real Time Kinematic定位技術(shù)是基于載波相位觀測(cè)值的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)GPS定位技術(shù)，它是GPS測(cè)量技術(shù)發(fā)展中的一個(gè)新突破，它能夠?qū)崟r(shí)地提供測(cè)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(cè)值和測(cè)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(cè)數(shù)據(jù)，并在系統(tǒng)內(nèi)組成差分觀測(cè)值進(jìn)行實(shí)時(shí)處理。流動(dòng)站可處于靜止?fàn)顟B(tài)，也可處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。RTK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)RTK技術(shù)可以運(yùn)用于地形測(cè)量、工程放樣、靜態(tài)控制等多種測(cè)量工作。其技術(shù)系統(tǒng)配置包括以下三部分：（1）基準(zhǔn)站接收機(jī)；（2）移動(dòng)站接收機(jī)；（3）數(shù)據(jù)鏈。

1.2 GPS-RTK定位原理

基準(zhǔn)站接收機(jī)設(shè)在具有已知坐標(biāo)（也可無已知坐標(biāo)，地勢(shì)較高）的參考點(diǎn)上，連續(xù)接收所有可視GPS衛(wèi)星信號(hào)，并將測(cè)站的坐標(biāo)、觀測(cè)值、衛(wèi)星跟蹤狀態(tài)及接收機(jī)工作狀態(tài)通過數(shù)據(jù)鏈發(fā)送出去，移動(dòng)站接收機(jī)在跟蹤GPS衛(wèi)星信號(hào)的同時(shí)接收來自基準(zhǔn)站的數(shù)據(jù)，獲取所在點(diǎn)相對(duì)于基準(zhǔn)點(diǎn)的坐標(biāo)。

1.3影響GPS-RTK測(cè)量精度的因素

影響GPS-RTK精度和可靠性的因素，GPS系統(tǒng)本身的影響因素是測(cè)量人員無法控制的，這些因素包括GPS衛(wèi)星星數(shù)、衛(wèi)星圖形和大氣狀況。RTK系統(tǒng)的影響因素主要包括基準(zhǔn)站精度，模糊度解算誤差、動(dòng)態(tài)基線解算誤差（已由GPS主機(jī)程序解算），坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換誤差在于坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)的解算。人為誤差的造成，應(yīng)注意在外業(yè)測(cè)量過程中注意氣泡居中等問題的操作，用于減小偶然誤差，消除人為誤差，提高精度。

2 GPS RTK在高原礦區(qū)地形測(cè)量中應(yīng)用

2.1測(cè)區(qū)概況

測(cè)區(qū)處于云貴高原西南緣，位于普洱市城區(qū)北西方向平距約45千米處，屬橫斷山系縱谷區(qū)南段，山脈與主要河流呈北西、近東西走向，受構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的急劇間歇抬升，河谷深切，山嶺縱橫交錯(cuò)，地形復(fù)雜。區(qū)域內(nèi)海拔最高點(diǎn)白馬山1731米，最低點(diǎn)為評(píng)價(jià)區(qū)南端的瀾滄江河谷，海拔650米，相對(duì)最大高差為1081米，一般切割深度一般400-1000米，平均曲率半徑為6363km。測(cè)區(qū)屬熱帶季風(fēng)氣候，冬無嚴(yán)寒，夏無酷暑，雨量充沛，四季不明顯，具典型的立體氣候特征。區(qū)域內(nèi)森林覆蓋率大于80%，1000米以下的河谷、丘陵和低山地帶，為季雨林分布區(qū)，林中層次結(jié)構(gòu)復(fù)雜，藤本植物較多；海拔1000--1500米之間，為山地常綠闊葉林分布區(qū)；海拔1500以上，為山地針闊葉混交林分布區(qū)。

2.2儀器設(shè)備及人員配置

為保證按時(shí)保質(zhì)保量完成本次測(cè)量工作，公司在設(shè)備投入和安排上力保完備和可靠、便捷。設(shè)備主要是用美國(guó)天寶R8（GPS-RTK）雙頻接收機(jī)4臺(tái)、全站儀（徠卡TCR1202）1臺(tái)作為主要的測(cè)量設(shè)備，測(cè)區(qū)所使用的儀器設(shè)備在使用前均經(jīng)過嚴(yán)格的檢驗(yàn)及校正。測(cè)區(qū)1：2000數(shù)字化地形圖測(cè)繪采用RTK采集數(shù)據(jù)，使用GPS數(shù)據(jù)處理軟件處理數(shù)據(jù)，室內(nèi)采用南方CASS.70數(shù)字測(cè)圖軟件進(jìn)行編繪的全野外數(shù)字化成圖作業(yè)方式。

2.3GPS-RTK地形測(cè)繪

2.3.1圖根控制

圖根點(diǎn)加密直接采用動(dòng)態(tài)RTK測(cè)量，標(biāo)稱精度：平面：（10+1×10-6）mm、垂直：（20+1×10-6）mm。測(cè)量前分片區(qū)采用4個(gè)等級(jí)控制GPS點(diǎn)進(jìn)行校點(diǎn)，并用未參入校點(diǎn)的其它等級(jí)控制點(diǎn)進(jìn)行檢核，均滿足精度要求。圖根點(diǎn)測(cè)量時(shí)，采用三腳支架架設(shè)GPS移動(dòng)站，每個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)高程測(cè)量20次，取平均值作為最后成果。圖根點(diǎn)的密度滿足數(shù)字化不低于4點(diǎn)/平方公里的要求。

2.3.1 全數(shù)字地形測(cè)繪

地形圖野外數(shù)據(jù)采集用RTK結(jié)合全站儀的方法進(jìn)行。在地形起伏較小，視野開闊的地方使用RTK進(jìn)行地物及地形點(diǎn)的坐標(biāo)高程數(shù)據(jù)采集；其他植被較高且茂盛、地形復(fù)雜高差較大以及居民區(qū)等地方使用全站儀野外采點(diǎn)。RTK野外采點(diǎn)前，分片區(qū)使用該片區(qū)均勻分布的6個(gè)等級(jí)控制點(diǎn)進(jìn)行校點(diǎn)，計(jì)算出該片區(qū)的轉(zhuǎn)換七參數(shù)，使用其他至少兩個(gè)以上未參入校點(diǎn)的等級(jí)控制點(diǎn)進(jìn)行檢查（平面較差小于5cm，高程較差小于30√Dmm），確保地形、地物點(diǎn)的平面和高程數(shù)據(jù)的采集精度。校點(diǎn)合格后，每次開機(jī)測(cè)量之前使用1-2個(gè)控制點(diǎn)再次進(jìn)行檢查，以保證野外數(shù)據(jù)采集的可靠性。

重要地物、地形的測(cè)繪：對(duì)地形復(fù)雜區(qū)進(jìn)行重點(diǎn)測(cè)繪，作好記錄。居民地的各類建筑物、構(gòu)筑物及主要附屬設(shè)施準(zhǔn)確測(cè)繪實(shí)地外圍輪廓，房屋的輪廓以墻基外角為準(zhǔn)。建筑物和圍墻輪廓凹凸在圖上小于0.4mm，簡(jiǎn)單房屋及臨時(shí)房屋，圍墻、柵欄、欄桿等根據(jù)其永久性、規(guī)整性、重要性等進(jìn)行綜合取舍。真實(shí)反映建筑結(jié)構(gòu)特征。

山頂、鞍部、山脊、山腳、谷底、谷口、溝底、溝口、臺(tái)地、河川湖池岸旁、水涯線上以及其他地面傾斜變換處，均應(yīng)測(cè)高程注記點(diǎn)。

2.3.2 全數(shù)字地形圖繪制

地形圖繪制中，主要是利用AUTO CAD、南方CASS7.0繪圖軟件。在地形圖中，按點(diǎn)、線、面進(jìn)行分類，獨(dú)立地物以點(diǎn)及相應(yīng)符號(hào)代碼表示，線性地物數(shù)據(jù)盡可能保持其連續(xù)性，有面積屬性的地物、地貌，其邊界數(shù)據(jù)保持連續(xù)性。

公路在圖上按實(shí)寬依比例尺表示，并注記道路等級(jí)。道路通過居民地不斷開，按真實(shí)位置繪出。明顯小路按不依比例測(cè)定，并在圖上標(biāo)出。永久性的電力線、電信線準(zhǔn)確表示，電桿、配電室位置進(jìn)行實(shí)測(cè)。多種線路在同一桿架上時(shí)，只表示主要的，并用相應(yīng)符號(hào)表示出來。對(duì)自然水溝、工人溝渠、壩堤以及它水利設(shè)施準(zhǔn)確測(cè)繪，溝底適當(dāng)標(biāo)注高程點(diǎn)。

地形圖上的高程注記點(diǎn)分布均勻，1：2000地形圖一般為50米注記1個(gè)點(diǎn)，平坦及地形簡(jiǎn)單地區(qū)可放寬至1.5倍，地貌變化較大的丘陵地、山地與高山地應(yīng)適當(dāng)加密。

地貌和土質(zhì)的測(cè)繪，圖上準(zhǔn)確表示其形態(tài)、類別和分布特征。對(duì)自然形態(tài)的地貌用等高線表示，崩塌殘蝕地貌、坡、坎和其它特征地貌應(yīng)用相應(yīng)符號(hào)或用等高線配合表示。各種自然形成和人工修筑的坡、坎，其坡度在70°以上時(shí)表示為陡坎，70°以下時(shí)表示為斜坡，當(dāng)坡、坎比高小于1/2基本等高距或在圖上長(zhǎng)度小于5mm時(shí)，不表示，坡、坎密集時(shí)進(jìn)行適當(dāng)取舍。陡坎、斜坡在上下方分別測(cè)注高程或測(cè)注上（或下）方高程點(diǎn)。

地形圖上正確反映出植被的類別特征和范圍分布，對(duì)旱地、菜地、果園實(shí)測(cè)范圍，配置相應(yīng)的符號(hào)表示。地埂寬度在圖上大于1mm的應(yīng)用雙線表示，小于1mm的用單線表示。地塊內(nèi)測(cè)注有代表性的高程點(diǎn)。

對(duì)各種名稱、說明注記和數(shù)字注記準(zhǔn)確標(biāo)注，請(qǐng)本地村民一同進(jìn)行踏勘，核實(shí)圖上所有居民地、大溝、山脊、道路等地理名稱，并表示在地形圖上。

3 GPS RTK在高原礦區(qū)地形測(cè)量精度分析

3.1測(cè)量成果質(zhì)量

將測(cè)區(qū)按地形坡度劃分為3個(gè)片區(qū)，分別對(duì)地物點(diǎn)的平面和高程精度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如下：

通過對(duì)表3-1及表3-2的分析，在使用GPS-RTK進(jìn)行測(cè)量時(shí)，地形地貌的復(fù)雜程度對(duì)地形圖成圖精度影響不明顯，但是地表植被覆蓋會(huì)對(duì)地形圖精度造成一定影響，主要原因是影響GPS-RTK衛(wèi)星信號(hào)，進(jìn)而影響測(cè)圖精度。但總體來講，均能滿足大比例尺地形圖測(cè)圖的精度要求。

3.2GPSRTK技術(shù)優(yōu)越性分析

1）測(cè)量精度、可靠性較高

RTK技術(shù)能夠滿足礦山實(shí)地測(cè)量中對(duì)導(dǎo)線和四等水準(zhǔn)測(cè)量的要求。由于RTK技術(shù)不同于常規(guī)的控制測(cè)量，不可能完全用常規(guī)控制測(cè)量的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)來衡量，尤其是在邊長(zhǎng)較短的相鄰點(diǎn)表現(xiàn)比較明顯。RTK技術(shù)的測(cè)量誤差均勻、獨(dú)立，不存在誤差積累，精度可靠程度較高。

2）操作簡(jiǎn)便、靈活

RTK技術(shù)操作簡(jiǎn)便，靈活方便，工作狀態(tài)穩(wěn)定。能快速、準(zhǔn)確地測(cè)定圖根點(diǎn)、工程點(diǎn)的坐標(biāo)和高程，實(shí)時(shí)提供精度可達(dá)厘米級(jí)經(jīng)檢核的三維坐標(biāo)。與傳統(tǒng)的測(cè)圖方法相比，人員少，費(fèi)用省，效率高。

3.3GPSRTK技術(shù)存在的問題與對(duì)策

雖然RTK技術(shù)在礦山測(cè)量中有較廣闊的應(yīng)用前景，但是由于礦區(qū)特殊的環(huán)境，存在一些不利于RTK作業(yè)的因素，如山谷和森林等。在應(yīng)用中，就發(fā)現(xiàn)一些測(cè)量過程中的一些問題：

1）受衛(wèi)星狀況限制

當(dāng)衛(wèi)星系統(tǒng)位置對(duì)美國(guó)是最佳的時(shí)候，世界上有些國(guó)家在某一確定的時(shí)間段仍然不能很好地被衛(wèi)星所覆蓋，容易產(chǎn)生假值。另外，在高山峽谷深處及密集森林區(qū)、城市高樓密布區(qū)，衛(wèi)星信號(hào)被遮擋時(shí)間較長(zhǎng)，使一天中可作業(yè)時(shí)間受限制。產(chǎn)生假值問題采用RTK測(cè)量成果的質(zhì)量控制方法可以發(fā)現(xiàn)。作業(yè)時(shí)間受限制可由選擇作業(yè)時(shí)間來解決。

2）天空環(huán)境影響。

白天中午，受電離層干擾大，共用衛(wèi)星數(shù)少，常接受不到5顆衛(wèi)星，因而初始化時(shí)間長(zhǎng)甚至不能初始化，也就無法進(jìn)行測(cè)量。我們做過試驗(yàn)，在同樣的條件和同樣的地點(diǎn)上進(jìn)行RTK測(cè)量，上午12點(diǎn)之前和下午2：30分之后，RTK測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)而快，而中午時(shí)分，很難進(jìn)行RTK測(cè)量，可見選擇作業(yè)時(shí)段的重要性。

3）數(shù)據(jù)鏈傳輸受干擾和限制、作業(yè)半徑比標(biāo)稱距離小的問題

RTK數(shù)據(jù)鏈傳輸易受到障礙物如高大山體、高大建筑物和各種高頻信號(hào)源的干擾，在傳輸過程中衰減嚴(yán)重，嚴(yán)重影響外業(yè)精度和作業(yè)半徑。在地形起伏高差較大的山區(qū)和城鎮(zhèn)密樓區(qū)數(shù)據(jù)鏈傳輸信號(hào)受到限制。另外，當(dāng)RTK作業(yè)半徑超過一定距離（一般為幾公里，每種機(jī)型在不同的環(huán)境又各不相同）時(shí)，測(cè)量結(jié)果誤差超限，所以RTK的實(shí)際作業(yè)有效半徑比其標(biāo)稱半徑要小很多，工程實(shí)踐和專門研究表明，RTK確定整周模糊度的可靠性最高為95%，RTK比靜態(tài)GPS還多出一些誤差因素如數(shù)據(jù)鏈傳輸誤差等。因此，和GPS靜態(tài)測(cè)量相比，RTK測(cè)量更容易出錯(cuò)，必須進(jìn)行質(zhì)量控制。

4 結(jié)論

實(shí)踐證明GPSRTK測(cè)量技術(shù)給礦山測(cè)量帶來了重大的技術(shù)手段變革，極大地方便了測(cè)量工作者的日常工作，隨著其技術(shù)的不斷進(jìn)步，必將給礦山測(cè)量帶來更大的便利，它改變了傳統(tǒng)的測(cè)量模式，它能夠?qū)崟r(shí)完成厘米級(jí)定位精度和在不通視的情況下遠(yuǎn)距離測(cè)量坐標(biāo)，它具有需要的測(cè)量人員少、速度快、不需要同時(shí)觀測(cè)、精度高等特點(diǎn)，能夠極大地提高工作效率。但是它的作業(yè)方式是依賴于有足夠的衛(wèi)星數(shù)、穩(wěn)健的數(shù)據(jù)鏈等外界條件，在礦山測(cè)量中顯得很突出，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)無法正常作業(yè)的情況，這就需要不斷完善GPS RTK技術(shù)，尋求先進(jìn)的作業(yè)方式。

參考文獻(xiàn)

[1]武漢測(cè)繪科技大學(xué)測(cè)量平差教研室編著；《測(cè)量平差基礎(chǔ)》；測(cè)繪出版社；1996年.

[2]劉大杰，施一民等；《全球定位系統(tǒng)（GPS）的原理與數(shù)據(jù)處理[M]》；同濟(jì)大學(xué)出版社；1996年.

[3]《全國(guó)礦業(yè)權(quán)實(shí)地核查工作指南與技術(shù)要求》；中國(guó)大地出版社；2009年.

[4]徐紹銓，張華海，楊志強(qiáng)；《GPS測(cè)量原理及應(yīng)用》；武漢測(cè)繪科技大學(xué)出版社；1997年.

[5]《地質(zhì)礦產(chǎn)勘查測(cè)量規(guī)范》；GB/T18341-2001；國(guó)家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局發(fā)布；2001年.

[6]《全球定位系統(tǒng)（GPS）測(cè)量規(guī)范》；GB/T18314-2009；國(guó)家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)發(fā)布；2009年.

作者簡(jiǎn)介：

1.孫學(xué)林，1983年6月28日，男，漢，重慶綦江，大專，工程測(cè)繪，671000，云南能源職業(yè)技術(shù)學(xué)院

2.熊建，1983年12月22日，男，漢，四川南充，大專，建筑工程，671000，濟(jì)南大學(xué)