RTK和全站儀在地籍測量中的應(yīng)用及精度分析

張 姣李 綺

（1.廣東省地圖院，廣東 廣州510075；2.廣州市城市更新規(guī)劃研究院，廣東 廣州510031）

0.引言

地籍測量與常規(guī)的地形測量較為相似，其不同處在于地籍測量的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)是土地權(quán)屬調(diào)查成果，地籍測量依托權(quán)屬調(diào)查成果，對測區(qū)范圍內(nèi)的各類地籍要素進(jìn)行高精度測量[1]。地籍測量外業(yè)數(shù)據(jù)采集工作主要分為兩大部分，分別是測區(qū)范圍內(nèi)地籍控制測量以及細(xì)部測量，地籍控制測量的主要目的是為測區(qū)范圍內(nèi)測量工作的開展提供測量依據(jù)，地籍細(xì)部測量則以測區(qū)范圍內(nèi)的控制網(wǎng)為基礎(chǔ)，對每宗土地的權(quán)屬界線、位置、面積等信息進(jìn)行精確測量，同時進(jìn)行地籍圖的繪制工作[2]。地籍測量與一般地形測量最大的不同在于，地籍測量的成果資料具有一定的法律效力，是我國土地登記的重要依據(jù)，地籍測量所形成的地籍圖件等數(shù)據(jù)資料，是下一步進(jìn)行土地注冊登記以及核發(fā)土地證書的重要數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

1.地籍測量及測量誤差來源

1.1 地籍測量

地籍測量具有較強(qiáng)的專業(yè)性，為滿足土地管理工作的需要，其成果需具備較高的精度；由于地籍測量數(shù)據(jù)具有一定的法律效力，所以地籍測量的成果資料必須具備真實性；同時應(yīng)對地籍測量成果資料進(jìn)行及時更新，保證數(shù)據(jù)資料的時效性[3]。因此，根據(jù)地籍測量自身所必須具備的種種特性，其工作過程必須由專業(yè)人員采取專業(yè)作業(yè)方法進(jìn)行，在外業(yè)測量過程中需使用符合規(guī)范要求的專業(yè)設(shè)備儀器。在地籍測量過程中，主要采用的儀器設(shè)備有全站儀和GPS-RTK等。

數(shù)字測量模式主要采用全站儀進(jìn)行測區(qū)數(shù)據(jù)采集工作，由于全站儀能高精度、快捷地同時測量角度、距離、高程三要素，并迅速而精確地在現(xiàn)場得出所需要的計算結(jié)果，因此，它既能完成測區(qū)范圍內(nèi)的控制測量，又能進(jìn)行地籍圖的測繪工作[4]。一般全站儀大都具備兩種測量模式，分別為目標(biāo)棱鏡測量和無棱鏡測量。在測量工作中，多采用目標(biāo)棱鏡的測量模式，由于測量棱鏡具備較好的反射特性，所以其測量結(jié)果精度較高；但在地籍測量過程中，許多待測點位測量人員往往無法到達(dá)，從而無法安置棱鏡，此時可采用無棱鏡測量模式，從而得到目標(biāo)點位的坐標(biāo)信息[5]。

GPS作為現(xiàn)代測繪技術(shù)中被廣泛應(yīng)用的測量技術(shù)手段，同樣也可應(yīng)用到地籍測量工作中去。GPS技術(shù)相較于全站儀等常規(guī)測量方法而言具有較大的優(yōu)勢，GPS技術(shù)可實現(xiàn)全天候?qū)崟r測量，測量范圍較廣，測速較快，不受通視條件的限制，同時可提供高精度的測量數(shù)據(jù)[6]。在地籍測量工作中，主要采用GPS測量方法布設(shè)測區(qū)范圍內(nèi)的平面和高程控制網(wǎng)，從而為測區(qū)各類地籍要素的測量工作提供控制依據(jù)。

GPS-RTK測量技術(shù)是一種實時差分GPS測量技術(shù)，其數(shù)據(jù)依據(jù)為載波相位觀測量，主要可分為基準(zhǔn)站和移動站兩部分?；鶞?zhǔn)站實時對可見衛(wèi)星進(jìn)行不間斷觀測，利用數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程無線傳輸技術(shù)，將觀測數(shù)據(jù)發(fā)送給移動站；移動站利用相對定位原理[7]，對接收到的基準(zhǔn)站發(fā)送的觀測數(shù)據(jù)以及移動站自身對衛(wèi)星的觀測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，實時解算整周模糊度未知數(shù)，從而得到移動站的實時坐標(biāo)，并可對坐標(biāo)精度進(jìn)行精度評定。

1.2 測量誤差來源

在地籍測量過程中，測量誤差是多方面的，所采用的測量方法、測量儀器不同，誤差來源也不相同，以下針對全站儀目標(biāo)棱鏡測量、全站儀無棱鏡測量以及GPS-RTK測量的誤差來源進(jìn)行綜合分析。

1.2.1 全站儀測量

全站儀測量過程中的誤差主要可分為儀器誤差、人為誤差和氣象誤差三個部分：其中儀器誤差包括軸系誤差、度盤誤差和測距誤差等，人為誤差包括對中整平誤差、視線誤差等，氣象誤差包括大氣折射、地球曲率等。

當(dāng)采用目標(biāo)棱鏡測量模式時，需考慮反射棱鏡常數(shù)誤差對測量結(jié)果的影響。棱鏡常數(shù)是指在測距時，激光束在棱鏡中的傳播速度略小于在空氣中的傳播速度，從而導(dǎo)致激光束的行程時間相對較長，全站儀中顯示的測量距離存有一定誤差。由于不同棱鏡的棱鏡常數(shù)不同，在進(jìn)行地籍測量前需要先對測量棱鏡的標(biāo)定常數(shù)進(jìn)行檢校，防止棱鏡常數(shù)因棱鏡碰撞等原因發(fā)生變化。在實際地籍測量過程中，需保證棱鏡面正對全站儀，從而減少棱鏡常數(shù)誤差的影響。

全站儀無棱鏡測量，顧名思義，即在對被測物體進(jìn)行測量的過程中，不需要在測點位置安置反射棱鏡、反射片等全站儀專用測量標(biāo)識。全站儀在無棱鏡測量模式下，測量原理與目標(biāo)棱鏡測量模式基本一致，全站儀發(fā)射的激光束直接打在被測物體上，被測物體對激光束進(jìn)行反射，全站儀通過激光在空氣中的傳播時間和傳播速度進(jìn)行距離換算，然后利用角度關(guān)系對待測點位進(jìn)行空間坐標(biāo)的求解[8]。全站儀無棱鏡測量模式和目標(biāo)棱鏡測量模式基本一致，但由于沒有目標(biāo)棱鏡的存在，所以沒有棱鏡常數(shù)誤差的影響，同時由于激光束直接打在被測物體上，被測物體表面材質(zhì)和顏色的不同對激光束的反射程度也不相同，從而產(chǎn)生測量誤差，對測量結(jié)果的精度造成一定程度上的影響。

1.2.2 GPS-RTK測量

GPS-RTK測量誤差主要包括兩個部分，分別為系統(tǒng)誤差和偶然誤差。系統(tǒng)誤差主要是指GPS測量系統(tǒng)內(nèi)部存在的誤差，依據(jù)誤差的產(chǎn)生原因可將其分為由衛(wèi)星軌道引起的誤差、由衛(wèi)星上自帶時鐘引起的衛(wèi)星時鐘差、地面接收機(jī)自身的時鐘誤差以及由大氣折射產(chǎn)生的誤差等。為了減弱甚至消除以上系統(tǒng)誤差的影響，從而獲取高精度的GPS測量結(jié)果，根據(jù)不同類型的系統(tǒng)誤差，從誤差產(chǎn)生的根源出發(fā)，采取相應(yīng)的誤差修正方法，主要可分為以下幾種方法：

（1）在數(shù)據(jù)解算過程中，根據(jù)需求適當(dāng)增加一些未知參數(shù)，將增加的參數(shù)與其他待求解參數(shù)一同計算，進(jìn)而削減系統(tǒng)誤差的影響，提高測量精度；

（2）優(yōu)化數(shù)據(jù)解析方法，通過建立貼合度更高的系統(tǒng)誤差模型，對各類觀測值進(jìn)行誤差修正；

（3）將多個觀測站進(jìn)行聯(lián)合解算，以其對同一個衛(wèi)星的同步觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行差分求解，從而達(dá)到減弱或消除系統(tǒng)誤差的目的，提高GPS測量精度。

GPS測量的偶然誤差種類較多，主要可分為兩大類：

（1）衛(wèi)星信號的多路徑效應(yīng)導(dǎo)致的測量誤差；

（2）測量過程中存在的觀測誤差。多路徑效應(yīng)引起的誤差可以通過測站的正確選點，遠(yuǎn)離高壓線等有強(qiáng)烈電磁輻射干擾的地方和存在大面積水域的地方或者有高大建筑物遮擋的地方來減少和避免；觀測誤差則需要在觀測過程中對各項指標(biāo)進(jìn)行嚴(yán)格把控，使測量過程滿足規(guī)范要求。

2.工程實例探究

2.1 數(shù)據(jù)獲取

本文以廣東省開平市某鄉(xiāng)鎮(zhèn)為研究區(qū)域，開展地籍測量工作，在測量過程中采用全站儀結(jié)合RTK的測量模式，對測區(qū)內(nèi)的各類地籍要素進(jìn)行信息采集工作。在實際測量過程中，不可避免地會出現(xiàn)一些測量人員難以到達(dá)的測量點位，此時需采用全站儀無棱鏡測量模式進(jìn)行點位信息的獲取工作。為了便于對測量結(jié)果進(jìn)行精度評定，在測繪人員可以到達(dá)的點位分別用全站儀目標(biāo)棱鏡測量、無棱鏡測量以及GPS-RTK測量的方式進(jìn)行點位信息的獲取，以多個公共點的測量數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對各個測量方法的測量結(jié)果進(jìn)行精度分析，測量數(shù)據(jù)（如表1、表2、表3所示）：

表1全站儀目標(biāo)棱鏡測量數(shù)據(jù)

表2全站儀無棱鏡測量數(shù)據(jù)

表3 GPS-RTK測量數(shù)據(jù)

2.2 精度分析

由于在全站儀無棱鏡測量模式下，被測物體表面的材質(zhì)、顏色等會對激光束的反射產(chǎn)生影響，從而影響測量結(jié)果，導(dǎo)致測量精度相對較低；采用GPS-RTK進(jìn)行測量時，周邊環(huán)境較差時會影響接收機(jī)的衛(wèi)星信號，從而對精度產(chǎn)生一定影響；采用全站儀目標(biāo)棱鏡測量方法，其測量結(jié)果較為可靠，精度較高。本文以全站儀目標(biāo)棱鏡測量結(jié)果為參考，對其他兩種方法的測量結(jié)果進(jìn)行精度分析。

測量結(jié)果精度評定方法多種多樣，普遍采用測量結(jié)果的中誤差進(jìn)行精度評定。平面坐標(biāo)精度的中誤差計算公式如式（1）所示，高程坐標(biāo)的中誤差計算公式如式（2）所示：

其中式（1）中，M（x，y）為測量點位的平面坐標(biāo)中誤差；Xi/Yi分別為目標(biāo)棱鏡模式下全站儀測得的平面坐標(biāo)X/Y；Xi/Yi分別為免棱鏡模式下全站儀測得平面坐標(biāo)X/Y，也是GPS－RTK測量模式下的平面坐標(biāo)X/Y；n為測量點位的數(shù)量。式（2）中，MZ為測量點位的高程中誤差；Zi為目標(biāo)棱鏡模式下全站儀測得的高程數(shù)據(jù)；Zi為免棱鏡模式下全站儀測得高程數(shù)據(jù)，也是GPS－RTK測量模式下的高程數(shù)據(jù)；n為測量點位的數(shù)量。

將表1、表2、表3中的測量坐標(biāo)數(shù)據(jù)分別代入公式（1）、公式（2），可得全站儀無棱鏡測量模式的平面坐標(biāo)中誤差M（x，y）為0．0186789m，高程中誤差MZ為0．0132664m；GPS－RTK測量無棱鏡測量模式的平面坐標(biāo)中誤差M′（x，y）為0．0210024m，高程中誤差M′Z為0．0178758m。經(jīng)驗證，全站儀無棱鏡模式測量和GPS－RTK測量的成果均滿足規(guī)范中平面坐標(biāo)點位中誤差小于0．05m，高程坐標(biāo)點位中誤差小于0．03m的要求。其中，全站儀無棱鏡測量模式精度略優(yōu)于GPS－RTK測量，原因主要是測區(qū)范圍內(nèi)建筑物較為密集，使得測區(qū)內(nèi)移動站接收到的衛(wèi)星信號相對較差，在一定程度上影響了GPS－RTK的測量精度。

3.結(jié)束語

隨著我國土地管理工作的日益發(fā)展，對地籍測量成果的精度要求越來越高，傳統(tǒng)的全站儀目標(biāo)棱鏡測量方法雖然精度較高，但操作煩瑣，外業(yè)工作量較大，工作效率較低。全站儀無棱鏡測量模式在滿足地籍測量精度要求的同時，可大大提高工作效率，尤其是測量人員難以到達(dá)的測點，全站儀無棱鏡測量模式可以很好地解決，同時結(jié)合GPS-RTK技術(shù)，可大大縮短外業(yè)測量時間，降低外業(yè)工作強(qiáng)度，有利于地籍測量工作的快速實施。