基于GPS-RTK技術(shù)的數(shù)字地籍圖測繪應(yīng)用研究

崔騰飛

(江蘇師范大學(xué)地理測繪與城鄉(xiāng)規(guī)劃學(xué)院，江蘇 徐州 221116)

0 引言

傳統(tǒng)地籍測量技術(shù)不能保證測量效率和準(zhǔn)確度，GPS-RTK技術(shù)可以有效地解決地籍測繪問題[1]。GPS-RTK技術(shù)是一種基于載波相位觀測的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位技術(shù)，可在三維定位中生成特定的坐標(biāo)系和實(shí)時(shí)測量點(diǎn)信息。GPS-RTK是GPS應(yīng)用中的一個(gè)重要里程碑，大大提高了測繪操作的效率和精度[2]。本文基于GPS-RTK技術(shù)進(jìn)行數(shù)字地籍圖測繪應(yīng)用研究。

1 基于GPS-RTK技術(shù)的地籍圖測繪的基本原理

使用GPS-RTK的地籍圖測量與傳統(tǒng)的測量方法基本相同，均是將控制點(diǎn)設(shè)置為測量點(diǎn)并測量信號數(shù)據(jù)。實(shí)時(shí)定位系統(tǒng)至少包括以下設(shè)備：①基站接收機(jī)(包括坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、存儲等硬件和軟件)。②流動(dòng)站接收機(jī)。③傳輸信道，如GPRS或無線，用于數(shù)據(jù)傳輸。GPS-RTK系統(tǒng)數(shù)據(jù)流程如圖1所示。

圖1 GPS-RTK系統(tǒng)流程圖

2 RTK衛(wèi)星定位測量方法的優(yōu)點(diǎn)

1)RTK測量20 km范圍的水平定位誤差為±30 mm，地籍圖測量誤差限值為±50 mm，衛(wèi)星實(shí)時(shí)定位方法符合誤差限值標(biāo)準(zhǔn)。

2)雖然RTK測量高度坐標(biāo)的測量誤差大于水平坐標(biāo)，然而，地籍圖主要為平面坐標(biāo)，因此實(shí)時(shí)定位測量方法可以滿足地籍圖測量的精度要求。

3)河流、湖泊和沼澤的測量主要通過測量控制點(diǎn)的水深來進(jìn)行。在實(shí)際測量中，全站儀的使用廣泛，但誤差控制并不容易。RTK方法也可用于繪制水下地貌，并且選擇具有高滲透性水介質(zhì)的信號可以減少測量工作的時(shí)間限制，測量范圍較廣。

4)如果測量點(diǎn)與基站之間沒有強(qiáng)干擾源，則RTK的測量距離可以延長，實(shí)時(shí)定位測量方法的誤差為cm級。根據(jù)實(shí)際測量經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)測量點(diǎn)與基站之間的距離小于10 km時(shí)，RTK定位誤差可以滿足大地測量精度要求[3]。

3 GPS-RTK在地籍測量中的應(yīng)用實(shí)例

3.1 研究區(qū)域概況

吐格其村面積116 km2，人口1.9萬。研究區(qū)域概況見圖2所示。

圖2 研究區(qū)域概況

3.2 GPS-RTK在地籍測量中的技術(shù)要求

為了確保GPS-RTK測量的正常運(yùn)行，并提高GPS-RTK測量的準(zhǔn)確性，GPS-RTK測量應(yīng)滿足以下測量技術(shù)要求[4]。①在流動(dòng)站初始化之后，觀察幾個(gè)已知點(diǎn)，在驗(yàn)證正確性之后進(jìn)行RTK測量。②GPS-RTK測量工作應(yīng)在工作開始前按照規(guī)定進(jìn)行檢查，根據(jù)實(shí)際情況，調(diào)整現(xiàn)場測量時(shí)間，以避免雷暴和強(qiáng)風(fēng)等惡劣天氣的影響。③流動(dòng)站與基站之間的距離一般小于10 km，特殊情況下可放寬至15 km。當(dāng)流動(dòng)站運(yùn)行時(shí)，天線應(yīng)盡可能垂直，并且禁止在移動(dòng)站10 m范圍內(nèi)使用移動(dòng)電話和收發(fā)器等通信設(shè)備。④在GPS-RTK測量過程中，如果基站改變儀器高度、天線位置，應(yīng)及時(shí)通知流動(dòng)站，必須關(guān)閉流動(dòng)站然后重置，并且應(yīng)檢測至少一個(gè)已知點(diǎn)坐標(biāo)。

3.3 基于GPS-RTK技術(shù)的地籍圖測量外業(yè)實(shí)施

本文選擇海達(dá)V 90 RTK，其測量精度水平方向?yàn)椤? cm，高度為±2 cm。在測量之前，無線電臺須遠(yuǎn)離道路中心，防止信號干擾源，以免影響RTK測量精度。

3.3.1 基站的選定

基站的位置對于RTK測量很重要。在選擇基站的位置時(shí)，不能選擇電波干擾強(qiáng)的地方，同時(shí)基站站點(diǎn)和數(shù)據(jù)鏈路站發(fā)射天線必須具有一定的高度。工作方法和步驟如下。①選擇合適的坐標(biāo)系：坐標(biāo)系的選擇與已知控制點(diǎn)的坐標(biāo)系匹配。②設(shè)置投影參數(shù)。X常數(shù)為0，Y常數(shù)為500 000，投影比為1。 ③關(guān)閉所有轉(zhuǎn)換參數(shù)。④將基站設(shè)置為不確定點(diǎn)：安裝基站后，將基站的GPS接收器與終端連接，進(jìn)行單點(diǎn)定位，獲取一點(diǎn)定位坐標(biāo)作為參考坐標(biāo)。⑤將基站設(shè)置為已知點(diǎn)：安裝基站后，將基站的GPS接收器連接到終端，選擇建立基站的已知點(diǎn)，以及基站的已知坐標(biāo)，輸入設(shè)備和設(shè)備的高度，設(shè)置數(shù)據(jù)鏈接。

3.3.2 流動(dòng)站的設(shè)置

流動(dòng)站的數(shù)據(jù)鏈路的格式和檢查點(diǎn)消息與設(shè)置基站匹配，需要設(shè)置流動(dòng)站的高度，然后進(jìn)行參數(shù)校正以進(jìn)行坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換。①如果基站位于未知點(diǎn)，則收集調(diào)查區(qū)域中2個(gè)或多個(gè)已知點(diǎn)的坐標(biāo)數(shù)據(jù)，并且盡可能增加所選擇的已知點(diǎn)之間的距離。②如果基站位于已知位置，則可以基于已知位置直接輸入預(yù)先計(jì)算的參數(shù)，并導(dǎo)航到已知位置以檢查參數(shù)準(zhǔn)確度。如果參數(shù)檢查沒有問題，可以進(jìn)行測量，并收集測量點(diǎn)的坐標(biāo)數(shù)據(jù)。

流動(dòng)站和基站同時(shí)接收GPS定位信號。流動(dòng)站通過無線電傳輸接收從基站發(fā)送的GPS定位校正信息，流動(dòng)站接收衛(wèi)星定位數(shù)據(jù)和基站數(shù)據(jù)，并通過基站處理數(shù)據(jù)以進(jìn)行優(yōu)化，并將數(shù)據(jù)發(fā)送到終端。計(jì)算測量點(diǎn)的坐標(biāo)并檢查計(jì)算的準(zhǔn)確性是否滿足允許精度，如果測量數(shù)據(jù)的精度滿足要求，保存結(jié)果并開始下一個(gè)測量任務(wù)。

在測量時(shí)，使用GPS-RTK測量中線上的地形特征點(diǎn)進(jìn)行放樣，橫截面積可以直接在GPS-RTK模式下測量，也可以使用GPS-RTK自由配置站點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。在建筑物被遮擋的丘陵地區(qū)，GPS-RTK信號經(jīng)常失鎖，變得不準(zhǔn)確，并對GPS-RTK測量曲線產(chǎn)生不利影響。此時(shí)，垂直截面的地形特征點(diǎn)可以通過將全站儀極坐標(biāo)方法與GPS-RTK組合來測量[5]。

3.4 基于GPS-RTK技術(shù)的地籍圖測量內(nèi)業(yè)實(shí)施

3.4.1 數(shù)據(jù)處理

假設(shè)觀測點(diǎn)的二維真值為(X，Y)，相應(yīng)的GPS靜態(tài)觀測值為(XJ，YJ)，RTK測量值為(XR，YR)，于是，RTK觀測的真誤差可表示為：

(1)

真誤差之差為：dX=ΔXJ-ΔXR，dY=ΔYJ-ΔYR。于是，由誤差傳播原理可得：

(2)

在下文中，著眼于推導(dǎo)RTK定位點(diǎn)的XR分量的精度，可以類似地確定YR方向上的分量。

1)對真誤差之差dX定權(quán)。通過以上等式獲得權(quán)倒數(shù)傳播定律：

(3)

dX單位權(quán)中誤差：

(4)

dX均值中誤差：

(5)

式中：ΔX為第n條重復(fù)基線X坐標(biāo)測量閉合差值。

(6)

靜態(tài)觀測XJ坐標(biāo)均值中誤差：

(7)

(8)

5)RTK觀測值XR單位權(quán)中誤差：

(9)

6)RTK觀測值XR坐標(biāo)中誤差：

(10)

同理可得：RTK觀測值YR坐標(biāo)中誤差：

(11)

基線下RTK定位的精度可靠性檢定時(shí)，與已知的高精度GPS靜態(tài)坐標(biāo)作為對比，推導(dǎo)便可得出RTK測量時(shí)的精度。

采用上述介紹的方法對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，于是有：

μXR=7.53/404=0.018 6 m，μYR=8.16/404=0.020 2 m

因此，RTK方法在準(zhǔn)確性方面滿足地籍確權(quán)要求，大大提高了效率，可以節(jié)省大量外業(yè)測量時(shí)間，減少工作量。

3.4.2 地籍圖測量成果檢驗(yàn)

本文檢驗(yàn)假為：H0:μ=μ0，H1:μ≠μ0，H0成立時(shí)，統(tǒng)計(jì)量滿足如下概率式：

(12)

說明接受H0，可以認(rèn)為測量數(shù)據(jù)是穩(wěn)定的，能夠確保測量精度。

3.4.3 地籍圖繪制

1)數(shù)據(jù)導(dǎo)入。CASS是一種基于AutoCAD平臺技術(shù)的數(shù)字測繪數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，廣泛應(yīng)用于地形圖測量、工程測量、房地產(chǎn)測繪、空間數(shù)據(jù)建設(shè)等領(lǐng)域。在每日的外業(yè)工作完成之后，要先將RTK手簿中的數(shù)據(jù)導(dǎo)入到計(jì)算機(jī)中。

2)繪制界址點(diǎn)和界址線。在連接界址點(diǎn)時(shí)需要將對象捕捉功能中的“端點(diǎn)”“中點(diǎn)”“節(jié)點(diǎn)”等功能選上，便于鼠標(biāo)的自動(dòng)捕捉，方便準(zhǔn)確的連接界址點(diǎn)。在連接界址點(diǎn)起點(diǎn)到最后終點(diǎn)時(shí)，可以在CASS下面的對話框中輸入字母“C”并按回車，來完成界址線的閉合。

閉合界址線之后彈出宗地基本屬性的對話框，輸入信息后點(diǎn)擊確定，用鼠標(biāo)點(diǎn)擊界址線的中心即可完成標(biāo)記。選擇右側(cè)菜單中的居民地中的“一般房屋”來繪制房屋，并給房屋標(biāo)注名稱。標(biāo)注房屋之后，選擇地籍菜單中的“修改地籍屬性”，確定其“宗地號”以及“權(quán)屬人”等基本信息，還可以加入其余詳細(xì)信息。

4 結(jié)語

本文研究了GPS-RTK技術(shù)在地籍測繪中的應(yīng)用，結(jié)合實(shí)例制定了GPS-RTK技術(shù)地籍圖測繪方案，測量數(shù)據(jù)404組，采用T檢驗(yàn)法對測量結(jié)果進(jìn)行檢驗(yàn)，結(jié)果表明，GPS-RTK測量結(jié)果穩(wěn)定，精度可靠；同時(shí)采用CASS繪圖軟件進(jìn)行地籍圖繪制。