GPS-RTK测量技术应用浅析

摘要:RTK技术的开发和应用使得测绘工作更加便利,GPS应用的领域更加广泛,研究院承担了较多的水利工程地形测量,测区内不乏涉及悬崖峭壁,山林密布,需测量的地物较少,通视条件极为困难,控制点往往难以布设,测图也非常困难。文章介绍了GPS-RTK(文中均简称“RTK”)技术在平面控制测量、高程测量及地形测量等方面的运用特点,提出了一些有意义的建议。

关键词:GPS-RTK技术;控制测量;高程测量;地形测量

中图分类号:TM619文献标识码:A文章编号:1009-2374(2010)04-0027-03

RTK技术的开发和应用,使得测绘工作更加便利,GPS应用的领域更加广泛,我院承担了较多的水利工程地形测量,测区内不乏涉及悬崖峭壁,山林密布,需测量的地物较少,通视条件极为困难,控制点往往难以布设,测图也非常困难。采用RTK技术进行地形点的数据采集,同时结合全站仪(或水准仪)的方式来进行高程测量,往往有非常突出的优势。为此,我院购进了(1+2)台套的日本Topcon GPS RTK设备、美国PDL电台(2～35W)作为数据链、英国TDSWinCE手簿及测绘软件CASS 7.0。本文介绍RTK技术在控制测量、地形测量等方面的运用特点,并就实践经验提出一些结论。

一、RTK工作原理

RTK实时动态测量技术是由基准站接收机、数据链、流动站接收机三部分组成,基准站实时地将测量的载波相位观测值、伪距观测值、基准站坐标等用无线电传送给移动的流动站,流动站通过无线电接收基准站发射的信息,将载波相位观测值实时进行差分处理,得到基准站和流动站三维坐标差X、Y、H。坐标差加上基准站坐标得到每个点的WGS-84坐标,通过坐标转换参数转换得出流动站每个点的平面坐标和高程,精度可达厘米级,其是以载波相位观测为依据的实时差分GPS(RTDGPS)技术,成为测量技术发展史上的一个里程碑。RTK技术的关键是进行初始化,进行起始的整周模糊度求解,因而需要具备足够数量的卫星、较好的几何分布以及基准站与流动站之间的数据通讯良好等条件。RTK测量主要是通过预设精度指标来限制实测精度满足需要,采集所需的数据并记录到手簿,最后通过后处理软件等进行平差处理来获取所需的三维坐标。

二、RTK作业的若干问题

我们知道,GPS测量具有定位精度高、观测时间短、提供三维坐标、操作简便、全天候作业、测站之间无需通视等优点。在生产实践中,RTK测量无非就是利用已有GPS等级测量和水准测量资料在已有的GPS等级控制网内进行实施,以确定区域内坐标系统的转换参数,同时通过GPS点的大地高H及其对应的GPS点的正常高,进而解算GPS点高程异常值。因而需要根据测区的地形情况,适宜布置GPS观测点,通过水准联测,精确地获得这些点的高程异常值,拟合测区的近似大地水准面,进行数学建模,计算测区内任一GPS点的高程异常值。但对于山区变化复杂,精度无法满足GPS观测条件的环境,采用高程拟合方法进行拟合的高程精度就难以保证,完全采用GPS替代等级水准测量难度就较大,这时的基础控制就不得不结合全站仪(或水准仪)进行作业。

天线电台的作用距离:D=4.24{0.5H1+0.5H2},H1、H2依次为基准站和流动站的天线高,单位为米,D是数据链覆盖范围的半径,单位为千米,公式反映了RTK的作用距离和效率。据我院所拥有的仪器特点,基准站天线高度最底可达2.5m,流动站高度约2m,据上式计算出的作用距离为12.677km,这个距离为测站间无任何遮挡情况下的理论数据,数据链实际作用距离一般要小于理论距离,完全可满足常规水利工程面积几万平方米,直径在12km以内的沙漠(滩)、戈壁、平原等测区的作业要求。

为了保证RTK测量工作的顺利开展和成果质量,观测前注意了解和搜集太阳的活动信息,避开太阳黑子爆发的活动期,选择平静期进行观测;其次,注重作业前的卫星星历预报,保证RTK测量的PDOP值和有效卫星数量不少于5颗,确保外业测量“固定解”的获取。再次,基准站应尽量架设在测区中间的高处,保持视野开阔、避开测站周围100～500m范围的UHF、VHF、TV等的发射台,同时避开雷达等强电磁波辐射源和大面积水面的已知坐标(高程)点。

三、RTK控制(高程)测量

控制测量是RTK测量的主要作业环节,是地形测量等的起算基准和获取平面坐标转换参数的关键所在,参照CJJ73-97全球定位系统相关的测量技术规范制定方案如下:

1.控制网网形影响着最后的平差成果,而在实践中应用最多的是异步环,因而选择图形条件较好的三角形或多边形构网参与平差计算,同时注意点位分布均匀,基线长度避免相差过大;网形要封闭。

2.选择最佳观测时间,保证卫星高度角≥15°,有效卫星数量大于5,数据采样间隔:10～30秒,PDOP≤10,对天线高进行多次量测取均值。

3.RTK高程测量在一般情况下都能满足水利测量等的需要,若高程精度要求高,而现场地形环境复杂,拟合的高程精度得不到保证,难以实现大地高转化成正常高时,则可在取得平面坐标成果后,通过结合水准测量(或全站仪)的模式,联测足够数量点位分布均匀的水准点(不少于3个)来获取测区的近似大地水准面。

4.RTK测量以后利用后处理软件对GPS数据进行基线解算,满足:边长中误差σ≤0.5(a2+(b*d)2);复测基线长度校差s≤2σ;同步环(Wx,Wy,Wz)(mm)≤σ;异步环(Wx,Wy,Wz)(mm)≤3σ(d――基线长度,单位:km;n――环边数;σ――对应级别精度规定;a――固定误差;b――比例误差系数)。

四、RTK地形测量

(一)数据采集

建立控制网后即可根据获取的控制点数据成果进行地形测量,通过流动站在测点上的移动来完成数据的采集。由于基准站外置电台信号覆盖范围一般可达10km,符合RTK测量原理的可靠性要求,只要移动站在基准站辐射范围内都可以快速获取稳定的固定解,测量精度都可达cm级,能满足测量精度要求。为保证RTK测量成果,测量前校正好移动站,确保三维测量精度均达到cm级,在误差范围内即可进行图根控制点的加密和碎部测量。进行RTK图根控制测量,注意确保其输入转换参数的正确性;点位布设要均匀,保证几何强度,避免误差积累。然后就可以根据地形特点,流动站一人拿着RTK测量仪器,根据测区现场的地形地貌边走边测边绘草图,并把所有数据全部存储在电子手簿,避免了以往报、听、记录数据中可能出现的差错,保证了数据采集的正确性。

RTK技术碎部测量无需通视等,利用效率比全站仪要高2～5倍,同时在空旷的区域信号强、精度高、耗时短、受地形地物影响产生失锁现象少,地形地物密集的情况下可通过升高天线的方式来提高信号接收强度,测量所需人员少,因而大大提高了作业效率,降低了作业成本。

(二)数据处理和内业成图

RTK测量的数据格式为*.RTK,还不能直接为CASS软件所识别,我们可以通过转换,使之成为CASS软件所能识别的*.dat格式。转换后就可以方便地编辑和处理,之后,适当删除误差大或错误的碎部测量点并导入数据到CASS软件,进行漏(错)测检查,当天测量成果当天检查,这样就有利于及时对其进行补测纠正,减少测量返工风险,确保内业的成果质量,从而实现实时成图,方便快捷,真正实现RTK测量内外业一体化。

五、应用举例

我们参与了某水利工程项目的测量,该测区面积约1500km2,山体连绵,地形地物众多,同时还有悬崖峭壁,测量任务非常繁重。若完全采用全站仪来完成,远无法达到6个月的工期要求。采用RTK进行测量作业,可以使所测的结果精度均匀、独立,无误差积累,而且具有实时、轻便灵活、操作简单和精度高等优点,必要时还可以结合全站仪(或水准仪)的方法来完成其它高精度标准的测量,是其它测量方法无法比拟的。为此,我们采用了RTK技术为主,全站仪(或水准仪)结合的方式进而加以实施,确保了任务的顺利完成。

根据上面介绍的技术要点,首先结合测区的地理位置进行度带选择和坐标换算,利用RTK技术在已有的1个B级和4个C级控制点基础上建立由12个控制点组成的控制网。然后在WGS-84坐标系下对全网进行无约束平差,精度满足:点位平均误差mx=±1.1mm,my=±1.3mm,mH=±3.0mm,平面点位误差均小于2mm,高程最大误差小于5mm,最弱边相对误差1/56.2万,结果表明该控制网内部符合精度良好。同时在首级GPS控制点的基础上,采用动态RTK进行图根控制的方式直接测量图根点的三维坐标(X,Y,H)。为保证精度,作业半径≤5km,对每个图根点均进行同一或不同参考站下的3次独立测量,其点位校差跟图上的差值≤0.1mm,高程校差≤1/10基本等高距。考虑到地物密集区域接收机信号易发生失锁现象,在这种情况下,可在最近开阔地带选择3个以上通视点作为图根控制点并测量出其坐标,并利用全站仪进行边长和角度的校核。通过对测区范围内2562个图根控制点的校核表明:基线长度≥100m时,边长误差≤1/4300,方位角差值≤46″,高程差值≤0.18m,满足了本次测量1∶1000测图的要求。

六、结语

RTK测量技术是一种先进的测量技术手段,能给测量工作带来极大的方便。通过测量实践表明:利用RTK进行测量,可以提高效率,降低成本;在精度要求高的情况下,可以结合全站仪(或水准仪)的方式进行联测,克服外业方面的“通视条件”、“测站测定”等方面的限制,极大地降低了我院测绘人员的劳动强度,加上当前该仪器价格不高,成为了我院测绘作业的必备仪器之一。

参考文献

[1]刘贺春,郭秋.GPS-RTK在地形图测绘应用中的精确性和可靠性研究[J].城市勘测,2008,(2).

[2]周忠漠,等.GPS卫星测量原理与应用(修订版)[M].北京:测绘出版社,2004.

[3]国家测绘局.全球定位系统(GPS)测量规范[S].北京:测绘出版社,2001.