浅谈GPS RTK在河道地形测量中的应用

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  【摘 要】RTK技术,是GPS 测量技术与数据传输技术的结合,是GPS 测量技术中的一个新突破。本文介绍了GPS RTK技术在地形测量中的应用,并以郴州资兴某镇河道测量过程为例具体探讨了应用过程中GPS RTK的优点、施测的作业方法、平差结果的精度评定、以及对GPS应用前景的展望等问题,得出了一些有益的结论,说明了GPS RTK技术是一种准确、快速和经济的测量定位方法。
  【关键词】GPS;RTK;地形测量;应用;精度
  
  一、地形测量和GPS RTK概述
  地形测量指的是测绘地形图的作业。广义的定义是对地球表面的地物、地形在水平面上的投影位置和高程进行测定,并按一定比例缩小,用符号和注记绘制成地形图的工作。狭隘的定义是根据已测定的大地控制点,采用经纬仪视距测量、平板仪测量和摄影测量等方法,按照一定的符号和图式将地物和地貌以等高线的形式测绘成地形图。现在地形图的测绘基本上采用航空摄影测量方法,利用航空像片主要在室内测图。但面积较小的或者工程建设需要的地形图,使用测量仪测在野外进行测图。
  传统的地形测量包括控制测量和碎部测量。①控制测量是测定一定数量的平面和高程控制点,为地形测图的依据。平板仪测图的控制测量通常分首级控制测量和图根控制测量。首级控制以大地控制点为基础,用三角测量或导线测量方法在整个测区内测定一些精度较高、分布均匀的控制点。图根控制测量是在首级控制下,用小三角测量、交会定点方法等加密满足测图需要的控制点。图根控制点的高程通常用三角高程测量或水准测量方法测定。②碎部测量是测绘地物地形的作业。地物特征点、地形特征点统称为碎部点。碎部点的平面位置常用极坐标法测定,碎部点的高程通常用视距测量法测定。按所用仪器不同,有平板仪测图法、经纬仪和小平板仪联合测图法、经纬仪(配合轻便展点工具)测图法等。它们的作业过程基本相同。测图前将绘图纸或聚酯薄膜固定在测图板上,在图纸上绘出坐标格网,展绘出图廓点和所有控制点,经检核确认点位正确后进行测图。测图时,用测图板上已展绘的控制点或临时测定的点作为测站,在测站上安置整平平板仪并定向,然后用望远镜照准碎部点,通过测站点的直尺边即为指向碎部点的方向线,再用视距测量方法测定测站至碎部点的水平距离和高程,按测图比例尺沿直尺边沿自测站截取相应长,即碎部点在图上的平面位置,并在点旁注记高程。这样逐站边测边绘,即可测绘出地形图。
  测量技术的不断发展过程中,测绘手段也取得了长足进步,测绘仪器从最初的原始工具到经纬仪、水准仪、测距仪、全站仪等以及最新的超站仪以及最新的三维激光扫描仪,现在GPS技术正在不断得到应用。本文研究了GPS在地形测量中的应用。
  GPS是由美国国防部主持研制以空中卫星为基础的无线电导航系统。该系统能为全球提供全天候、连续、实时、高精度的三维位置、三维速度和时间信息。实时差分RTK(Real—TimeKinematic)GPS是基于载波相位观测值的实时动态定位技術,它能够实时地提供测站点在指定坐标系中的三维定位成果,它是GPS测量技术发展中的重大突破。随着整周模糊度能够在很短的时间内被确定,从而保证了RTK技术在野外实时得到厘米级的定位精度。可为航空、航天、陆地、海洋等方面的用户提供不同精度的在线或离线的空间定位数据。
  RTK 测量系统由基准站、流动站和数据链组成,建立无线数据通讯是实时动态测量的保证,其原理是取点痊精度较高的首级控制点作为基准点,安置一台接收机作为参考站,对卫星进行连续观测,流动站上的接收机在接收卫星信号的同时,通过无线电传输设备接收基准站上的观测数据,流动站上的计算机根据相对定们的原理实时计算显示出流动站的三维坐标和测量精度。这样用户就可以实时监测待测点的精度指标,确定观测时间,从而减少冗余观测,提高工作效率。
  二、常规测量与GPS RTK技术
  用常规的测图方法(如用经纬仪、全站仪等)通常是先布设控制网点,这种控制网一般是在国家高等级控制网点的基础上加密次级控制网点。最后依据加密的控制点和图根控制点,测定地物点和地形点在图上的位置并按照一定的规律和符号绘制成平面图。
  GPS新技术的出现,可以高精度并快速地测定各级控制点的坐标。特别是应用RTK新技术,甚至可以不布设各级控制点,仅依据一定数量的基准控制点,便可以高精度并快速地测定界址点、地形点、地物点的坐标,利用测图软件可以在野外一次测绘成电子地图,然后通过计算机和绘图仪、打印机输出各种比例尺的图件。
  应用RTK技术进行定位时要求基准站接收机实时地把观测数据(如伪距或相位观测值)及已知数据(如基准站点坐标)实时传输给流动站GPS接收机,流动站快速求解整周模糊度,在观测到四颗卫星后,可以实时地求解出厘米级的流动站动态位置。这比GPS静态、快速静态定位需要事后进行处理来说,其定位效率会大大提高。故RTK技术一出现,其在测量中的应用立刻受到人们的重视和青睐。
  三、 RTK技术应用于各种控制测量
  常规控制测量如三角测量、导线测量,要求点间通视,费工费时,而且精度不均匀,外业中不知道测量成果的精度。GPS静态、快速静态相对定位测量无需点间通视能够高精度地进行各种控制测量,但是需要时候进行数据处理,不能实时定位并知道定位精度,内业理后发现精度不合要求必须返工测量。而用RTK技术进行控制测量既能实时知道定位结果,又能实时知道定位精度。这样可以大大提高作业效率。应用RTK技术进行实时定位可以达到厘米级的精度,因此,除了高精度的控制测量仍采用GPS静态相对定位技术之外,RTK技术即可用于地形测图中的控制测量,线路中边线测量,地籍和房地产测量中的控制测量和界址点点位的测量。
  地形测图一般是首先根据控制点加密图根控制点,然后在图根控制点上用经纬仪测图法 或平板仪测图法测绘地形图。近几年发展到用全球仪和电子手簿采用地物编码的方法,利用 测图软件测绘地形图。但都要求测站点与被测的周围地物地貌等碎部点之间通视,而且至少 要求2-3人操作。
  采用RTK技术进行测图时,仅需一人背着仪器在要测的碎部点上呆上一、二秒钟并同时输入特征编码,通过电子手簿或便携微机记录,在点位精度合乎要求的情况下,把一个区域内的地形地物点位测定后回到室内或在野外,由专业测图软件可以输出所要求的地形图。 用RTK技术测定点位不要求点间通视,仅需一人操作,便可完成测图工作,大大提高了测图的工作效率。
  四、RTK 技术在地形测量中实现的关键
  在地形测量中,进行RTK定位时,基准站把观测值及测站已知坐标通过数据链发送到移动站,移动站不仅采集GPS观测数据,而且通过数据链接收到基准站数据,并在移动站上形成差分观测值后,实时求出移动站厘米级精度坐标。移动站可处于静态,也可处于动态,可以在一个固定点上进行初始化后进入动态工作,也可以在动态条件下进行初始化。
  其主要的关键技术如下:
  (一)RTK系统采取了快速算法,能够快速准确地求解出整周模糊度。常用的方法有模糊度函数法、FARA法和组合搜索技术。但是有时候会因为初始过程中的各种误差导致整周模糊度求解的结果不可靠。这时就需要对RTK的成果质量进行控制,利用重测RTK 的测量链比较复核。
  (二)RTK定位要求基准站实时向移动站发送信息,数据传输速度一般不低于9 600 bit。数据链拉得远,可以减少参考点的设立和避免频繁转站;数据链稳健,GPS初始化运行的时间会明显减少,提高工作效率。
  (三)RTK测量是在WGS-84坐标系中进行的,而测区区测量是在80坐标或54坐标上进行的,RTK 是用于实时测量的,要求立即给出80坐标或54坐标。因此,坐标转换工作更显重要。在工程应用中经常遇到当地任意坐标,一般使用平面转换和高程拟合的方法。
  高程拟合有曲线拟合、平面拟合和曲面拟合等多种模型。为了提高精度,最好选两个以上均匀分布于测区的点,利用最小二乘法来求解转换参数,做到能有效控制测区以及保证足够的精度。为了校验参数的精度和准确性,还可以选用几个点不参与计算,代入公式起校验作用。也可利用Bursa模型解求7个转换参数来进行坐标转化。如果测区的范围不大,可不考虑7个参数中尺度比和旋转参数时,可现场求定3个平移参数,得到满足一定精度要求的转换参数。
  (四)参考点的选择和建立。参考点位置应该满足的条件是:有符合精度要求的已知点坐标;应该在地势较高而且交通方便,天空较为开阔,周围远离高度角超过1O度的障碍物,有利于卫星信号的接收和数据链发射的位置;为防止数据链的丢失以及多路径效应的影响,周围远离GPS信号的发射物、远离高压线、电视台、无线电发射台、微波台等干扰源;应选择土质坚实、不易破坏的位置。
  五、GPS RTK 在矿区地形测量中的应用
  地形测量中应用RTK技术测定每一地形地物点以及测绘地形图。能实时测定有关一些地物点的位置并能达到要求的厘米级精度。将GPS获得的数据处理后直接录入GPS系统,可及时地精确地获得形图。但在影响 GPS卫星信号接收的遮蔽地带,应使用全站仪、测距仪、经纬仪等测量工具,采用解析法或图解法进行细部测量。下面以郴州资兴某镇某矿区地形测量工程中GPS RTK测量技术的应用为例,阐述该技术的应用情况。
  (一)测区简介
  位于郴州资兴某镇的河道带状测区,工业区建筑和居民建构筑物较密集,地形起伏大.由于多年开采煤炭资源,产生大量煤矸石堆积在上游周边山坡,矿区内植被破坏,地表裸露,水土流失严重,致使河流域泥砂淤积,阻塞河道,造成一定的地质灾害和环境污染,给下游村庄及农田造成严重影响,制约了当地经济发展。本次需测量的分布区域近长约10.1Km,总测量面积约3.9K㎡,河道两边地形复杂,用地种类较多,民房数目多,通视条件差,采用常规测量手段施测十分困难,很难在短时间内完成所有地形地物点、河道剖面点的测量工作,以满足建设单位对河道地形测量工作的要求。采用GPS RTK 测量技术作为本测区地形地物点坐标的实测技术手段,在充分调研论证并通过试验检测认证的基础上全面实施取得了比较好的效果。
  (二)作业方法及精度分析
  (1)选取精度高、可靠性好的城市基本控制网点作为RTK 测量的工作基准在试用试验阶段,针对所选用的GPS仪器,得出了该城区流动站在作用距离为10 km 范围内,能高质量、清晰地接收基准站发出的数据。以此为参考数据,选定了分布于该城区的郴州资兴D级GPS三维控制点,利用3个控制点的WGS一84坐标系和1980西安坐标系成果计算出用于GPS RTK 测量的7个坐标转换参数。
  (2)GPS RTK定位精度试验选取1个GPS RTK 测量基准网点,架设RTK基准站,流动站在离基准站5 km 范围内,有目的地施測了原郴州市城市一级控制点和主要地物点共计20个点,并采用静态GPS测量技术、全站仪测量技术测量道路地物点坐标,将这些测量结果、已知成果与RTK 测量结果相比较。
  (3)从中比较数据可以得出:RTK测量结果与其他测量技术获取的测量结果互差均在厘米级,其中互差最大为2.8 cm,最小为0.6㎝.平均为1.52 cm。可以认为GPS RTK 测量结果的点位精度达到厘米级,而且各点位之间不存在误差累积,克服了传统测量技术的弊病,完全能满足城镇地形测量对工程建设设计的测量精度要求。
  采用GPS RTK测量技术施测地物点坐标在检测试验取得成功的基础上,以RTK基准框架网点为基础,分别架设GPS基准站,使用1+2工作模式,用两套GPS RTK接收机作为流动站进行测量,有利于在河道两边同时测量。
  (三)RTK作业的优点
  由于所用GPS RTK系统的发射电台有8W ,较省电,不用更换电池就可使用1天,开机后,可以无人职守,十分方便;流动站在第1次测量时,在一已知点上作RTK测量,其测量结果与已知点进行比较,从而检查RTK 系统是否工作正常及基准站坐标输入是否正确;最后,将GPS获得的数据处理后直接录入计算机,可及时地精确地获得地形点图形信息,准确地制作地形图、剖面图,计算面积、土方量等。
  四、结束语
  (一)应用RTK技术,使得地形测绘的精度、作业效率和实时性达到最佳的融合。随着数据传输能力的增强,数据的稳健性,抗干扰性水平和软件水平的提高,传输距离的增加,RTK技术将在地形测量和其他领域得到更广阔的应用。
  (二)为了提高精度,最好选3个以上的点利用最小二乘法求解转换参数。为了校验转换参数的精度和正确性,还可以选用几个点不参与计算,而带入公式起校验作用,经过校验满足要求的转换参数认为是可靠的。
  (三)GPS RTK测量技术的应用,将极大地推进数字化地形测量技术的发展,使地形测量手段实现自动化或半自动化,有力地促进城镇基础建设水平的提高,为工程建设设计提供了高精度的,实时的地形基础资料。
  
  【参考文献】
  [1]寇艳红.《GPS原理与应用》,载《电子工业出版社》,2007,3.
  [2]王志武.《浅谈地形测量中计算机技术的应用》.载《时代经贸》,2007,S9
  [3]邬晓光、黄北新、丁锐.《 GPS RTK技术在城市测量中的应用》, 载《城市勘测》.2004.1
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