載波相位差分技術(shù)和無(wú)棱鏡測(cè)繪技術(shù)聯(lián)合應(yīng)用研究

謝宗繁

(廣西南寧水利電力設(shè)計(jì)院 南寧 530001)

1 前言

載波相位差分技術(shù)又稱為RTK技術(shù) (Real Time Kinematic),建立在實(shí)時(shí)處理兩個(gè)測(cè)站的載波相位基礎(chǔ)上。它能提供觀測(cè)點(diǎn)的三維坐標(biāo),達(dá)到厘米級(jí)的高精度。無(wú)棱鏡測(cè)繪技術(shù)通過(guò)測(cè)量激光脈沖的傳播時(shí)間,結(jié)合定位姿態(tài)數(shù)據(jù),直接獲取高精度的地面三維坐標(biāo)。隨著測(cè)繪科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,傳統(tǒng)的單獨(dú)采用全站儀測(cè)量測(cè)圖方法正逐步被GPS-RTK(以下簡(jiǎn)稱RTK)和全站儀聯(lián)合進(jìn)行數(shù)字化測(cè)繪地形圖所代替。我們通過(guò)云南省綠春縣勐漫河?xùn)|龍水電站工程測(cè)量實(shí)踐證明,應(yīng)用載波相位差分和無(wú)棱鏡測(cè)繪技術(shù)聯(lián)合應(yīng)用,可以實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ),提高工作效率。

2 載波相位差分原理[1]

載波相位差分原理是由基準(zhǔn)站通過(guò)數(shù)據(jù)鏈實(shí)時(shí)將其載波觀測(cè)量及站坐標(biāo)信息一同傳送給用戶站。用戶站接收GPS衛(wèi)星的載波相位與來(lái)自基準(zhǔn)站的載波相位,并組成相位差分觀測(cè)值進(jìn)行實(shí)時(shí)處理,能實(shí)時(shí)給出厘米級(jí)的定位結(jié)果。如果基準(zhǔn)站與用戶站同時(shí)觀測(cè)相同的4顆衛(wèi)星,則有4個(gè)聯(lián)立方程,可求解出用戶站的坐標(biāo),如果在一個(gè)歷元中觀測(cè)4顆衛(wèi)星,就可以求解出用戶站的精確坐標(biāo),精度可達(dá)到厘米級(jí)。

3 無(wú)棱鏡測(cè)繪技術(shù)[2]

3.1 無(wú)棱鏡測(cè)量技術(shù)簡(jiǎn)介

無(wú)棱鏡測(cè)量技術(shù)主要運(yùn)用激光測(cè)量技術(shù),利用激光傳輸時(shí)間來(lái)測(cè)量距離的基本原理是通過(guò)測(cè)量激光往返目標(biāo)所需時(shí)間來(lái)確定目標(biāo)距離,記錄并處理從光脈沖發(fā)出到返回被接收所經(jīng)歷的時(shí)間,即可測(cè)定目標(biāo)距離。

3.2 無(wú)棱鏡測(cè)量技術(shù)的適用條件

據(jù)無(wú)棱鏡測(cè)量技術(shù)的特點(diǎn)確定其適用范圍,通過(guò)實(shí)踐發(fā)現(xiàn)無(wú)棱鏡測(cè)量技術(shù)適用條件為:

(1)適用于通視條件好,反射介質(zhì)好的地方,在反射介質(zhì)較暗,吸光性太強(qiáng),反射條件不好等地方不宜使用無(wú)棱鏡測(cè)量。

(2)無(wú)棱鏡測(cè)量技術(shù)適宜測(cè)量反射面裸露的測(cè)點(diǎn)高程,如巖石,房屋、公路等視線可及的地形、地物點(diǎn)高程。

(3)無(wú)棱鏡測(cè)量適用于視線沒(méi)有任何障礙的地形地物測(cè)量,若中間有障礙物則測(cè)量到的是障礙物的坐標(biāo)、高程。如要測(cè)400m外的地形點(diǎn),若在200m的地方有樹(shù)葉擋住視線,將測(cè)到的是樹(shù)葉的坐標(biāo)、高程。

(4)注意不要將激光束射向似鏡表面,以免燒壞感光元器件。

(5)施測(cè)過(guò)程中不宜通過(guò)目鏡觀測(cè)標(biāo)的物,以免將眼睛置于激光束中導(dǎo)致受傷。

(6)無(wú)棱鏡測(cè)量適用于人員難以到達(dá),反射介質(zhì)好的地形地物測(cè)量,如懸崖、溪谷、客流大的公路、有劇毒的地物等。

4 兩種技術(shù)的聯(lián)合應(yīng)用

隨著GPS-RTK定位精度的提高、硬件性能的改善,定位速度比常規(guī)儀器要快得多。它不要站間通視,精度高、作業(yè)快、費(fèi)用省、應(yīng)用靈活。以無(wú)棱鏡測(cè)量、自動(dòng)目標(biāo)識(shí)別、自動(dòng)跟蹤全站儀等新技術(shù)潮流為代表的測(cè)繪新技術(shù)因其數(shù)據(jù)采集自動(dòng)化程度高、大大釋放勞動(dòng)力等優(yōu)勢(shì),使工作得以更高效、精確地完成,目前已被廣泛應(yīng)用于控制測(cè)量、地形測(cè)量、地籍和房產(chǎn)測(cè)量、施工放樣、工業(yè)測(cè)量及近海定位等方面。

RTK和全站儀聯(lián)合測(cè)繪地形圖,可以優(yōu)劣互補(bǔ)。在地形平坦、交通方便、植被覆蓋率不高、測(cè)量人員容易到達(dá)的空曠地區(qū)的地形、地物適用RTK測(cè)進(jìn)行測(cè)量,村莊、城市內(nèi)的建筑物、構(gòu)筑物用RTK實(shí)時(shí)測(cè)量圖根點(diǎn)的三維坐標(biāo),然后用全站儀測(cè)量。采用RTK測(cè)圖,可以省去建立圖根控制這個(gè)中間環(huán)節(jié),節(jié)省大量的時(shí)間,可全天侯地觀測(cè)。由于衛(wèi)星的截止高度角必須大于15°,在高大建筑物旁邊或在大樹(shù)下,很難接收到衛(wèi)星和無(wú)線電信號(hào),在急流峭壁、懸崖、高溫地區(qū)、劇毒地帶等測(cè)量人員不易到達(dá)的地方,RTK無(wú)法測(cè)量,便體現(xiàn)不出其快速、便捷的優(yōu)勢(shì),此時(shí)可以應(yīng)用全站儀測(cè)量進(jìn)行彌補(bǔ);由此可見(jiàn)用RTK和全站儀聯(lián)合測(cè)圖,解決了全站儀測(cè)量地勢(shì)平坦、交通方便的地方浪費(fèi)大量人力物力和RTK無(wú)法測(cè)量測(cè)量人員無(wú)法到達(dá)的測(cè)區(qū)的地形的缺點(diǎn),從根本上克服了全站儀測(cè)繪技術(shù)和RTK測(cè)繪技術(shù)的盲點(diǎn),大大加快測(cè)量速度,提高工作效率。

5 載波相位差分技術(shù)和無(wú)棱鏡測(cè)繪技術(shù)在東龍水電站工程數(shù)字化測(cè)圖中的聯(lián)合應(yīng)用

云南省綠春縣東龍水電站位于黃連山自然保護(hù)區(qū)外邊緣地帶的勐漫河上,為了充分利用水資源,分四個(gè)梯級(jí)水電站進(jìn)行開(kāi)發(fā),總裝機(jī)容量為103.1MW,該河段兩岸高山環(huán)繞,水量充沛,土地肥沃,森林茂密,村落較集中,土地開(kāi)發(fā)比例較高,是農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的地區(qū)之一。

適當(dāng)布設(shè)GPS網(wǎng),有利于根據(jù)測(cè)區(qū)各階段的需要布設(shè),采用全網(wǎng)的結(jié)構(gòu)呈長(zhǎng)短邊相結(jié)合的形式,減少網(wǎng)的邊緣處誤差的積累,也便于GPS網(wǎng)的數(shù)據(jù)處理和成果檢核。由于測(cè)區(qū)呈狹長(zhǎng)的帶狀,距離跨度大,河道總長(zhǎng)度為36.4km,控制點(diǎn)精度要求高。我們采用五臺(tái)套Ashtech GPS進(jìn)行控制測(cè)量,為了抵消兩基準(zhǔn)站公共誤差,提高測(cè)量精度,用兩臺(tái)GPS做基站,其他三臺(tái)流動(dòng)站進(jìn)行采集數(shù)據(jù)。在觀測(cè)前先選擇衛(wèi)星星歷較好時(shí)段觀測(cè),截止高度角為15°。衛(wèi)星星歷是描述衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)軌道的信息,根據(jù)衛(wèi)星星歷可以算出任意時(shí)刻的衛(wèi)星位置及其速度。GPS衛(wèi)星星歷分為廣播星歷 (預(yù)報(bào)星歷)和后處理星歷 (精密星歷)。GPS廣播星歷是指含于每顆GPS衛(wèi)星發(fā)射的導(dǎo)向電文的GPS衛(wèi)星的預(yù)報(bào)位置,通常包括相對(duì)于某一參考?xì)v元的開(kāi)普勒根數(shù)和必要的軌道攝動(dòng)改正項(xiàng)參數(shù)[2]。觀測(cè)前,根據(jù)測(cè)區(qū)中心的概略經(jīng)緯度和高程及較新的星歷進(jìn)行星歷預(yù)報(bào),衛(wèi)星星歷預(yù)報(bào)見(jiàn)圖1,并根據(jù)星歷預(yù)報(bào)選擇有利的觀測(cè)時(shí)段,減小星歷數(shù)據(jù)引起的差分誤差,提高作業(yè)效率。

為了提高GPS定位精度,選用PDOP小于5的觀測(cè)時(shí)段,由圖1可看出最佳觀測(cè)時(shí)間為0︰00～11︰30和17︰30～19︰30,在其他時(shí)段則不宜外業(yè)數(shù)據(jù)采集。將基站選在視野開(kāi)闊和交通方便的地方,衛(wèi)星截止高度角要求大于15°,用流動(dòng)站進(jìn)行數(shù)據(jù)采集并符合到至少3個(gè)首級(jí)控制網(wǎng)上,以該控制點(diǎn)做數(shù)據(jù)糾正數(shù)度如下表1。

表1 RTK測(cè)量檢校記錄表

由上表可見(jiàn),較正的誤差絕對(duì)值都在4mm以內(nèi),精度符合加密控制網(wǎng)的要求。在交通方便、地勢(shì)平坦、地物復(fù)雜、測(cè)量人員容易到達(dá)的地方應(yīng)用RTK進(jìn)行碎部點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集,對(duì)于開(kāi)闊的地段(主要是田野、公路、河流、溝、渠、塘等)直接采用實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位(RTK)測(cè)量模式進(jìn)行全數(shù)字野外數(shù)據(jù)采集,實(shí)地繪制地形草圖,施測(cè)過(guò)程中注意:第一基準(zhǔn)站架設(shè)在測(cè)區(qū)的中心,并遠(yuǎn)離高壓線和無(wú)線電發(fā)射塔50m以上。根據(jù)已知點(diǎn)進(jìn)行點(diǎn)位校正和檢核RTK的可靠性;第二基準(zhǔn)站上的儀器應(yīng)精確對(duì)中,嚴(yán)格整平;第三接收機(jī)接收衛(wèi)星的高度角應(yīng)設(shè)置為15°;第四基準(zhǔn)站天線高度應(yīng)多次丈量取其平均值作為基準(zhǔn)站的天線高度;第五流動(dòng)站就在以基準(zhǔn)站為中心半徑為8km的范圍進(jìn)行測(cè)量,觀測(cè)衛(wèi)星高度角≥13°,觀測(cè)衛(wèi)星個(gè)數(shù)不少于5顆,計(jì)算得固定解時(shí)才進(jìn)行測(cè)量;第六流動(dòng)站每次觀測(cè)前,應(yīng)先對(duì)已知點(diǎn)或已測(cè)點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè),直到滿足精度要求后再繼續(xù)測(cè)量;第七運(yùn)用RTK定圖根點(diǎn)時(shí),應(yīng)盡量選擇通視良好,且易于儀器搬運(yùn)和操作的圖根點(diǎn),切記給定后視點(diǎn)作為檢測(cè)。對(duì)于密集的村莊、植被茂密的地形等采用RTK給定圖根點(diǎn)位,利用全站儀采集地形、地物等特征點(diǎn),實(shí)地繪制草圖;對(duì)于地勢(shì)陡峭、水流湍急的水邊、塌岸、塌方地帶,測(cè)量人員無(wú)法到達(dá)的地方則采用免棱鏡1000m的徠卡全站儀進(jìn)行無(wú)棱鏡測(cè)量特征點(diǎn)的三維坐標(biāo)。實(shí)踐證明,若僅采用無(wú)棱鏡全站儀測(cè)量需要花90d時(shí)間,全部采用GPSRTK測(cè)量需要79d,目前采用RTK和無(wú)棱鏡全站儀聯(lián)合測(cè)量后僅花了45d時(shí)間即完成了整個(gè)工程測(cè)量。可見(jiàn)采用RTK和無(wú)棱鏡全站儀對(duì)測(cè)區(qū)的開(kāi)闊地帶、險(xiǎn)要地形進(jìn)行測(cè)量,優(yōu)勢(shì)互補(bǔ),縮短測(cè)量工期,提高工作效率。

6 結(jié)論

裁波相位差分技術(shù)和無(wú)棱鏡測(cè)繪技術(shù)的聯(lián)合應(yīng)用充分展現(xiàn)了現(xiàn)代測(cè)繪科技新思維,在諸多方面打破了傳統(tǒng)的觀念和局限。采用RTK采集數(shù)據(jù)快速便捷、全天候、不受通視條件約束,采用的全站儀操作簡(jiǎn)便,觀測(cè)速度快,精度高,可自由設(shè)站,靈活采用多種方法測(cè)量碎部點(diǎn)。聯(lián)合作業(yè)方法針對(duì)測(cè)區(qū)范圍內(nèi)的不同地形地貌選取適當(dāng)?shù)臏y(cè)繪技術(shù),保證測(cè)量成果準(zhǔn)確性、可靠性,做到高效快捷、質(zhì)量保證、可靠,是一種嶄新的取長(zhǎng)補(bǔ)短作業(yè)方法。

略)