RTK技術在控制測量與大比例尺測圖中的應用研究

張 東,梁 勇,劉紀平,葛 帥

(1.山東農(nóng)業(yè)大學信息學院,山東 泰安271018;2.中國測繪科學研究院,北京 100039)

0 引 言

目前,野外測量在空間數(shù)據(jù)采集、動態(tài)更新,特別是在大比例尺空間數(shù)據(jù)獲取方面占有重要的地位。但傳統(tǒng)的電子平板、全站儀等測圖存在起算控制點密度不足,測站之間通視差及精度不均勻等問題。

實時動態(tài)測量技術(RTK)的發(fā)展為野外數(shù)字測圖提供了全新的手段。實施基于RTK的野外數(shù)字測圖人員少、費用低、易操作,可以大大提高作業(yè)效率,而且具有測站間無需通視以及可全天時,全天候作業(yè)等特點[1]。但利用 RTK技術測繪大比例尺地形圖存在的一些問題有待探索和解決。因此,此技術的研究對今后的實踐活動有一定的指導意義。

1 GPS RTK技術

1.1 GPS RTK工作原理

RTK是Real-Time Kinematic的英文縮寫,是實時載波相位差分GPS技術,它是GPS測量技術與數(shù)據(jù)傳輸技術相結合而構成的組合系統(tǒng),是GPS測量技術發(fā)展中一個新的突破。

RTK由GPS接收設備、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)三部分組成。其工作原理是[2]:將一臺接收機置于基準站上。另一臺或幾臺接收機置于載體(稱為移動站)上,基準站和移動站同時接收同一時間、同一GPS衛(wèi)星發(fā)射的信號,基準站所獲得的觀測值與已知位置信息進行比較,得到GPS差分改正值。然后,將這個改正值通過無線電數(shù)據(jù)鏈電臺及時傳遞給共視衛(wèi)星的移動站精化其GPS觀測值,從而得到經(jīng)差分改正后移動站較準確的實時位置。

1.2 GPS RTK應用方法

1)基準站的設置

基準站架設時應遵循以下原則[3]:在10°截止高度角以上的空間應該沒有障礙物;臨近不應有電磁輻射源,以免對 RTK信號造成干擾;基準站最好選在地勢相對較高的地方;地面穩(wěn)固,利于點的保存;盡量避開交通繁忙或人流較多的地方。

在任意選定的點位上架設好儀器后,只需將基準站安置在三腳架上,無需對中整平。將主機與發(fā)射電臺、天線、備用電池與通訊電纜正確連接。分別打開配置的電瓶開關、GPS主機電源開關、數(shù)據(jù)鏈開關即可。然后設置好衛(wèi)星高度角、天線類型、無線電類型、頻率等各項配置參數(shù)即可。

2)移動站的設置

設置連接方式和電臺通道號,輸入流動站的天線高、輸入觀測時間、次數(shù)等參數(shù)。通過單點或兩點校正,求解出WGS-84坐標系與當?shù)刈鴺讼抵g的轉(zhuǎn)換參數(shù)。校正完畢后,將移動站在待測點對中,當狀態(tài)為固定解且PDOP小于6時,對點坐標進行采集。

2 研究方案

2.1 測區(qū)概況

泰安市龍澤花苑小區(qū)位于馳名中外的泰山腳下,東鄰市政廣場,南靠龍澤湖,面積約0.1 km2。小區(qū)地勢北高南低,南北高差較大。高樓林立,通視條件較差,不利于全站儀測圖。另外,由于樓層過高,對衛(wèi)星信號的接收有一定的影響。

2.2 控制點的布設

在小區(qū)附近原有兩個E級GPS控制點的基礎上,根據(jù)小區(qū)的實際情況選擇了8個二級控制點進行加密控制。通過這8個控制點可以較好的對小區(qū)進行控制,少部分觀測不到的地方采用支導線的方法進行測量。

閉合導線的多邊形角度閉合差為35 s,容許角度閉合差為39 s。導線長度∑D=567.312 m,導線全長閉合差 fx=0 cm,fy=1.5 cm,相對閉合差K=1/37820,K容=1/10000,達到二級導線要求,且點位精度較高,可作為數(shù)據(jù)對比的基準。

2.3 作業(yè)流程

1)用全站儀進行控制測量,然后對所測導線點坐標進行平差。得到控制點坐標;

2)根據(jù)小區(qū)的情況分別選擇較空曠處、高度小于2 m的地物處、樓房房角等處作為特征點,并做標記;

3)用全站儀對特征點進行碎部測量;

4)用RTK對控制點和特征點進行測量;

5)RT K和全站儀數(shù)據(jù)進行對比,分析RTK數(shù)據(jù)精度、誤差來源以及質(zhì)量控制方法。

2.4 精度分析

全站儀與RTK所測的控制點坐標如表1所示。

表1 控制點坐標數(shù)據(jù)對比

數(shù)據(jù)表明,除了ZI26點以外(此點靠近高壓線路),其余各點X最大差值1.4 cm,Y最大差值2.9 cm。X中誤差為mx=±1.21 cm。Y中誤差為my= ±1.51 cm。RTK測量成果與全站儀測量成果相差較小,圖根點位精度等各項指標滿足《城市測量規(guī)范》要求,說明在城市進行大比例尺測量的圖根控制可以采用RTK技術。

選取了部分有代表性的碎部點進行精度對比,如表2所示:

表2 碎部點坐標數(shù)據(jù)對比

由上表可得地形圖比例尺精度為0.1×M(mm),其中M為比例尺分母,故1∶1000地形圖比例尺精度為10 cm,Mx=±3.47 m,My=±3.17 cm。點位誤差最大值為7.63小于10 cm,符合1∶1000地形圖碎部測量的精度要求。但在房角或周圍有較高建筑物的區(qū)域,由于信號遮蔽,只能得到單點解或差分解,不能滿足測圖精度需要,故不能用RTK測量。

2.5 誤差分析與質(zhì)量控制

RTK測量過程中的誤差來源主要有以下5個方面:

1)GPS定位誤差

GPS定位誤差主要包括衛(wèi)星軌道誤差、衛(wèi)星鐘和接收機的時鐘誤差、對流層和電離層的大氣延時誤差等[4]。

2)轉(zhuǎn)換參數(shù)引起的精度損失

WGS-84坐標和地方坐標系坐標轉(zhuǎn)換存在一定誤差,與控制點的精度和分布有關。

3)實驗中的操作誤差

移動站在點位對中,儀器置平等方面產(chǎn)生的誤差。

4)基準站的誤差

基準站周圍環(huán)境對GPS觀測質(zhì)量的影響也會影響到流動站坐標的精度。

5)基準站與流動站之間的距離誤差

GPS誤差的空間相關性隨基準站與移動站之間距離的增大而逐漸失去線性[5],當兩者相距較遠時,差分處理后的移動站數(shù)據(jù)仍然含有較大的觀測誤差。

針對RTK測量中存在的誤差問題,可采用以下三種方法進行質(zhì)量控制,以提高測量的精度。

1)已知點檢校法—在控制網(wǎng)布設時用全站儀或靜態(tài)GPS多測出一些控制點,然后用RTK測量結果與這些控制點坐標進行比較,當發(fā)現(xiàn)問題時及時糾正。

2)電臺變頻檢校法—在測區(qū)內(nèi)安置兩個以上基準站,每個基準站采用不同的頻率發(fā)送改正數(shù)據(jù),移動站利用變頻開關選擇性地接收基準站的數(shù)據(jù),從而得到兩個以上解算結果,通過比較判斷質(zhì)量高低[5]。

3)重測比較法—每次初始化成功后先重測1～2個已測坐標點,確認無誤后再進行RTK測量。

2.6 RTK+遙感影像的成圖方法

在一些測區(qū)由于高層建筑較多且較密集,對衛(wèi)星信號影像較嚴重,利用RTK很難測到,因此我們在RTK測圖的基礎上利用遙感影像對地圖進行補充和校正,能得到較好的效果。具體步驟為:

1)影像的幾何校正

獲取測區(qū)的遙感影像,利用遙感影像處理軟件,對影像圖進行幾何校正。

2)校正后的影像圖與地形圖疊加

在CASS中打開地形圖,然后按1:1比例插入柵格影像,量取影像和對應地形圖上兩點之間距離,解算比例尺。根據(jù)解算的比例尺重新插入影像,并通過移動使兩者嚴格重合。疊加后效果如圖1所示:

圖1 地形圖與影像圖疊加效果圖

3)利用疊加好的影像圖糾正和補充地形圖通過疊加后的影像可以補測RTK無法測量的區(qū)域,并對部分失真地形圖進行糾正,效果如圖2所示:

圖2 利用遙感影像補充的部分地形圖

3 結 論

實驗表明RTK測量精度較高,能夠滿足控制測量和大比例測圖要求。對于RTK測圖中存在的誤差,通過質(zhì)量控制的方法可很好地解決。但是在房角或周圍有較高建筑物的區(qū)域,由于信號遮蔽,只能得到單點解或差分解,不能滿足測圖精度需要,為了彌補這種缺陷,可利用遙感影像進行補測和糾正,這樣既充分發(fā)揮了 RTK測圖的優(yōu)點,又解決了其在測圖中存在的不足,可極大提高測圖的效率。

[1]李英冰,徐紹銓.利用RTK進行數(shù)字化測圖的經(jīng)驗總結[J].全球定位系統(tǒng),2005,30(5):30-34.

[2]李慶龍.淺談GPS實時動態(tài)定位原理及應用[J].中國無線電,2007(6):47-51.

[3]潘純建.RTK技術在圖根控制測量中的應用[J].地礦測繪,2007,23(1):30-32.

[4]GEOFFREY B.GPS data Processing Methodology:From Theory to Application[J].GPS For Geodesy,Spring-Verlag,Berlin,1998:231-270.

[5]胡 奎,黎 曦,胡伍生等.GPS-RTK測量結果的精度分析[J].現(xiàn)代測繪,2007(3):3-4.