GPS RTK技術(shù)在地籍測(cè)量中的應(yīng)用

廣西師范學(xué)院 韓世靜

中國冶金地質(zhì)總局中南局南寧地質(zhì)調(diào)查所 苗書鋒

徠卡測(cè)量新技術(shù)應(yīng)用專欄

GPS RTK技術(shù)在地籍測(cè)量中的應(yīng)用

廣西師范學(xué)院 韓世靜

中國冶金地質(zhì)總局中南局南寧地質(zhì)調(diào)查所 苗書鋒

一、概 述

地籍測(cè)量常規(guī)的作業(yè)方法是先采用全站儀導(dǎo)線測(cè)量布設(shè)控制點(diǎn)，然后進(jìn)行碎部測(cè)量。但這種方法由于經(jīng)常受到起算控制點(diǎn)密度、測(cè)站間的通視條件等因素的影響，不僅會(huì)耗費(fèi)大量的人力和資金，而且會(huì)影響工程質(zhì)量和進(jìn)度。近些年來，隨著GPS RTK技術(shù)的進(jìn)步，它已經(jīng)廣泛應(yīng)用到測(cè)繪項(xiàng)目中。此外GPS RTK技術(shù)具有定位精度高、布點(diǎn)靈活、觀測(cè)時(shí)間短、測(cè)站間無需通視、操作簡便及全天候作業(yè)等優(yōu)點(diǎn)，并顯著提高了工作效率和經(jīng)濟(jì)效益，因此GPS RTK技術(shù)被廣泛地應(yīng)用在地籍測(cè)量項(xiàng)目中。

二、GPS RTK的基本原理

1.GPS RTK技術(shù)工作原理

GPS實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量(real time kinematic，RTK)是一種基于高精度載波相位觀測(cè)值的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)差分定位技術(shù)。它利用2臺(tái)以上的GPS接收機(jī)同時(shí)接收衛(wèi)星信號(hào)，其中一臺(tái)設(shè)置在已知點(diǎn)上作為基準(zhǔn)站，并將基準(zhǔn)站坐標(biāo)、高程、坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換參數(shù)、水準(zhǔn)面擬合參數(shù)等輸入GPS手簿，其他的GPS接收機(jī)則設(shè)置為流動(dòng)站。基準(zhǔn)站與流動(dòng)站要同時(shí)跟蹤至少5顆以上的衛(wèi)星，然后基準(zhǔn)站將接收的衛(wèi)星信號(hào)通過基準(zhǔn)站電臺(tái)發(fā)送到流動(dòng)站，而流動(dòng)站則將采集到的觀測(cè)數(shù)據(jù)與基準(zhǔn)站發(fā)來的信號(hào)傳輸?shù)娇刂剖植荆M成差分觀測(cè)值，進(jìn)行實(shí)時(shí)差分處理，實(shí)時(shí)得到本站的坐標(biāo)和高程及其實(shí)測(cè)精度，并隨時(shí)將實(shí)測(cè)精度和預(yù)設(shè)精度指標(biāo)進(jìn)行比較。當(dāng)實(shí)測(cè)精度達(dá)到預(yù)設(shè)精度指標(biāo)時(shí)，手簿將提示測(cè)量人員是否接受該成果，如接受，手簿則將測(cè)得的坐標(biāo)、高程及精度同時(shí)記進(jìn)手簿。

2.坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)的求解

轉(zhuǎn)換參數(shù)的求解是RTK動(dòng)態(tài)測(cè)量的基礎(chǔ)，其精度直接影響RTK測(cè)量精度，所以選取轉(zhuǎn)換參數(shù)時(shí)要注意如下兩個(gè)方面:①測(cè)區(qū)外圍要有一定數(shù)量的高等級(jí)并經(jīng)過水準(zhǔn)聯(lián)測(cè)的控制點(diǎn)，所選公共點(diǎn)不要遠(yuǎn)離測(cè)區(qū)并要均勻分布在測(cè)區(qū)周圍，盡量把RTK的基準(zhǔn)站布設(shè)在RTK有效測(cè)區(qū)中央最高的控制點(diǎn)上;②為提高轉(zhuǎn)化精度，通常要聯(lián)測(cè)盡可能多的已知點(diǎn)，并利用最小二乘法求解轉(zhuǎn)換參數(shù)。應(yīng)用控制點(diǎn)求解轉(zhuǎn)換參數(shù)時(shí)，可以有不同的作業(yè)方式:① 基準(zhǔn)站位于已知點(diǎn)上時(shí)，將多個(gè)已知點(diǎn)的地心坐標(biāo)與相應(yīng)的當(dāng)?shù)刈鴺?biāo)輸入電子手簿中，實(shí)地虛擬聯(lián)測(cè)，解算出轉(zhuǎn)換參數(shù);②基準(zhǔn)站架設(shè)在已知點(diǎn)或未知點(diǎn)上時(shí)，流動(dòng)站依次測(cè)量各已知點(diǎn)的地心坐標(biāo)，將各已知點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的當(dāng)?shù)刈鴺?biāo)系的平面坐標(biāo)和高程輸入手簿中計(jì)算轉(zhuǎn)換參數(shù)，淘汰殘差比較大的已知點(diǎn)，從而解算出兩套坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換參數(shù)。

3.徠卡Viva GNSS

徠卡Viva GS15 GNSS接收機(jī)是徠卡公司2010年在我國市場(chǎng)上推出的一款全新的產(chǎn)品，是測(cè)量行業(yè)首款第三代GNSS接收機(jī)，并支持北斗衛(wèi)星系統(tǒng)。該儀器采用模塊化設(shè)計(jì)，通信模塊內(nèi)置在主機(jī)中，用戶自己可以進(jìn)行更換，如將電臺(tái)模塊換成GPRS模塊等;主機(jī)內(nèi)置了電臺(tái)天線和GPRS天線，是測(cè)量儀器行業(yè)首創(chuàng)的，可不接外接天線就可以使用;本儀器還采用了全新的外業(yè)軟件，界面非常的直觀和時(shí)尚，沒有太多的專業(yè)術(shù)語，以菜單引導(dǎo)，使用起來非常簡單。徠卡Viva GS15還具有測(cè)量行業(yè)最高的初始化可靠性(－99.99%)，極高的RTK測(cè)量精度靜態(tài)，RTK測(cè)量平面精度為 ±(10 mm+1× 10－6D);RTK測(cè)量高程精度為以及±(20 mm+1× 10－6D)。由于地籍測(cè)量對(duì)精度和可靠性要求較高，因此徠卡Viva GS15能很好地滿足要求。

三、案例分析

以襄陽市區(qū)地籍測(cè)量為例。本次所需測(cè)量的土地總面積約26 km2，且權(quán)屬關(guān)系復(fù)雜，權(quán)屬界址點(diǎn)數(shù)量大。為按時(shí)保質(zhì)完成此次測(cè)量任務(wù)，經(jīng)過分析研究，部分觀測(cè)條件合適的地區(qū)采用GPS RTK技術(shù)進(jìn)行本工程圖根測(cè)量及細(xì)部測(cè)量。首級(jí)控制是以國土資源局提供的四等GPS控制點(diǎn)為起算依據(jù)，在測(cè)區(qū)內(nèi)以載波靜態(tài)相對(duì)定位技術(shù)布設(shè)一級(jí)GPS控制網(wǎng)點(diǎn)，點(diǎn)與點(diǎn)之間都能滿足1或2個(gè)以上方向通視。此次測(cè)量中使用的儀器是徠卡Viva GS15。

1.控制測(cè)量

(1)轉(zhuǎn)換參數(shù)的求解

架設(shè)好基準(zhǔn)站后，先選擇測(cè)區(qū)內(nèi)及外圍的6個(gè)一級(jí)GPS點(diǎn)(高程已知，四等水準(zhǔn)精度)作為公共點(diǎn)，然后通過GPS RTK流動(dòng)站觀測(cè)，并利用隨機(jī)軟件計(jì)算地心坐標(biāo)系(WGS-84)與當(dāng)?shù)刈鴺?biāo)系的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)和高程擬合參數(shù)。參數(shù)解算完成后，檢測(cè)3個(gè)已知點(diǎn)，對(duì)比后發(fā)現(xiàn)檢查點(diǎn)觀測(cè)坐標(biāo)與已知坐標(biāo)之差最大值小于±2 cm，從而說明轉(zhuǎn)換參數(shù)的計(jì)算是正確的。

(2)圖根控制測(cè)量

求解出轉(zhuǎn)換參數(shù)后，用流動(dòng)站在圖根點(diǎn)上進(jìn)行觀測(cè)。每次觀測(cè)時(shí)，記錄當(dāng)前的觀測(cè)結(jié)果，同時(shí)輸入點(diǎn)名和天線高。對(duì)每個(gè)圖根點(diǎn)，采用不同時(shí)段進(jìn)行兩次觀測(cè)。外業(yè)結(jié)束后將觀測(cè)結(jié)果導(dǎo)入Microsoft Excel電子表格中，計(jì)算兩次觀測(cè)值的坐標(biāo)較差。本項(xiàng)目共施測(cè)RTK圖根點(diǎn)1 007個(gè)，其中11個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)較差超限，再施測(cè)第三次進(jìn)行比較，舍去較差大的那個(gè)觀測(cè)值。經(jīng)過比較，最大值為±2.822 cm，最小值為0 cm。由于兩次觀測(cè)采用了不同基準(zhǔn)站，觀測(cè)條件不相同，兩次觀測(cè)結(jié)果可看作為獨(dú)立雙觀測(cè)值，因此點(diǎn)位觀測(cè)中誤差為:±1.73 cm;同樣對(duì)兩次觀測(cè)的高程差數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算，得出高程觀測(cè)值較差中誤差為±1.61 cm。由此可見，用RTK進(jìn)行圖根控制測(cè)量，無論是平面精度還是高程精度都能很好地滿足規(guī)范要求。

2.地籍圖測(cè)繪

地籍測(cè)量是為了獲取和表達(dá)地籍信息所進(jìn)行的測(cè)繪工作。其基本內(nèi)容是測(cè)定土地及其附著物的權(quán)屬、位置、數(shù)量、質(zhì)量和利用狀況等。《城鎮(zhèn)地籍調(diào)查規(guī)程》(TD 1001—93)中對(duì)界址點(diǎn)精度的規(guī)定為:城鎮(zhèn)街坊外圍界址點(diǎn)及街坊內(nèi)明顯的界址點(diǎn)間距允許誤差為±10 cm;城鎮(zhèn)街坊內(nèi)部隱蔽界址點(diǎn)及村莊內(nèi)部界址點(diǎn)間距允許誤差為 ±15 cm。而RTK能在野外實(shí)時(shí)得到厘米級(jí)的定位結(jié)果，所以在一定的條件下，可以利用RTK進(jìn)行地形、地籍的碎部測(cè)量來代替常規(guī)的數(shù)字測(cè)圖。

野外測(cè)繪時(shí)，一人架設(shè)好基準(zhǔn)站后，可同時(shí)將若干臺(tái)GPS流動(dòng)站接收機(jī)分別進(jìn)行碎部點(diǎn)測(cè)量。RTK的采集速度非常快，由于初始化速度快(小于30 s)，并且在線運(yùn)動(dòng)過程中始終有固定解，每個(gè)碎部點(diǎn)采集時(shí)間一般不超過5 s，因此可以充分發(fā)揮RTK快速高精度定位的優(yōu)勢(shì)，大大提高了工作效率。野外結(jié)束后將數(shù)據(jù)以“點(diǎn)號(hào)，X坐標(biāo)，Y坐標(biāo)，高程”的形式存入電腦，并使用圖形處理軟件對(duì)其進(jìn)行編輯處理，最終生成數(shù)字化地形、地籍圖。

四、結(jié) 論

GPS RTK能快速、準(zhǔn)確地測(cè)定圖根點(diǎn)、碎部點(diǎn)的坐標(biāo)和高程，實(shí)時(shí)提供精度可達(dá)厘米級(jí)經(jīng)檢核的三維坐標(biāo)，為本工程如期完工提供了有力保障。為了提高測(cè)量的精度和效率，經(jīng)實(shí)踐證明，以下幾個(gè)方面需要引起重視。

1)基準(zhǔn)站位置的選擇非常重要，它將直接影響到流動(dòng)站的施測(cè)精度和測(cè)量速度。基準(zhǔn)站應(yīng)盡量架設(shè)在開闊無遮擋的高處，四周100 m內(nèi)無大的電磁波輻射源(如微波塔、高壓線、雷達(dá)裝置)，以免影響衛(wèi)星信號(hào)的接收。

2)應(yīng)根據(jù)測(cè)區(qū)的實(shí)際情況選擇合適的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)求解方法，求轉(zhuǎn)換參數(shù)時(shí)測(cè)區(qū)外圍要有3個(gè)以上的高等級(jí)并有經(jīng)過水準(zhǔn)聯(lián)測(cè)的控制點(diǎn)，且分布要均勻。

3)流動(dòng)站在測(cè)量時(shí)，圓氣泡必須嚴(yán)格居中，因?yàn)镽TK固定解是在穩(wěn)定收斂至毫米級(jí)后，開始記錄和儲(chǔ)存的。在實(shí)際操作中，RTK施測(cè)圖根控制點(diǎn)時(shí)可用三腳架對(duì)中整平來提高對(duì)中精度，并采用平滑采集模式取平均值進(jìn)一步提高觀測(cè)精度。

4)在個(gè)別高大建筑物或建筑稠密地區(qū)，GPS會(huì)出現(xiàn)盲區(qū)，影響碎部測(cè)量精度和速度，不可勉強(qiáng)作業(yè)。可以使用徠卡隱蔽點(diǎn)測(cè)量方案來進(jìn)行測(cè)量，或者采用 RTK增補(bǔ)圖根控制點(diǎn)，配合全站儀進(jìn)行測(cè)量。