地籍碎步測量幾種測量方法的集成

周 波,唐桂彬

(楊凌職業技術學院,陜西 楊凌712100)

0 引 言

地籍測量是為獲取和表達地籍信息所進行的測繪工作,是地籍調查中依法認定權屬界址和利用現狀的技術手段[1]。其主要的測量工作分為地籍控制測量和地籍碎部測量。其中,由于地籍碎部測量是對界址點和地物點坐標、地類要素的獲取,因此可采用的方法很多。其中,常規的極坐標方法要求測站點間必須通視,導致不能進行大面積的測量工作,并且需要3個工作人員以上,費事費力,效益十分低下;而攝影測量方法通常用來進行界址點坐標的加密比較方便,但其對技術要求較高,并且內業工作加大,精度控制較難;近年來,全球定位系統實時動態差分方法(GPS RTK)已經被廣泛的應用于地籍測量的各個方面,但對于一些隱蔽點,如高樓林立的城市內界址點、樹木或其他建筑物遮擋的地帶實時動態差分方法(RT K)無法采集。由此可見,單一的測量方法都存在缺陷,導致無法高效的完成地籍碎步測量。根據一些實踐的經驗,結合相關理論知識,在簡單比較不同地籍碎步測量方法的基礎之上,對GPS-RTK技術與其它地籍碎步測量方法的集成進行了深入的分析和探討。

1 地籍碎步測量的方法

1.1 常規極坐標測量方法

如圖1所示,在控制點A上架設儀器,并以控制點B定向,測量目標點P與控制點B之間的角度和目標點P與控制點A之間的距離S及垂直角,即可測定目標點的位置[2]。由于全站儀的廣泛使用,該法已成為目前獲取地籍要素的主要方法,通過直接將每個碎部點的高度角、水平角和斜距自動記錄在外業電子手簿或掌上電腦上,直接解算界址點的三維坐標。同時外業記錄各個碎步點的屬性數據,再內業通過軟件進行地籍成圖。

圖1 極坐標法

常規的極坐標測量方法主要通過經緯儀、全站儀、測距儀等來進行外業數據的采集,其共同特點要求測站點間必須通視,使得不能進行大面積的測量工作,并且需要3個工作人員以上,費事費力,效益十分低下。

1.2 攝影測量方法[3]

攝影測量法也稱航空攝影測量法,它是按航攝像片及其測制底圖獲取目標的位置。主要采用全數字攝影測量的方法求得界址點點位坐標。當界址點的數目很多,地面通視不良的情形下,采用高精度的攝影測量方法是經濟有效的。對于采用其它方法施測界址點坐標,而用航測法繪制地籍圖,更是我國當前城鎮地籍測量的主要方法之一。

攝影測量的方法雖然能減少外業的工作量,但是其內業工作比較復雜,且精度的控制較難。

1.3 GPS-RTK測量方法

由地籍調查規程所知,在地籍平面控制測量基礎上的地籍細部測量,對于城鎮街坊外圍界址點及街坊內明顯的界址點間距允許誤差為±10 cm,城鎮街坊內部隱蔽界址點及村莊內部界址點間距允許誤差為±15 cm.在進行土地征用、土地整理、土地復墾等土地勘測定界工作中,相關規程規定測定或放樣界址點坐標的精度為:相對鄰近圖根點點位中誤差及界址線與鄰近地物或鄰近界線的距離中誤差不超過±10 cm[4].因此,利用GPS-RTK測量模式能滿足上述精度要求。總之,GPS-RTK技術使精度、作業效率、實時性達到了最佳的融合,為地籍碎部測量提供了一種嶄新的測量方式。一般來說,GPS-RTK測量地籍碎步點主要工作有GPS-RTK外業數據采集和內業差分處理兩個方面。

1)利用GPS-RT K采集數據

根據地籍測量的要求,需要采集兩類數據:一是地塊的地理坐標數據;二是屬性數據如權屬、利用類型等。測量前打開GPS接收機,鎖定4顆以上衛星,進行初始化,設置設站采樣率和天線視角。當初始化完成后即可開始移動測量。另外,每測一個地物,需要同時填寫野外記錄表,詳細記錄每個地物的屬性數據。

2)內業差分處理

內業差分處理的任務是根據基準站和流動站得到的觀測量,按某種差分算法解算出移動測站在WGS84坐標系下的坐標值。一般GPS接收機都配備有差分后處理軟件,可以提供差分方法,如:位置差分、偽距靜態差分、移動差分和厘米級的載波相位差分等。

GPS RTK進行地籍碎部測量在農村或城市空曠地是可行的,在實際工作中,一臺流動站大約是一臺全站儀工作效率的1.5倍,但一些隱蔽點,如高樓林立的城市內界址點、樹木或其他建筑物遮擋的地帶,RTK無法采集。

2 GPS-RTK技術與其他測量方法集成及實例分析

上述幾種方法的比較可以看出,單一的地籍碎步測量方法都存在不同程度的缺陷。針對上述一些缺點,嘗試以下幾種解決方案:一種是采用RTK與全站儀的集成測量;另外一種則是采用RTK與激光紅外設備集成的方法;此外,還可以采用RTK與帶電荷耦合裝置的遙感相機(CCD相機)組合系統。

2.1 RTK技術與全站儀測量方法集成

1)RTK與全站儀技術實驗比較

為了考察GPS-RTK測量界址點的精度和作業特點,在某一宗地邊界上,布設了12個界址點,首先用天寶公司的GPSTrimble5700(GPS-RTK功能)施測,然后采用索佳SET系列5″級全站儀對界址點進行實測坐標測量。以比較兩種方法的點位坐標差異及宗地面積差異。

表1 界址點精度檢測統計表

由表1可見,X坐標最大差約4.49 cm,最小差約0.23 cm;Y坐標最大差約3.33 cm,最小差約0.01 cm.說明RTK測量的界址點精度是好的,能達到規范要求。

將RTK和全站儀測量的界址點坐標輸入CASS軟件,繪制出宗地圖(圖2),并計算宗地面積。通過軟件計算出S全站儀=845.6168 m2;SRTK=845.4946 m2;面積差S全站儀-SRTK=0.1222 m2,則相對誤差約為1/8180,精度良好。

比較RTK和全站儀進行的界址點測量,各有其優勢和不足。采用全站儀測定的12個界址點,從儀器架設到數據處理完畢,總共花費1個小時多,且其中10號點不通視而需采取拉皮尺交會計算。采用RT K測量,從基準站架設到數據處理完畢,總共15分鐘多,且點間不必通視,但界址點附近有障礙物則信號不佳。因此,在實際中,可考慮把GPS和全站儀集成到一起,更能提高界址點的精度。

圖2 兩種方法所測宗地圖對比

2)RT K技術與全站儀的集成

將電子全站儀(TPS)和GPS集成一起的測繪系統 HD-STGPS(Huada-superTotal Station Global Positioning System,簡稱HD-STGPS),也簡稱為超站儀定位系統SPS(Super-total Station Positioning System,簡稱SPS)。超站儀定位系統由參考站(GPS接收機和電臺)、流動站(GPS,T PS,電臺、計算機)、反射棱鏡構成[3]。它具有全球定位系統的功能,又具有全站儀的功能,能取長補短,優勢互補,是一種典型的多傳感器集成系統,具有測角、測距和位置、基線和方向的測量。該系統可實時地得到測站點、定向點的應用坐標,控制測量與碎部測量同時進行,所實現的無加密控制的即用即測作業模式,是對傳統測繪模式的革命性改造。

STGPS系統最大的優點就是即用即測功能。如圖3所示,其作業模式是,先采用GPS作測區首級控制,無需再做任何加密控制,然后在已知點(參考站)架設STGPS主接收機,在測站(流動站,距參考站一般控制在10 km以內)上架設電子全站儀和STGPS副接收機采集數據,直接傳到便攜機上,由便攜機解算出主、副站間的基線向量[5]。在GPS測量同時,在測站不但可以用全站儀補充測量GPS難以精確測得的點,而且全站儀也可以單獨工作測定與測站通視的碎步點。

圖3 HD-STGPS的構成

2.2 RTK與激光測距儀的集成

RTK可以直接同手持式激光紅外測距儀或激光定位儀等設備相接,測量、計算并存儲 RTK不能觀測的隱蔽點,基本上能解決因點位隱蔽不能接收衛星信號或者GPS不能設站的問題,并且儀器輕便,便于攜帶和更替。

將手持式激光測距儀裝置在RKT接收天線的下方,保持測距儀儀器中心與天線中心在同一垂直線上,如圖4所示。對RTK天線不能靠近或接收機不能接收信號的點P,在己知點(控制點或RTK獲取的點)A、B,對觀測點P采用激光測量,可以立即測量到P點的斜距L2、L3,則可以求得水平距離為

式中,h為手持式測距儀的儀器高,通過A、B兩點坐標可以計算出兩點間距離S1。通過邊長交會法解算出觀測點P的坐標[6]。

這種集成系統,不僅儀器輕巧便捷,并且能做到RTK和激光測距設備同時工作,比如RT K在A、B兩點測量點位坐標同時,手持式激光測距儀可以對P點測距,不僅解決了因衛星信號不好不能測量的問題,而且速度快,效率高。

2.3 RTK與CCD相機的集成

另一方面,考慮到GPS-RTK的局限性,對于因為信號問題RTK無法測量的點,也可采用普通數碼相機進行近景攝影測量。影像內共攝入13個點,其中有7個是己知點,作為攝影測量的控制點,其它6個點為待測點,通過相關軟件處理獲取這6個界址點坐標,并用全站儀檢測這幾個界址點的坐標。

圖4 RTK與手持式激光測距儀集成作業圖

表2 CCD測量界址點精度統計表

由表2可以看出,X最大差約為3.1 cm,最小差約為0.1 cm;Y最大差約為1.9 cm,最小差約為0.1 cm;Z最大差約為0.7 cm,最小差約為0.1 cm.說明CCD測量的精度是很好的,可以作為RTK測量的補充方法。

RTK和CCD相機的集成是在RTK接收天線上安裝一個高分辨率CCD相機,保持相機中心與天線中心在同一垂直線上,并通過電纜線使CCD相機和計算機相連。CCD相機內的圖像傳感器具有光電轉換的功能,它以電荷為信號,其工作過程就是電荷的產生、存儲和轉移。如圖5所示,當RTK無法量測P點,采用CCD相機對目標點成像,獲取左像片和右像片,通過計算機內的相關軟件處理可以獲取影像范圍內各點坐標。

圖5 RTK與CCD相機集成系統

采用RTK和CCD相機集成系統,價格經濟,攜帶便捷,在地籍碎部測量中不僅能彌補RTK因信號屏蔽的不足,而且可以在RTK進行測量的同時,CCD相機獲取實地影像。在地籍管理中,實地影像資料還可以作為產權登記、判別土地類別等方面的有利資料。

但普通CCD相機測量時,需要至少6個以上控制點,且均要通視,而且各點上要做醒目而清晰的標志,準備工作比較復雜,同樣對隱蔽點也無法量測。

3 結 論

探討了地籍碎步測量中多種測量方法的集成。通過對GPS-RT K和全站儀、CCD相機系統的集成實驗,可以得出以下結論:

1)通過闡述地籍碎步測量的方法,可以看出不管是常規的極坐標方法、攝影測量方法或者新型的GPS RTK測量方法都存在不同程度的缺陷;

2)RTK技術和全站儀比較可知,RTK技術能完全滿足地籍碎步測量的精度要求,且精度良好;

3)針對RTK技術的缺點,提出集成了全站儀的RTK技術-HD-STGPS系統,它不但能滿足地籍碎步測量的精度要求,而且RTK和全站儀結合進行,可以大大提高外業工作的效率;

4)手持激光測距儀和CCD相機系統可以作為RTK技術的有益補充。在實際的外業工作中,由于手持式激光測距儀使用相對比較簡單,而且內業計算的工作量較少,且精度能滿足實際地籍測量要求,因此,相對而言,RTK技術與手持式激光測距儀的集成有更大的應用范圍和推廣價值。

[1] 詹長根.地籍測量學[M].武漢:武漢大學出版社,2001.

[2] 彭 琳.全球定位系統在地籍測量中的應用[D].武漢:武漢大學,2004.

[3] 吳風華.GPS在地籍測量中的應用研究:[D].武漢:武漢大學,2003.

[4] 周 波.基于MAPGIS的中小型城鎮地籍管理信息系統研究[D].贛州:江西理工大學,2009.

[5] 劉愛輝.GPS-RTK配合全站儀數字測圖技術的應用[J].交通標準化,2009(17):159-160.

[6] 黃 鵬.GPS技術在地籍測量中的應用研究[J].價值工程,2010(24):224.