GPS—RTK聯(lián)合全站儀數(shù)字化測圖技術(shù)研究
——以內(nèi)蒙古赤峰市為例

張愛民 方民 薛永軍

1、內(nèi)蒙古自治區(qū)測繪院；2、內(nèi)蒙古自治區(qū)測繪事業(yè)局

GPS—RTK聯(lián)合全站儀數(shù)字化測圖技術(shù)研究
——以內(nèi)蒙古赤峰市為例

張愛民1方民2薛永軍1

1、內(nèi)蒙古自治區(qū)測繪院；2、內(nèi)蒙古自治區(qū)測繪事業(yè)局

介紹了GPS—RTK聯(lián)合全站儀的工作原理與方法，以內(nèi)蒙古赤峰市為例，依據(jù)GPS—RTK、全站儀等儀器設(shè)備，結(jié)合已有的控制資料和地形圖資料，選用差分后處理測量模式在內(nèi)蒙古赤峰市市區(qū)實(shí)施了1：500數(shù)字測圖，將測圖成果與現(xiàn)有地形圖數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較，系統(tǒng)分析了數(shù)據(jù)偏差原因。本文的研究表明，本文所選用的儀器設(shè)備和作業(yè)模式獲取的測圖成果，能夠滿足1:500數(shù)字測圖需要。GPS應(yīng)用于數(shù)字測圖是完全可行的，利用GPS不僅可以獲取所需精度的定位結(jié)果，還可以利用接收機(jī)內(nèi)置電腦輸入并存儲對象的屬性信息，直接滿足GIS建庫需要。若需要更優(yōu)的測圖成果，可以選用更高精度的測量型GPS接收機(jī)以及能夠提供更高精度的作業(yè)模式。

GPS—RTK；聯(lián)合全站儀測圖；精度分析

GPS技術(shù)的迅速發(fā)展使得GPS 技術(shù)不僅在大地測量、工程測量、航空攝影測量、城市測量等測繪領(lǐng)域得到了應(yīng)用，而且在軍事、交通、資源、通信、管理等領(lǐng)域展開了研究并得到廣泛應(yīng)用。科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步推動了計算機(jī)技術(shù)與信息技術(shù)的發(fā)展，使得傳統(tǒng)的測繪技術(shù)和方法得到進(jìn)一步完善，推動了GPS定位技術(shù)與數(shù)字測圖的結(jié)合發(fā)展。基于GPS的野外數(shù)字測圖，測定的圖根點(diǎn)、碎部點(diǎn)的坐標(biāo)和高程較為準(zhǔn)確。與傳統(tǒng)的測圖方法相比，優(yōu)勢在于工作效率比較高、工作人員減少了、數(shù)據(jù)精度較高，而且在測量過程中不受通視條件限制。目前，傳統(tǒng)的地形測量已經(jīng)逐步淡出市場，取而代之的是數(shù)字測圖，數(shù)字測圖不僅作為獲取空間屬性數(shù)據(jù)的技術(shù)方法之一，而且已經(jīng)成為地理信息產(chǎn)業(yè)的重要組成部分。 本文選取內(nèi)蒙古自治區(qū)赤峰市測區(qū)作為研究區(qū)，進(jìn)行基于GPS的GIS數(shù)字測圖研究。

1 GPS—RTK的工作原理

1.1 GPS—RTK的工作原理

GPS—RTK的工作原理是在兩臺接收機(jī)間加上一套無線電通信系統(tǒng)，將相對獨(dú)立的接收機(jī)連成一個有機(jī)的整體；基準(zhǔn)站把接收到的偽距、載波相位觀測值和基準(zhǔn)站的一些信息（如基準(zhǔn)站的坐標(biāo)和天線高等）都通過通信系統(tǒng)傳送到流動站；流動站在接收衛(wèi)星信號的同時，也接收基準(zhǔn)站傳送來的數(shù)據(jù)并進(jìn)行處理：將基準(zhǔn)站的載波信號與自身接收到的載波信號進(jìn)行差分處理，即可實(shí)時求解出兩站間的基線向量，同時輸入相應(yīng)的坐標(biāo)，轉(zhuǎn)換參數(shù)和投影參數(shù)，即可求得實(shí)用的未知點(diǎn)坐標(biāo)。

在GPS—RTK的動態(tài)定位中，要實(shí)時確定流動接收機(jī)所在的位置的坐標(biāo)，其計算程序如下：

1）流動站好首先進(jìn)行初始化：靜態(tài)觀測若干歷元，快速確定整周未知數(shù)，這一過程即為初始化過程；

2）流動站將接收機(jī)的載波相位觀測值和基準(zhǔn)站的載波相位觀測值進(jìn)行差分處理，類似靜態(tài)觀測的數(shù)據(jù)處理，即將求出的整周未知數(shù)代入雙差模型，實(shí)時求解出基線向量；

4）利用當(dāng)?shù)刈鴺?biāo)系與WGS-84地心坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換參數(shù)（七參數(shù)），就可得到當(dāng)?shù)刈鴺?biāo)系的空間直角坐標(biāo)：

當(dāng)然，也可以將流動站的WGS-84地心坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為實(shí)用的二維平面直角坐標(biāo)。

一般轉(zhuǎn)換參數(shù)未知，則可利用公共點(diǎn)的兩套坐標(biāo)代入上式，反求出轉(zhuǎn)換參數(shù)，再用上式求出非重合點(diǎn)的坐標(biāo)。

1.2 GPS—RTK測量的基本工作方法

1）在基準(zhǔn)站安置GPS接收機(jī)，進(jìn)行基準(zhǔn)站設(shè)置；

2）進(jìn)行流動站設(shè)置；

3）在至少3個公共點(diǎn)，求GPS坐標(biāo)與使用坐標(biāo)系間的轉(zhuǎn)換參數(shù)（有的稱為點(diǎn)校正）；

4）實(shí)測流動點(diǎn)坐標(biāo)，將其與檢測點(diǎn)的已經(jīng)坐標(biāo)進(jìn)行對比，之差應(yīng)在允許范圍內(nèi)；

5）流動接收機(jī)繼續(xù)進(jìn)行未知點(diǎn)的測量工作。

2 GPS—RTK聯(lián)合全站儀測圖

2.1 聯(lián)合測圖的工作原理

碎部點(diǎn)測量應(yīng)充分利用圖內(nèi)的GPS網(wǎng)點(diǎn)、圖根點(diǎn)，因地形條件、通視等情況影響，利用圖根點(diǎn)設(shè)置測站，其密度仍不能滿足測圖要求時，可按需要增補(bǔ)少量的測站點(diǎn)（支站）。各種地形、地物要素的測定，以GPS —RTK和全站儀實(shí)測的方法進(jìn)行，當(dāng)采用全站儀測量時，碎部點(diǎn)坐標(biāo)測量可采用極坐標(biāo)法、高程采用三角高程測量，配以量距法和交會法等。

在進(jìn)行作業(yè)時，可利用原1:1000地形圖的噴繪圖作為工作草圖。但原有的1:1000地形圖數(shù)據(jù)絕對禁止利用。設(shè)站時，儀器對中誤差不應(yīng)大于0.5mm，照準(zhǔn)一已知點(diǎn)作為起始方向，觀測另一已知點(diǎn)作為檢核，檢核點(diǎn)平面位置誤差不應(yīng)大于圖上0.2mm。檢查另一測站高程，其較差不應(yīng)大于0.2m，儀器高、覘標(biāo)高應(yīng)量至毫米。高程注記點(diǎn)的密度為每格10～25個，高程注記至0.01米。采集數(shù)據(jù)時，在全站儀上可直接儲存坐標(biāo)。測距長度和高程注記點(diǎn)間距見表1。 地貌變化較大的地區(qū)應(yīng)適當(dāng)加密。數(shù)據(jù)采集所生成的數(shù)據(jù)文件每天應(yīng)及時下載存盤，并做備份。

表1 野外數(shù)據(jù)采集技術(shù)要求

2.2 地形圖繪制

采用南方CASS 2008測量繪圖軟件進(jìn)行編輯處理，該軟件為AUTOCAD 平臺。每個元素定義相應(yīng)的層、顏色值，線型庫、符號庫使用統(tǒng)一規(guī)定的格式，作業(yè)員不得隨意進(jìn)行變更，輸出與圖形一致的（DWG格式）圖形數(shù)據(jù)。具體技術(shù)要求如下：

1）圖形文件名應(yīng)與圖號一致。每一幅圖為一個圖形文件，其擴(kuò)展名為.dwg。

2）數(shù)字地形圖分層按軟件要求執(zhí)行。

3）注記位置按《圖式》要求執(zhí)行，注記字體大小按軟件自動生成為準(zhǔn)，不做改動。

4）圖內(nèi)公里網(wǎng)繪制十字線，十字線大小為10mm×10mm。

5）等高線遇各種注記、獨(dú)立符號時應(yīng)斷開0.3mm；遇雙線道路、雙線河渠、沖溝、路堤、路塹、圍墻符號時繪至符號邊線。

6）各類符號按《圖式》要求配置，符號間關(guān)系要合理，不得互相壓蓋，各符號間距離不得小于0.3mm。

7）圖廓應(yīng)采用理論值進(jìn)行生成。圖外整飾按《圖式》要求執(zhí)行，但字體大小按軟件自動生成為準(zhǔn)，不做改動。

8）地形圖表示內(nèi)容要合理。

3 GPS—RTK聯(lián)合全站儀測圖實(shí)例

3.1 研究區(qū)概況

赤峰市位于內(nèi)蒙古自治區(qū)東南部，地理坐標(biāo)北緯41°17′10″～45°24′15″，東經(jīng)116°21′07″～120°58′52″。東、東南與通遼市和遼寧省朝陽市毗鄰，西南與河北承德接壤，西和北部與錫林郭勒盟相連。本次作業(yè)坐標(biāo)系統(tǒng)采用1985國家高程基準(zhǔn)和赤峰市獨(dú)立坐標(biāo)系，該測區(qū)中央子午線為117度，帶號39，采用數(shù)字化實(shí)測的方法構(gòu)筑1:500比例尺地形圖。行政隸屬于赤峰市松山區(qū)、紅山區(qū)。該測區(qū)屬平地、丘陵地段，屬中溫帶半干旱大陸性內(nèi)陸季風(fēng)氣候，晝夜溫差大，最大凍土層深度為1.8米。年平均氣溫6～7℃,年平均降水量340～420毫米，多集中在7～9月份，無霜期145天，平均海拔約600米。

3.2 測量成果分析

由于赤峰市測區(qū)面積較大，本次測量成果分析選取一個研究區(qū)域進(jìn)行分析。外業(yè)數(shù)據(jù)利用GPS— RTK 和全站儀進(jìn)行采集，內(nèi)業(yè)主要是通過計算機(jī)及相應(yīng)南方CASS繪圖軟件系統(tǒng)對采集來的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)的預(yù)處理，形成最終的成果圖。通過相關(guān)的平差軟件檢驗(yàn)本次測量數(shù)據(jù)的合理性，并將1:500的測圖成果與現(xiàn)有1:1000地形圖數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較分析。

研究區(qū)域的圖根點(diǎn)數(shù)據(jù)及其成果圖見圖1。通過數(shù)據(jù)平差軟件對地物點(diǎn)平面和高程誤差進(jìn)行檢測，成果圖完全可以滿足測圖精度要求。

圖1 研究區(qū)成果圖

4 結(jié)論與建議

本文探討了GPS應(yīng)用于數(shù)字測圖的原理和方法，對基于GPS技術(shù)的數(shù)字測圖方法進(jìn)行了系統(tǒng)的分析和總結(jié)，并闡述了GPS作業(yè)模式的選取、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理等關(guān)鍵問題。GPS—RTK的技術(shù)的出現(xiàn)，使得地形圖測量的傳統(tǒng)做法“先控制，再測圖”改變?yōu)椤耙徊椒ā弊詣踊瘮?shù)字成圖，減少了手工操作程序，提高了工作效率。本文使用GPS—RTK、全站儀等儀器和南方CASS測圖軟件，結(jié)合已有的控制資料和地形圖資料，選用差分后處理測量模式在內(nèi)蒙古赤峰市市區(qū)實(shí)施了1：500數(shù)字測圖，將測圖成果與現(xiàn)有地形圖數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較，并且分析了數(shù)據(jù)偏差原因。通過研究得到以下結(jié)論和建議。

4.1 結(jié)論

（1）利用GPS-RTK 聯(lián)合全站儀數(shù)字化地圖容易掌握、科技含量高、功能強(qiáng)大、可以實(shí)現(xiàn)測繪一體化，大大減輕了測繪工作人員的工作強(qiáng)度，減少了成本費(fèi)用，提高了作業(yè)效率和測繪精度。

（2）利用GPS-RTK 作業(yè)不需要作圖根點(diǎn)控制，主要架設(shè)好基準(zhǔn)站，進(jìn)行點(diǎn)校正后就可以施測。GPS-RTK 一般只需要1～2個作業(yè)人員，而且測圖采集數(shù)據(jù)點(diǎn)僅需3秒左右，這就使得工作效率大大提高。

（3）CASS測圖系統(tǒng)的出現(xiàn)使得測圖工作人員淘汰了傳統(tǒng)的圖板，利用CASS繪圖軟件也可以直接準(zhǔn)確地讀取全站儀測量出的坐標(biāo)、方位和高程，取代了傳統(tǒng)從圖上量取數(shù)據(jù)的方法。

（4）CASS測圖系統(tǒng)在外業(yè)采集數(shù)據(jù)時，利用全站儀自動測量角度、測量距離，自動測算出三維坐標(biāo)并且自動存儲于儀器中，為內(nèi)業(yè)處理保證了測量的精度，消除了原來由于人為操作產(chǎn)生的誤差，而且外業(yè)工作省略了讀數(shù)、計算、展點(diǎn)、繪圖等工序，同時也減少了作業(yè)人員，縮短了外業(yè)工作時間，大大提高了工作效率，降低了生產(chǎn)成本大。能夠測量到的點(diǎn)盡量實(shí)測，盡量避免用皮尺量取。因?yàn)橛萌緝x所測量的速度遠(yuǎn)高于皮尺量取所的速度，而且精度也會高些。

4.2 建議

（1）GPS-RTK 的基準(zhǔn)站不僅應(yīng)該架設(shè)在地勢較高、視野開闊的地方，而且還要避免電磁干擾源，為了滿足測圖精度的要求流動站距基準(zhǔn)站控制最好在6千米之內(nèi)。

（2）測量成果的可靠性作業(yè)中調(diào)用轉(zhuǎn)換參數(shù)時，要先進(jìn)行已知點(diǎn)的檢核防止假值，粗差情況的發(fā)生，校差符合要求后方可開測，確保測量成果正確。

（3）測量等高線時，為了滿足計算機(jī)建模的需要，除了測量特征線之外，還應(yīng)該盡量多測一些加密的點(diǎn)。野外測定地貌時可以采取網(wǎng)格法和三角網(wǎng)法。為了詳盡準(zhǔn)確地反映出實(shí)際地貌，在實(shí)地測量時應(yīng)該將山脊山谷的相對位置用草圖標(biāo)繪清楚，并用測量的專業(yè)點(diǎn)號標(biāo)志。

（4）建立三角網(wǎng)時，若只考慮幾何條件，在某些區(qū)域可能會出現(xiàn)與實(shí)際地形不相符的情況，如在山脊線處可能會出現(xiàn)三角形穿入地下，在山谷線處可能會出現(xiàn)三角形懸空。為此，在構(gòu)網(wǎng)時引入地性線，并給地性線上的數(shù)據(jù)點(diǎn)編碼，優(yōu)先連接地性線上的邊，然后在此基礎(chǔ)上構(gòu)網(wǎng)。

（5）由于數(shù)字測圖的內(nèi)業(yè)處理工作是在計算機(jī)上完成的，所以如何加強(qiáng)檢核工作是承包單位所必須解決的問題，特別是在測區(qū)遠(yuǎn)離內(nèi)業(yè)地點(diǎn)時，必須要有設(shè)計一定的補(bǔ)救措施。

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10.3969/j.issn.1001-8972.2011.11.048