網(wǎng)絡(luò)RTK在北京市礦業(yè)權(quán)實地核查中的應(yīng)用

楊春宇 ,王志強 ,紀(jì)銀曉

(1.北京市一零一地質(zhì)大隊,北京 101500;2.中國礦業(yè)大學(xué)(北京),北京 100083)

0 引言

網(wǎng)絡(luò)RTK系統(tǒng)的可靠性遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于單機RTK系統(tǒng).單機RTK系統(tǒng)的可靠性取決于單個參考站,若該參考站出現(xiàn)問題,其覆蓋的區(qū)域就會成為服務(wù)盲區(qū),甚至是錯誤服務(wù)區(qū).而在網(wǎng)絡(luò)RTK方式,系統(tǒng)的可靠性不是由單個站而是由整個GPS參考站網(wǎng)絡(luò)來維護(hù)的,因此單個參考站即使出現(xiàn)問題也很容易被發(fā)現(xiàn),不會導(dǎo)致數(shù)據(jù)被錯誤地使用;而要提高系統(tǒng)的容錯性,保持網(wǎng)絡(luò)的有效覆蓋也只需要在網(wǎng)絡(luò)中增加很少的備用參考站,這在單機RTK系統(tǒng)中代價將是十分昂貴的.

截止2009年6月30號北京市共有有效礦權(quán)375個,分布在北京市的18個區(qū)縣(合并后為16個區(qū)縣).要在一年內(nèi)完成全部核查工作.如果采用靜態(tài)GPS控制測量+全站儀碎步測量的傳統(tǒng)測量模式,將難以按期完成實地核查工作.針對時間緊、人員有限、礦權(quán)分布廣泛這一特點,我們決定利用北京市已建成的CORS系統(tǒng),率先在全國范圍內(nèi)應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)進(jìn)行礦業(yè)權(quán)實地核查的測量工作.

1 網(wǎng)絡(luò)RTK原理與技術(shù)方法

1.1 CORS系統(tǒng)

連續(xù)運行參考站系統(tǒng)(Continuous Operational Reference System,簡稱CORS)是網(wǎng)絡(luò)RTK系統(tǒng)的基礎(chǔ)設(shè)施,也是網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)的具體應(yīng)用.CORS系統(tǒng)可以定義為一個或若干個固定的、連續(xù)運行的GPS參考站,利用現(xiàn)代計算機、數(shù)據(jù)通信和互聯(lián)網(wǎng)(LAN/ WAN)技術(shù)組成的網(wǎng)絡(luò),實時地向不同類型、不同需求、不同層次的用戶自動地提供經(jīng)過檢驗的不同類型的GPS觀測值(載波相位、偽距),各種改正數(shù)、狀態(tài)信息,以及其它有關(guān)GPS服務(wù)項目的系統(tǒng).

CORS主要由以下幾個子系統(tǒng)構(gòu)成:控制中心、固定參考站、數(shù)據(jù)通訊和用戶部分.

(1)控制中心

控制中心是整個系統(tǒng)的核心,既是通訊控制中心,也是數(shù)據(jù)處理中心.它通過通訊線(光纜,ISDN,電話線等)與所有的固定參考站通訊;通過無線網(wǎng)絡(luò)(GSM、CDMA、GPRS等)與移動用戶通訊.由計算機實時系統(tǒng)控制整個系統(tǒng)的運行,所以控制中心的軟件既是數(shù)據(jù)處理軟件,也是系統(tǒng)管理軟件.

(2)固定參考站

固定參考站是固定的GPS接收系統(tǒng),分布在整個網(wǎng)絡(luò)中,一個CORS系統(tǒng)可包括無數(shù)個站,但最少要3個站,站與站之間的距離可達(dá)70km(傳統(tǒng)高精度GPS網(wǎng)絡(luò),站間距離不過10～20km).固定站與控制中心之間有通訊線相連,數(shù)據(jù)實時地傳送到控制中心.

(3)數(shù)據(jù)通訊部分

CORS的數(shù)據(jù)通訊包括固定參考站到控制中心的通訊及控制中心到用戶的通訊.參考站到控制中心的通訊網(wǎng)絡(luò)負(fù)責(zé)將參考站的數(shù)據(jù)實時地傳輸給控制中心;控制中心和用戶間的通訊網(wǎng)絡(luò)是指如何將網(wǎng)絡(luò)校正數(shù)據(jù)送給用戶.一般來說,網(wǎng)絡(luò)RTK系統(tǒng)有兩種工作方式:單向方式和雙向方式.在單向方式下,只是用戶從控制中心獲得校正數(shù)據(jù),而所有用戶得到的數(shù)據(jù)應(yīng)該是一致的,如主輔站技術(shù)MAX;在雙向方式下,用戶還需將自己的粗略位置(單點定位方式產(chǎn)生)報告給控制中心,由控制中心有針對性地產(chǎn)生校正數(shù)據(jù)并傳給特定的用戶,每個用戶得到的數(shù)據(jù)則可能不同,如虛擬參考站VRS技術(shù).

(4)用戶部分

用戶部分就是用戶的接收機,加上無線通訊的調(diào)制解調(diào)器及相關(guān)的設(shè)備.

圖1是CORS系統(tǒng)的工作流程示意圖.

圖1 CORS系統(tǒng)的工作流程

1.2 北京市網(wǎng)絡(luò)RTK采用的技術(shù)方法

RTK(Real Time Kinematic)技術(shù)是GPS實時載波相位差分的簡稱.這是一種將GPS與數(shù)傳技術(shù)相結(jié)合,實時解算進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,在1～2s的時間里得到高精度位置信息的技術(shù).網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)依靠網(wǎng)絡(luò)將基準(zhǔn)站連接到計算中心,聯(lián)合若干參考站數(shù)據(jù)解算或消除電離層、對流層等影響,以提高RTK定位可靠性和精度.目前網(wǎng)絡(luò)RTK的技術(shù)方法主要有虛擬參考站技術(shù)(VRS)、區(qū)域改正參數(shù)方法(FKP)、主輔站技術(shù)、綜合誤差內(nèi)插法等.在北京市礦業(yè)權(quán)實地核查工作中,我們應(yīng)用的是虛擬參考站技術(shù)方法,進(jìn)行礦區(qū)的控制測量和部分碎步測量工作.

VRS(Virtual Reference System)的意思是虛擬參考站,它所代表的是GPS的網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù).它通過與流動站相鄰的各個參考站之間的基線計算估計各項誤差,中心控制站根據(jù)三角形插值方法建立一個對應(yīng)于流動站點位的虛擬參考站(VRS),將這個虛擬參考站的改正數(shù)信息傳輸給流動站,然后流動站結(jié)合自身的觀測值實時解算出流動站的精確點位.服務(wù)區(qū)內(nèi)每一個流動站對應(yīng)著一個不同的VRS參考站;所以,存在許許多多個VRS參考站.由于VRS參考站發(fā)送的是正常格式的RTCM信息,因而流動站并不需要知道參考站所用的參數(shù)模型.

目前世界各國的網(wǎng)絡(luò)RTK系統(tǒng)多采用應(yīng)用比較廣泛的VRS技術(shù),該技術(shù)經(jīng)過十年的提高完善已形成實用化、商品化的技術(shù)和軟件系統(tǒng).與常規(guī)RTK定位技術(shù)相比,VRS技術(shù)對電離層、對流層等改正考慮較好、定位可靠性和精度較高、作用范圍較大,同時最大程度地保護(hù)了用戶的設(shè)備投入.由于該技術(shù)的顯著優(yōu)點,現(xiàn)已成為世界上應(yīng)用最普遍、最成功的網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)之一.見網(wǎng)絡(luò)RTK(VRS)技術(shù)示意圖(圖2)

圖2 網(wǎng)絡(luò)RTK(VRS)技術(shù)示意圖

2 網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)應(yīng)用實例分析

2.1 北京市礦業(yè)權(quán)核查工作簡介

礦業(yè)權(quán)實地核查工作主要包括核查準(zhǔn)備、野外實測、問題分析與處理、成果編制與驗收、成果匯總、全國礦業(yè)權(quán)管理信息系統(tǒng)建設(shè)、全國礦業(yè)權(quán)核查成果綜合分析等內(nèi)容.其中野外實測指的是以室內(nèi)整理更新后的探礦權(quán)、采礦權(quán)登記數(shù)據(jù)庫為依據(jù),以單個礦業(yè)權(quán)為基本單元,通過實測探礦權(quán)勘查工程空間分布和采礦權(quán)開拓工程空間分布,獲取礦業(yè)權(quán)人勘察開采活動的二維或三維坐標(biāo),與勘察許可證、采礦許可證上的坐標(biāo)進(jìn)行對比,并將實測的分布范圍投影到平面圖上,繪制形成探礦權(quán)勘查工程、采礦權(quán)開拓工程平面圖,確定礦業(yè)權(quán)的實際范圍是否在法定許可范圍內(nèi),同時對礦業(yè)權(quán)其他相關(guān)數(shù)據(jù)一并核查,獲得全面、真實、可靠的礦業(yè)權(quán)基本數(shù)據(jù).

2.2 東城區(qū)花市棗苑小區(qū)地?zé)衢_采實例分析

(1 )北京市CORS系統(tǒng)基站分布

根據(jù)北京市的實際情況和相關(guān)規(guī)定,我單位利用北京市已建成的CORS系統(tǒng),應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)進(jìn)行北京市礦業(yè)權(quán)實地核查的測量工作.北京市CORS系統(tǒng)分布如圖3所示.

圖3 北京市CORS系統(tǒng)基站分布

(2)花市棗苑小區(qū)地?zé)衢_采原始數(shù)據(jù)及其精度

在北京市東城區(qū)花市棗苑小區(qū)地?zé)衢_采實際測量中,我們首先在視野開闊、無高大建筑物遮擋、無電線電纜等無法造成信號干擾的地方選取點位進(jìn)行標(biāo)識埋點,通過對基座對中整平之后,裝上GPS接收機,連結(jié)網(wǎng)絡(luò),進(jìn)行觀測.每個控制點采取兩次以上不同時段觀測,最后選取最優(yōu)數(shù)據(jù)作為控制點成果.上述一系列操作的目的是盡可能使各種外界因素引起的誤差減小到最小.該礦區(qū)在引入了GPS1、GPS2兩個控制點之后,仍然采用網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)通過單臺移動站對一些碎步點進(jìn)行測量,部分測量數(shù)據(jù)如表1所示,控制點平面坐標(biāo)中誤差小于3mm,高程中誤差小于5mm,精度完全符合要求.碎步點觀測時由于外界因素干擾造成測量精度有一定下降,但是通過下表可以看出碎步點的平面坐標(biāo)中誤差不超過3cm,高程中誤差不超過5cm,也完全符合本次核查的精度要求.

表1 花市棗苑小區(qū)地?zé)衢_采部分原始數(shù)據(jù)表

(3) 花市棗苑小區(qū)地?zé)衢_采平面圖繪制

野外實測完成之后,首先將兩個GPS控制點原始數(shù)據(jù)發(fā)送至北京市測繪院進(jìn)行解算,將WGS-84坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為1980西安坐標(biāo),之后利用兩個已知控制點和相鄰礦區(qū)已有的控制成果,形成足夠的坐標(biāo)點對,進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)解算,根據(jù)求出的參數(shù)可對其余碎步點的坐標(biāo)進(jìn)行轉(zhuǎn)換,轉(zhuǎn)換后的坐標(biāo)經(jīng)過校驗最大差值不超過1cm,符合精度要求.原始數(shù)據(jù)處理完畢之后,我們利用全國項目辦提供的礦業(yè)權(quán)核查繪圖軟件繪制了該采礦權(quán)開拓工程平面圖(圖4),紅色邊框區(qū)域表示根據(jù)許可證核發(fā)的拐點坐標(biāo)繪制的井位許可范圍,由圖可知,該地?zé)峋奈恢迷诜ǘㄔS可范圍之內(nèi).

圖4 花市棗苑小區(qū)地?zé)衢_采平面圖

3 結(jié)語

網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)在北京市礦業(yè)權(quán)實地核查工作中發(fā)揮了重要的作用,不僅節(jié)省了人力、物力,而且提高了精度、可靠性和工作效率,滿足了項目工作需要.通過應(yīng)用,我們認(rèn)為:

(1)應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)可以大幅度提高工作效率.在本次核查中,使用網(wǎng)絡(luò)RTK只需1～2人一組即可,與以往使用全站儀測量4～5人一組相比減少了大量人力投入.

另外,在一定的精度范圍內(nèi),網(wǎng)絡(luò)RTK對于靜態(tài)GPS控制測量的替代性及其快速定位的特點,使核查的工作效率大大提高.

(2)利用北京市建成的CORS系統(tǒng),在外業(yè)測量過程中單臺GPS接收機即可完成全部外業(yè)測量任務(wù),與傳統(tǒng)RTK架設(shè)基站和移動站的模式相比大大減少了設(shè)備的投入,節(jié)約了核查經(jīng)費.但是使用網(wǎng)絡(luò)RTK時,要產(chǎn)生一定的網(wǎng)絡(luò)費和流量費,在碎步測量上,如果測區(qū)較大,長時間使用會使費用較高,此時不宜采用該方法.

(3)目前網(wǎng)絡(luò)RTK仍然是應(yīng)用在局域的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),而各區(qū)域的RTK網(wǎng)絡(luò)能否組合起來構(gòu)成一個分級的、覆蓋全國的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)還有待發(fā)展.另外,像大氣誤差改正模型預(yù)測算法和基站與測站相關(guān)誤差的消除方法等網(wǎng)絡(luò)RTK改正信息的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)還值得多加關(guān)注.

[1] 章 瓊, GPS網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)及其應(yīng)用現(xiàn)狀分析,吉林水利第4期, 2009年4月.

[2] 張 健, GPSRTK測量技術(shù)的應(yīng)用與體會,中國新技術(shù)新產(chǎn)品,2009年.8.

[3] 陳永剛等,網(wǎng)絡(luò)RTK在工程測量中的應(yīng)用,大壩與安全2004增刊.

[4] 王 平, 虛擬參考站--GPS網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù),測繪通報,2001年增刊.

[5] 生仁軍等, GPS--網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)研究及其應(yīng)用,港口科技?信息化技術(shù).

[6] 劉亞敏, GPS網(wǎng)絡(luò)RTK系統(tǒng)組成及測量原理研究,信息資訊信息技術(shù),2009 NO.20.

[7] 隋海燕, GPS RTK的測量原理及應(yīng)用,北方交通, 2009,16.

[8] 張振軍等, RTK測量精度評定方法研究,測繪通報, 2007(1):26～28.