RTK和全站儀聯(lián)合采集數(shù)據(jù)模式在安鋼GIS中的應(yīng)用

楊海濤 秦忠祥 范濤勝

(安鋼集團冶金設(shè)計有限責(zé)任公司)

RTK和全站儀聯(lián)合采集數(shù)據(jù)模式在安鋼GIS中的應(yīng)用

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楊海濤 秦忠祥 范濤勝

(安鋼集團冶金設(shè)計有限責(zé)任公司)

介紹了RTK和全站儀聯(lián)合采集數(shù)據(jù)模式在安鋼GIS中的應(yīng)用情況，通過兩種測繪技術(shù)的優(yōu)勢互補，簡化了程序，提高了效率，減少了誤差，保證了測繪精度，節(jié)省了人力和物力。

RTK和全站儀 數(shù)據(jù)采集 GIS 應(yīng)用

0 前言

GIS(Geographic information system)地理信息系統(tǒng)，是通過對地理空間數(shù)據(jù)的一系列操作來實現(xiàn)信息管理，空間數(shù)據(jù)是GIS的血液。采集數(shù)據(jù)信息以生成GIS基礎(chǔ)數(shù)據(jù)是一項艱辛且耗損巨大的工作，它已成為GIS數(shù)據(jù)采集、維護和更新的瓶頸。

現(xiàn)代化測繪技術(shù)如GPS衛(wèi)星定位的RTK(Real time kinematic)實時差分技術(shù)、全站型電子速測技術(shù)、航空遙感技術(shù)、全息掃描技術(shù)、數(shù)字攝影技術(shù)等已廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)實踐［1］。GPS作為一種當前最先進的定位工具，在各行各業(yè)中越來越得到廣泛的應(yīng)用。RTK實時差分技術(shù)結(jié)合全站型電子速測技術(shù)，既可以快速布設(shè)控制點，又能高精度快速采集坐標數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)處理轉(zhuǎn)換生成GIS所需的數(shù)據(jù)格式，從而完成GIS數(shù)據(jù)庫的擴充、修補。下面筆者結(jié)合安鋼實際對該模式的優(yōu)勢互補、提高作業(yè)效率、減少誤差等有關(guān)問題以及RTK和全站儀聯(lián)合采集數(shù)據(jù)模式的應(yīng)用情況做一介紹。

1 GIS數(shù)據(jù)特征

RTK技術(shù)在安鋼GIS數(shù)據(jù)采集中的應(yīng)用主要有以下幾方面:GIS空間基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的采集;地形數(shù)據(jù)的局部修測;邊界數(shù)據(jù)的采集與更新;工業(yè)管線數(shù)據(jù)的采集更新;面對勘測設(shè)計的數(shù)據(jù)采集、放樣等。

GIS數(shù)據(jù)是帶屬性的空間數(shù)據(jù)，是按地物要素分類分層存儲的。不同的地物有不同的屬性項，不同的屬性項又可通過線劃、顏色、符號、注記等形式表示，如:道路的屬性項有名稱、類型、材料、路寬、標高;管道的屬性項有名稱、類型、材質(zhì)、管徑、管頂標高等，它們在地圖上分別采用計算機可識別的代碼系統(tǒng)和屬性特征來表示［2］。GPS或全站儀采集的數(shù)據(jù)信息是一系列離散點的空間坐標，需要在外業(yè)采集這些離散點時對相應(yīng)的屬性信息，加以說明和描述。外業(yè)采集軟件能夠兼容不同地物的不同屬性，且從簡單實用的角度，方便用戶調(diào)用和擴展。

2 GIS數(shù)據(jù)采集模式

2.1 全站儀數(shù)據(jù)采集模式

全站儀數(shù)字化采集是一種傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集模式，遵循常規(guī)“從整體到局部，先控制后碎部，分級布網(wǎng)，逐級控制”的原則。具體工序包括首級控制網(wǎng)，加密網(wǎng)，圖根控制，加密圖根控制，碎部點數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)處理、編輯等。全站儀數(shù)據(jù)采集具有作業(yè)條件要求不高、操作簡便、容易使用、機動靈活等優(yōu)勢。但從測繪作業(yè)流程看，完成一個測區(qū)的測繪工作需要多次進出作業(yè)現(xiàn)場，在同一測站上多次設(shè)站、搬站，周期較長，勞動強度大，作業(yè)效率較低，多次設(shè)站也造成對中誤差和定向誤差的累積。

2.2 GPS RTK數(shù)據(jù)采集模式

GPS RTK提供了一種極為重要的實時、動態(tài)、精確獲取空間數(shù)據(jù)的方法，是GIS的重要數(shù)據(jù)源。隨著數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備性能和可靠性的不斷完善和提高，虛擬參考站等RTK關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展，數(shù)據(jù)處理軟件功能的增強，GIS對空間數(shù)據(jù)存儲、顯示和處理、應(yīng)用的優(yōu)勢將會被越來越多的領(lǐng)域所采納。

GPS RTK數(shù)據(jù)采集具有全天候、高精度、自動化、高效率等優(yōu)勢。但是，GPS技術(shù)也有一個先天的不足，就是參考站點位周圍無高度角超過15°的障礙物和強烈干擾接收衛(wèi)星信號或反射衛(wèi)星信號的物體，這在冶金工業(yè)廠區(qū)和建筑較密集的地區(qū)不能完全展現(xiàn)它的優(yōu)勢［3］。

2.3 RTK和全站儀聯(lián)合采集數(shù)據(jù)模式

RTK和全站儀聯(lián)合采集數(shù)據(jù)，主要是利用RTK作業(yè)效率高、定位精度好、沒有誤差積累等優(yōu)勢來克服全站儀的弱點，同時利用全站儀的機動靈活等優(yōu)勢來彌補RTK作業(yè)受衛(wèi)星狀況、電磁干擾、環(huán)境影響等不足。對全站儀不便采集的數(shù)據(jù)，可用RTK進行，而對于RTK不便采集的數(shù)據(jù)可由全站儀來完成，從而做到優(yōu)勢互補、簡化程序、提高效率、減少誤差、保證精度、節(jié)省人力和物力。

根據(jù)文獻資料表明［3］:GPS可以高精度并快速地測定各級控制點的坐標。RTK的精度在數(shù)據(jù)鏈信號接收半徑不超過5 km的范圍內(nèi)，只要接收到5顆以上衛(wèi)星，所得出的固定解能達到儀器標稱精度。在儀器精度滿足時，可直接利用RTK布設(shè)測站點。

3 RTK和全站儀聯(lián)合采集模式實際應(yīng)用

3.1 布設(shè)控制點

在一棟四層辦公樓頂設(shè)置基準站，距廠區(qū)的東、北、西邊界均小于3 km，距南邊界小于1 km，遠小于RTK有效作業(yè)半徑的R/2=5 km，也便于接收衛(wèi)星信號和數(shù)據(jù)鏈傳輸，減弱無線電干擾和多路徑效應(yīng)。RTK基準站設(shè)置完成后，首先用流動站觀測已知坐標點，檢核RTK測量結(jié)果是否正確。其次要解決盲點，如果致盲原因是數(shù)據(jù)鏈信號接收問題，則可提高基準站和流動站天線的架設(shè)高度;如果是接收衛(wèi)星狀況不良，則應(yīng)該在盲點周圍加測控制點，以便用全站儀補測。測區(qū)內(nèi)控制點位置應(yīng)均勻布置，選擇通視條件良好、便于儀器設(shè)置、利于控制RTK比例誤差的位置布設(shè)。鑒于廠區(qū)的復(fù)雜性和RTK的高效率，控制點的密度也可適當加大。

3.2 圖根點及碎部點數(shù)據(jù)采集

控制點施測完成后，RTK即可聯(lián)合全站儀進行數(shù)據(jù)采集。作業(yè)前，先設(shè)置基準站，再由RTK移動站采集已知控制點的坐標，檢核無誤后，用RTK移動站在作業(yè)區(qū)域測出三個點的三維坐標。其中一個點作為全站儀的測站點，另外兩個點作為定向點和多余觀測點。RTK移動站經(jīng)過點校正，可以實時測得地物、地形等特征點的三維坐標。測量員在特征點上立測桿，輸入點號，合格后保存數(shù)據(jù)，同時繪制草圖，以便內(nèi)業(yè)檢查、編輯成圖。

全站儀采集時，圖根點數(shù)據(jù)和碎部點數(shù)據(jù)同時采集，但應(yīng)分別編號。使用全站儀同樣可以獲得特征點的三維坐標，如圖1所示。

圖1 聯(lián)合采集地物點的三維坐標示意圖

全站儀采集1、2、3、… P 點的數(shù)據(jù)，A、B、C、…M、N點由RTK采集。測量員負責(zé)儀器操作，在A點設(shè)站，后視已知點B并實測檢查另一已知點C，與已知數(shù)據(jù)比較，如超限，應(yīng)分析具體原因，采取相應(yīng)措施后，重復(fù)上述操作，直至合格為止，完成測繪前的設(shè)站、定向等工作。測量數(shù)據(jù)在全站儀內(nèi)以測量文件形式存儲，也可通過全站儀內(nèi)置程序計算，以三維坐標形式存儲。解算模型為坐標正算公式:

Xp=Xa+DapCOS(αaP)

Yp=Ya+DapSIN(αaP)

Hp=Ha+DapTANβ +I－V

式中:Xa、Ya、Ha——測站點 A 的三維坐標;

Xp、Yp、Hp——碎部點 P 的三維坐標;

Dap——測站點A至碎部點P的水平距離;

αaP—測站點A至碎部點P的坐標方位角;

β——垂直角; I——儀器高;

V——棱鏡高。

立尺員除負責(zé)在特征點上立棱鏡外，還負責(zé)繪制草圖，以便內(nèi)業(yè)檢查、編輯成圖。

3.3 碎部點數(shù)據(jù)處理

當外業(yè)采集完成后，就應(yīng)回到室內(nèi)進行內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理，處理后的數(shù)據(jù)再進入CASS軟件平臺編輯，最終要加入到GIS數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中。這就要求數(shù)據(jù)格式與CASS平臺、GIS數(shù)據(jù)庫相兼容，利于數(shù)據(jù)的存儲和管理。內(nèi)業(yè)處理時圖根點的有關(guān)數(shù)據(jù)需要單獨檢出，以原始測量數(shù)據(jù)形式參與平差，計算出圖根點坐標，然后對碎部點數(shù)據(jù)進行處理。

為實現(xiàn)RTK或全站儀坐標數(shù)據(jù)與CASS軟件展點數(shù)據(jù)格式統(tǒng)一，需要對輸出數(shù)據(jù)格式進行整理，將其統(tǒng)一轉(zhuǎn)化為*.Dat格式，具體的格式是:“點號，逗號，東坐標，北坐標，高程”。如:

G1，，8886.26，9041.416，84.231

3.4 圖形文件生成及導(dǎo)入GIS數(shù)據(jù)庫

將處理過的碎部點數(shù)據(jù)以*.dat格式輸入計算機，根據(jù)外業(yè)所繪草圖，通過軟件編輯成圖。圖形文件在CASS平臺下生成，比例尺可按GIS要求轉(zhuǎn)化生成。將生成的*.dwg格式的圖形導(dǎo)入GIS數(shù)據(jù)庫，完成對GIS數(shù)據(jù)的修改和補充。為了避免錯誤和漏測，在導(dǎo)入GIS之前，應(yīng)將整個測區(qū)的圖形編輯在一起，繪出樣圖，到實地進行對比檢查。

碎部點檢查:對于漏測、錯測的地形、地物點及時進行補測，將坐標數(shù)據(jù)存為一個新文件，繪制補測草圖，內(nèi)業(yè)處理時把補測的坐標數(shù)據(jù)展到原地形圖上，進行地形圖的修補。

點位精度檢查:用RTK或全站儀測出待檢查點的三維坐標，與原待檢查點的坐標進行對照比較。根據(jù)GB50026－2007《工程測量規(guī)范》，圖根點對于最近控制點的平面位置中誤差不得超過圖上±0.1 mm，按1∶500比例尺換算成實地點位誤差為±5 cm。圖根控制點最弱點位中誤差為:±2.9 cm，滿足精度要求。工礦區(qū)細部坐標點的點位和高程中誤差，不應(yīng)超過表1的規(guī)定。

表1 細部坐標點中誤差

按全部檢查點較差計算的點位中誤差為±3.62 cm，高程中誤差為1.7 cm，精度符合規(guī)范要求。

4 應(yīng)用效果

從整個使用情況來看，RTK和全站儀聯(lián)合采集數(shù)據(jù)模式具有明顯優(yōu)勢:

1)測量精度高。該方法避免了重復(fù)設(shè)站，減少了測站對中誤差和定向誤差，在設(shè)備、環(huán)境、方法等各主要因素得以保證時，精度可達±4.0 cm。

2)精度均勻、穩(wěn)定。RTK可對圖根點隨時進行檢驗，各圖根點誤差隨機產(chǎn)生，沒有誤差積累，成果可靠。克服了單一全站儀采集數(shù)據(jù)模式多次支站所造成的點位精度不均勻的缺點。

3)提高了生產(chǎn)效率。節(jié)省了全站儀采集數(shù)據(jù)時經(jīng)常搬站和清除障礙物所消耗的大量時間，避免了作業(yè)人員多次重復(fù)進入同一作業(yè)區(qū)，縮短了生產(chǎn)時間，提高了工作效率。

4)簡化了作業(yè)程序。將原有的加密控制網(wǎng)、圖根控制、加密圖根控制、碎部點數(shù)據(jù)采集等過程簡化為圖根點及碎部點數(shù)據(jù)同時采集，節(jié)省了人力物力。

［1］ 胡友健，羅昀，曾云.全球定位系統(tǒng)(GPS)原理與應(yīng)用［M］.武漢:中國地質(zhì)大學(xué)出版社，2003.15 －46.

［2］ 李德仁，關(guān)澤群.空間信息系統(tǒng)的集成［M］.武漢測繪大學(xué)出版社，2000:65 －72.

［3］ 寧津生，王正濤.面向信息化時代的測繪科學(xué)技術(shù)新進展［J］.測繪科學(xué)，2010(5):1－4.

APPLICATION OF THE CO－COLLECTION DATA MODE OF RTK AND TOTAL STATION IN GIS OF ANYANG STEEL

Yang Haitao Qing Zhongxiang Fan Taosheng

(Metallurgy Design Co.，Ltd;Angang Group)

This paper describes the application situation of the co－collection data mode of RTK and total station in GIS of Anyang Steel.It simplifies the procedure，enhances the efficiency，reduces the error，guarantees the precision and saves manpower and physical resource through dominant complementary of the two surveying technologies.

RTK and total station collection data GIS application

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聯(lián)系人:秦忠祥，高級工程師，副經(jīng)理，河南.安陽(455004)，安鋼集團冶金設(shè)計有限責(zé)任公司;

2012—2—2