GPS-RTK技術在地籍測繪中的應用

梁 銘

(惠州市國土資源局惠城區分局,廣東 惠州 516001)

0 引 言

隨著我國國土資源信息化的快速普及,對地籍測繪的精度要求也越來越高,其測量的準確性對土地的可持續利用和國民經濟的發展有著重要的影響。常規地籍測繪方法由于作業強度大、效率低和花費長的原因,已無法滿足如今地籍測繪工作的需要。實時動態差分法(RTK)技術作為新型的測量技術,具有全天候觀測、布點靈活、精度高和計算速度快的優點,大大提高了地籍測繪的速度和精度。本文就RTK技術在地籍測繪中的應用這一問題從原理、測量方法及實際應用進行闡述和分析。

1 GPS-RTK技術

GPS是全球定位系統的簡稱,是由空間部分、地面控制系統和用戶設備組成。GPS是當前發展最為完善的衛星導航系統,廣泛應用于各個領域。GPS-RTK技術是在GPS的基礎上發展起來的,它能夠實時地提供流動站在指定的坐標系中三維定位的結果,達到厘米級的精度。

1.1 基本原理

RTK技術采用差分GPS(位置差分、偽距差分和載波相位差分)中的載波相位差分。這三類差分方式都是由基準站發送改正數,由流動站接收并對其測量結果進行改正,以獲得精確的定位結果,所不同的是發送改正數的具體內容不一樣,其差分定位精度也不同。前兩類定位誤差的相關性會隨基準站與流動站的空間距離的增加其定位精度迅速降低,故RTK采用載波相位差分方法。

RTK的工作原理是將一臺接收機置于基準站上,另一臺或幾臺接收機置于流動站上,基準站對GPS衛星進行觀測,將采集的載波相位觀測值和站點坐標信息通過數據鏈發送給流動站,流動站在觀測GPS衛星并采集相應載波相位觀測值的同時,也接收來自基準站的信號,經解調得到基準站的載波相位觀測值。流動站再利用OTF(運動中快速求解整周模糊度)技術由基準站的載波相位觀測值和流動站的的載波相位觀測值求解整周模糊度,進行實時差分及平差處理,并根據基準站的站點坐標求得本站的坐標。這種方法的關鍵在于求解起始的整周模糊度即初始化,因此要求有足夠數量的衛星(一般5顆以上)和衛星具有較好的幾何分布(PDOP值≤6)。為消除衛星鐘和接收機鐘的鐘差,削弱衛星星歷誤差、電離層延遲誤差和對流層延遲誤差的影響,RTK通常都采用雙差觀測值。

1.2 測量方法

1)“無投影/無轉換”法。該種方法直接用接收機在基準站和流動站接收WGS-84坐標,其后利用觀測的已知點的WGS-84坐標和相應的地方坐標根據一定的數學模型進行轉換。這種方法基準站不一定要安置在已知點上,但根據不同的轉換方法,需要測量一定數量的已知點。

2)“鍵入參數”法。把用靜態觀測求得的WGS-84坐標和地方坐標鍵入到手薄中,進行轉換,也可以直接輸入靜態觀測平差求得的轉換參數。該方法基準站需架設在已知點上,但可以不觀測其他已知點。

1.3 測繪質量控制方法

1)已知點檢核比較法

用RTK測出已知控制點的坐標進行比較檢核,發現問題即采取措施改正。

2)重測比較方法

每次初始化成功后,先重新測量1～2個之前已經使用RTK測量過的點,確認無誤后,再進行工作。

3)電臺變頻實時檢測方法

在測量區域內建立兩個或者兩個以上的基準站,每個基準站采用不同頻率發送改正數據,而流動站通過變換頻率分別接收每個基準站的改正數據,將得到的兩個或兩個以上的解算結果進行分析對比,即可判斷其質量的水平。

以上這些方法,已知點檢核比較法較為穩定可靠。但控制點的數量總是有限的,沒有控制點的區域則需要采用重測比較方法檢驗測量成果,而電臺變頻實時檢測方法需要配備兩臺以上(包含兩臺)基準站才能發揮作用。

2 RTK技術在地籍測繪中的應用

地籍測繪是對地塊權屬界線的界址點坐標進行精確測定,并把地塊及其附屬物的位置、面積、權屬關系和利用狀況等要素準確地繪制在圖紙上和記錄在專門的表冊中。地籍測繪除能為土地管理提供保障外,還為國民經濟建設各相關部門提供信息和服務。地籍測繪的內容包括地籍控制測量和地籍碎步測量。地籍測繪遵循從整體到局部、先控制后碎步的原則。

2.1 RTK技術在地籍圖根控制測量中的應用

地籍圖根控制測量是在地籍基本控制測量的基礎上加密,直接滿足解析界址點和地籍圖測繪的要求。地籍圖根控制測量主要采用導線網、圖根三角測量和GPS相對定位網施測的方法。傳統的地籍圖根控制測量如導線網或圖根三角測量等方法,不僅費工費時,要求點間通視,而且精度分布不均勻。利用GPS靜態或者快速靜態相對定位測量,不需要各點之間通視就能夠精準地進行控制測量。不過采取這種方式需要對數據進行后處理,不能實現實時定位和了解精度,如果經過內業處理后不能達到要求,就必須進行重新測量。但使用RTK技術進行圖根控制測量,不但可以實時地知道定位的結果,而且可以實時了解定位的精度,大大提高了作業的效率。在當下,RTK技術已經廣泛用于地籍圖根控制測量。

根據《城鎮地籍調查規程》[4]和《城市測量規范》[6]規定,圖根控制點相對于起算點的點位中誤差不應大于0.05 m,高程中誤差相對于起算點不應大于1/10基本等高距H/m,如表1所示。

表1 圖根點點位中誤差和高程中誤差

2.2 RTK技術在地籍碎步測量中的應用

地籍測繪中需要將地物、地貌的特征點測繪到圖紙上,這些特征點又稱為碎部點。相對于地籍控制測量而言,測繪具體的地物和地貌是測區碎部,因此稱為地籍碎部測量。地籍碎步測量是地籍測繪的核心,是在地籍控制測量的基礎上測繪每宗土地的權屬界線、位置、形狀及地類界限等并計算面積、繪制地籍圖和宗地圖。

地籍碎步測量主要采用RTK和全站儀施測,對于視野開闊、GPS信號好的地方采用RTK測量,對于房屋密集及比較隱蔽的地方采用全站儀施測。對于某些全站儀和RTK均不能測量的特殊碎部點,再輔助手持測距儀、皮尺等工具測量。

將RTK技術運用到地籍碎步測量中,使每一宗土地的權屬界址點的測量只需要一個人就可以完成。操作員只需帶著RTK到相關的位置,輸入特征編碼,在點位精度符合要求的情況下,用電子手薄測定記錄該區域內的碎部點,再用專業的測圖軟件繪制成圖。RTK測定點位不需要點間通視,因此采用RTK技術可以大幅提高測量的工作效率。

根據《地籍測繪規范》[3]規定,界址點的精度分三級,如表2所示，各級界址點相對于鄰近控制點的點位誤差和間距超過50 m的相鄰界址點間距誤差不超過表2的規定;間距未超過50 m的界址點間的間距誤差限差不應超過式(1)計算結果。需要測定建筑物角點的坐標時,建筑物角點坐標的精度等級和限差執行與界址點相同的標準。

表2 界址點精度指標

ΔD=±(mi+0.02miD),

(1)

式中:mi為相應等級界址點規定的點位中誤差,單位m;D為相鄰界址點間的距離,單位m; ΔD為界址點坐標計算的邊長與實量邊長較差的限差,單位m.

3 實例分析

3.1 測區概況

本測區位于惠州市惠城區東南郊,地勢比較平坦,但由于房屋、魚塘密布,又有樹林、灌木遮擋,使用全站儀難以通視。本次需測量的宗地地塊面積較大(作業半徑達5 km),呈帶狀分布,宗地數目多,作業權屬關系復雜,權屬界址點數量大,采用傳統測量手段很難在短時間內完成所有宗地的權屬界址點測量工作。因此決定采用RTK建立圖根控制網并進行碎部測量,在房屋密集及比較隱蔽的地方則聯合全站儀施測。

3.2 外業實施

1)基準站的選定及建立。RTK數據傳輸距離是RTK應用的關鍵,距離的多少決定了其性能的優劣。由于采用UHF波,傳播的方式主要是空間波,其穿透性強,直線傳播性強,但易受障礙物、地形和地球曲率的影響。理想的傳送距離為

式中:h1和h2分別是基準站和流動站電臺的天線高,單位為m；D為數據鏈的覆蓋范圍的半徑,單位km.由于RTK數據鏈的傳播限制和定位精度要求,測量距離一般不超過10 km.基準站架設在測區一棟樓頂的E級GPS控制點上,天空較為開闊,有利于衛星信號的接收和數據鏈發送。

2)坐標系統的轉換。常用的坐標轉換參數有三參數、四參數和七參數三種。七參數坐標轉換不但精度高,作用距離也較長。根據七參數轉換的原理,在兩個坐標系中有3個公共點就可以計算出轉換參數。鑒于本測區作業半徑大,且測區內有足夠多已知坐標的E級GPS控制點,因此采用了分布均勻的10個公共點來求取WGS-84坐標系到1980西安坐標系的轉換參數,這樣高程擬合模型為多項式曲面擬合,理論上可獲得更高的高程精度。然后在基準站上鍵入轉換參數。

3)流動站的設置。設置完電臺頻率、工作方式后,流動站即可開始測量作業。

3.3 RTK測量精度分析

1)為檢驗本測區七參數坐標系統轉換殘差,本次測繪作業過程中不同時段用已知點比較法檢核了未參與解算的10個E級GPS控制點(高程經四等水準測量),分析對比RTK測量與GPS靜態測量間點位精度的情況,如表3所示:

表3 RTK測量與GPS靜態測量較差表

由較差計算得RTK點位中誤差MP為0.011 m,高程中誤差MH為0.019 m.由此可以得出,本測區坐標系統轉換精度良好,符合《全球定位系統實時動態(RTK)測量技術規范》[5]要求,可進行地籍圖根控制及碎部測量。

2)為檢驗RTK進行地籍圖根控制測量精度,RTK測量結束后,用全站儀按一級導線的要求聯測了部分地籍圖根控制點,現取其中與導線測量成果進行較差分析,算出圖根控制點點的點位誤差、點位中誤差和高程中誤差,如表4所示。

表4 圖根控制點與導線點較差表

根據表4的數據可算出圖根控制點點點位中誤差MP為±0.015 m,高程中誤差Mf為±0.025 m,由此可見,RTK測量可替代常規的一級導線,進行地籍圖根控制測量。

3)為檢驗RTK進行地籍碎步測量的精度,運用全站儀極坐標法對300個RTK碎部點進行檢查,結果如表5、表6所示。

表5 RTK碎步點點位誤差較差表

表6 RTK碎步點高程較差表

由此可以得出,RTK碎步測量的精度符合《地籍測繪規范》[3]的要求。

3.4 工程中需注意的問題

實踐表明,RTK技術應用于地籍測繪能大幅提高工作效率,但在使用過程中,也存在一些值得注意的問題,以下列舉其中幾個,以期為同類工程提供參考:

1)RTK基準站要架設在測區的較高點位上,這樣視野比較開闊,減少周圍障礙物對接受衛星信號的影響,也有利于電臺信號的發送。

2)基準站要避免架設在強電磁波干擾源附近,如高壓輸電線路、大功率無線電發射源(通訊基站、電視發射塔、微波站)等,否則容易造成失鎖。

3)在RTK測量中,同距離有關的誤差將隨流動站到基準站的距離的增加而加大。因此建議作業半徑不超過10 km.

4)坐標系統轉換參數直接影響著測量精度,盡量選取高等級的控制點進行求解,確保控制點均勻分布覆蓋測區,同時加強檢核工作。

4 結束語

GPS-RTK技術因其高效靈活、誤差不積累、厘米級的高精度等特點,大幅提高了地籍測繪的速度和精度,占據了越來越重要的位置。雖然在某些特定的環境中RTK的使用還存在著限制,但隨著網絡RTK技術和GPS/GLONASS雙星系統的發展,相信RTK技術必將在地籍測繪中發揮更大的作用。

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