全站儀與GPS RTK在工程測量中的應用

吳祥錦

（仙游縣永勝測繪有限公司　莆田　351200）

全站儀與GPS RTK在工程測量中的應用

吳祥錦

（仙游縣永勝測繪有限公司莆田351200）

本文在已有的GPS RTK及全站儀的研究資料和應用成果的基礎上，進一步對GPS RTK和全站儀在工程測量的實際應用進行總結，對比了在工程測量中使用GPS RTK和全站儀的優劣，重點研究了GPS RTK作業對比全站儀作業的優勢和效率。

GPS RTK；全站儀；工程測量

1　RTK的基本原理、組成及使用

1.1RTK的基本工作原理

RTK（Real Time Kinematic）實時動態定位技術，是GPS全球定位技術與數據傳輸相結合而構成的以載波相位觀測值為根據的實時差分定位技術，是集計算機技術、數字通訊技術、無線電技術和GPS測量定位技術為一體的組合技術，能夠實時提供測點（用戶站）在指定坐標系的三維坐標成果；GPS RTK系統由基準站、若干個流動站及無線電通訊系統三部分組成，工作原理是基準站利用無線通訊系統將接受到的所有信息傳遞到流動站，接受的信息包括衛星信息和基準站自身的一些信息，因此流動站在接收衛星數據信息的同時也接收基準站傳遞過來的數據信息，流動站將接收的信息進行初始化轉換，將收到的基準站信息傳遞到控制器，再將流動站自身的載波觀測信號與基準站的載波觀測信號進行處理，通常采用差分處理的方式，來獲得未知點的具體坐標。

1.2RTK系統的組成

本文以在工程測量中應用中海達GPS RTK為例。GPS RTK測量系統的主要組成部分有移動站、基準站和電腦記錄手薄。其中移動站的設備主要有強制對中測桿、GPS基準站接收機、記錄手薄等。基準站的設備主要有電臺、三腳架、電瓶、GPS基準站接收機、發射天線和電纜。

1.3RTK系統的操作規程1.3.1 GPS RTK測量的關鍵——轉換參數的求解

RTK與GPS靜態測量一樣，GPS接收機接收的衛星信號經數據處理后，首先得到的是地心坐標系（WGS-84）坐標，而我們在測繪工程中應用的通常是投影后的高斯平面直角坐標（1980西安坐標系、1954年北京坐標系或地方坐標系等），其高程一般為正常高。靜態測量中，坐標轉換是在事后處理進行，而RTK測量多數用于實時測量，要求能實時地提供國家或地方坐標，因此，作業前首先必須進行坐標轉換或點位校正，它是影響測量成果精度如何的關鍵因素。GPS點校正功能允許進行GPS和校正所用地方控制點的匹配（GPS坐標必須從GPS點和觀測值得到，格網點必須從格網點和地面觀測值得到）。GPS RTK的三種常規校正方法：單點校正、多點校正和參數校正。實現成果從WGS-84坐標系中轉換到國家或地方坐標系中，實際上是兩個不同橢球之間的成果轉換。

在野外進行作業的時候，一般采用兩種方法來求得轉換參數：

（1）將已有的GPS靜態控制網資料進行充分的利用，并利用電子手薄的自帶轉換軟件來轉換參數，還可以利用外部自編坐標來轉換當地坐標和地心坐標；

（2）在已知點和未知點上架設基準站，移動站對已知點的地心坐標一次進行測量，并將測量的平面坐標和高程信息輸入到手薄中，并進行校正，將殘差較大的已知點淘汰掉，對兩坐標間的轉換參數進行解算。

1.3.2安置基準站

架設基準站必須注意：周圍應視野開闊，截止高度角應超過15°；周圍無信號反射物（大面積水域、大型建筑物等），以減少多路徑干擾。并要盡量避開交通要道、過往行人的干擾，地面開闊，無遮擋物的地帶；200m范圍內沒有微波站、雷達站、電信信號發射塔等，無電磁波干擾，50m范圍內無高壓線；三是場地位置比較高；GPS天線、信號發射天線、主機、電源等應連結正確無誤。GPS接收機架設要嚴格對中、整平，連好電臺和發射天線，用手簿啟動基準站接收機。

1.3.3流動站作業

基站設置好后，流動站即可進行數據采集工作，為保證數據的正確，一般流動站開始作業前要求檢查至少一個已知點再開始數據采集工作。

2　全站儀簡介及測量原理

“全站儀”全稱為“全站型電子速測儀”（Electronic Tachometer Totolstation）通常又稱為“電子全站儀”或“電子速測儀”。這種測繪儀器是將測角、測距和微處理機結合起來，能夠實現對測角、測距進行自動控制，對水平距離、坐標增量、高差等進行自動計算，另外，還可以自動顯示、記錄、存儲和數據輸出，全站儀內部有豐富的測量軟件，可方便快捷地進行坐標放樣等工程測量工作。

利用全站儀進行測圖時，主要是通過極坐標法獲得碎部點的坐標，其測量原理為以測站為中心和依測站上的已知方向，測定已知方向與所求點方向間的角度和測量測站點到各碎部點的距離，以確定所求點的三維坐標。

由于受地形和通視條件的影響，實際測量中將有部分點不能用儀器在測站上直接進行觀測，因此碎部測量除主要采用極坐標法外，還需要采用如后方交會、兩點前方交會等其它一些測量方法進行補充。

3　GPS RTK與全站儀比較與分析

前面簡要介紹了全站儀測量和GPS RTK測量的基本原理，下面將對兩種方法在工程測量中的優缺點進行比較。

3.1使用GPS RTK系統進行工程測量作業的優、缺點

（1）優點：

①條件要求低

對控制點不要需要兩點通視；與天氣無關，基本不受陰睛天氣的影響，作業時間不受限制，日夜均可；

②精度好

GPS RTK定位速度快、精度高，其點位誤差不積累、不傳播，精度均勻，數據安全可靠。無需等待；

③效率高

通視條件對GPS RTK作業沒有限制，設置好基準站和點檢核以后，就可以開測，為使開測更便捷可以使用虛擬基站。GPS RTK作業每組一般1～2人，測記法1人操作1人畫圖，編碼法1人即可。每站測圖采點僅需3s左右，工作效率大大提高。

④成本低

相比傳統的導線測量加密控制點，GPS RTK能夠降低人力、物力成本，較少使用的時間，采用傳統的測量方法進行作業一般需要4個人，而采用GPS RTK進行作業需要1個人或者2個人就可以，如果多個流動站一起作業，就可以很大程度的加快進度，提高工作效率。

⑤操作簡便，方便適用，具有可視性，數據處理能力強大。

（2）缺點：

①受到衛星的限制，衛星的數量要在5顆以上才可以對相位的觀測值進行跟蹤，一旦信號反射物的面積過大，就無法實現定位，比如面積較大的森林和高達的建筑；信號會受到強電磁的干擾，例如在變電站和輸電線的周圍會受到影響，云層較厚的時候也會對其產生影響。

②精度還不夠高，要實現高精度的狀態，衛星的數量需要6～ 7顆來接收信號，雖然GPS RTK有的時候也可以實現高精度的固定解狀態，但是其PDOP也就很大，就無法采集項目的確定數據。

③對圖形沒有約束，缺少多余觀測，需通過測前、測中、測后的固定點檢核提高可靠性。

④存在高程異常現象。

⑤雖然近幾年GPS價格有所下降，但仍然過于昂貴。

⑥數據鏈受干擾和限制、作業半徑比標稱距離小。

3.2使用全站儀進行工程測量作業的優、缺點

3.2.1優勢

（1）根據測圖要求及儀器等級，可靈活布設圖根導線點，從而提高作業效率。

（2）隨機測量程序，實時提供觀測過程并計算出最終結果，許多測量工作只需按儀器中設定的操作步驟即可完成所做測量工作。

（3）操作簡便，方便適用，具有可視性，數據處理能力強大。

3.2.2缺點

（1）全站儀的最大的缺點就是要求通視，受地形和人為因素影響大。

（2）如果測距較長時，尋找目標較為困難，浪費時間，影響作業效率。

（3）前期需建立足夠的控制點，作業量大，投入也大，外業時間較長。

4　GPS RTK和全站儀在工程測量具體應用的分析

4.1在控制測量中的作業應用比較

在地形測量工作中，使用RTK系統來進行控制測量，在首級控制測量時，不用進行后面的加密測量工作，無需考慮通視方向點和進行更多的加密控制，不需要布設導線測圖根點等工作，只需將移動站放在所需的控制點上采集數據即可得出坐標。首級控制點位選擇，只需在實用性及設置基準站的安全性方面考慮。

傳統的控制測量方法首先對測區布設足夠的高等級控制測量點，然后再加密圖根控制點。一般采用導線測量方法，花費很多的人力、物力和時間。在城市建成區控制點常被破壞，傳統控制點施測方法不能快速精確地提供控制點，直接影響工作的效率和工程測量的進度。

常規控制測量如導線測量，要求點間通視，費工費時，且精度不均勻。應用RTK技術無論是在作業精度，還是作業效率上都具有明顯的優勢。總之，RTK測量技術在控制測量上可大大提高工作效率和減輕勞動強度。

4.2地形碎部測量中的作業應用比較

采用RTK進行野外碎部點數據采集時，只需單人操作。移動站采用手動記錄的方式使用的是電腦手薄。測繪人員對所測地形要十分熟悉，真正做到看到測到。在一般情況下，10～15km為有效距離。對大范圍的內碎部點進行采集的時候，可以進行自動采集，在確定不改變標高的情況下，將流動站進行移動就可以，利用常規測量方法的時候，需要2個人進行碎部測量，一人負責測站看鏡，一人持反射棱鏡，開始測量前需要已知點定向，測站人員指揮持鏡人員，測線的長度和通視等條件會對其有限制作用，不如RTK測量方便快捷。

4.3在線路斷面測量中的作業應用比較

RTK接收機與手薄記錄相配合，對斷面的三維坐標數據進行實時的采集如果采用RTK技術，能夠較好的解決線路斷面測量的斷面點采集問題，對通視方向和分站的測量可以不進行考慮，對斷面圖的效果可以利用手薄進行實時的顯示，可以很直觀地檢查斷面狀況與實地地形。在斷面測量中使用常規的測量方法肯呢個會遇到各種問題，如斷面樁沒有方向點、斷面測量需要分站等。RTK測量相比常規測量能減少不少的內業工作量。

4.4在工程施工放樣中的作業應用比較

利用RTK實時定位的特點，施工放樣前只需把待放點的坐標錄入手簿，就可以單人操作并很方便地放樣出各類直線、曲線或特征點的坐標位置，放樣速度快、無需協作指揮。常規測量進行放樣工作時，必須先在室內將所要求放樣的元素計算好，到實地放樣的工作至少要2人密切配合，司尺人員只能在測站的指揮下，不斷地移動，方可完放樣工作。因此RTK測量在施工放樣工作中相比常規測量能減少很大工作量，提高效率非常明顯。

5　結論

根據上述RTK和全站儀在工程測量方面的應用比較分析，我認為，RTK實時動態測量技術改變了傳統的測量模式，使經典的測量理論與方法產生了深刻的變革，是對傳統常規測量技術的一次重大突破，是測繪領域續GPS后的又一次技術革命，是測繪信息化的趨勢。總結得到如下幾點經驗體會：

（1）具有明顯的優勢。在大型隧道、大橋、特大橋等工程測量工作中采用RTK技術，具有測量人員少、作業時間短特點，能夠極大的提高工作效率，減輕測量人員勞動強度，能讓測量人員從繁重的體力勞動中解放出來，具有明顯的經濟效益和社會效益。

（2）使用RTK技術作業有著較高的精度，觀測速度快、通視條件對其不限制等特點。單站測量能夠控制較廣的范圍，操作起來較為簡便，使工作量有效的減少，適合應用到大規模的工程測量和其它測量工作中。

（3）使用RTK技術作業可以大大提高測繪成果質量。人為因素對其沒有影響，作業過程主要是依靠電腦控制，記錄是自動進行的，數據預處理、平差計算等都是自動進行的。

（4）要根據測區的作業條件，采用適當觀測方法，保證網絡RTK測量精度。①盡可能地檢測一定數量的測區內和相鄰的控制點進行檢核；②在做控制測量時需采用一些如延長測量時間、選擇最佳觀測時段、增加觀測次數的方法來提高測量精度；③同精度兩次測量值的較差取2cm以下為宜；④受到基準站傳播差分改正數有效范圍的限制，在大區域實施作業時，應注意其控制的有效范圍，RTK的范圍盡量不超過10km為原則，否則解算速度和精度都大受影響。

（5）使用RTK測量要努力克服RTK測量的缺點，把誤差控制在最小范圍。一是RTK采集的定位坐標數據是GWS-84坐標，在其它坐標系統內進行RTK作業則需要求取定位坐標轉換參數，轉換參數質量的好壞直接影響RTK的測量精度。

（6）在破碎地帶、難以逾越的地帶、有成片的遮擋物和衛星較少或無衛星信號地帶、RTK無法采集到測量數據的地方。易造成失鎖，很難有固定解或解算精度不高的條件下，可用全站儀配合使用，全站儀能彌補RTK工作中的缺點，解決測量工作中遇到的問題。

隨著測繪學與其他學科的不斷滲透，測繪科學與先進技術的不斷發展，逐步完善的RTK技術于測繪領域中必有其廣闊的應用前景，更好的服務于現代化發展，帶來更好的經濟、社會效益。

[1]周忠謨，等.GPS衛星測量原理與應用[M].北京：測繪出版社，1997.

[2]《城市測量規范》（CJJ8-1999）[S].

P228.4

A

1673-0038（2015）41-0223-03

2015-9-18