GPS-RTK與全站儀在數字城管測量中的聯合使用

李鵬，李廣海，王永吉,邢武杰

(中國礦業大學(北京)地球科學與測繪工程學院,北京 100083)

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GPS-RTK與全站儀在數字城管測量中的聯合使用

李鵬，李廣海，王永吉,邢武杰

(中國礦業大學(北京)地球科學與測繪工程學院,北京 100083)

摘要：本文主要概述了RTK技術作業模式的基本原理,以及全站儀的作業模式和基本原理,在對比分析了RTK技術和全站儀測量的優缺點后,討論了RTK技術與全站儀在外業測量中的配合使用,并以東北某市數字城管部件測量為例來說明其在數字城管控制測量及部件測量中的應用情況。結果表明全站儀和GPS-RTK一體化測量能在保證精度的前提下大大提高外業測量的進度。

關鍵詞：RTK;全站儀;外業測量;數字城管

0引言

GPS是一個中距離圓型軌道衛星導航系統。它可以為地球表面絕大部分地區(98%)提供準確的定位、測速和高精度的時間標準。該系統由美國國防部研制及維護。該系統由24顆GPS衛星;1個主控站、3個數據注入站以及5個監測站和作為用戶終端的GPS接收機所組成[1]。一般最少只需4顆衛星,就可以迅速確定地球上任意一點的位置及其海拔高度。由于它具有操作方便、定位精度高、受天氣與通視條件影響小等優點,在測繪行業的應用越來越廣泛。

1RTK測量基本原理

1.1RTK基本原理

實時動態差分法(RTK),是一種新的常用的GPS測量方法,是一種能夠在野外實時得到厘米級定位精度的測量方法。采用的是載波相位動態實時差分方法,由于其具有操作方便、直觀、高精度、高自動化、定位誤差不累積等優點,是GPS應用領域里的重大里程碑,它的出現使工程放樣、地形繪圖以及其他測量方向出現了新的曙光,大大地提高了外業測量效率[2]。

RTK的工作原理是在基準站上安置一臺GPS接收機,其余接收機安置于流動站上,基準站和流動站同時接收相同GPS衛星所發射的信號,基準站通過對所獲得的觀測值與其已知坐標信息進行比較計算,得出GPS差分改正值,然后通過電臺將此改正值及時地傳遞給流動站以使其觀測值更精確,進而得到經過差分改正后較準確的移動站的實時坐標[3]。流動站的狀態共分為兩種:靜止狀態、運動狀態。

1.2RTK測量的優點

1) 測量的精度比較高。2) 選點非常靈活、觀測費用較低。3) 系統抗干擾性能力強,保密性能好;4) 可以全天候作業,在任何時間、任何天氣條件下都可以進行觀測;5) 操作簡單,測量方便;6) 觀測時間比較短。7) 自動化程度比較高。目前GPS接收機已經趨于小型化和操作簡便,觀測人員只需將天線對中、整平,量取天線高度后,打開電源即可進行自動觀測,利用數據后處理軟件對數據進行處理即可求得觀測點的三維坐標[4]。

1.3RTK測量過程中的誤差分析

RTK定位技術主要存在三類誤差[5]:一類是與測站相關的誤差,包括天線相位中心的變化、多徑誤差、信號干擾以及氣象等因素;另一類是與距離相關的誤差,包括衛星軌道誤差、電離層誤差、對流層誤差;第三類是由于轉換參數引起的精度損失。

2全站儀測量基本原理

2.1全站儀簡介

全站儀,即全站型電子速測儀是一種集光、機、電為一體的高技術測量儀器,是集水平角、垂直角、距離(斜距、平距)、高差測量功能于一體的測繪儀器系統。其類型主要有:編碼盤測角系統、光柵盤測角系統及動態(光柵度盤)測角系統等三種。幾乎可以用在所有的測量領域。

2.2全站儀工作原理

全站儀的工作原理按其測量目的分為測角原理以及測距原理。測量就是通過對數學平面幾何、立體幾何的利用,結合測得的角度距離等數據來計算出其它邊的距離、及相應角度。測角時通過角度度盤及角度傳感器來獲得數字化的角度數據;測距部件與光電測距儀的部件基本相同,并且大多數都是通過電磁波測相技術來實現的。

2.3全站儀作業的條件

一般情況下使用全站儀工作必須要滿足以下幾個條件:

1) 必須要有可見光,而且光線不能太弱。2) 必須要保證光學通視,且觀測的目標和全站儀之間的水平線上不能有任何遮擋物。3) 一般的測量工作中全站儀若要完成全部測量工作,都需要搬站,會導致測量時間增加,且存在誤差累積的情況。

3數字城管

3.1數字城管概念

“數字城管”系統是國家建設部在結合北京市東城區的成功經驗的基礎上,面向全國推廣的一種新型城市管理模式,把信息技術和城市管理完美結合,將多種現代化技術,例如GPS、地理信息系統、空間數據庫、通訊網絡等集成一體,構建的城市管理信息綜合平臺,使得城市管理工作向信息化、數字化、網絡化的方向進行轉變[6]。使城市管理的組織機構更加精簡、機構反應更快、系統運轉更加高效、靈活,也明確了各個部門的安全職責,城市管理的模式變得更加開放。

“萬米單元網格城市管理模式”是北京東城區運用“數字城管”技術在城市管理中取得的一個典型的成功案例。它的主要理論是:將網格地圖技術運用在城市管理中,將1萬做為基本單位,在其所管轄區域內劃分若干個網格單元,運用地理編碼技術將本區范圍內所有的公共設施都按其物理坐標在萬米單元網絡地圖上表示出來,利用網絡化城市管理信息平臺分別對它們進行管理,由城市里的管理員對所管轄的單元網格進行全時段的不間斷城市監控,同時明確了各級地區負責人做為轄區的城市管理責任人,進而實施對管理空間的分層、分級、全區域的管理方法。

3.2數字城管普查的內容及精度要求

數字城管技術是以“單元網格”原理進行的分片管理,在對城市部件進行普查時需先對城市轄區劃分單元網格,以單元網格做為基本單元進而對城市里的各類部件進行普查,城市部件又是城市基礎結構系統的重要組成部分,其部件種類主要包括:市政類公用設施、市容環境、交通設施類、房屋建筑、景觀園林、牌匾廣告和其它擴展部件類等，如表1所示。

表1　城市部件普查的主要內容

按照建設部《城市市政綜合監管系統管理部件和事件分類、編碼及數據要求》,城管部件的定位精度應符合表2的規定。

表2　部件定位精度要求

4城管數據的采集

4.1城管部件普查方法

在明確了城市部件的普查內容和“單元網格”的思想之后,就可以著手進行城市部件普查的核心工作。由于不同的城市間區域差別較大以及所擁有的基礎地理信息數據也有差異的情況,在實際的普查工作中將城市部件普查方法分為三類:調繪法、常規測量法、移動測量法。

4.2城管部件碎部測量

綜合考慮到城管部件普查的進度要求以及部件的精度要求,在大范圍開闊地帶RTK測量精度與效率足已滿足要求。RTK外業測量一般為兩人一組,一人手持儀器在城管部件中心處進行位置采集,另外一人為其拍照、記錄屬性信息。規定作業過程中必須保證移動站接收到的衛星數在6顆以上[8]。在用流動站進行測量前要進行儀器初始化工作,以保證系統在預定的精度水平下工作。在應用RTK進行部件測量時,要注意下面幾個問題:1) 減少信號干擾,要注意在基準站周圍100～500 m范圍內沒有大功率無線電的發射源,2) 在進行測量作業前,應使用儀器自帶軟件做好衛星星歷的預報工作,應注意在進行RTK測量時保證PDOP值小于5,否則在實地測量中很難測得“固定解”;為了保證測量成果質量,規定測量人員立點要準確,測量部件時需保證對中桿氣泡居中等。

4.3RTK與全站儀的聯合作業在數字城管部件普查中的應用實例。

4.3.1測區概況

測區位于遼寧省東部的地級市F市,本次數字城管測量區域位于該市城區,測區總面積160 km2,測區包括四區一縣,測區整體東西帶狀分布,采取當地獨立坐標系,此次以其中一個區里RTK信號比較差的一個平方公里為例進行闡述。

4.3.2儀器設備

本次測量采用南方靈銳s86型GPS接收機1+8套,接收機精度指標為:靜態平面精度:3 mm+1 ppm;靜態高程精度:5 mm+1 ppm;RTK平面精度:1 cm+1 ppm;RTK高程精度:2 cm+1 ppm;通訊方式:USB、串口、藍牙;數據鏈:2～5W、GPRS/CDMA(可選);RTK初始化時間:典型15 s.另外還配備有南方nts362r全站儀(測角 2″,測距3 mm+2 ppm)兩套。

4.3.3作業組織安排

根據當前擁有的儀器設備,結合測區地貌特征,作業分工如下:

1) 用GPS-RTK布設圖根點,根據實地建筑物及道路走向布設點位,保證通視以方便全站儀進路口和小區測量為宜。

2) 用RTK測量測區內的大道路及其兩邊開闊地帶的各類部件。

3) 建筑物根部、小區里、大樹下的部件以及其它地方用RTK采集有困難的部件用全站儀采集。

4.3.4作業過程

在合適的高處架設好基準站,連接上移動站接收機、天線、花桿后,打開手簿。對移動站接收機參數進行設置,建立新的工程,工程名為當天日期加本組編號。設置好坐標系統參數后,就可以開始測量了,在這里要注意連接的衛星個數,無線電信號標志,以及坐標解是否固定等。如無問題,即可進行下一步的校點工作。在基站較近的一個校核點上讓所有流動站進行測量來比較精度,測量采用5次平滑,當各組所測結果與校核點X,Y坐標相差在幾個mm級時,這可以認為點檢核成功,當天的觀測結果是可靠的[9]。這樣有利于保證各組數據的統一性,便于后期內業數據轉換到城市獨立坐標系下。

進行點檢核后,各組即可按照部署奔赴各自測區進行測量,用RTK為全站儀打控制點,之后全站儀開始架站測量,往信號不好處做導線控制,并開始碎部測量;RTK打過控制點也開始在附近信號好的地方測量,這樣RTK確保了測量進度,而全站儀又確保了RTK信號不好的地方的精度,二者相輔相成,互相配合。RTK與全站儀配合測量如圖1所示,確保了測量任務的快速高精度的完成。

圖1　RTK與全站儀配合測量簡圖

4.4關于GPS和全站儀所測數據的共用

GPS與全站儀采用的是兩種不同的坐標系

統:GPS采用的是WGS-84世界大地坐標系,而全站儀的數據一般為以自身旋轉中心為原點、水平某一指定方向為X軸、豎直方向為Z軸、Y軸與Z軸構成右手直角坐標系[7]。將兩種儀器的應用完美地融合起來的關鍵就是其測量數據在不同坐標系中的相互轉換,通過數據的坐標轉換將測量得到的數據變成我們所期望得到的結果。此外,由于全站儀補測的一般都是GPS信號比較弱的小區域或者狹長的道路,面積和距離都比較小,所以用全站儀補測的小部分數據是可以直接和RTK采集的數據統一處理的,具體數據情況如表3所示,選取了RTK和全站儀共同測量的十個點位的X與Y坐標,分別求出了其差值Δx與Δy,及其大小分布情況如圖2所示,并以全站儀所測作為真值分別求出了RTK所測十個點位的Δx與Δy的真誤差,Δx=0.371,Δy=0.346.其精度能滿足要求[10]。所以全站儀和RTK配合測量后的數據是可以共用的。

表3　RTK與全站儀共測的十個點位的坐標

圖2　RTK與全站儀共測的點位的Δx與Δy的分布圖

5結束語

本文是在已有的GPS-RTK和全站儀的研究資料及應用成果的基礎上,更進一步的對GPS-RTK和全站儀在數字城管部件采集中實際應用進行的總結,探討了GPS-RTK與全站儀聯合作業的可行性及其優勢。全站儀和GPS-RTK一體化測量,高程和平面精度都能滿足要求,能適合大多數測量工作,特別是特殊區域的數字城管部件測量作業,能很大地提高作業速度,快速獲取大批量滿足精度要求的待測點的地理坐標。

參考文獻

[1] 徐建龍.GPS系統與全站儀的組合測量[J].電子設計工程,2014,22(1):74-77.

[2] 袁斌.CORS環境下GPSRTK測量時的坐標系統及相互轉換[J].北京測繪,2014(1):84-87.

[3] 張文山,劉楠,李宇新.GPSRTK技術及其在“數字城管”中的應用[J].測繪與空間地理信息,2008,31(1):101-102,106.

[4] 張弘,劉學.RTK定位測量的誤差分析及提高精度的關鍵[J].城市勘測,2007(1):18-20.

[5] 王權.全球定位系統(GPS)定位原理及應用[J].中國計算機用戶,1996(7):5-8.

[6] 侯至群.“數字城管”系統中城管部件數據采集方法研究[J].城市勘測,2006(1):3-5,13.

[7] 鄧春芳.間接測量誤差分析及數據處理[J].北京信息科技大學學報·自然科學版,2010(4):79-81.

[8] 高志強,王洪祥.測繪工程中GPSRTK技術的應用實例[J].測繪與空間地理信息,2006(3):74-76.

[9] 孟凡超.GPS-RTK與全站儀聯合作業在數字測圖中的應用[J].北京測繪,2010(2):57-60.

[10]程飛,張麗娜,張曉亮.全站儀和GPS一體化測量方法探討與精度分析[J].測繪工程,2014,23(4):69-71.

作介簡介

李鵬(1990-),男，碩士生，主要從事GPS定位的研究。

李廣海(1990-),男,碩士生,主要從事GPS導航與定位的研究。

王永吉(1992-),男,碩士生,主要從事遙感圖像處理與應用。

邢武杰(1993-),男,碩士生,主要從事網絡GIS的研究與應用。

In the Digital Urban Management Measurement by the Combined Use of GPS-RTK and Total Station

LI Peng,LI Guanghai,WANG Yongji,XING Wujie

(ChinaUniversityofMining&Technology,Beijing100083,China)

Abstract:This article mainly introduced the basic principle of RTK technology operation mode and operation mode and the basic principle of total station,RTK technology and total station is discussed in the field measurement, the analysis of the RTK technology and the advantages and disadvantages of total station to measure,to discuss its application in the digital urban management control and component measurement, in the northeast city of digital urban management component measurement as an example.Results show that the integration of total station and GPS-RTK measurement can be on the premise of guarantee accuracy greatly improve the progress of the field measurement.

Keywords:RTK; total station; field measurements; digital urban management

中圖分類號：P228.4

文獻標志碼：A

文章編號：1008-9268(2016)01-0076-05

收稿日期：2015-11-09

doi:10.13442/j.gnss.1008-9268.2016.01.015

聯系人： 李鵬 E-mail: 466391679@qq.com