GPS RTK技術在地形測量中的應用

陳國新

(福建省連城錳礦有限責任公司，福建 連城 366215)

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地質

GPS RTK技術在地形測量中的應用

陳國新

(福建省連城錳礦有限責任公司，福建 連城 366215)

簡要闡述了GPS RTK技術的基本原理，并通過在地形測量中的應用，介紹了GPS RTK的作業流程以及分析了它的優缺點。

GPS RTK；地形測量；技術應用

1 GPS RTK系統的基本原理

高精度的GPS測量使用的是載波相位觀測值，RTK定位技術就是以載波相位觀測值的實時動態定位技術。他能夠實時地提供測站點在指定坐標系中的三維定位結果，并達到厘米級精度。在RTK作業模式下，基準站通過數據鏈將其觀測值和測站坐標信息一起傳送給流動站。流動站不僅通過數據鏈接收來自基準站的數據，還要采集GPS觀測數據，并在系統內組成差分觀測值進行實時處理，同時給出厘米級定位結果，歷時不到1 s[1]。流動站可處于靜止狀態，也可處于運動狀態；可在固定點上先進行初始化后再進入動態作業，也可在動態條件下直接開機。在整周末知數解固定后，即可進行每個歷元的實時處理，只要能保持5顆以上衛星相位觀測值的跟蹤和必要的幾何圖形，則流動站可隨時給出厘米級定位結果。

2 GPS RTK在地形測量中的應用

2.1測區概括

福建省連城錳礦有限責任公司廟前礦區一號點采空區及采空區鄰近山坡要進行生態環境治理工程前期設計，現有地形圖精度不能滿足設計的需求，需要重新繪制1∶500最新地形圖。山坡地形條件復雜，地形起伏大，樹木和雜草叢生，通視條件很差，使用傳統全站儀測量方法，很難進行觀測和設站。且測量工作一般要求至少3～4人操作，測量誤差也會隨著支站的不斷增加而加大，工作效率很低。而采用GPS RTK測量方法時，只要移動站能保持5顆以上衛星相位觀測值的跟蹤，僅需1人使用移動接收機在地形地貌碎部點就能把點位坐標和高程測量出來。不要求點間通視，并且各點的測量誤差是獨立的，不存在測量誤差的累積，大大提高了測量精度和工作效率。因此本次測量工作選用GPS RTK測量方法，使用的儀器是由南方衛星導航儀器有限公司生產的S86測量系統。

2.2 GPS RTK測量方法

2.2.1 坐標轉換

GPS接收機輸出的數據是WGS-84經緯度坐標，而本次測量所使用的是1980國家大地坐標系統(以下簡稱80坐標)，這就要進行坐標轉換參數的計算[2]。坐標轉換參數主要是計算四參數或七參數和高程擬合參數，其中參與四參數計算的控制點至少要用兩個或兩個以上的點，四參數理想的控制范圍一般在20～30 km2以內。本次測量任務范圍在0.5 km2以內，使用四參數計算的方法完全可以滿足工作精度要求。

四參數的計算可以在GPS手簿中的工程之星軟件中計算，只要提供兩個已知點的GPS原始記錄坐標和測量施工坐標，工程之星軟件就會自動計算得出四參數。GPS原始記錄坐標的獲取有兩種方式：一種是布設靜態控制網，采用靜態控制網布設時后處理軟件的GPS原始記錄坐標；另一種是GPS移動站在沒有任何矯正參數起作用的Fixed狀態下記錄的GPS原始坐標。本次GPS原始記錄坐標的獲取采用的是后一種方法。

廟前礦區現有兩個已知控制點(80坐標系)，LC21和LC22，兩個控制點相距350 m，控制點、公司辦公樓與測區相對位置示意如圖1。

圖1 已知控制點、公司辦公樓與測量區域位置

在距離控制點不遠的空曠地帶且無干擾源的地方任意架設基準站，移動站分別記錄兩個控制點的WGS-84坐標，測得數據如表1所示。

表1 原始記錄坐標與測量施工已知坐標

再經過RTK手簿中工程之星軟件計算得出四參數，并應用到工程之星軟件測量任務的坐標系統中。四參數計算結果：比例尺1.000 105 532 615 83，北原點6.368 672 981 337 02，東原點9.126 892 089 843 75，北平移-363.126 2，東平移39 000 246.143 6，旋轉角-0.003 051 703 1。

2.2.2 基準站架設及校正向導

基準站接收機實時的把觀察數據及已知數據傳輸給流動站接收機，因此基準站與移動站之間不能有大的障礙物。且基準站一定要架設在視野比較開闊，周圍環境比較空曠、地勢比較高的地方，避免架設在高壓輸變電設備附近、無線電通訊收發天線附近、樹蔭下以及水邊，這些都對GPS信號的接收以及無線電信號的發射產生影響。RTK作用距離與基準站架設的高度關系見表2。

表2 RTK作用距離與基準站架設的高度關系

校正向導分為兩種方法：一種是基準站架設在已知點進行校正；另一種是基準站架設在未知點進行校正。前一種方法的缺點就是不能靈活選擇基準站最佳架設位置，有時在基準站架設位置和移動站之間會有信號干擾等不利因素的影響。而后一種方法可以自由選擇架設位置，能有效避開不利因素的影響，因此本次測量采用后一種方法。

公司辦公樓與采空區相對位置如圖1所示，樓頂距離地面10 m以上，視野開闊，沒有干擾源，且可以和采空區及其山坡通視。根據RTK作用距離與基準站架設的高度關系可以得出，在公司辦公樓樓頂架設基準站，完全能滿足測量精度的要求。因此本次測量基準站選擇架設在公司樓頂，基準站架設完成以后，移動站架設在已知點水平對中并達到固定解以后進行校正，然后進行外業的數據采集。

2.2.3 外業數據采集

GPS RTK技術的外業數據采集，是把移動接收機擺在要進行測量的地形地貌碎部點上，再通過手簿把點位坐標和高程測量出來。這種方法操作簡單，而且僅需1人操作。但是在數據的采集過程中，因為GPS依靠的是接收太空中衛星發射來的無線電信號，這些信號頻率高、功率低、不易穿透，可能阻擋衛星和GPS接收機之間視線的障礙物。因此，GPS在樹林區有一定的局限性，但不意味著GPS只能用于視野開闊的地區。GPS測量在部分障礙的地區也是可以有效而精確的，因為GPS要實現精確可靠的定位必需要5顆適當分布的衛星，而一般情況下在任何時間，任何地區都可能會有7～10顆GPS衛星。在有障礙物的地點只要可以觀測到5顆衛星，就有可能進行GPS測量。在樹林四周進行測量時，只要在該地留有足夠的開發空間，使GPS系統可以觀測到5顆衛星，測量就能完成。一號點采空區山坡部分地區樹木較密，會部分阻擋反射和折射衛星信號。GPS信號的接收在樹林茂密的地方會變差，難以達到厘米級水平的精度定位，所以我們在測量數據采集時，遇到樹木茂密的地方，必須要等到移動站可觀察到至少5顆衛星，并達到整周末知數解固定后，方可進行數據采集[3]。

2.2.4 內業處理

外業采集的數據經手薄與電腦連接，使用手薄中的數據導出功能下載到電腦上，再打開南方cass軟件進行展高程點。這些點號在cass軟件中展開之后如圖2所示。

圖2 高程點在cass軟件展開圖

展開高程點以后，再根據外業草圖進行測區內的房屋、林地、路等地形地貌的測制工作，并最終成圖。

3 GPS RTK測量技術的優缺點

GPS RTK測量技術優點主要表現在以下4個方面[4]。

1) 只要滿足測量的基本工作條件，GPS RTK的精度都能達到厘米級，測量精度可靠，且誤差不會累積。

2) 測量人員少，效率高。只需要1人操作移動站，就可進行測量工作，在觀測條件良好的時候，每個測量點位僅需停留1～2 s就可完成作業；尤其在地形條件復雜的地方，GPS RTK測量技術比傳統測量方法更能快速、準確地進行作業。

3) 操作簡單，自動化程度高。在測繪工作中，衛星信號的捕獲、跟蹤、觀測等均由儀器自動完成，操作人員只需使用手簿就能完成點位的測量，極大的減輕測量工作者的工作緊張程度和勞動強度。

4) 在能見度低，通視條件差的情況下，GPS RTK技術都能夠進行作業。

GPS RTK測量技術的缺點主要表現在以下4個方面[4]。

1) 受對空通視環境影響。在山區、林區、城鎮樓房區等地方，GPS衛星信號會被阻擋，信號強度會比較弱，容易造成數據的失鎖，重新初始化困難，影響正常的作業。

2) 受大氣層的干擾。GPS RTK系統是要接收衛星信號才能進行作業，而衛星信號是要通過大氣層才能達到地面，尤其是在白天中午，衛星信號受到的干擾大，會使得系統初始化時間長，甚至不能初始化，造成系統無法正常作業。

3) 受數據鏈電臺傳輸距離影響。在測量工作中，移動站和基準站的數據鏈接會受到山體、強信號干擾源、樹林、房屋等的影響，造成數據精度的降低和作業半徑的減小。

4) 受天氣的影響。在多云、大風等天氣情況下作業，衛星信號強度都會受到影響，導致測量數據精度會降低。

4 結 語

GPS RTK技術不同于傳統的全站儀測量模式,他能夠在不通視的環境下，實時完成厘米級定位精度，他具有操作人員少、作業時間快、精度高等特點,能夠極大地提高工作效率。但是他的作業方式又會受到接收的衛星數量、數據鏈電臺傳輸、外部干擾源等外界條件的影響,在林區、房屋樓房區等測量中顯得尤其突出,甚至有時會出現無法正常作業的情況。而傳統全站儀測量方法又不受這些因素的限制，所以GPS RTK技術還不能完全替代傳統全站儀測量方法。我們在測量工作中要結合實際情況，靈活應用GPS RTK測量技術和傳統全站儀測量技術，才能夠更好的完成各種測量工作。

[1] 黃燕明. GPS-RTK技術在工程測量中的應用研究[J]. 中國新技術新產品, 2012(5): 1-2.

[2] 劉發明. GPS RTK技術在工程測量中的應用淺析[J]. 中國地名, 2013(11): 58-59.

[3] 李翔. GPS-RTK技術在工程測量中的應用[J]. 甘肅水利水電技術, 2010(4): 39-42.

[4] 朱洪柳. GPS-RTK技術在工程測量中的應用研究[J]. 山西建筑, 2012, 38(3): 222-223.

AnApplicationofTopographicSurveyofGPSRTKTechnology

CHEN Guoxin

(FuJianLianchengManganeseCo.,Ltd.,Liancheng,Fujian366215,China)

This paper, through practical application in topographic survey, briefly expounds the basic principle of GPS RTK technology. And it introduces the operation process of GPS RTK in analysis of its advantages and disadvantages.

GPS RTK; Topographic survey; Technology application

2016-07-27

陳國新(1987-)，男，江西省高安市人，測繪助理工程師，研究方向：測量技術在礦山中的應用，手機：15960923550，E-mail：370921678@qq.com.

TD178

：Bdoi：10.14101/j.cnki.issn.1002-4336.2016.04.001