GPS-RTK技術(shù)在數(shù)字化地形測(cè)量中的應(yīng)用探究

摘要：為了提升地形測(cè)量的精度與效率，通過(guò)介紹基于全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System，GPS）、實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)（Real Time Kinematic，RTK）技術(shù)的地形數(shù)字化測(cè)量方法設(shè)計(jì)，詳細(xì)分析了數(shù)字化地形測(cè)量的各項(xiàng)準(zhǔn)備工作，包括GPS-RTK探測(cè)儀器的準(zhǔn)備與技術(shù)方案設(shè)計(jì)、控制網(wǎng)的布設(shè)等。隨后，闡述了數(shù)據(jù)采集與測(cè)量的具體步驟，包括通信接口的設(shè)置、數(shù)據(jù)采集方法，以及數(shù)據(jù)處理與地形測(cè)量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，如數(shù)據(jù)合適轉(zhuǎn)換、高程值處理與數(shù)字化成圖技術(shù)。研究表明：采用GPS-RTK技術(shù)進(jìn)行地形數(shù)字化測(cè)量，不僅能夠顯著提高測(cè)量的精度，還能夠大幅縮短測(cè)量周期，為地形圖的快速、準(zhǔn)確繪制提供有力支持，展現(xiàn)出GPS-RTK技術(shù)在地形測(cè)量領(lǐng)域的廣闊應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：全球定位系統(tǒng) 實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)技術(shù) 地形 數(shù)字化 測(cè)量 探測(cè) 高程值

Exploration of GPS-RTK Technology Application in Digital Terrain Surveying

CHENG Chunyang

Hefei Surveying and Mapping Design and Research Institute Co.， Ltd.， Hefei， Anhui Province， 230061 China

Abstract： In order to improve the accuracy and efficiency of terrain measurement， this article introduces the design of terrain digital measurement method based on Global Positioning System （GPS） and Real Time Kinematic（RTK） technology， and analyzes in detail the various preparations work of digital terrain measurement， including the preparation and technical scheme design of GPS-RTK detection instruments， and the layout of control networks. Subsequently， the article elaborates on the specific steps of data collection and measurement， including the setting of communication interfaces， data collection methods， and key links in data processing and terrain measurement， such as appropriate data conversion， elevation value processing， and digital mapping technology. The research indicates that using GPS-RTK technology for digital terrain measurement can not only significantly improve measurement accuracy， but also greatly shorten the measurement cycle， providing strong support for the rapid and accurate drawing of terrain maps， demonstrating the broad application prospects of GPS-RTK technology in the field of terrain measurement.

Key Words： Global Positioning System; Real Time Kinematic; Terrain; Digital; Measurement; Measurement; Elevation value

隨著科技的飛速發(fā)展和信息化時(shí)代的到來(lái)，地形測(cè)量技術(shù)正經(jīng)歷著前所未有的變革。雖然全站儀、經(jīng)緯儀等傳統(tǒng)的地形測(cè)量方，在一定程度上滿足了工程測(cè)量的需求，但其操作復(fù)雜、耗時(shí)較長(zhǎng)、對(duì)人力物力需求大等缺點(diǎn)日益凸顯。因此，尋找一種更為高效、準(zhǔn)確的地形測(cè)量技術(shù)顯得尤為重要[1]。

全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System，GPS）、實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)（Real Time Kinematic，RTK）技術(shù)正是在此種背景下應(yīng)運(yùn)而生，并逐漸成為地形測(cè)量領(lǐng)域的一種重要工具。GPS-RTK技術(shù)以載波相位觀測(cè)量為基礎(chǔ)，通過(guò)實(shí)時(shí)差分處理，能夠迅速提供觀測(cè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)，并達(dá)到厘米級(jí)的定位精度。此項(xiàng)技術(shù)不僅提高了測(cè)量的精度和效率，還減輕了測(cè)量人員的工作強(qiáng)度[2]。下文將對(duì)此項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用展開研究。

1數(shù)字化地形測(cè)量準(zhǔn)備工作

1.1 GPS-RTK探測(cè)儀器準(zhǔn)備

考慮測(cè)量區(qū)域的地理特征、氣候條件、電磁干擾等因素，選擇適應(yīng)性強(qiáng)、性能穩(wěn)定的儀器設(shè)備。在保證測(cè)量精度和效率的前提下，合理控制設(shè)備成本，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益最大化[3]。為滿足此方面需求，對(duì)選用的GPS-RTK探測(cè)儀器技術(shù)參數(shù)進(jìn)行分析，如表1所示。

根據(jù)測(cè)量需求，配置相應(yīng)的測(cè)量軟件和數(shù)據(jù)處理軟件，確保儀器能夠正常工作并處理數(shù)據(jù)[4]。

1.2布設(shè)控制網(wǎng)

在控制網(wǎng)布置中，需要對(duì)控制點(diǎn)的精度進(jìn)行估算。計(jì)算公式如下[5]。

式（1）中：表示控制點(diǎn)的中誤差（即精度）；表示觀測(cè)值的方差；表示觀測(cè)值的數(shù)量。此公式用于估算在給定觀測(cè)條件下，控制點(diǎn)可能達(dá)到的精度水平。

控制網(wǎng)平差是控制網(wǎng)布置中的重要步驟，用于消除觀測(cè)誤差，提高測(cè)量精度。常用的平差公式為最小二乘法公式，其一般形式為：

式（2）中：表示代表觀測(cè)值與計(jì)算值之間的殘差向量；表示計(jì)算次數(shù)；表示權(quán)矩陣，為各觀測(cè)值的權(quán)重，式（2）的目標(biāo)是找到一組最優(yōu)的控制點(diǎn)坐標(biāo)，使殘差向量的加權(quán)平方和最小。按照控制網(wǎng)布置原則，在測(cè)量區(qū)域內(nèi)選擇穩(wěn)定、通視性好的位置作為控制點(diǎn)[6]。

2數(shù)據(jù)采集與測(cè)量

2.1通信接口設(shè)置

在完成測(cè)量?jī)x器的初步設(shè)置后，系統(tǒng)將自動(dòng)彈出通訊接口設(shè)置對(duì)話框，用于配置GPS與測(cè)深儀的通訊參數(shù)。為確保儀器間的正常連接與工作，通信參數(shù)的設(shè)置需嚴(yán)格遵循產(chǎn)品說(shuō)明書中的推薦值[7]。表2中記錄了GPS接口參數(shù)設(shè)置數(shù)據(jù)。

測(cè)深儀接口設(shè)置：與GPS接口不同，測(cè)深儀的通信參數(shù)可能需要更細(xì)致的調(diào)整，以匹配特定的水下測(cè)量需求。表3中記錄了測(cè)深儀接口參數(shù)設(shè)置數(shù)據(jù)。

2.2數(shù)據(jù)采集

在數(shù)據(jù)采集階段，關(guān)注GPS數(shù)據(jù)、水深數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)路徑的設(shè)置。數(shù)據(jù)的記錄方式多樣，主要包括按距離、按時(shí)間和手工3種模式。記錄條件方面，有單點(diǎn)定位與差分定位2種選擇[8]。

水深數(shù)據(jù)采集定義在多少個(gè)位置點(diǎn)中采集一次水深數(shù)據(jù)，通常設(shè)置為每個(gè)位置都采集。文件命名結(jié)合了測(cè)線名稱與起始ID號(hào)，如“Ln1.dat”“Ln2.dat”等。每次測(cè)量結(jié)束后重新開始，起始ID號(hào)會(huì)自動(dòng)遞增。總記錄次數(shù)可以依據(jù)下述公式計(jì)算得出。

式（3）中：表示總記錄次數(shù)；表示總測(cè)量距離；表示記錄距離。

3數(shù)據(jù)處理與地形測(cè)量

3.1數(shù)據(jù)合適轉(zhuǎn)換與高程值處理

利用相關(guān)水位觀測(cè)部門提供的水面水位觀測(cè)值，將這些觀測(cè)值轉(zhuǎn)換至一個(gè)統(tǒng)一的改正基準(zhǔn)面。在這個(gè)過(guò)程中，充分考慮多種可能影響水位的因素，并據(jù)此綜合計(jì)算出改正數(shù)。隨后，結(jié)合所測(cè)得的水深值，通過(guò)以下數(shù)學(xué)公式計(jì)算得出水下地形點(diǎn)的高程值。

式（4）中：表示水下地形點(diǎn)的高程值；表示由水位觀測(cè)部門提供的水面水位觀測(cè)值；表示經(jīng)過(guò)綜合考量多種因素后得出的改正數(shù)；表示通過(guò)測(cè)量獲得的水深值。收集的水位觀測(cè)資料涵蓋了4個(gè)重要監(jiān)測(cè)站點(diǎn)，這些站點(diǎn)的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)對(duì)比分析后顯示，其中一個(gè)較大水域的水位波動(dòng)幅度約為0.8 m，而另一較小水域的水位變化則較為平穩(wěn)。

3.2數(shù)字化成圖

經(jīng)過(guò)野外數(shù)據(jù)采集與處理流程，完成數(shù)字化成圖的前期數(shù)據(jù)籌備工作。借助專業(yè)的應(yīng)用軟件，制作出1：10 000比例尺的水域數(shù)字化地圖，并基于該數(shù)字地圖實(shí)現(xiàn)多種工程應(yīng)用功能，如繪制剖面圖、評(píng)估特定區(qū)域的容量、以及計(jì)算指定區(qū)域的土方量等。

該水域1：10 000的數(shù)字化成圖工作主要依賴一款水上成圖軟件（版本5.0），同時(shí)部分圖形處理工作也在AutoCAD平臺(tái)上直接完成。數(shù)字化成圖的核心步驟涵蓋點(diǎn)的布局、模型的構(gòu)建、等高線的繪制。通過(guò)利用軟件自帶的“地貌線”符號(hào)庫(kù)及相關(guān)的繪圖工具，整個(gè)數(shù)字化成圖任務(wù)得以完成。

4測(cè)量結(jié)果校驗(yàn)

為了確保測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性，需要對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)。在測(cè)量區(qū)域內(nèi)選擇已知坐標(biāo)的點(diǎn)作為校驗(yàn)點(diǎn)，使用GPS-RTK技術(shù)進(jìn)行測(cè)量，并將測(cè)量結(jié)果與已知坐標(biāo)進(jìn)行比較，計(jì)算誤差。統(tǒng)計(jì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。

從圖1可以看出，本文方法測(cè)量結(jié)果最大誤差未超過(guò)0.06 m，整體誤差較小，說(shuō)明測(cè)量結(jié)果十分精準(zhǔn)。

5結(jié)論

通過(guò)本文研究，得到如下結(jié)論：GPS-RTK技術(shù)的應(yīng)用不僅提升了測(cè)量精度與效率，還直接提升了項(xiàng)目質(zhì)量與經(jīng)濟(jì)效益。采用GPS-RTK技術(shù)進(jìn)行地形測(cè)量后，項(xiàng)目設(shè)計(jì)精度得到了顯著提升，施工誤差大幅減少，從而確保了工程質(zhì)量。

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