RTK技术与全站仪在野外数字测图中的应用-毕业论文

RTK技术与全站仪在野外数字测图中的应用摘要：把信息采集数据处理转变成数字化和自动化是野外数字测图的目的，野外数字测图减少测量时间、降低工作强度、提高测量精度。野外数字测图一般采用全站仪和GPS等仪器，全站仪测量具有测量精度高、使用便捷、必要工作人员较多、工作强度大等特点，GPS测量具有受环境影响大、效率高、必要工作人员少、工作强度小等特点。野外数字测量中，不同环境下单一使用一种仪器会降低工作效率和数据质量。本文对GPS-RTK技术和全站仪配合应用在野外数字测量中进行了一些研究，介绍了GPS-RTK配合全站仪作业过程，简要阐述两种仪器的工作原理及其在野外数字测量中的应用。对于两种仪器单独使用的缺陷，提出了全站仪和GPS-RTK技术在野外数字测图中的结合使用方法，并进行了研究，设计出了全站仪和GPS-RTK技术在野外数字测图中的综合使用系统，使测量工作效率得到很大提高。在利用实测数据成图的过程中，讨论了全站仪与GPS-RTK技术综合使用在野外数字测图中的可行性及优势，对于测量工作中的一些实际问题给出解决方法和措施，并且得出一些比较实用的结论来满足在实际测量工作中的需要。关键词：GPS；RTK技术；数字测图itisthepurposeofthefielddigitalmappingtotransformthedataacquisitionanddataprocessingintodigitalandautomation.ThefieldofdigitalmappingusingGPSandtotalstationinstrument,totalstationinstrumenthashighmeasuringaccuracy,useconvenient,morenecessary,staffworkintensity,GPSmeasurementhasthecharacteristicsofbeinggreatlyaffectedbyenvironment,highefficiency,needlessstaff,lowworkingstrengthetc..Inthefieldofdigitalmeasurement,theuseofthesameinstrumentindifferentenvironmentswillreducetheworkefficiencyandthequalityofmeasurementdata.ThispaperusesGPS-RTKtechnologyandapplicationinthefieldoftotalstationwithdigitalmeasurementarestudied.TheGPS-RTKelectronictachometerisintroducedandoperationprocess,brieflyintroducedtheworkingprincipleoftwokindsofinstrumentanditsapplicationinthefieldofdigitalmeasurement.Fortheshortcomingsofthetwoinstrumentsused,thetotalstationandGPS-RTKtechnologyinthefieldofdigitalsurveyingwiththeuseofmethods,andcarriedouttheresearch,designedatotalstationandGPS-RTKtechnologyusedinthesystemdiagraminthefieldofdigitalmeasurement,themeasurementworkefficiencyhasgreatlyimproved.Inthedatamappingprocess,discussesthecomprehensiveuseofGPS-RTKtechnologyoftotalstationinstrumentandtestthefeasibilityandadvantageofdigitalmapinthefield,togivesomepracticalproblemsinthemeasurementofsolutionsandmeasures,anddrawssomepracticalconclusionstomeetinactualsurveyingwork.GPS;RTKtechnology;digitalmapping

目录TOC\o"1-3"\h\u1引言 引言最近几年随着计算机、测量仪器以及数字地图软件的广泛应用和迅速发展，数字测图的身影出现在很多领域，例如在测绘生产、环保、军工、土地管理等领域，野外数字地图作为一个完整的解析技术，在制图技术方面已经名列前茅。现在，很多测绘部门野外数字测图的生产规模已经形成。数字测图技术作为反应现代化技术，在未来会逐渐代替人工模拟映射，成为地形映射技术的主流。目前，全站仪和GPS是野外数字测图野外现场采集数据的主要设备，这两种不同的测量仪器都各有优势，但同时各自都存在着欠缺方面。在当今社会迅速发展的时期，人们对工程质量需求逐渐提高，如果再单一使用GPS-RTK技术或全站仪，显然已经不能满足实际测量工作需要。因而，在同一项目中出现两种仪器联起来应用的方法，通常情况，控制点的布设由GPS进行测设，并且布设后的控制点精度一般会由全站仪进行测量校准，不仅加快测量工作的效率而且解决了全站仪在野外测量中遇到的水平面上不通视问题和GPS-RTK技术在测量中遇到的垂直方向上高大树木、建筑物等物体遮挡信号的问题，使测量工作在缺点方面得到相互补充，从而使测量仪器单独使用时的缺点得到有效规避，利于快速设置控制点，获取点的高精度三维坐标，对测量速度有很大促进作用，对于测量来说速度提高意味着效率提高。随着GPS全球定位系统的逐步完善，到目前为止GPS-RTK技术测量精度已经有了更大突破，能够适应传统测量的基本需求，特别是对广阔领域（例如：田野，道路，河流，排水，池塘等场所）是全球卫星定位系统在实时动态定位（GPS-RTK）测量模式下，能够对全球范围内采集的数据直接使用。但是在灌木较多或建筑物集中的地方，先使用RTK技术测量图根点，再使用全站仪进行校验。基于类似情况，在通常实践中，我们尝试使用GPS-RTK技术结合全站仪进行野外测量数据采集，然后使用计算机CASS软件对收集的数据进行数字化，通过预期结果与实际结果进行简单比较，来确定方案实施的可行性以及优势。2RTK技术概述2.1定位方法RTK技术是实时GPS测量技术的简称，它基于载波相位观测，实时观测和处理两个载波相位的高效定位技术的差分方法。在实时动态测量过程中，一般使用两个以上的GPS接收器同时接收卫星信号，其中一个位于作为基站的已知坐标点，另一个接收机用于测量确定未知点通常称为流动站。同时，需要在基站和移动台之间增加一组无线数字通信系统，并将两个相对独立的GPS信号接收系统组合成有机整体。基站根据该点的确切坐标来找到对卫星的校正次数，通过该站校正数和观测数据，然后将观测数据传输到流动站。基站传输的载波信号和流动站本身的载波信号进行差分处理，对任意两站之间的基线向量进行解算，获取站点精确坐标，根据输入的坐标变换公式和投影参数，可以实时获取比较精确坐标。GPS-RTK技术工作模式如下图：流动站基准站流动站基准站图2.1实时相对定位(RTK)示意图从上图可以看出，GPS在监测基站与用户接收站之间进行使用时，RTK测量系统和静态定位、动态相对定位等测量模式作比较，优势在于可实时计算定位结果，观测数据质量和解算出来结果收敛的情况，可以即时判断测量结果是否已经成功接近预期值，减少多余观测，同时使测量工作的速度和质量得到很大提升。2.2工作原理

GPS-RTK技术是GPS差分解决方案技术得到一个必然产品。基于实时动态差分测量技术的载波相位观测。由基站、多个移动站和通信系统组成，对于移动站，不仅可以采集GPS的观测数据，而且还能通过通信系统从基准站接收数据，并在系统中形成差分观测值，定位结果一般都可达到厘米级别的精度。流动站在初期用来获得基站之间的基线，在对其观测之后，可以将流动站有静止观测变为动态观测，进一步实时访问每个点的三维坐标和移动轨迹信息。2.3控制测量对于传统意义上的野外数字测图，第一步要先做到控制网的测量，对于国家控制点进行联合测量。在一些环境较为空旷的地区，可以使用GPS-RTK技术通过静态定位方法来测量国家控制点，获得精度比较高的控制点坐标。但一般情况下使用全站仪进行国家控制点测量次数较多，由于考虑到RTK技术的不足，所以在选择控制点上，应该注意以下两个问题：（1）在野外数字测图中选择地形较高地方的点，有利于接收卫星信号，并且防止高压塔、通讯塔、高大树木等物体干扰卫星信号；远离大面积水面，防止出现多路径效应。

（2）选取控制点的布局要尽量多，这样可以使测量数据精度在水平方向上比较接近。全站仪比较适合在有高大树木、建筑物较多的地方，可以适当加密一些控制点的坐标。2.4坐标转换GPS数据测量时，一般采用的坐标系统为WGS-84坐标系，然而数字映射区域控制点坐标系一般都为80坐标系或者是局部坐标系，所以需要进行两次坐标的转换。一般情况下知道的坐标是地面高级控制网的三维坐标，大地坐标的形式一般表示为（B,L,H），GPS的三维坐标一般以空间直角坐标或是大地坐标的形式在坐标系（X,Y,Z）中。因此，必须先在一般地面网的大地坐标中，按照以下关系式计算,转换为相应的空间直角坐标:（2-1）其中,N为椭球卯酉圈曲率半径；e为椭球偏心率。当结束转换后,其地心坐标(x,y,z)r和地区坐标（x,y,z）G的转化公式是：（2-2）式中的等7个重要参数是测量工作前进行联合测量得到的。如果测得数据精度没有那么高的情况下，可以通过平移参数转换。两种仪器配合使用需要知道较多已知点，而且已知点的分布必须合理不能集中到一小片区域，需要在所测的区域分布平均，这样才能使测量结果更加准确，计算时需要利用高斯投影面计算，坐标一般按照投影平面上的坐标形式输出。

2.5对比全站仪在各种测绘类的项目测量工作中，GPS-RTK仪器与全站仪仪器这两种测绘仪器在目前使用的最多。然而，这两种仪器在实际的测量工作应用中存在着优势和劣势，下面以野外数字测图项目为例子，两种仪器工作比较如下表所示：表2-5RTK技术与全站仪技术数字化测图比较项目RTK全站仪外业工作人员的分配一般2个人就可以来完成，1人看守基站，1个人手持GPS流动站观测，然后画工作草图最少要2个人，1人操作仪器进行测记，1个人跑棱镜，然后画出草图通视性流动站与基准站之间不用通视必须通视才可以定向、测量测量工作距离RTK仪器不会出现看不清楚点而降低测量精度或者测量出错的情况，工作半径是5-10km全站仪仪器受到距离的影响很大，当距离增大时会影响工作效率和测量数据的精度，作业半径一般不会超过800m误差的积累不积累误差会累积，仪器的操作不好会造成误差产生，测站多会造成误差的累积操作会累加天气问题不受天气影响，全天候作业受天气影响较多、雾天、阴雨天不能作业独立情况看站人员和流动站人员之完全独立，流动站人员是RTK测量的重点，1人手持流动站即可单独进行测量必须配合作业，测站和棱镜之间需要默契配合，测量时可以使用手机上的QQ、微信、对讲机等交流工具来配合工作受环境影响程度接收的信号会受到森林、建筑物、水沟等影响。同时，信号受到卫星高度角的影响较大。对于作业环境要求不太高，不会受到信号多路径效应、高度角的影响，在高大建筑物之间也可以进行作业

3全站仪概述3.1工作原理全站仪是结合经纬仪、光电测距仪和微处理器的测量仪器。与经纬仪相比，优化了扫描度盘、用机器自动测记代替人工记录，使测角简单化且避免了读数误差的产生，提高测量工作的自动化程度。它为其大容量数据存储和处理提供了可靠保证。因为全站仪仪器使用便捷、读数比较准确、测量角度范围大等多方面特殊优势，从1980年以来得到国内外测量行业的一致认可，而且这仪器对于非测量专业人员也很容易学习。全站仪仪器中的数字显示、双轴补偿、电子校准、数据传输等特性，已经成为数字化地图测量工程中广泛应用的仪器仪表。大部分全站仪可以自由设站，进行线路测量和计算，定方位，极坐标测量和点放样，也可用于边缘测量、悬挂高度测量、面积测量和计算。在碎部测量中，采用方法有：极坐标法，交叉法和距离法，极坐标法是其最主要测量方法，原理如下图所示：B PBAA图3.1极坐标法测量

3.2精度匹配目前，全站仪测距精度是S，按精度匹配的原则，则有(测距精度，测角精度）取测距长度为500m得：因此，当使用测距仪标精度为S时，应配套采用测角精度为级的全站仪。4应用研究4.1控制点测设由于GPS-RTK技术在控制测量方面具有精妙的技术优势，当测量控制点在野外部分地区视野比较空旷开阔时，可避免无线电干扰和多路径效应等影响，应用GPS-RTK技术进行测量，在信号被遮挡的地方应尽量使用全站仪的布局方式布设控制点，这样彼此可以相互避免弱点，提高劳动效率，此法特别是在野外数字地形图的修补测试领域中应用特别方便、快捷。4.2碎部点施测在一般的野外地形和地势上，传统高质量GPS-RTK技术只需设一次站就能快速测量测区4km半径以内的地物地貌。现在随着我们国家CoRS基站的建立，卫星定位领域的研究水平的提高，CoRS站架站和做点非常方便，很大地减少我们工作强度，一台移动站只使用一个人操作就可以，所以在一般情况下尽可能的使用GPS-RTK进行碎步点施测；但在高山峡谷、茂密森林、城市高层区测量时，可采用全站仪进行施测，全站仪测量具有精度高、稳定性好等优点。一般使用GPS-RTK测量更广泛的地物和地形特征，当使用GPS-RTK测量沉降时，应根据绘图的比例，处理好点对应的偏心改正，对于隐藏的地物点可以通过GPS-RTK测量一些转点，利用前后方交会、距离交会等方法推导出相应地物点坐标。在卫星信号被影响、测量精度不理想的区域，可以先在空旷地方使用GPS-RTK技术布设图根点，然后用全站仪测量碎步点，这就使得GPS-RTK技术缺陷得到很大补充，充分发挥全站仪和RTK技术的优势，使测量工作效率进一步优化，提高了测站点的精度。在实际工作中，一组一般由三个人操作（其中一个在GPS-RTK移动台操作，两个作为全站仪组员）可以完成常规的两小组工作，使得测量工作得到很迅速完成、降低工作强度。4.3成果检核(1)控制点检核：当用静态GPS或全站仪来布设控制网时，应测出多个控制点，然后使用RTK测量这些控制点坐标，进行控制点检核。RTK应该进行两次独立测量，两次观测坐标相差不超过3cm，选取测量结果中数作为最终结果。特别是在GPS-RTK测量的图根点作为站点时，要检验站点之间的边长和角度，一旦发现问题及时改正。(2)碎步点检核：由于GPS-RTK测量涉及卫星状态、时间、传输干扰、高程异常等问题和全站仪涉及到设置站点、定向等问题，两种仪器测量出的碎步点坐标应进行相互检校，直到测量的精度完全符合测量要求才可继续作业。漏编地图的图斑要进行重新编号，可以根据地区最大斑块的编号继续向下编号，也可由地区作业单位从新开始编号。4.4精度对比（1）全站仪采用极坐标法测量，一般会受到水平距离、仪器、测站偏心等各项误差的影响，下表数据求得各项误差对测量的影响：表4-1各项误差对放样点位置的影响测距长度（m）测角中误差（"）测距中误差（mm）点位中误差（mm）10145.902.029.403048.702.069.405029.402.109.50100015010.502.309.902008.302.4010.202507.102.5010.703006.302.6011.204005.402.8012.305004.903.0013.7010004.304.0021.80为了更加直观地反映出各项误差对放样点位置中误差的影响，绘制出了各项中误差折线图，如下图：图4.1全站仪精度分析（2）全站仪和RTK测量成果对比分析。下表是一个通过实际测量的一个实例成果表，用两种测量方式进行测量成果对比表：表4-2全站仪和RTK测量成果对比表点名导线坐标测量成果/mRTK测量坐标成果/m差值/cmxyxydxdyD156195.08210701.23356195.1110701.249-2.76-1.62D256631.71410853.85556631.73710853.878-2.31-2.28D356084.37410016.87656084.38210016.883-0.83-0.69D456407.75110133.34856407.74610133.3440.550.45D556666.87610223.88456666.87110223.9030.50-1.9D656097.93310377.12956097.92710377.1520.60-2.26A156097.93310377.12956097.92710377.1520.60-2.26A256497.37510492.62156497.35610492.651.88-2.87A356663.17510536.73656663.17514536.755-0.03-1.88A456865.34210699.80356865.34210699.803-0.04-0.01A556042.51710788.17156042.54110788.195-2.42-2.35A656895.04410936.63256895.02910936.6551.51-2.27由表中可以看出全站仪测量成果与RTK测量成果的差值有一部分为毫米级别的，多数差值为厘米级别，即两者测量精度都满足在野外数字测图中的精度规范，因此，全站仪和RTK技术在野外数字测图中完全可以相互配合使用。为了更加直观的反应全站仪和RTK测量成果的差值，绘制了如下折线图：图4.2全站仪与RTK测量成果对比

4.5调绘经验通过大量野外测量工作，得出如下经验：（1）稻田和干旱轮作地一般表示为水田表示。（2）在被遗弃的堤上种植农作物，并且堤坝形状不变，不能用作耕地表示，如果堤坝的形状不存在，仅略高于周围的耕地，并且已具有多年耕作农作物可以作耕地表示。（3）山地或耕地固定种植树木，覆盖率超过50％或超过三年的植树造林时间应当表示为林地。（4）在河流中，海滩上的水库种植作物，一般洪水可以淹没的，不能表示为耕地。（5）新种植的树木、茶树、桑树中间穿插种植一些农作物，仍作为耕地;树种植三年以上，覆盖率达50％的，虽然有作物耕种，但应当做园地表示。（6）在农民住宅区周边少量种植果树或在民院中种植的果树等不可表示为园地。（7）生长在干坑和沟渠中的作物，池塘（堤坝）的形状仍然是沟渠形状，大部分没有被堵塞和也未播种，这些池塘或沟渠不能表示为耕地。（8）山区中大面积的森林作为林地表示。

5结论通过对RTK技术与全站仪在野外数字测图中的应用研究，得出以下结论：（1）GPS-RTK技术和全站仪在野外数字地图领域的联合使用是完全可行的，特别是在野外复杂的地形中益处更加明显。（2）两种仪器的联合使用，在实际测量工作中在很多方面都有优势，不过也存在一些技术方面的局限性，所以在使用时一定要掌握它们的优缺点，以避免他们的劣势，对野外数字测图应用领域中有很大好处，随着卫星定位系统（大功率基站）的不断建立，GPS硬件和软件的不断更新，GPS-RTK技术和全站仪的结合使用在数字测图上具有良好的前景，全站仪在数字测图中的控制应用，仍然是测量的重要手段，两者的有机结合将有利于数字测图领域的发展。（3）野外土地资源与人民生活的关系是经济社会稳定快速发展的重要基础。为了准确确定中国的耕地具体情况，我国进行了第二次全国土地调查，用来对中国耕地的数量、分布和基本农田状况进行详细调查。第二次土地调查的目的是实施最严格的耕地保护制度和对基本农田进行保护。当然第一步，是全面获取准确可靠的数据，即土地利用数据和利用数据所绘制成的地图，可为土地资源管理、征地、土地转让、土地登记、土地规划、土地开发和巩固提供可靠的依据支持和服务。土地调查是国家政策，属于政府工程。因此，我们要以高标准来要求测量的工作人员，要有很高的责任心和使命感。（4）对于山区、荒漠、盆地、高原等野外地区测量时，同样要保证高精度的测量，测量的成果有益于野外资源开发、野外营救、国家建设等。参考文献

致谢眨眼间，我已是大四的毕业生了。四年前，我满怀欣喜的来到这个书声琅琅、孕育栋梁、人杰地灵的万方，心中充满着敬畏、惊喜之情。然而，轻轻的我要毕业了。四年里，学校、老师、同学们我们大家一起演绎了一段我人生最美、最幸福的一篇乐章。在这里，我幸运地获得到了人生中最宝贵的财富：正确的人生态度、积极热情洋溢的动力之源、先天下之忧而忧，后天下之乐而乐的人生情怀、扎实的专业知识，热爱阅读名著的习惯，具备了坐下来能写站起来能说拉出去能干本领！同样在这里我收获了最真挚的师生之情、同学之谊，正是这些美好的经历增加了我前进的动力，让我人生的“引擎”脱胎换骨。最后，我作一首诗来表达我内心的感激之情：“八方学子聚万方，四年真情永不忘。桃花潭水深千尺，不及万方老师育我恩！”基于C8051F单片机直流电动机反馈控制系统的设计与研究基于单片机的嵌入式Web服务器的研究MOTOROLA单片机MC68HC（8）05PV8/A内嵌EEPROM的工艺和制程方法及对良率的影响研究基于模糊控制的电阻钎焊单片机温度控制系统的研制基于MCS-51系列单片机的通用控制模块的研究基于单片机实现的供暖系统最佳启停自校正（STR）调节器单片机控制的二级倒立摆系统的研究基于增强型51系列单片机的TCP/IP协议栈的实现基于单片机的蓄电池自动监测系统基于32位嵌入式单片机系统的图像采集与处理技术的研究基于单片机的作物营养诊断专家系统的研究基于单片机的交流伺服电机运动控制系统研究与开发基于单片机的泵管内壁硬度测试仪的研制基于单片机的自动找平控制系统研究基于C8051F040单片机的嵌入式系统开发基于单片机的液压动力系统状态监测仪开发模糊Smith智能控制方法的研究及其单片机实现一种基于单片机的轴快流CO〈,2〉激光器的手持控制面板的研制基于双单片机冲床数控系统的研究基于CYGNAL单片机的在线间歇式浊度仪的研制基于单片机的喷油泵试验台控制器的研制基于单片机的软起动器的研究和设计基于单片机控制的高速快走丝电火花线切割机床短循环走丝方式研究基于单片机的机电产品控制系统开发基于PIC单片机的智能手机充电器基于单片机的实时内核设计及其应用研究基于单片机的远程抄表系统的设计与研究基于单片机的烟气二氧化硫浓度检测仪的研制基于微型光谱仪的单片机系统单片机系统软件构件开发的技术研究基于单片机的液体点滴速度自动检测仪的研制基于单片机系统的多功能温度测量仪的研制基于PIC单片机的电能采集终端的设计和应用基于单片机的光纤光栅解调仪的研制气压式线性摩擦焊机单片机控制系统的研制基于单片机的数字磁通门传感器基于单片机的旋转变压器-数字转换器的研究基于单片机的光纤Bragg光栅解调系统的研究单片机控制的便携式多功能乳腺治疗仪的研制基于C8051F020单片机的多生理信号检测仪基于单片机的电机运动控制系统设计Pico专用单片机核的可测性设计研究基于MCS-51单片机的热量计基于双单片机的智能遥测微型气象站MCS-51单片机构建机器人的实践研究基于单片机的轮轨力检测基于单片机的GPS定位仪的研究与实现基于单片机的电液伺服控制系统用于单片机系统的MMC卡文件系统研制基于单片机的时控和计数系统性能优化的研究基于单片机和CPLD的粗光栅位移测量系统研究单片机控制的后备式方波UPS提升高职学生单片机应用能力的探究基于单片机控制的自动低频减载装置研究基于单片机控制的水下焊接电源的研究基于单片机的多通道数据采集系统基于uPSD3234单片机的氚表面污染测量仪的研制基于单片机的红外测油仪的研究96系列单片机仿真器研究与设计基于单片机的单晶金刚石刀具刃磨设备的数控改造基于单片机的温度智能控制系统的设计与实现基于MSP430单片机的电梯门机控制器的研制基于单片机的气体测漏仪的研究基于三菱M16C/6N系列单片机的CAN/USB协议转换器基于单片机和DSP的变压器油色谱在线监测技术研究基于单片机的膛壁温度报警系统设计基于AVR单片机的低压无功补偿控制器的设计基于单片机船舶电力推进电机监测系统基于单片机网络的振动信号的采集系统基于单片机的大容量数据存储技术的应用研究基于单片机的叠图机研究与教学方法实践基于单片机嵌入式Web服务器技术的研究及实现基于AT89S52单片机的通用数据采集系统基于单片机的多道脉冲幅度分析仪研究机器人旋转电弧传感角焊缝跟踪单片机控制系统基于单片机的控制系统在PLC虚拟教学实验中的应用研究基于单片机系统的网络通信研究与应用基于PIC16F877单片机的莫尔斯码自动译码系统设计与研究基于单片机的模糊控制器在工业电阻炉上的应用研究基于双单片机冲床数控系统的研究与开发基于Cygnal单片机的μC/OS-Ⅱ的研究基于单片机的一体化智能差示扫描量热仪系统研究基于TCP/IP协议的单片机与Internet互联的研究与实现变频调速液压电梯单片机控制器的研究基于单片机γ-免疫计数器自动换样功能的研究与实现基于单片机的倒立摆控制系统设计与实现单片机嵌入式以太网防盗报警系统基于51单片机的嵌入式Internet系统的设计与实现单片机监测系统在挤压机上的应用MSP430单片机在智能水表系统上的研究与应用基于单片