GPS-RTK在数字测图中的应用

PAGEPAGE13 题目：GPS-RTK在数字测图中的应用专业：测绘工程【摘要】随着全球定位系统（GPS）技术的快速发展，RTK测量技术也日益成熟。RTK技术的出现为测量领域带来了新的曙光并且逐渐被应用到工作生产当中。它采用了载波相位动态实时差分技术，能够在野外实时得到厘米级定位精度，极大地提高了外业作业效率。本文系统的介绍了GPS-RTK技术以及它在数字测图中的相关应用。【关键词】数字测图GPS-RTK技术地形测量目录1.引言 42.GPS-RTK技术概况 42.1GPS-RTK工作原理 42.2GPS-RTK组成 52.3GPS-RTK发展前景 53GPS-RTK在数字化测图中应用 53.1GPS在控制测量中的应用 53.2RTK碎步数据采集 63.3数据处理 63.4与全站仪的比较 73.5RTK技术的优劣性 73.6操作注意事项 84实例说明 84.1测区介绍 84.2已有资料利用 84.3作业依据 84.4测区控制测量 94.5碎步数据的采集 124.6内业数据处理 124.7成果展示 13五总结 13六致谢 141.引言传统手工测图方法由于数据是由人为展绘、工序繁杂、劳动强度大、且精度相对较低、不便保存等诸多缺点已经不能满足当今社会的发展需求，逐渐被数字测图所取代。数字测图是指在测图时仪器对数据自动记录，并通过计算机专业软件对数据进行编辑成图。它实质上是一种全解析机助测图的方法，在测图的发展过程中是一次根本性的技术变革。数字测图系统是以计算机及其软件为核心在外接输入输出设备的支持下，对地形空间数据进行采集、输入、绘制、成图、输出、管理的测绘系统。随着科技的发展，GPS的应用范围越来越广泛。GPS技术是现代科学技术的结晶，它是卫星技术、微电子技术、计算机技术和天文观测技术等高科技尖端技术的综合产物，特别是RTK实时动态差分测量技术的出现给数字化测量带来了革命性的变化。RTK作为当前全新的数字测图技术在数字化测图工作中发挥着重大的作用。GPS-RTK技术以其快捷、方便的特点得到了广大测量工作者的亲睐。GPS-RTK大大减少了测量人员的劳动强度，并具有自动化程度高、精度高、全天候观测等一系列优点，有效的提高了工作效率，这样就使得测量人员在实际工作中掌握GPS-RTK变得十分重要。本文主要讲述了GPS-RTK在数字测图中的应用。2.GPS-RTK技术概况2.1GPS-RTK工作原理RTK（Realtimekinematic)技术又称实时动态差分测量系统，它是以载波相位测量为依据结合数据传输方法，同时处理两个测站载波相位观测值的实时差分技术[9]。RTK技术实现的关键是载波相位差分技术，即基准站和各流动站同时对同一组卫星进行观测，观测后基准站及时把所观测的信息及基准站的己知数据通过数据链传输给各流动站，流动站在收到基准站数据的同时，迅速进行基线解算、平差、坐标系统转换，最后得出流动站每个点的三维坐标X，Y，H[2]。图2—1GPS-RTK工作原理2.2GPS-RTK组成RTK系统主要由基准站接收机、流动站接收机和数据传输系统（简称数据链）组成。1、GPS接收机：GPS-RTK测量系统至少包括2台接收机，一台作为基准站，其它的则分别置于用户移动站上。2、数据传输系统：基准站同流动站之间的联系是靠数据链来实现的，数据链是完成实时动态测量的关键。在基准站上利用调制解调器将有关数据进行编码调制，然后由无线电发射台发射出去。流动站利用无线电接收机将其接收，再由解调器将数据还原并计算得出正确坐标。2.3GPS-RTK发展前景在现阶段看来，GPS-RTK定位技术为数字测量提供了行之有效的手段,彻底改变了传统测量数据采集的作业方法，它在缩短工期和勘察设计上体现出来的灵活性具有传统测量方式所不可比拟的优势，总体而言随着社会经济的飞速发展，RTK技术在复杂地形测量生产中将会有更加广阔的应用前景[10]。3GPS-RTK在数字化测图中应用地形测量是为城市、矿区以及各种工程提供不同比例尺的地形图，以满足城镇规划、矿山开采设计以及各种经济建设的需要。特别是在当前开展的城镇经济建设过程中为城镇和各类工程提供了高精度的大比例尺数字地图。一般来说乡村地区地形相对复杂，通视情况不理想，如果运用全站仪等光学仪器进行地形测量将会出现很大的弊端，这时就能凸显出GPS-RTK地形测量的优势。具有高精度、实时性、测站间无需通视等优点的GPS-RTK技术能在农村地形测量工作中得到广泛应用，对于促进地籍信息化管理有很大的帮助。3.1GPS在控制测量中的应用既要保持良好的通视条件，又要保证三角网的良好网形，一直是平面控制测量在实践中经常遇到的困难。GPS的出现改变了这一困境，GPS测量不要求观测站之间相互通视，这一优点既可以大大减少测量工作的费用和时间，同时也使得点位的选择变得非常灵活。地形控制测量必须遵循从整体到局部，由高级到低级原则。平面控制测量成果是整个测量工作的依据，是求取平面坐标转换参数的关键。在实际工作中建立GPS控制网时先通过选取合适的中央子午线和高程投影面以减少投影变形对数据的影响，在一个GPS控制网中联测不同等级的控制点时出现的误差，可以利用同等级的控制点进行无约束平差以提高内部控制网的精度。并且控制网的网形布设也会对控制网的平差结果产生影响，在外业选点时尽量选择图形较好的三角形或者多边形构成网，以便取得可靠、正确的计算结果。GPS控制测量的基本要求1、做到架设仪器时卫星的高度角大于15°。2、基准站安置应选择在地势较高、上空无遮挡、信号有良好覆盖域的地方，城市测量首选测区高大建筑物上。3、为防止数据链的丢失和多路径效应，应远离大面积水域、大型建筑物等，基准站周围应无GPS信号反射物、200米范围内无高压电线、电视台、无线电发射台等的干扰。4、埋点的地面要稳定便于长久保存，浇筑控制点要使用混凝土进行加固并做点之记5、接收机精度要求：平面5mm+1ppm、高程10mm+1ppm。观测过程中PDOP值一般小于4，有效卫星数大于4。6、观测时段长度一般要大于45分钟，数据采样间隔率为15秒，从而保证了较好的星座图形强度和数据采集量。7、最后对于天线高的量取规定每时段前后各量取一次，互差小于3mm，取平均值记入观测手簿。表3—1GPS控制网主要技术指标要求等级平均距离（Km）A(mm)B(ppm。D)最弱边相对中误差二等9≤10≤21/120000三等5≤10≤51/80000四等2≤10≤101/45000一级1≤10≤101/20000二级＜1≤15≤201/100003.2RTK碎步数据采集3,2,1准备工作测区控制成果出来以后就可以进行碎步测量的准备工作，首先要做的就是进行坐标的转换，GPS采用的是统一的WGS-84坐标。坐标转换：1、空间大地坐标到空间直角坐标的转换2、坐标基准的转换，一般采用七参数法，还有三参数法3、空间直角坐标到空间大地坐标系的转换4、空间大地坐标系到高斯投影坐标系的转换5、高斯坐标系统到当地坐标系统的转换3.2.2根据误差的性质，可以将它分成系统误差和偶然误差两大类。偶然误差主要包括卫星信号的多路径效应以及观测误差；系统误差主要包括卫星的轨道误差、卫星的时钟差、接收机时钟差以及大气折光。系统误差的影响远大于偶然误差，它是GPS-RTK技术测量时的主要误差。系统误差根据其产生的原因可以采取不同的措施加以消除或减弱，主要的措施有：建立系统误差模型，对观测量进行修正；引入相应的未知参数，在数据处理中同其他未知参数一并解算；将不同观测站对相同卫星进行的同步观测值求差。偶然误差的影响：对于观测误差和多路径效应的影响大致上是远离大面积水域、大型建筑物等，基准站周围应无GPS信号反射物、200米范围内无高压电线、电视台、无线电发射台等的干扰；当天气不利于信号的传输时可以停止作业3.2.3在RTK进行野外测量时必须选定基准站，RTK的数据传输系统由基准站发射信号和流动站接收信号两部分组成，它们是实时动态测量的关键，稳定可靠的数据链是动态初始化的前提，保证高质量的数据传输，可以减少整周模糊度的解算时间，大大提高工作效率。对于开阔地域的独立地物、线状地物等，可以用RTK进行直接测量，精度可以达到1~3厘米。操作步骤：首先在各类地物的定位点上安放流动站，等到仪器手簿显示“固定”解后输入各类地物所对应的属性编码进行记录并保存。内业处理时CASS软件会根据属性编码自动生成各类地物。对于比较低矮的建筑物，可以将对中杆升高，让RTK的卫星接收天线超出房屋顶部后进行观测；对于结构复杂的建筑物和茂密的树林可以在其附近恰当的位置利用RTK布设图根控制点，取得图根控制点三维坐标后，通过全站仪进行补测。3.3数据处理地形测量中RTK所采集的数据应及时将数据传输到电脑上进行内业处理，以避免事后遗忘工作草图结构，影响成图的准确性，造成返工重测。RTK的数据格式转换成DAT数据格式后利用南方CASS7.0软件进行展点成图，具体记录形式为“点号、代码、Y、X、H”，通过各代码之间联系和对工作草图的记忆完成内业处理并保存。3.4与全站仪的比较当前地形图数据采集通常采用全站仪配合RTK的模式进行测量，所以这里把RTK和全站仪做了系统的比较。表3—2RTK与全站仪在数字化测图中的比较序号项目RTK数字化测图全站仪测图1外业人员通常1人2~3人2通视性不需要通视测站点与碎部点必须通视3作业距离半径可达5~20km因全站仪不同而不同4受气候影响不受天气的影响，全天候受天气影响5精度厘米级别较高，当距离较远时无法保证精度6独立性独立需要协调7误差累积不会累积支站越多，误差越大8控制测量不需要布设控制布设图根点9成图事后成图方式事后成图可以了解到相对于全站仪来说，RTK在能保证信号的稳定性条件下具有很大的优势。具体来说：精度上，从大量的实测数据分析中可以证明RTK测量不存在误差积累的问题,能满足图根控制和碎部测量的要求，唯一的缺点就是高程测量精度不高,会出现一些测点高程偏差。全站仪施测过程中则不会产生这样的情况，用全站仪对RTK所测的部分图根控制点进行检核,它们的坐标和高程之差均在2~3cm之间,没有超过5cm。可见用RTK所测数据是可信的,但在使用RTK测量过程中应在临近控制点上进行检核；效率上，RTK测量时只需较少的控制点,也不存在迁站的问题,一个基准站数据链可以控制十几公里的测程距离,节省了迁站的时间[5],另一方面,RTK测量投入的人员少,一般一组只需1~2人,而全站仪一组则要配3~4人。3.5RTK技术的优劣性3.5.1RTK技术的特点GPS-RTK技术的高度自动化和所达到的定位精度极具潜力，使广大测量工作者获益匪浅。相对于其它测量方式来说采用GPS-RTK技术进行地形图测绘时具有以下特点。1、观测站之间无需通视：不要求点间通视，但是必须保证观测站上空开阔以便接收GPS卫星的信号时不受外界干扰。2、定位精度高：大量的实验表明，GPS-RTK技术精度能满足大比例尺地形图测量要求。数据安全可靠并且误差之间保持独立，不会有累积的现象。3、观测时间短，效率高：随着RTK技术的不断完善，在野外碎步点数据采集时一般只需要短短的几秒，极大地提高了工作效率。特别是可以采用1+n的模式，即一个基站结合多个移动站进行观测。4、操作简单，自动化程度高：GPS-RTK在野外作业时只需要测量员进行简单的操作，仪器便会自动完成测量工作。而且流动站一般体积较小、重量较轻、便于携带和运输。5、成本低，效益好：GPS-RTK的使用减轻了工作量，使得野外测量效益得到了大大提高。6、应用范围广：RTK技术被广泛的运用到当前各种测量工作当中。3.5.2技术的缺点谈完RTK技术的优点后，自然就要讲到该技术的缺点，RTK在使用时主要缺点有：1、对信号的依赖很大，这也就解释了数字测图中为什么通常是采用RTK结合全站仪进行测量的。在居民地和一些因遮挡而接受不到信号地方必须使用全站仪进行测图。2、作业距离有限，在单基站模式下其有效作业半径一般为10—15千米左右。3.6操作注意事项RTK技术作为当前数字测图中常用方法，在测量工作中发挥着巨大作用。RTK技术已经广泛地应用到地形测量、放样、工程测量等工作中，在使用过程中应该注意以下几点：1、RTK基准站的架设地点尤为重要，它将直接影响到流动站的测量精度和进度。基准站要选在测区位置相对中心、上空无遮挡的开阔地点，要远离无线电干扰、远离大面积水域等，对卫星信号有影响的区域。2、在野外作业时，测量人员要准确的量取流动站的天线高，并且要等到显示“固定”了以后再采集数据。电量不足时会降低数据的精度和可靠性，可以多带一块电池。在测量过程中要保证信号的连续性，避免移动站天线发生较大的晃动而使数据出现误差。4实例说明4.1测区介绍测区位于福建莆田市湄洲湾，测区起点（E137+19.612）起于忠门镇，沿忠门大街到东浦镇，途经渡口村、东坑村、何山村至本测区终点（E246+11.804），总面积约为700万平方米。测区内主要以旱地为主，城镇、农村居住地比较集中。通视条件和通行条件较好，除居民地外其余地形大部分采用RTK进行作业。此次测量分成4组，由4个组长分别带领4个实习生进行测量。4.2已有资料利用莆田市国土局提供的有关单位实测的地形图和影像图，国家二等水准点作为高程起算点。4.3作业依据1、中华人民共和国国家行业标准《卫星定位城市测量技术规范》（CJJ/T73—2010）2、中华人民共和国国家标准《三、四等水准测量规范》（GB12898-91）；3、中华人民共和国国家标准《1:500、1:1000、1:2000地形图图式》(GB/T20257.1-2007)4、福建省测绘行业标准《福建省1:500、1:1000,1:2000基本比例尺数字地形图测绘技术规定》；(FCB001-2005)4.4测区控制测量4.4.1测区首级控制网采用E级GPS静态测量方法进行测定，并在此基础上进行控制点加密。根据图形设计、实地选点确定了控制网点的布设情况。测区总共布设110个E级控制点，其最弱点的点位中误差在5cm内。其中E级GPS点中心埋石为不锈钢顶盖中间有球面隆起，并刻有“＋”字叉，不锈钢标志面上部刻有“莆田市国土局”，下部刻有“GPS”或“E级”字样。图4—1E级GPS控制点的观测：1.E级GPS控制点使用6台套中海达V30卫星接收机同步观测一组卫星。2.作业时有效观测卫星数应≥4颗，卫星高度角应大于15°,时段长度应≥60分钟,观测时段数≥2。3.作业前，应检校光学对点器是否符合要求，测站应严格对中和整平。4.天线定向标志线应指向正北。5.每个时段观测前后应各量取天线高取一次，两次量高之差不应大于3mm，取平均值作为最后天线高。6.接收机启动前与作业过程中，应随时逐项填写测量手簿中的记录项目。利用相关软件把获取的数据通过平差得到最终的成果：表4—2控制网点坐标4.4.2高程控制四等水准测量采取以国家二等水准点为基础，以附合水准路线或结点水准网形式沿平坦地区的E级GPS点进行联测，组成结点网状，路线长度符合有关规定。观测原始数据采用电子手簿进行记录，输出各站观测数据及测段汇总，原始数据输入微机后进行存盘备查，输出前所有数据不得更改或编辑。4.4.3坐标转换RTK所测数据是WGS-84坐标，所以在使用RTK进行数据采集前必须要进行坐标的转换把它转换到当地坐标系。测区是采用七参数法进行坐标转换，所得参数可以直接在移动站上生成一个文件夹“何山村”，每天开始测量之前直接套用即可。4.4.4图根点测量图根点是在E级GPS控制点的基础上进行布设，布网密度满足测图需要，并在控制测量阶段一次完成，确保图根点的精度。图根导线一般以闭合路线布设，在特殊情况下，允许个别布成附合导线或支导线。图根点选点布设后，居民地区域全部采用全站仪进行图根导线测量，对导线图根点数据进行平差如果发现误差超出规范要求，必须进行重测；野外部分则使用RTK进行图根控制测量，图根点采用RTK平滑采集1分钟的形式，并联测测区首级控制网点进行数据精度的核查，最终得到各个图根点的精确坐标。表4—3RTK在图根控制中的技术指标等级图上点位中误差/㎜高程中误差与基准站的距离/㎞观测次数起算点等级图根点≤±0.1≤1/10基本等高距≤7≥2平面三级以上、高程等外以上注1：点位中误差指控制点相对于最近基准站的误差。注2：用RTK测量可不受流动站到基准站间距离的限制，但宜在网络覆盖的有效服务范围内。表4—4部分图根点坐标4.5碎步数据的采集测区共有4台中海达仪器，其中一台作为基准站架设在5楼楼顶，其余3台则由测量人员到野外进行数据的采集工作。仪器数据链是通过CDMA网络进行传输，在测量工作期间信号一直保持良好，圆满的完成此次工程。RTK进行测量，可以高精度并快速的测定地物点的坐标。只需一人带着仪器在待测的碎部点上进行数据采集并输入地物编码，通过手簿可以实时知道点位精度，把一个区域测完后回到室内，通过专业的软件接口就可以输出数据，用RTK测量只需一人操作，不要求点位间的通视，大大提高了工作效率。RTK进行碎部测量时，需要注意的是：1、只有在“固定”状态下才可以进行数据采集。2、对线状地形进行测量时要有充足的点位。3、移动站尽量保持竖直状态以免信号中断。4、当“存储”功能键出现时，若满足要求则按“存储”键保存观测值，否则按“取消”放弃记录。图4—5RTK采集的数据4.6内业数据处理内业处理时空间位置要完全接边，地物以及其属性必须表示清楚。图中应包含所有的地理、地形要素，具体按照《图式》要求处理。其中采用RTK技术进行测量所得部分地形如4—7所示，具体步骤：1、读取RTK数据：通过中海达相应软件将手薄中的数据导入电脑并保存成DAT格式。2、展点：菜单—展野外点位—选择文件—确定。3、自动识别：CASS7.0有简码识别的功能，测量时各地物点都有对应的属性。4、绘图：依靠记忆进行图形的绘制并保存。图4—6地形图4.7成果展示图4