詹家民 周 楊

(1.徐州師范大學(xué)測(cè)繪學(xué)院,江蘇徐州221116;2.江陰市重點(diǎn)水利工程建設(shè)管理處,江蘇江陰214431)

0 概 述

江蘇省沛縣新城區(qū)建設(shè)發(fā)展迅速,城市面貌日新月異,隨著新城區(qū)建設(shè)的發(fā)展和第二次土地調(diào)查的開(kāi)展,急需1:500地形地籍圖。為此,沛縣國(guó)土局決定,從2009年3月至2009年7月對(duì)新城區(qū)進(jìn)行1:500地形地籍圖測(cè)繪 。測(cè)圖前應(yīng)進(jìn)行圖根控制測(cè)量。測(cè)區(qū)內(nèi)已有江蘇省C級(jí)GPS網(wǎng)控制點(diǎn)1個(gè)、沛縣D級(jí)GPS網(wǎng)控制點(diǎn)6個(gè),2009年1月測(cè)設(shè)的I級(jí)GPS點(diǎn)178個(gè)。其平面精度:最大點(diǎn)誤差為10 mm,最弱邊相對(duì)中誤差為1/32237。高程精度:垂直相對(duì)誤差為0.010 m,垂直相對(duì)精度為1/19650。這185個(gè)點(diǎn)可以作為本測(cè)區(qū)圖根控制的起算點(diǎn)。

1 圖根點(diǎn)的布設(shè)

在測(cè)區(qū)范圍內(nèi),布設(shè)并施測(cè)永久和臨時(shí)性圖根點(diǎn),用于沛縣新城區(qū)1:500地形地籍圖的測(cè)繪和工程施工放樣。

1.1 圖根點(diǎn)的精度要求

圖根點(diǎn)相對(duì)于圖根起算點(diǎn)的點(diǎn)位中誤差,不得大于圖上0.1 mm(實(shí)地5 cm);當(dāng)圖根點(diǎn)的密度不夠,需增補(bǔ)測(cè)站點(diǎn)時(shí),測(cè)站點(diǎn)相對(duì)圖根點(diǎn)的點(diǎn)位中誤差,不得大于圖上0.3 mm(實(shí)地15 cm);高程中誤差不得大于1/10等高距(即實(shí)地5 cm)。

1.2 圖根點(diǎn)的布設(shè)

永久性圖根點(diǎn)沿沛縣新城區(qū)主要街道、鐵路、公路、大車(chē)路、鄉(xiāng)村路、工廠內(nèi)的內(nèi)部道路、溝渠田埂布設(shè),點(diǎn)位大部分布設(shè)在十字路口的交叉中心、重要單位門(mén)前的路口等處。點(diǎn)間距離在150 m～400 m之間,道路上的點(diǎn)的標(biāo)志:用直徑18～20 mm,長(zhǎng)為300 mm的鐵棍打入地面并在其頂部用2 mm的鉆頭鉆孔作為點(diǎn)的標(biāo)志。溝渠田埂及田間的圖根點(diǎn)采用埋石圖根點(diǎn),標(biāo)石的規(guī)格為:上頂面為15 cm×15 cm,下底面為30 cm×30 cm,高度為50 cm的梯形,在標(biāo)石中心埋設(shè)直徑為1 cm,長(zhǎng)度為20 cm的鋼筋,并在鋼筋的頂部鉆一小孔或刻一十字作為點(diǎn)的標(biāo)志。臨時(shí)性圖根點(diǎn)可用木樁打入地面,在木樁上釘一釘,作為點(diǎn)的標(biāo)志,臨時(shí)性圖根點(diǎn)可根據(jù)測(cè)圖需要任意布設(shè),以方便測(cè)圖為原則。

2 施測(cè)方案

本測(cè)區(qū)內(nèi)的所有圖根點(diǎn)均使用技術(shù)較為領(lǐng)先的Trimble(天寶)5700雙頻GPS接收機(jī),以實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)(RTK)的方法測(cè)定圖根點(diǎn)的平面位置。高程采用水準(zhǔn)測(cè)量的方法按等外水準(zhǔn)的精度測(cè)定,與RTK高程測(cè)量進(jìn)行比較。

3 RTK的工作原理及系統(tǒng)組成[1-3]

RTK(Real Time Kinematic)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量系統(tǒng),它是集計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)字通訊技術(shù)、無(wú)線電技術(shù)和GPS測(cè)量定位技術(shù)為一體的組合系統(tǒng)。實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量的基本思想是,在基準(zhǔn)站安設(shè)一臺(tái)GPS接收機(jī),對(duì)所有可見(jiàn)GPS衛(wèi)星進(jìn)行連續(xù)的觀測(cè),并將觀測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線電傳輸設(shè)備實(shí)時(shí)地發(fā)送給用戶觀測(cè)站(流動(dòng)站);在流動(dòng)站上,GPS接收機(jī)在接收衛(wèi)星信號(hào)的同時(shí),通過(guò)無(wú)線電接收設(shè)備,接收基準(zhǔn)站傳輸?shù)挠^測(cè)數(shù)據(jù),然后根據(jù)相對(duì)定位的原理實(shí)時(shí)地計(jì)算并顯示出流動(dòng)站的三維坐標(biāo)及精度。通過(guò)實(shí)時(shí)計(jì)算定位結(jié)果,便可監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)站與流動(dòng)站的觀測(cè)成果的質(zhì)量和解算結(jié)果的收斂情況,從而可以實(shí)時(shí)地判定解算結(jié)果是否成功,以減少冗余觀測(cè)、縮短觀測(cè)時(shí)間。

3.1 RTK的工作原理

GPS-RTK是一項(xiàng)技術(shù)復(fù)雜的系統(tǒng)工程。整個(gè)系統(tǒng)包括三大部分:地面監(jiān)控部分、空間衛(wèi)星部分、用戶接收部分,各部分均有各自獨(dú)立的功能和作用,同時(shí)又相互配合形成一個(gè)有機(jī)整體系統(tǒng)。RTK實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài),是在兩臺(tái)靜態(tài)型GPS測(cè)量?jī)x器間加上一套無(wú)線電數(shù)據(jù)通訊系統(tǒng)(也稱數(shù)據(jù)鏈),將相對(duì)獨(dú)立的GPS信號(hào)接收系統(tǒng)連成一個(gè)有機(jī)整體。基準(zhǔn)站把接收到的所有衛(wèi)星信息(包括偽距和載波相位觀測(cè)值)和基準(zhǔn)站的一些信息(如基站坐標(biāo)天線高等)都通過(guò)無(wú)線電通訊系統(tǒng)傳送到流動(dòng)站,流動(dòng)站在接收衛(wèi)星數(shù)據(jù)的同時(shí)也接收基準(zhǔn)站傳送的衛(wèi)星數(shù)據(jù)。在流動(dòng)站完成初始化后,把接收到的基準(zhǔn)站信息傳送到控制器內(nèi)并將基準(zhǔn)站的載波觀測(cè)信號(hào)與本身接收到的載波觀測(cè)信號(hào)進(jìn)行差分處理,即可實(shí)時(shí)求得未知點(diǎn)的坐標(biāo)。RTK實(shí)時(shí)相對(duì)定位原理如圖1所示,數(shù)據(jù)流程如圖2所示。

圖1 RTK實(shí)時(shí)相對(duì)定位示意圖

圖2 RTK-GPS數(shù)據(jù)流程圖

3.2 RTK系統(tǒng)的組成

GPS-RTK系統(tǒng)由一個(gè)基準(zhǔn)站、若干個(gè)流動(dòng)站及無(wú)線電通訊系統(tǒng)三部分組成。基準(zhǔn)站包括GPS接收機(jī)、GPS天線、無(wú)線電通訊發(fā)射系統(tǒng)、供GPS接收機(jī)和無(wú)線電臺(tái)使用的電源(汽車(chē)用12V蓄電瓶)及基準(zhǔn)站控制器等部分。流動(dòng)站由以下幾個(gè)部分組成:GPS接收機(jī)、GPS天線、無(wú)線電通訊接收系統(tǒng)、供GPS接收機(jī)和無(wú)線電使用的電源及流動(dòng)站控制器等部分。用框圖表示,如圖3所示。

圖3 RTK-GPS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

4 GPS-RTK對(duì)圖根控制點(diǎn)的技術(shù)要求[4-5]

地面上的圖根點(diǎn)應(yīng)和建筑物、構(gòu)筑物保持一定的距離。確保衛(wèi)星高度角大于等于15°;有效觀測(cè)衛(wèi)星個(gè)數(shù)不少于5顆;圖根點(diǎn)的位置應(yīng)在基準(zhǔn)站控制轉(zhuǎn)換范圍內(nèi),且離基準(zhǔn)參考站的距離不大于10 km;每次觀測(cè)前,應(yīng)先對(duì)已知點(diǎn)或已測(cè)點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè),直到符合精度要求后再繼續(xù)測(cè)量;每個(gè)圖根點(diǎn),皆應(yīng)觀測(cè)兩個(gè)時(shí)段,時(shí)段間隔不小于6 h,當(dāng)其平面較差小于圖上0.1 mm(實(shí)地5 cm),高程較差小于0.05 m(即5 cm)時(shí),取其中數(shù)作為結(jié)果。

5 圖根點(diǎn)的外業(yè)觀測(cè)

5.1 使用的儀器及標(biāo)稱精度

利用三臺(tái)Trimble 5700雙頻GPS接收機(jī)(一臺(tái)基準(zhǔn)站,兩臺(tái)流動(dòng)站)進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量,該機(jī)具有24個(gè)通道、L1 C/A碼、L1、L2全波長(zhǎng)載波;其內(nèi)存為96 Mb,按30 s間隔可采集2750 h的L1+L2數(shù)據(jù),另外,三臺(tái)主機(jī)均配置了48 Mb內(nèi)存卡,可存儲(chǔ)2500 h的數(shù)據(jù)(按30 s間隔,跟蹤6顆衛(wèi)星);作業(yè)范圍:單基準(zhǔn)站RTK定位時(shí)的作業(yè)半徑為10 km,靜態(tài)測(cè)量水平標(biāo)稱精度為:±5 mm+1 ppm×D,垂直標(biāo)稱精度為:±10 mm+1 ppm×D,實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)、實(shí)時(shí)連續(xù)動(dòng)態(tài)測(cè)量時(shí)的水平標(biāo)稱精度為:±10 mm+1 ppm×D,垂直標(biāo)稱精度為:±20 mm+1 ppm×D。

5.2 點(diǎn)校正與檢測(cè)

首先將基準(zhǔn)站架設(shè)在沛縣新城區(qū)郝堯村大隊(duì)部的3樓的樓頂上(未知點(diǎn))。此基準(zhǔn)站控制整個(gè)測(cè)區(qū)。接收機(jī)接收衛(wèi)星的截止高度角設(shè)置為15°?；鶞?zhǔn)站天線高度在三個(gè)方向上量取三次取其平均值作為天線高度,其精度取至mm。儀器進(jìn)行精確對(duì)中、整平,整平精度其偏差不超過(guò)半格,對(duì)中偏差不超過(guò)1 mm。此基準(zhǔn)站在本測(cè)區(qū)內(nèi)利用了I206、I217、I368、I384四個(gè)已知GPS點(diǎn)進(jìn)行了點(diǎn)校正,分別對(duì)測(cè)區(qū)南部、中部和北部的I233、I239、I258、I320四個(gè)點(diǎn)進(jìn)行了檢測(cè),在進(jìn)行點(diǎn)校正和檢測(cè)過(guò)程中,利用兩臺(tái) RTK同時(shí)進(jìn)行,每臺(tái)均進(jìn)行兩個(gè)時(shí)段的觀測(cè),觀測(cè)時(shí)間均為180 s(3 min)。檢測(cè)結(jié)果與已知成果比較如表1所示。

表1 檢測(cè)結(jié)果與已知成果

由表1可知,檢測(cè)結(jié)果與已知成果比較,X最大誤差為2.0 cm,Y最大誤差為2.2 cm,高程最大誤差為3.4 cm,均小于5 cm的精度要求。

同一臺(tái)流動(dòng)站分兩個(gè)時(shí)段檢測(cè)同一點(diǎn),其檢測(cè)結(jié)果比較如表2所示。

由表2可知,同一臺(tái)流動(dòng)站兩個(gè)時(shí)段觀測(cè)同一點(diǎn),檢測(cè)結(jié)果相比,X最大差值為2.1 cm,Y最大差值為1.4 cm,高程最大差值為8 mm。X最小誤差為1 mm,Y最小誤差為3 mm,高程最小誤差為3 mm。說(shuō)明點(diǎn)校正是成功的,觀測(cè)結(jié)果是可靠的。

表2 不同時(shí)段檢測(cè)結(jié)果比較

5.3 圖根點(diǎn)外業(yè)觀測(cè)及內(nèi)業(yè)計(jì)算

為了提高圖根點(diǎn)外業(yè)觀測(cè)精度和速度,我們將2臺(tái)RTK流動(dòng)站分成二個(gè)大組,每組四個(gè)人三個(gè)架腿(1人施儀、三人架設(shè)架腿),采用4人三架輪流交替前進(jìn)的方法對(duì)本測(cè)區(qū)內(nèi)的所有圖根點(diǎn)進(jìn)行觀測(cè),每個(gè)圖根點(diǎn)均進(jìn)行兩個(gè)時(shí)段的觀測(cè),時(shí)段間的間隔約6 h,每個(gè)時(shí)段的觀測(cè)長(zhǎng)度仍然控制為3 min,衛(wèi)星高度截止角為15°,有效觀測(cè)衛(wèi)星個(gè)數(shù)≥5顆,觀測(cè)精度設(shè)置為“觀測(cè)控制點(diǎn)精度”。當(dāng)二個(gè)時(shí)段的觀測(cè)結(jié)果互差不超過(guò)5 cm時(shí),取二個(gè)時(shí)段觀測(cè)結(jié)果的平均值作為最終結(jié)果。在白天外業(yè)觀測(cè)完成后晚上進(jìn)行內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理,使用隨機(jī)商用軟件將觀測(cè)數(shù)據(jù)下載到計(jì)算機(jī),然后使用Excel進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,把不超限的數(shù)據(jù)取其平均值提供給測(cè)圖組使用,對(duì)超限的圖根點(diǎn)進(jìn)行統(tǒng)計(jì),以便進(jìn)行重測(cè)。

本測(cè)區(qū)共測(cè)圖根點(diǎn)1395個(gè),超限的85個(gè),占總數(shù)的6%,其平面超限的5個(gè),平面和高程均超限的12個(gè),高程超限的68個(gè),高程超限占圖根點(diǎn)總數(shù)的5.73%。由此可以看出:RTK可以滿足圖根點(diǎn)的精度要求,但在測(cè)定高程方面還有一定的局限性。

6 RTK在圖根控制測(cè)量中的優(yōu)點(diǎn)

1)RTK可以全天侯的觀測(cè),不受通視條件的限制。

2)用RTK觀測(cè),人員少、速度快、效率高。傳統(tǒng)的方法需要4～5人才能進(jìn)行作業(yè),而RT K流動(dòng)站只需一人即可進(jìn)行,如果幾個(gè)流動(dòng)站同時(shí)作業(yè),則可大大加快觀測(cè)進(jìn)度,提高工作效率。

3)利用RTK測(cè)量圖根點(diǎn)其點(diǎn)位誤差不積累、不傳播,測(cè)量精度高。

7 結(jié) 論

本測(cè)區(qū)圖根控制測(cè)量從2009年2月16日開(kāi)始,至2月28日結(jié)束,歷時(shí)12天。測(cè)區(qū)內(nèi)的圖根點(diǎn),除少量的幾個(gè)因在樹(shù)下或離建筑物、高壓線、大功率無(wú)線電發(fā)射臺(tái)較近,接收機(jī)無(wú)法接收到衛(wèi)星或無(wú)線電(有的即使接收到信號(hào),但RTK不固定)不能測(cè)定外,其余均已測(cè)定。本測(cè)區(qū)共測(cè)圖根點(diǎn)1395個(gè),不合格的85個(gè),一次合格率達(dá)93.9%。

由觀測(cè)成果可知:同一臺(tái)RTK接收機(jī)兩個(gè)時(shí)段較差:最大誤差(個(gè)別)為:X為86 mm,Y為80 mm,高程為160 mm,最小誤差均為0,二個(gè)時(shí)段較差在0～10 mm之間的約占80%以上。由此可以看出,利用RTK技術(shù)建立圖根控制,質(zhì)量是可靠的,精度完全能夠滿足圖根控制點(diǎn)的精度要求,其方法是可行的。

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[3] 詹家民.RTK技術(shù)在沈陽(yáng)市區(qū)圖根控制測(cè)量中的應(yīng)用[J].北京測(cè)繪,2003,01:34-36.

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[5] 國(guó)家測(cè)繪局.全球定位系統(tǒng)(GPS)測(cè)量規(guī)范[M].測(cè)繪出版社,1992,10.