王智杰 薛永軍

赤峰宏圖測(cè)繪規(guī)劃設(shè)計(jì)院，內(nèi)蒙 赤峰 024001

測(cè)繪工程中GPS—RTK技術(shù)在數(shù)字化測(cè)量中的應(yīng)用

王智杰 薛永軍

赤峰宏圖測(cè)繪規(guī)劃設(shè)計(jì)院，內(nèi)蒙 赤峰 024001

本文通過(guò)測(cè)繪實(shí)踐，簡(jiǎn)要介紹GPS—RTK的原理和特點(diǎn)及在數(shù)字化圖根控制測(cè)量中的應(yīng)用。與傳統(tǒng)控制測(cè)量比較，GPS—RTK測(cè)量作業(yè)效率高，定位精度高，數(shù)據(jù)安全可靠，及在像控點(diǎn)聯(lián)測(cè)中的快速、不受地域條件限制等特性。

工作原理；GPS—RTK技術(shù)；應(yīng)用方向

引言

隨著經(jīng)濟(jì)的快速增長(zhǎng)，GPS技術(shù)應(yīng)用已經(jīng)成為各個(gè)國(guó)家關(guān)注的重要問(wèn)題。美國(guó)國(guó)防部為了滿足陸、海、空等各軍兵種的全天候?qū)Ш蕉ㄎ灰约岸〞r(shí)之用的需求，于1973年正式批準(zhǔn)陸?？杖姽餐兄频膰?guó)防衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。GPS技術(shù)的迅速發(fā)展使得GPS 技術(shù)不僅在大地測(cè)量、工程測(cè)量、航空攝影測(cè)量、城市測(cè)量等測(cè)繪領(lǐng)域得到了應(yīng)用，而且在軍事、交通、資源、通信、管理等領(lǐng)域展開(kāi)了研究并得到廣泛應(yīng)用。目前厘米級(jí)實(shí)時(shí)RTK技術(shù)為工程放樣、地形測(cè)圖，各種控制測(cè)量帶來(lái)了新曙光，極大地提高了外業(yè)作業(yè)效率。本文通過(guò)生產(chǎn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，介紹GPS—RTK技術(shù)在數(shù)字化控制測(cè)量中的應(yīng)用。

1 GPS—RTK技術(shù)的原理

RTK實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量技術(shù)，是以載波相位觀測(cè)為根據(jù)的實(shí)時(shí)差分技術(shù)，它由基準(zhǔn)站接收機(jī)、數(shù)據(jù)鏈、 流動(dòng)站接收機(jī)三部分組成。在一定的范圍內(nèi)，能實(shí)時(shí)提供用戶點(diǎn)位的三維坐標(biāo)，并達(dá)厘米級(jí)的定位精度。

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，RTK技術(shù)已由傳統(tǒng)的1+1或1+2發(fā)展到了廣域差分系統(tǒng)，有些城市建立起CORS系統(tǒng)，這就大大提高了RTK的測(cè)量范圍，當(dāng)然在數(shù)據(jù)傳輸方面也有了長(zhǎng)足的進(jìn)展，由原先的電臺(tái)傳輸發(fā)展到現(xiàn)在的GPRS和GSM網(wǎng)絡(luò)傳輸，大大提高了數(shù)據(jù)的傳輸效率和范圍。在儀器方面，現(xiàn)在的儀器不僅精度高而且比傳統(tǒng)的RTK更簡(jiǎn)潔、更容易操作。

2 RTK圖根控制測(cè)量

用RTK技術(shù)進(jìn)行外業(yè)勘測(cè)，可以隨時(shí)測(cè)量任意點(diǎn)的3維坐標(biāo)，徹底擺脫后處理地負(fù)擔(dān)，提高了效率，尤其在深山峽谷，用傳統(tǒng)的測(cè)量方法難以進(jìn)行的地區(qū)，更顯示其實(shí)時(shí)、快速、操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。本文通過(guò)實(shí)例，對(duì)GPS—RTK技術(shù)的應(yīng)用問(wèn)題進(jìn)行了初步探討。

2.1 收集測(cè)區(qū)控制成果，含控制點(diǎn)的坐標(biāo)，等級(jí)，中央子午線，坐標(biāo)系及控制點(diǎn)是屬常規(guī)控制網(wǎng)還是GPS控制網(wǎng)。

2.2 求定測(cè)區(qū)轉(zhuǎn)換參數(shù)，對(duì)于RTK測(cè)量，要求實(shí)時(shí)得出待測(cè)點(diǎn)在實(shí)用坐標(biāo)系（1980西安坐標(biāo)系、1954年北京坐標(biāo)系或地方獨(dú)立坐標(biāo)系等）中的坐標(biāo)，因此，坐標(biāo)轉(zhuǎn)換問(wèn)題就顯得尤為重要。實(shí)際需要將GPS觀測(cè)的84坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為國(guó)家平面坐標(biāo)（如北京54坐標(biāo)）或者工程施工坐標(biāo)。對(duì)于WGS－84到國(guó)家平面坐標(biāo)（如北京54坐標(biāo)）的轉(zhuǎn)換，我們可以采用高斯投影的方法，這時(shí)需要確定WGS84與國(guó)家平面坐標(biāo)（如北京54坐標(biāo)）兩個(gè)大地測(cè)量基準(zhǔn)之間的轉(zhuǎn)換參數(shù)（三參數(shù)或七參數(shù)），需要定義三維空間直角坐標(biāo)軸的偏移量和（或）旋轉(zhuǎn)角度并確定尺度差。但通常情況下，對(duì)于一定區(qū)域內(nèi)的工程測(cè)量應(yīng)用，我們往往利用以往的控制點(diǎn)成果求取“區(qū)域性”的地方轉(zhuǎn)換參數(shù)。

（1）采用已有的靜態(tài)數(shù)據(jù)，直接將控制點(diǎn)的WGS－84坐標(biāo)和國(guó)家平面坐標(biāo)（如北京54坐標(biāo)）或者工程施工坐標(biāo)輸入手簿，利用隨機(jī)軟件求解坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)。

（2）測(cè)區(qū)只有足夠控制點(diǎn)的地方坐標(biāo)，相對(duì)位置關(guān)系精確，但沒(méi)有WGS－84坐標(biāo)。在這種情況下，我們可以利用RTK測(cè)量方法，以基準(zhǔn)站為起算位置（這個(gè)起算位置的坐標(biāo)由GPS接收機(jī)觀測(cè)確定，是一個(gè)精度有限的大地坐標(biāo)，但它不影響RTK觀測(cè)的相對(duì)位置關(guān)系），確定各控制點(diǎn)之間相對(duì)精確的位置關(guān)系，并實(shí)時(shí)測(cè)定WGS－84大地坐標(biāo)。該方法具體實(shí)施時(shí)可能會(huì)遇到難處，比如控制點(diǎn)的距離太遠(yuǎn)，而RTK的作用距離有限。

（3）當(dāng)某些地方無(wú)合適的控制點(diǎn)坐標(biāo)來(lái)設(shè)置基準(zhǔn)站，也可以采用基準(zhǔn)站任意擺放的方式，即虛擬一個(gè)基準(zhǔn)站，基準(zhǔn)站的WGS-84坐標(biāo)直接從測(cè)量手簿讀取，然后流動(dòng)站再到各個(gè)控制點(diǎn)上去采集WGS-84坐標(biāo)。

2.3 選擇基準(zhǔn)站及設(shè)置，GPS－RTK定位的數(shù)據(jù)處理過(guò)程是基準(zhǔn)站和流動(dòng)站之間的單基線處理過(guò)程，基準(zhǔn)站和流動(dòng)站的觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量好壞、無(wú)線電的信號(hào)傳播質(zhì)量好壞對(duì)定位結(jié)果的影響很大，基準(zhǔn)站位置的有利選擇非常重要。

2.4 流動(dòng)站設(shè)置包括建立項(xiàng)目和坐標(biāo)系統(tǒng)管理、流動(dòng)站電臺(tái)頻率選擇、有關(guān)坐標(biāo)的輸入、GPS RTK工作方式選擇，流動(dòng)站工作啟動(dòng)等。以上設(shè)置完成后，可以啟動(dòng)GPSRTK流動(dòng)站，開(kāi)始測(cè)量作業(yè)。

2.5 測(cè)量前的質(zhì)量檢查，為了保證RTK的實(shí)測(cè)精度和可靠性，必須進(jìn)行已知點(diǎn)的檢核，避免出現(xiàn)作業(yè)盲點(diǎn)。研究表明，RTK確定整周模糊度的可靠性最高為95%， RTK比靜態(tài)GPS還多出一些誤差因素如數(shù)據(jù)鏈傳輸誤差等。因此，和GPS靜態(tài)測(cè)量相比，RTK測(cè)量更容易出錯(cuò)，必須進(jìn)行質(zhì)量控制。我們一般采用了以下兩種方法：（1）已知點(diǎn)檢核比較法—用RTK測(cè)出已知控制點(diǎn)的坐標(biāo)進(jìn)行比較檢核，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題即采取措施改正。（2）重測(cè)比較法—每次初始化成功后，先重測(cè)1-2個(gè)已測(cè)過(guò)的RTK點(diǎn)或高精度控制點(diǎn)，確認(rèn)無(wú)誤后才進(jìn)行RTK測(cè)量。最可靠的是已知點(diǎn)檢核比較法，但控制點(diǎn)的數(shù)量總是有限的，所以沒(méi)有控制點(diǎn)的地方需要用重測(cè)比較法來(lái)檢驗(yàn)測(cè)量成果。

經(jīng)過(guò)以上已知點(diǎn)的檢核后，符合要求后開(kāi)始作業(yè)。

2.6 內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理，數(shù)據(jù)傳輸就是在接收機(jī)與計(jì)算機(jī)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。GPS RTK測(cè)量數(shù)據(jù)處理相對(duì)于GPS靜態(tài)測(cè)量簡(jiǎn)單得多，如用TGO軟件處理接收機(jī)導(dǎo)入的測(cè)量數(shù)據(jù)（*.dc），直接可以將坐標(biāo)值以文件的形式輸出和打印，得到控制點(diǎn)成果。

3 精度分析

我們?cè)谕瓿裳芯繀^(qū)1：500數(shù)字化地形測(cè)量中（面積約17平方公里）用GPS RTK進(jìn)行圖根控制。為了檢驗(yàn)RTK控制點(diǎn)的實(shí)際精度，RTK測(cè)量結(jié)束后，我們用全站儀（2″）對(duì)部分相互通視的點(diǎn)實(shí)測(cè)的邊長(zhǎng)、高差與測(cè)量坐標(biāo)反算邊長(zhǎng)、高差比較，最大邊長(zhǎng)較差0.018米，最小邊長(zhǎng)較差0.001米，邊長(zhǎng)間距中誤差為0.007米，高差（△H）最大較差為0.053米，最小為0.000米。結(jié)果表明所測(cè)點(diǎn)精度良好?？梢钥闯?， RTK實(shí)測(cè)精度完全符合導(dǎo)線測(cè)量精度要求，而且誤差分布均勻，不存在誤差積累問(wèn)題。根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)，RTK測(cè)量平面精度受外界因素影響較小，而高程精度受影響較大，其主要原因是受地球高程異常地影響。

經(jīng)過(guò)返工處理后，各點(diǎn)均達(dá)到了精度要求。綜上所述，GPS－RTK測(cè)量技術(shù)，完全可以滿足像數(shù)字化圖根控制測(cè)量的需要，測(cè)量精度能達(dá)到規(guī)范的要求。而且在山高坡陡不通視的地區(qū)更顯其快速、方便、不受限制的優(yōu)越性。

4 RTK技術(shù)應(yīng)用的主要方向

4.1 雙星系統(tǒng)是GPS－RTK發(fā)展的熱點(diǎn)，它可接收14～20顆衛(wèi)星左右，是常規(guī)RTK所無(wú)法比擬的，該技術(shù)使GPS設(shè)備具備最短時(shí)間達(dá)到厘米級(jí)精度的能力與最強(qiáng)的抗干擾遮擋能力。

4.2 VRS正在改善著RTK定位的質(zhì)量和距離，增強(qiáng)RTK的可靠性，并減少OTF初始化的時(shí)間。VRS技術(shù)，可以在50Km左右時(shí)使RTK定位平面位置精度為1～2cm，并無(wú)需設(shè)立自己的基準(zhǔn)站。其應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒅饾u涵蓋陸地測(cè)量、地籍測(cè)量、航空攝影測(cè)量、GIS、設(shè)備控制、電子和煤氣管道、變形監(jiān)測(cè)、精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)、水上測(cè)量、環(huán)境應(yīng)用等諸多領(lǐng)域。VRS是天寶提出的網(wǎng)絡(luò)RTK作業(yè)模式，現(xiàn)在世界上90%的網(wǎng)絡(luò)RTK都是應(yīng)用VRS。

4.3 GPS為代表的衛(wèi)星導(dǎo)航應(yīng)用產(chǎn)業(yè)已成為當(dāng)今國(guó)際公認(rèn)的八大無(wú)線產(chǎn)業(yè)之一，也是全球發(fā)展最快的三大信息產(chǎn)業(yè)之一。GPS與計(jì)算機(jī)、通信、GIS、RS等技術(shù)的集成與融合必將使GPS技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域得到更大范圍的拓廣。

5 結(jié)語(yǔ)

GPS－RTK測(cè)量具有很多優(yōu)越性。但GPS－RTK測(cè)量技術(shù)也有其局限性，作業(yè)過(guò)程中，要充分考慮各種因素的影響，如觀測(cè)死角、衛(wèi)星個(gè)數(shù)、磁場(chǎng)干擾，以及人為操作不合理等。

通過(guò)對(duì)研究區(qū)測(cè)量工作的分析，可以看到GPS－RTK技術(shù)不僅省時(shí)、省力，提高了工作效率，減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度，還可以完成一些傳統(tǒng)測(cè)量作業(yè)非常困難的任務(wù)。由于其測(cè)量精度的提高，必將應(yīng)用于更多的，不同的測(cè)量工作中。與傳統(tǒng)的導(dǎo)線測(cè)量比較，RTK圖根控制測(cè)量自動(dòng)化程度高，實(shí)時(shí)提供經(jīng)過(guò)檢驗(yàn)的成果資料，無(wú)需數(shù)據(jù)后處理。擁有彼此不通視條件下遠(yuǎn)距離傳遞三維坐標(biāo)的優(yōu)勢(shì)，并且不像導(dǎo)線測(cè)量那樣產(chǎn)生誤差累積，定位精度高，數(shù)據(jù)安全可靠。操作簡(jiǎn)單，作業(yè)速度快，勞動(dòng)強(qiáng)度低，節(jié)省了外業(yè)費(fèi)用，提高了勞動(dòng)效率?？梢哉f(shuō)GPS－RTK技術(shù)非常適合大規(guī)模的數(shù)字化地形圖測(cè)量。

[1]周忠漠.GPS衛(wèi)星測(cè)量原理與應(yīng)用[M].北京測(cè)繪出版社，1997: 99～106.

[2]張杏谷.GPS的SA動(dòng)向.世界海運(yùn)，2000.

10.3969/j.issn.1001-8972.2012.08.028