GPS-RTK技术在地籍测绘中的应用

梁 铭

(惠州市国土资源局惠城区分局,广东 惠州 516001)

0 引 言

随着我国国土资源信息化的快速普及,对地籍测绘的精度要求也越来越高,其测量的准确性对土地的可持续利用和国民经济的发展有着重要的影响。常规地籍测绘方法由于作业强度大、效率低和花费长的原因,已无法满足如今地籍测绘工作的需要。实时动态差分法(RTK)技术作为新型的测量技术,具有全天候观测、布点灵活、精度高和计算速度快的优点,大大提高了地籍测绘的速度和精度。本文就RTK技术在地籍测绘中的应用这一问题从原理、测量方法及实际应用进行阐述和分析。

1 GPS-RTK技术

GPS是全球定位系统的简称,是由空间部分、地面控制系统和用户设备组成。GPS是当前发展最为完善的卫星导航系统,广泛应用于各个领域。GPS-RTK技术是在GPS的基础上发展起来的,它能够实时地提供流动站在指定的坐标系中三维定位的结果,达到厘米级的精度。

1.1 基本原理

RTK技术采用差分GPS(位置差分、伪距差分和载波相位差分)中的载波相位差分。这三类差分方式都是由基准站发送改正数,由流动站接收并对其测量结果进行改正,以获得精确的定位结果,所不同的是发送改正数的具体内容不一样,其差分定位精度也不同。前两类定位误差的相关性会随基准站与流动站的空间距离的增加其定位精度迅速降低,故RTK采用载波相位差分方法。

RTK的工作原理是将一台接收机置于基准站上,另一台或几台接收机置于流动站上,基准站对GPS卫星进行观测,将采集的载波相位观测值和站点坐标信息通过数据链发送给流动站,流动站在观测GPS卫星并采集相应载波相位观测值的同时,也接收来自基准站的信号,经解调得到基准站的载波相位观测值。流动站再利用OTF(运动中快速求解整周模糊度)技术由基准站的载波相位观测值和流动站的的载波相位观测值求解整周模糊度,进行实时差分及平差处理,并根据基准站的站点坐标求得本站的坐标。这种方法的关键在于求解起始的整周模糊度即初始化,因此要求有足够数量的卫星(一般5颗以上)和卫星具有较好的几何分布(PDOP值≤6)。为消除卫星钟和接收机钟的钟差,削弱卫星星历误差、电离层延迟误差和对流层延迟误差的影响,RTK通常都采用双差观测值。

1.2 测量方法

1)“无投影/无转换”法。该种方法直接用接收机在基准站和流动站接收WGS-84坐标,其后利用观测的已知点的WGS-84坐标和相应的地方坐标根据一定的数学模型进行转换。这种方法基准站不一定要安置在已知点上,但根据不同的转换方法,需要测量一定数量的已知点。

2)“键入参数”法。把用静态观测求得的WGS-84坐标和地方坐标键入到手薄中,进行转换,也可以直接输入静态观测平差求得的转换参数。该方法基准站需架设在已知点上,但可以不观测其他已知点。

1.3 测绘质量控制方法

1)已知点检核比较法

用RTK测出已知控制点的坐标进行比较检核,发现问题即采取措施改正。

2)重测比较方法

每次初始化成功后,先重新测量1～2个之前已经使用RTK测量过的点,确认无误后,再进行工作。

3)电台变频实时检测方法

在测量区域内建立两个或者两个以上的基准站,每个基准站采用不同频率发送改正数据,而流动站通过变换频率分别接收每个基准站的改正数据,将得到的两个或两个以上的解算结果进行分析对比,即可判断其质量的水平。

以上这些方法,已知点检核比较法较为稳定可靠。但控制点的数量总是有限的,没有控制点的区域则需要采用重测比较方法检验测量成果,而电台变频实时检测方法需要配备两台以上(包含两台)基准站才能发挥作用。

2 RTK技术在地籍测绘中的应用

地籍测绘是对地块权属界线的界址点坐标进行精确测定,并把地块及其附属物的位置、面积、权属关系和利用状况等要素准确地绘制在图纸上和记录在专门的表册中。地籍测绘除能为土地管理提供保障外,还为国民经济建设各相关部门提供信息和服务。地籍测绘的内容包括地籍控制测量和地籍碎步测量。地籍测绘遵循从整体到局部、先控制后碎步的原则。

2.1 RTK技术在地籍图根控制测量中的应用

地籍图根控制测量是在地籍基本控制测量的基础上加密,直接满足解析界址点和地籍图测绘的要求。地籍图根控制测量主要采用导线网、图根三角测量和GPS相对定位网施测的方法。传统的地籍图根控制测量如导线网或图根三角测量等方法,不仅费工费时,要求点间通视,而且精度分布不均匀。利用GPS静态或者快速静态相对定位测量,不需要各点之间通视就能够精准地进行控制测量。不过采取这种方式需要对数据进行后处理,不能实现实时定位和了解精度,如果经过内业处理后不能达到要求,就必须进行重新测量。但使用RTK技术进行图根控制测量,不但可以实时地知道定位的结果,而且可以实时了解定位的精度,大大提高了作业的效率。在当下,RTK技术已经广泛用于地籍图根控制测量。

根据《城镇地籍调查规程》[4]和《城市测量规范》[6]规定,图根控制点相对于起算点的点位中误差不应大于0.05 m,高程中误差相对于起算点不应大于1/10基本等高距H/m,如表1所示。

表1 图根点点位中误差和高程中误差

2.2 RTK技术在地籍碎步测量中的应用

地籍测绘中需要将地物、地貌的特征点测绘到图纸上,这些特征点又称为碎部点。相对于地籍控制测量而言,测绘具体的地物和地貌是测区碎部,因此称为地籍碎部测量。地籍碎步测量是地籍测绘的核心,是在地籍控制测量的基础上测绘每宗土地的权属界线、位置、形状及地类界限等并计算面积、绘制地籍图和宗地图。

地籍碎步测量主要采用RTK和全站仪施测,对于视野开阔、GPS信号好的地方采用RTK测量,对于房屋密集及比较隐蔽的地方采用全站仪施测。对于某些全站仪和RTK均不能测量的特殊碎部点,再辅助手持测距仪、皮尺等工具测量。

将RTK技术运用到地籍碎步测量中,使每一宗土地的权属界址点的测量只需要一个人就可以完成。操作员只需带着RTK到相关的位置,输入特征编码,在点位精度符合要求的情况下,用电子手薄测定记录该区域内的碎部点,再用专业的测图软件绘制成图。RTK测定点位不需要点间通视,因此采用RTK技术可以大幅提高测量的工作效率。

根据《地籍测绘规范》[3]规定,界址点的精度分三级,如表2所示，各级界址点相对于邻近控制点的点位误差和间距超过50 m的相邻界址点间距误差不超过表2的规定;间距未超过50 m的界址点间的间距误差限差不应超过式(1)计算结果。需要测定建筑物角点的坐标时,建筑物角点坐标的精度等级和限差执行与界址点相同的标准。

表2 界址点精度指标

ΔD=±(mi+0.02miD),

(1)

式中:mi为相应等级界址点规定的点位中误差,单位m;D为相邻界址点间的距离,单位m; ΔD为界址点坐标计算的边长与实量边长较差的限差,单位m.

3 实例分析

3.1 测区概况

本测区位于惠州市惠城区东南郊,地势比较平坦,但由于房屋、鱼塘密布,又有树林、灌木遮挡,使用全站仪难以通视。本次需测量的宗地地块面积较大(作业半径达5 km),呈带状分布,宗地数目多,作业权属关系复杂,权属界址点数量大,采用传统测量手段很难在短时间内完成所有宗地的权属界址点测量工作。因此决定采用RTK建立图根控制网并进行碎部测量,在房屋密集及比较隐蔽的地方则联合全站仪施测。

3.2 外业实施

1)基准站的选定及建立。RTK数据传输距离是RTK应用的关键,距离的多少决定了其性能的优劣。由于采用UHF波,传播的方式主要是空间波,其穿透性强,直线传播性强,但易受障碍物、地形和地球曲率的影响。理想的传送距离为

式中:h1和h2分别是基准站和流动站电台的天线高,单位为m；D为数据链的覆盖范围的半径,单位km.由于RTK数据链的传播限制和定位精度要求,测量距离一般不超过10 km.基准站架设在测区一栋楼顶的E级GPS控制点上,天空较为开阔,有利于卫星信号的接收和数据链发送。

2)坐标系统的转换。常用的坐标转换参数有三参数、四参数和七参数三种。七参数坐标转换不但精度高,作用距离也较长。根据七参数转换的原理,在两个坐标系中有3个公共点就可以计算出转换参数。鉴于本测区作业半径大,且测区内有足够多已知坐标的E级GPS控制点,因此采用了分布均匀的10个公共点来求取WGS-84坐标系到1980西安坐标系的转换参数,这样高程拟合模型为多项式曲面拟合,理论上可获得更高的高程精度。然后在基准站上键入转换参数。

3)流动站的设置。设置完电台频率、工作方式后,流动站即可开始测量作业。

3.3 RTK测量精度分析

1)为检验本测区七参数坐标系统转换残差,本次测绘作业过程中不同时段用已知点比较法检核了未参与解算的10个E级GPS控制点(高程经四等水准测量),分析对比RTK测量与GPS静态测量间点位精度的情况,如表3所示:

表3 RTK测量与GPS静态测量较差表

由较差计算得RTK点位中误差MP为0.011 m,高程中误差MH为0.019 m.由此可以得出,本测区坐标系统转换精度良好,符合《全球定位系统实时动态(RTK)测量技术规范》[5]要求,可进行地籍图根控制及碎部测量。

2)为检验RTK进行地籍图根控制测量精度,RTK测量结束后,用全站仪按一级导线的要求联测了部分地籍图根控制点,现取其中与导线测量成果进行较差分析,算出图根控制点点的点位误差、点位中误差和高程中误差,如表4所示。

表4 图根控制点与导线点较差表

根据表4的数据可算出图根控制点点点位中误差MP为±0.015 m,高程中误差Mf为±0.025 m,由此可见,RTK测量可替代常规的一级导线,进行地籍图根控制测量。

3)为检验RTK进行地籍碎步测量的精度,运用全站仪极坐标法对300个RTK碎部点进行检查,结果如表5、表6所示。

表5 RTK碎步点点位误差较差表

表6 RTK碎步点高程较差表

由此可以得出,RTK碎步测量的精度符合《地籍测绘规范》[3]的要求。

3.4 工程中需注意的问题

实践表明,RTK技术应用于地籍测绘能大幅提高工作效率,但在使用过程中,也存在一些值得注意的问题,以下列举其中几个,以期为同类工程提供参考:

1)RTK基准站要架设在测区的较高点位上,这样视野比较开阔,减少周围障碍物对接受卫星信号的影响,也有利于电台信号的发送。

2)基准站要避免架设在强电磁波干扰源附近,如高压输电线路、大功率无线电发射源(通讯基站、电视发射塔、微波站)等,否则容易造成失锁。

3)在RTK测量中,同距离有关的误差将随流动站到基准站的距离的增加而加大。因此建议作业半径不超过10 km.

4)坐标系统转换参数直接影响着测量精度,尽量选取高等级的控制点进行求解,确保控制点均匀分布覆盖测区,同时加强检核工作。

4 结束语

GPS-RTK技术因其高效灵活、误差不积累、厘米级的高精度等特点,大幅提高了地籍测绘的速度和精度,占据了越来越重要的位置。虽然在某些特定的环境中RTK的使用还存在着限制,但随着网络RTK技术和GPS/GLONASS双星系统的发展,相信RTK技术必将在地籍测绘中发挥更大的作用。

[1]徐绍铨，张华海，杨志强，等.GPS测量原理及应用[M].武汉:武汉大学出版社,2005:1-98,172-173.

[2]詹长根，唐祥云，刘 丽.地籍测量学[M].武汉:武汉大学出版社,2005:1-12,80-108,185-202.

[3]国家测绘局标准化研究所等.CH 5002-94.地籍测绘规范[S].国家测绘局,1994.

[4]国土资源地籍管理司,中国土地勘测规划院.TD1001-93.城镇地籍调查规程[S].中华人民共和国国土资源部,1993.

[5]浙江省测绘局、国家测绘局重庆测绘院.CH/T2009-2010.全球定位系统实时动态测量(RTK)技术规范[S].国家测绘局,2010.

[6]北市测绘设计研究院.CJJ 8-2011.城市测量规范[S].中国建筑工业出版社,2011.

[7]刘贺春,郭 秋.GPS-RTK在地形图测绘应用中的精确性和可靠性研究[J].城市勘测,2010(2):49-53.