RTK技术在控制测量与大比例尺测图中的应用研究

张 东,梁 勇,刘纪平,葛 帅

(1.山东农业大学信息学院,山东 泰安271018;2.中国测绘科学研究院,北京 100039)

0 引 言

目前,野外测量在空间数据采集、动态更新,特别是在大比例尺空间数据获取方面占有重要的地位。但传统的电子平板、全站仪等测图存在起算控制点密度不足,测站之间通视差及精度不均匀等问题。

实时动态测量技术(RTK)的发展为野外数字测图提供了全新的手段。实施基于RTK的野外数字测图人员少、费用低、易操作,可以大大提高作业效率,而且具有测站间无需通视以及可全天时,全天候作业等特点[1]。但利用 RTK技术测绘大比例尺地形图存在的一些问题有待探索和解决。因此,此技术的研究对今后的实践活动有一定的指导意义。

1 GPS RTK技术

1.1 GPS RTK工作原理

RTK是Real-Time Kinematic的英文缩写,是实时载波相位差分GPS技术,它是GPS测量技术与数据传输技术相结合而构成的组合系统,是GPS测量技术发展中一个新的突破。

RTK由GPS接收设备、数据传输系统、软件系统三部分组成。其工作原理是[2]:将一台接收机置于基准站上。另一台或几台接收机置于载体(称为移动站)上,基准站和移动站同时接收同一时间、同一GPS卫星发射的信号,基准站所获得的观测值与已知位置信息进行比较,得到GPS差分改正值。然后,将这个改正值通过无线电数据链电台及时传递给共视卫星的移动站精化其GPS观测值,从而得到经差分改正后移动站较准确的实时位置。

1.2 GPS RTK应用方法

1)基准站的设置

基准站架设时应遵循以下原则[3]:在10°截止高度角以上的空间应该没有障碍物;临近不应有电磁辐射源,以免对 RTK信号造成干扰;基准站最好选在地势相对较高的地方;地面稳固,利于点的保存;尽量避开交通繁忙或人流较多的地方。

在任意选定的点位上架设好仪器后,只需将基准站安置在三脚架上,无需对中整平。将主机与发射电台、天线、备用电池与通讯电缆正确连接。分别打开配置的电瓶开关、GPS主机电源开关、数据链开关即可。然后设置好卫星高度角、天线类型、无线电类型、频率等各项配置参数即可。

2)移动站的设置

设置连接方式和电台通道号,输入流动站的天线高、输入观测时间、次数等参数。通过单点或两点校正,求解出WGS-84坐标系与当地坐标系之间的转换参数。校正完毕后,将移动站在待测点对中,当状态为固定解且PDOP小于6时,对点坐标进行采集。

2 研究方案

2.1 测区概况

泰安市龙泽花苑小区位于驰名中外的泰山脚下,东邻市政广场,南靠龙泽湖,面积约0.1 km2。小区地势北高南低,南北高差较大。高楼林立,通视条件较差,不利于全站仪测图。另外,由于楼层过高,对卫星信号的接收有一定的影响。

2.2 控制点的布设

在小区附近原有两个E级GPS控制点的基础上,根据小区的实际情况选择了8个二级控制点进行加密控制。通过这8个控制点可以较好的对小区进行控制,少部分观测不到的地方采用支导线的方法进行测量。

闭合导线的多边形角度闭合差为35 s,容许角度闭合差为39 s。导线长度∑D=567.312 m,导线全长闭合差 fx=0 cm,fy=1.5 cm,相对闭合差K=1/37820,K容=1/10000,达到二级导线要求,且点位精度较高,可作为数据对比的基准。

2.3 作业流程

1)用全站仪进行控制测量,然后对所测导线点坐标进行平差。得到控制点坐标;

2)根据小区的情况分别选择较空旷处、高度小于2 m的地物处、楼房房角等处作为特征点,并做标记;

3)用全站仪对特征点进行碎部测量;

4)用RTK对控制点和特征点进行测量;

5)RT K和全站仪数据进行对比,分析RTK数据精度、误差来源以及质量控制方法。

2.4 精度分析

全站仪与RTK所测的控制点坐标如表1所示。

表1 控制点坐标数据对比

数据表明,除了ZI26点以外(此点靠近高压线路),其余各点X最大差值1.4 cm,Y最大差值2.9 cm。X中误差为mx=±1.21 cm。Y中误差为my= ±1.51 cm。RTK测量成果与全站仪测量成果相差较小,图根点位精度等各项指标满足《城市测量规范》要求,说明在城市进行大比例尺测量的图根控制可以采用RTK技术。

选取了部分有代表性的碎部点进行精度对比,如表2所示:

表2 碎部点坐标数据对比

由上表可得地形图比例尺精度为0.1×M(mm),其中M为比例尺分母,故1∶1000地形图比例尺精度为10 cm,Mx=±3.47 m,My=±3.17 cm。点位误差最大值为7.63小于10 cm,符合1∶1000地形图碎部测量的精度要求。但在房角或周围有较高建筑物的区域,由于信号遮蔽,只能得到单点解或差分解,不能满足测图精度需要,故不能用RTK测量。

2.5 误差分析与质量控制

RTK测量过程中的误差来源主要有以下5个方面:

1)GPS定位误差

GPS定位误差主要包括卫星轨道误差、卫星钟和接收机的时钟误差、对流层和电离层的大气延时误差等[4]。

2)转换参数引起的精度损失

WGS-84坐标和地方坐标系坐标转换存在一定误差,与控制点的精度和分布有关。

3)实验中的操作误差

移动站在点位对中,仪器置平等方面产生的误差。

4)基准站的误差

基准站周围环境对GPS观测质量的影响也会影响到流动站坐标的精度。

5)基准站与流动站之间的距离误差

GPS误差的空间相关性随基准站与移动站之间距离的增大而逐渐失去线性[5],当两者相距较远时,差分处理后的移动站数据仍然含有较大的观测误差。

针对RTK测量中存在的误差问题,可采用以下三种方法进行质量控制,以提高测量的精度。

1)已知点检校法—在控制网布设时用全站仪或静态GPS多测出一些控制点,然后用RTK测量结果与这些控制点坐标进行比较,当发现问题时及时纠正。

2)电台变频检校法—在测区内安置两个以上基准站,每个基准站采用不同的频率发送改正数据,移动站利用变频开关选择性地接收基准站的数据,从而得到两个以上解算结果,通过比较判断质量高低[5]。

3)重测比较法—每次初始化成功后先重测1～2个已测坐标点,确认无误后再进行RTK测量。

2.6 RTK+遥感影像的成图方法

在一些测区由于高层建筑较多且较密集,对卫星信号影像较严重,利用RTK很难测到,因此我们在RTK测图的基础上利用遥感影像对地图进行补充和校正,能得到较好的效果。具体步骤为:

1)影像的几何校正

获取测区的遥感影像,利用遥感影像处理软件,对影像图进行几何校正。

2)校正后的影像图与地形图叠加

在CASS中打开地形图,然后按1:1比例插入栅格影像,量取影像和对应地形图上两点之间距离,解算比例尺。根据解算的比例尺重新插入影像,并通过移动使两者严格重合。叠加后效果如图1所示:

图1 地形图与影像图叠加效果图

3)利用叠加好的影像图纠正和补充地形图通过叠加后的影像可以补测RTK无法测量的区域,并对部分失真地形图进行纠正,效果如图2所示:

图2 利用遥感影像补充的部分地形图

3 结 论

实验表明RTK测量精度较高,能够满足控制测量和大比例测图要求。对于RTK测图中存在的误差,通过质量控制的方法可很好地解决。但是在房角或周围有较高建筑物的区域,由于信号遮蔽,只能得到单点解或差分解,不能满足测图精度需要,为了弥补这种缺陷,可利用遥感影像进行补测和纠正,这样既充分发挥了 RTK测图的优点,又解决了其在测图中存在的不足,可极大提高测图的效率。

[1]李英冰,徐绍铨.利用RTK进行数字化测图的经验总结[J].全球定位系统,2005,30(5):30-34.

[2]李庆龙.浅谈GPS实时动态定位原理及应用[J].中国无线电,2007(6):47-51.

[3]潘纯建.RTK技术在图根控制测量中的应用[J].地矿测绘,2007,23(1):30-32.

[4]GEOFFREY B.GPS data Processing Methodology:From Theory to Application[J].GPS For Geodesy,Spring-Verlag,Berlin,1998:231-270.

[5]胡 奎,黎 曦,胡伍生等.GPS-RTK测量结果的精度分析[J].现代测绘,2007(3):3-4.