RTK技术在沛县新城区图根控制测量中的应用①

詹家民 周 杨

(1.徐州师范大学测绘学院,江苏徐州221116;2.江阴市重点水利工程建设管理处,江苏江阴214431)

0 概 述

江苏省沛县新城区建设发展迅速,城市面貌日新月异,随着新城区建设的发展和第二次土地调查的开展,急需1:500地形地籍图。为此,沛县国土局决定,从2009年3月至2009年7月对新城区进行1:500地形地籍图测绘 。测图前应进行图根控制测量。测区内已有江苏省C级GPS网控制点1个、沛县D级GPS网控制点6个,2009年1月测设的I级GPS点178个。其平面精度:最大点误差为10 mm,最弱边相对中误差为1/32237。高程精度:垂直相对误差为0.010 m,垂直相对精度为1/19650。这185个点可以作为本测区图根控制的起算点。

1 图根点的布设

在测区范围内,布设并施测永久和临时性图根点,用于沛县新城区1:500地形地籍图的测绘和工程施工放样。

1.1 图根点的精度要求

图根点相对于图根起算点的点位中误差,不得大于图上0.1 mm(实地5 cm);当图根点的密度不够,需增补测站点时,测站点相对图根点的点位中误差,不得大于图上0.3 mm(实地15 cm);高程中误差不得大于1/10等高距(即实地5 cm)。

1.2 图根点的布设

永久性图根点沿沛县新城区主要街道、铁路、公路、大车路、乡村路、工厂内的内部道路、沟渠田埂布设,点位大部分布设在十字路口的交叉中心、重要单位门前的路口等处。点间距离在150 m～400 m之间,道路上的点的标志:用直径18～20 mm,长为300 mm的铁棍打入地面并在其顶部用2 mm的钻头钻孔作为点的标志。沟渠田埂及田间的图根点采用埋石图根点,标石的规格为:上顶面为15 cm×15 cm,下底面为30 cm×30 cm,高度为50 cm的梯形,在标石中心埋设直径为1 cm,长度为20 cm的钢筋,并在钢筋的顶部钻一小孔或刻一十字作为点的标志。临时性图根点可用木桩打入地面,在木桩上钉一钉,作为点的标志,临时性图根点可根据测图需要任意布设,以方便测图为原则。

2 施测方案

本测区内的所有图根点均使用技术较为领先的Trimble(天宝)5700双频GPS接收机,以实时动态(RTK)的方法测定图根点的平面位置。高程采用水准测量的方法按等外水准的精度测定,与RTK高程测量进行比较。

3 RTK的工作原理及系统组成[1-3]

RTK(Real Time Kinematic)实时动态测量系统,它是集计算机技术、数字通讯技术、无线电技术和GPS测量定位技术为一体的组合系统。实时动态测量的基本思想是,在基准站安设一台GPS接收机,对所有可见GPS卫星进行连续的观测,并将观测数据通过无线电传输设备实时地发送给用户观测站(流动站);在流动站上,GPS接收机在接收卫星信号的同时,通过无线电接收设备,接收基准站传输的观测数据,然后根据相对定位的原理实时地计算并显示出流动站的三维坐标及精度。通过实时计算定位结果,便可监测基准站与流动站的观测成果的质量和解算结果的收敛情况,从而可以实时地判定解算结果是否成功,以减少冗余观测、缩短观测时间。

3.1 RTK的工作原理

GPS-RTK是一项技术复杂的系统工程。整个系统包括三大部分:地面监控部分、空间卫星部分、用户接收部分,各部分均有各自独立的功能和作用,同时又相互配合形成一个有机整体系统。RTK实时动态,是在两台静态型GPS测量仪器间加上一套无线电数据通讯系统(也称数据链),将相对独立的GPS信号接收系统连成一个有机整体。基准站把接收到的所有卫星信息(包括伪距和载波相位观测值)和基准站的一些信息(如基站坐标天线高等)都通过无线电通讯系统传送到流动站,流动站在接收卫星数据的同时也接收基准站传送的卫星数据。在流动站完成初始化后,把接收到的基准站信息传送到控制器内并将基准站的载波观测信号与本身接收到的载波观测信号进行差分处理,即可实时求得未知点的坐标。RTK实时相对定位原理如图1所示,数据流程如图2所示。

图1 RTK实时相对定位示意图

图2 RTK-GPS数据流程图

3.2 RTK系统的组成

GPS-RTK系统由一个基准站、若干个流动站及无线电通讯系统三部分组成。基准站包括GPS接收机、GPS天线、无线电通讯发射系统、供GPS接收机和无线电台使用的电源(汽车用12V蓄电瓶)及基准站控制器等部分。流动站由以下几个部分组成:GPS接收机、GPS天线、无线电通讯接收系统、供GPS接收机和无线电使用的电源及流动站控制器等部分。用框图表示,如图3所示。

图3 RTK-GPS系统结构图

4 GPS-RTK对图根控制点的技术要求[4-5]

地面上的图根点应和建筑物、构筑物保持一定的距离。确保卫星高度角大于等于15°;有效观测卫星个数不少于5颗;图根点的位置应在基准站控制转换范围内,且离基准参考站的距离不大于10 km;每次观测前,应先对已知点或已测点进行检测,直到符合精度要求后再继续测量;每个图根点,皆应观测两个时段,时段间隔不小于6 h,当其平面较差小于图上0.1 mm(实地5 cm),高程较差小于0.05 m(即5 cm)时,取其中数作为结果。

5 图根点的外业观测

5.1 使用的仪器及标称精度

利用三台Trimble 5700双频GPS接收机(一台基准站,两台流动站)进行实时动态测量,该机具有24个通道、L1 C/A码、L1、L2全波长载波;其内存为96 Mb,按30 s间隔可采集2750 h的L1+L2数据,另外,三台主机均配置了48 Mb内存卡,可存储2500 h的数据(按30 s间隔,跟踪6颗卫星);作业范围:单基准站RTK定位时的作业半径为10 km,静态测量水平标称精度为:±5 mm+1 ppm×D,垂直标称精度为:±10 mm+1 ppm×D,实时动态、实时连续动态测量时的水平标称精度为:±10 mm+1 ppm×D,垂直标称精度为:±20 mm+1 ppm×D。

5.2 点校正与检测

首先将基准站架设在沛县新城区郝尧村大队部的3楼的楼顶上(未知点)。此基准站控制整个测区。接收机接收卫星的截止高度角设置为15°。基准站天线高度在三个方向上量取三次取其平均值作为天线高度,其精度取至mm。仪器进行精确对中、整平,整平精度其偏差不超过半格,对中偏差不超过1 mm。此基准站在本测区内利用了I206、I217、I368、I384四个已知GPS点进行了点校正,分别对测区南部、中部和北部的I233、I239、I258、I320四个点进行了检测,在进行点校正和检测过程中,利用两台 RTK同时进行,每台均进行两个时段的观测,观测时间均为180 s(3 min)。检测结果与已知成果比较如表1所示。

表1 检测结果与已知成果

由表1可知,检测结果与已知成果比较,X最大误差为2.0 cm,Y最大误差为2.2 cm,高程最大误差为3.4 cm,均小于5 cm的精度要求。

同一台流动站分两个时段检测同一点,其检测结果比较如表2所示。

由表2可知,同一台流动站两个时段观测同一点,检测结果相比,X最大差值为2.1 cm,Y最大差值为1.4 cm,高程最大差值为8 mm。X最小误差为1 mm,Y最小误差为3 mm,高程最小误差为3 mm。说明点校正是成功的,观测结果是可靠的。

表2 不同时段检测结果比较

5.3 图根点外业观测及内业计算

为了提高图根点外业观测精度和速度,我们将2台RTK流动站分成二个大组,每组四个人三个架腿(1人施仪、三人架设架腿),采用4人三架轮流交替前进的方法对本测区内的所有图根点进行观测,每个图根点均进行两个时段的观测,时段间的间隔约6 h,每个时段的观测长度仍然控制为3 min,卫星高度截止角为15°,有效观测卫星个数≥5颗,观测精度设置为“观测控制点精度”。当二个时段的观测结果互差不超过5 cm时,取二个时段观测结果的平均值作为最终结果。在白天外业观测完成后晚上进行内业数据处理,使用随机商用软件将观测数据下载到计算机,然后使用Excel进行数据处理,把不超限的数据取其平均值提供给测图组使用,对超限的图根点进行统计,以便进行重测。

本测区共测图根点1395个,超限的85个,占总数的6%,其平面超限的5个,平面和高程均超限的12个,高程超限的68个,高程超限占图根点总数的5.73%。由此可以看出:RTK可以满足图根点的精度要求,但在测定高程方面还有一定的局限性。

6 RTK在图根控制测量中的优点

1)RTK可以全天侯的观测,不受通视条件的限制。

2)用RTK观测,人员少、速度快、效率高。传统的方法需要4～5人才能进行作业,而RT K流动站只需一人即可进行,如果几个流动站同时作业,则可大大加快观测进度,提高工作效率。

3)利用RTK测量图根点其点位误差不积累、不传播,测量精度高。

7 结 论

本测区图根控制测量从2009年2月16日开始,至2月28日结束,历时12天。测区内的图根点,除少量的几个因在树下或离建筑物、高压线、大功率无线电发射台较近,接收机无法接收到卫星或无线电(有的即使接收到信号,但RTK不固定)不能测定外,其余均已测定。本测区共测图根点1395个,不合格的85个,一次合格率达93.9%。

由观测成果可知:同一台RTK接收机两个时段较差:最大误差(个别)为:X为86 mm,Y为80 mm,高程为160 mm,最小误差均为0,二个时段较差在0～10 mm之间的约占80%以上。由此可以看出,利用RTK技术建立图根控制,质量是可靠的,精度完全能够满足图根控制点的精度要求,其方法是可行的。

[1] 詹家民 .吉安市区GPS地籍控制网的建立[J].全球定位系统,2007,32(5):33-38.

[2] 詹家民 .GPS定位技术在连云港海堤路控制测量中的应用[J].全球定位系统,2008,33(2):37-41.

[3] 詹家民.RTK技术在沈阳市区图根控制测量中的应用[J].北京测绘,2003,01:34-36.

[4] 刘基余、李征航、王跃虎、桑吉章.全球定位系统原理及应用[M].测绘出版社,北京:1995.

[5] 国家测绘局.全球定位系统(GPS)测量规范[M].测绘出版社,1992,10.