载波相位差分技术和无棱镜测绘技术联合应用研究

谢宗繁

(广西南宁水利电力设计院 南宁 530001)

1 前言

载波相位差分技术又称为RTK技术 (Real Time Kinematic),建立在实时处理两个测站的载波相位基础上。它能提供观测点的三维坐标,达到厘米级的高精度。无棱镜测绘技术通过测量激光脉冲的传播时间,结合定位姿态数据,直接获取高精度的地面三维坐标。随着测绘科学技术的发展,传统的单独采用全站仪测量测图方法正逐步被GPS-RTK(以下简称RTK)和全站仪联合进行数字化测绘地形图所代替。我们通过云南省绿春县勐漫河东龙水电站工程测量实践证明,应用载波相位差分和无棱镜测绘技术联合应用,可以实现优势互补,提高工作效率。

2 载波相位差分原理[1]

载波相位差分原理是由基准站通过数据链实时将其载波观测量及站坐标信息一同传送给用户站。用户站接收GPS卫星的载波相位与来自基准站的载波相位,并组成相位差分观测值进行实时处理,能实时给出厘米级的定位结果。如果基准站与用户站同时观测相同的4颗卫星,则有4个联立方程,可求解出用户站的坐标,如果在一个历元中观测4颗卫星,就可以求解出用户站的精确坐标,精度可达到厘米级。

3 无棱镜测绘技术[2]

3.1 无棱镜测量技术简介

无棱镜测量技术主要运用激光测量技术,利用激光传输时间来测量距离的基本原理是通过测量激光往返目标所需时间来确定目标距离,记录并处理从光脉冲发出到返回被接收所经历的时间,即可测定目标距离。

3.2 无棱镜测量技术的适用条件

据无棱镜测量技术的特点确定其适用范围,通过实践发现无棱镜测量技术适用条件为:

(1)适用于通视条件好,反射介质好的地方,在反射介质较暗,吸光性太强,反射条件不好等地方不宜使用无棱镜测量。

(2)无棱镜测量技术适宜测量反射面裸露的测点高程,如岩石,房屋、公路等视线可及的地形、地物点高程。

(3)无棱镜测量适用于视线没有任何障碍的地形地物测量,若中间有障碍物则测量到的是障碍物的坐标、高程。如要测400m外的地形点,若在200m的地方有树叶挡住视线,将测到的是树叶的坐标、高程。

(4)注意不要将激光束射向似镜表面,以免烧坏感光元器件。

(5)施测过程中不宜通过目镜观测标的物,以免将眼睛置于激光束中导致受伤。

(6)无棱镜测量适用于人员难以到达,反射介质好的地形地物测量,如悬崖、溪谷、客流大的公路、有剧毒的地物等。

4 两种技术的联合应用

随着GPS-RTK定位精度的提高、硬件性能的改善,定位速度比常规仪器要快得多。它不要站间通视,精度高、作业快、费用省、应用灵活。以无棱镜测量、自动目标识别、自动跟踪全站仪等新技术潮流为代表的测绘新技术因其数据采集自动化程度高、大大释放劳动力等优势,使工作得以更高效、精确地完成,目前已被广泛应用于控制测量、地形测量、地籍和房产测量、施工放样、工业测量及近海定位等方面。

RTK和全站仪联合测绘地形图,可以优劣互补。在地形平坦、交通方便、植被覆盖率不高、测量人员容易到达的空旷地区的地形、地物适用RTK测进行测量,村庄、城市内的建筑物、构筑物用RTK实时测量图根点的三维坐标,然后用全站仪测量。采用RTK测图,可以省去建立图根控制这个中间环节,节省大量的时间,可全天侯地观测。由于卫星的截止高度角必须大于15°,在高大建筑物旁边或在大树下,很难接收到卫星和无线电信号,在急流峭壁、悬崖、高温地区、剧毒地带等测量人员不易到达的地方,RTK无法测量,便体现不出其快速、便捷的优势,此时可以应用全站仪测量进行弥补;由此可见用RTK和全站仪联合测图,解决了全站仪测量地势平坦、交通方便的地方浪费大量人力物力和RTK无法测量测量人员无法到达的测区的地形的缺点,从根本上克服了全站仪测绘技术和RTK测绘技术的盲点,大大加快测量速度,提高工作效率。

5 载波相位差分技术和无棱镜测绘技术在东龙水电站工程数字化测图中的联合应用

云南省绿春县东龙水电站位于黄连山自然保护区外边缘地带的勐漫河上,为了充分利用水资源,分四个梯级水电站进行开发,总装机容量为103.1MW,该河段两岸高山环绕,水量充沛,土地肥沃,森林茂密,村落较集中,土地开发比例较高,是农业经济发达的地区之一。

适当布设GPS网,有利于根据测区各阶段的需要布设,采用全网的结构呈长短边相结合的形式,减少网的边缘处误差的积累,也便于GPS网的数据处理和成果检核。由于测区呈狭长的带状,距离跨度大,河道总长度为36.4km,控制点精度要求高。我们采用五台套Ashtech GPS进行控制测量,为了抵消两基准站公共误差,提高测量精度,用两台GPS做基站,其他三台流动站进行采集数据。在观测前先选择卫星星历较好时段观测,截止高度角为15°。卫星星历是描述卫星运动轨道的信息,根据卫星星历可以算出任意时刻的卫星位置及其速度。GPS卫星星历分为广播星历 (预报星历)和后处理星历 (精密星历)。GPS广播星历是指含于每颗GPS卫星发射的导向电文的GPS卫星的预报位置,通常包括相对于某一参考历元的开普勒根数和必要的轨道摄动改正项参数[2]。观测前,根据测区中心的概略经纬度和高程及较新的星历进行星历预报,卫星星历预报见图1,并根据星历预报选择有利的观测时段,减小星历数据引起的差分误差,提高作业效率。

为了提高GPS定位精度,选用PDOP小于5的观测时段,由图1可看出最佳观测时间为0︰00～11︰30和17︰30～19︰30,在其他时段则不宜外业数据采集。将基站选在视野开阔和交通方便的地方,卫星截止高度角要求大于15°,用流动站进行数据采集并符合到至少3个首级控制网上,以该控制点做数据纠正数度如下表1。

表1 RTK测量检校记录表

由上表可见,较正的误差绝对值都在4mm以内,精度符合加密控制网的要求。在交通方便、地势平坦、地物复杂、测量人员容易到达的地方应用RTK进行碎部点的数据采集,对于开阔的地段(主要是田野、公路、河流、沟、渠、塘等)直接采用实时动态定位(RTK)测量模式进行全数字野外数据采集,实地绘制地形草图,施测过程中注意:第一基准站架设在测区的中心,并远离高压线和无线电发射塔50m以上。根据已知点进行点位校正和检核RTK的可靠性;第二基准站上的仪器应精确对中,严格整平;第三接收机接收卫星的高度角应设置为15°;第四基准站天线高度应多次丈量取其平均值作为基准站的天线高度;第五流动站就在以基准站为中心半径为8km的范围进行测量,观测卫星高度角≥13°,观测卫星个数不少于5颗,计算得固定解时才进行测量;第六流动站每次观测前,应先对已知点或已测点进行检测,直到满足精度要求后再继续测量;第七运用RTK定图根点时,应尽量选择通视良好,且易于仪器搬运和操作的图根点,切记给定后视点作为检测。对于密集的村庄、植被茂密的地形等采用RTK给定图根点位,利用全站仪采集地形、地物等特征点,实地绘制草图;对于地势陡峭、水流湍急的水边、塌岸、塌方地带,测量人员无法到达的地方则采用免棱镜1000m的徕卡全站仪进行无棱镜测量特征点的三维坐标。实践证明,若仅采用无棱镜全站仪测量需要花90d时间,全部采用GPSRTK测量需要79d,目前采用RTK和无棱镜全站仪联合测量后仅花了45d时间即完成了整个工程测量。可见采用RTK和无棱镜全站仪对测区的开阔地带、险要地形进行测量,优势互补,缩短测量工期,提高工作效率。

6 结论

裁波相位差分技术和无棱镜测绘技术的联合应用充分展现了现代测绘科技新思维,在诸多方面打破了传统的观念和局限。采用RTK采集数据快速便捷、全天候、不受通视条件约束,采用的全站仪操作简便,观测速度快,精度高,可自由设站,灵活采用多种方法测量碎部点。联合作业方法针对测区范围内的不同地形地貌选取适当的测绘技术,保证测量成果准确性、可靠性,做到高效快捷、质量保证、可靠,是一种崭新的取长补短作业方法。

略)