利用RTK测量建筑物墙角点方法的研究

2015-03-29张为成邢立新马俊海梅晓丹储晓雷

测绘工程 2015年7期

张为成，邢立新，马俊海，张雷，刘江，梅晓丹，储晓雷

（1．黑龙江工程学院测绘工程学院，黑龙江哈尔滨150050；2．吉林大学地球探测科学与技术学院，吉林长春130026）

基于RTK模式下的GPS测量定位技术，以实时定位、施测灵活和高效率等优点被广泛应用于地形测绘、地籍测量、工程测量和土地利用规划等工程建设中，深受广大测量工作者的喜爱。然而在应用RTK测量定位方法测定房屋等建筑物墙角点时却遇到了非常大的困难。一是由于建筑物本身高度的遮挡影响使RTK接收机天线不能同时接收到4颗（或4颗以上）GPS卫星的信号，也就无法实时地测定和计算出房屋等建筑物的墙角点坐标，或者测定出的坐标数据解算精度很差，远远满足不了相应规范或工程建设的要求。二是由于RTK接收机天线都是具有一定尺寸的几何外形，从而使RTK接收机与建筑物的墙角点无法完全靠近，致使测定结果产生较大的误差，当进行大比例尺地形测绘或地籍测量时满足不了相应规范的要求。受此制约，当前进行墙角点测量方法，如地形图测绘中的居民地测绘、地籍测量等，一般都是通过RTK结合全站仪来测量，而测量的主要仪器是全站仪，这样就大大降低了测量的效率，增加了测量人数，从而使得测量的人力、物力、财力大大增加。也有专家学者提出了仅利用RTK进行墙角点测量的方法，如通过测量房屋墙角的延长线上的多点坐标和距离用解线性方程或者三角函数计算的方法来计算墙角点坐标，这些方法在测量外业上需要测量的点位比较多，而且无论是测角和测距都有严格的要求，测量非常不方便。在内业上计算也相对繁琐，而且最终也只能解算出该点的平面坐标，高程坐标却无法得到，所以当有些时候需要测量墙角点高程时，RTK测量则无法办到。以上这些问题严重地影响了RTK在地形图测绘地籍测量等工程中的广泛应用。

1 RTK测量建筑物墙角要解决的几个问题

通过以上分析可以看出，如果想解决RTK测量墙角点坐标，必须解决以下几个问题：①RTK不受遮挡，能同时接收4颗（或4颗以上）GPS卫星的信号；②RTK接收机天线有几何外形的存在，如何在不能完全靠近建筑物的墙角点时测量；③要能否通过RTK直接测量，而不需要全站仪的配合；④如何解决高程点的高程测量问题。经多年外业测量实践探索，实际测量中建筑物的墙角点（如房屋墙角点或者围墙墙角点），绝大多数都是垂直的，呈90°。正因为此，笔者产生了解决这一问题的思路，并制作了非常简单而且实用的辅助RTK测量的装置，从而从根本上解决了不能直接利用RTK测量墙角点的问题。

2 辅助装置设计

辅助装置共分4部分。第1部分为辅助装置的前端为V形挡板，角度呈90°。V形挡板与第2部分内尺连接，内尺外是第3部分外尺，内外尺均有刻度，可伸缩。在外尺的底端为第4部分U形口，测量时U形口与RTK对中杆进行连接。实物如图1所示。

图1 辅助装置

3 作业流程和坐标计算原理

3．1 作业流程

在使用RTK测量墙角点时，前期的设置基站、匹配参数等操作流程与普通测量使用RTK一样，只是在测量墙角点时，要用RTK的辅助装置配合RTK来共同完成。具体的使用方法如下：

1）在墙角选择合适的高度和位置，将V形挡板贴紧墙角，调整内尺和外尺之间的距离，搜索有GPS信号的位置，将U形口与RTK接收机连接，整平RTK接收机，使外尺与RTK的对中杆处于垂直状态。

2）进行RTK测量，并对RTK测量数据进行自动存储，记录此点为A点坐标（XA，YA，ZA），同时记录RTK快速辅助测量装置的长度SAQ。

3）将RTK快速辅助测量装置处于竖直状态，使V形挡板与地面接触，从而来测量从地面到墙角点的高差HQN和RTK的对中杆到地面的高差HAM。

4）重复1）和2），利用RTK快速辅助测量装置在其延长线上继续测量B点，并同时记录下RTK快速辅助测量装置的长度和SBQ。

3．2 坐标计算原理

3．2．1 平面坐标的计算

利用RTK采集和记录的测量点A（XA，YA，ZA），B（XB，YB，ZB）和所需要观测的遮挡信号的墙角点Q点共线，可根据A，B两点的平面坐标和到墙角点的距离SAQ，SBQ计算出墙角点Q的坐标。如图2所示。

图2 平面坐标计算原理图

具体计算的原理为：先通过A，B两点坐标进行坐标反算，计算出直线BA的坐标方位角αBA，然后再根据B点坐标和BQ的距离SBQ进行坐标正算，算出墙角点Q的坐标。计算公式如下：

3．2．2 高程坐标的计算

利用RTK采集并记录的测量点A（XA，YA，ZA）的高程坐标ZA、从地面Q点到V形挡板贴紧的墙角处点N的高差HQN以及U形口与RTK接收机的对中杆连接交点M到地面A点的高差HAM，如图3所示。计算墙角点Q的高程Z值，即

图3 高程坐标计算原理图

4 可行性与精度分析

为了验证此方法的可行性以及测量墙角点得到的坐标精度情况，在黑龙江工程学院校内进行了实际的测量实验，如图4所示。

图4中GPS01、GPS02、GPS03、GPS04是利用GPS与哈尔滨城市坐标系已知点坐标进行联测得到的C级控制网点坐标。在这些控制点上安置徕卡TCR－402全站仪，对周围的墙角点进行了坐标测量，为了保证精度，每个墙角点都测量了3次，并取平均值作为准确值。同时也利用RTK与辅助装置进行配合，对墙角点进行了数据采集。全站仪采集数据结果与RTK采集数据结果之差如表1所示。

图4 测量实验点位图

从表1不难看出，两种方法采集建筑物墙角点坐标之差非常小，X坐标差最大为22 mm，Y坐标差最大为23 mm，Z坐标差最大为37 mm，平面点位差最大为32 mm。由此可知，利用RTK进行墙角点测量的精度完全满足地形图测绘和地籍测量中采集墙角点坐标的要求（在要求比较严格的地籍测量中，规定一类界址点相当于临近已知点误差不大于5 c m）。

表1 两种方法采集建筑物墙角点数据坐标之差mm

20 16 20 21 15 18 14 19 14 18 18 15 19 17 19 22 16 22 Y坐标差 21 21 15 14 13 19 17 15 18 19 17 15 13 19 12 14 18 23 Z坐标差 36 30 21 28 35 22 19 31 34 26 23 25 33 29 31 24 20 37 平面点位差X坐标差29 26 25 25 20 26 22 24 23 26 25 21 23 25 22 26 24 32

5 工程应用实例

吉林省扶余市地籍调查项目，总面积约40 k m2。由于时间紧，任务重，如果采用RTK结合全站仪进行数据采集的方法进行，完成任务将有一定的困难，因此在此项目中第一次用到了RTK结合辅助装置进行数据点的采集，外业速度明显加快，而在内业成图时，由于辅助装置的距离测量，可以直接通过软件的“延伸”、“偏移”等命令，成图速度也明显加快。最后通过了项目的验收，获得了很好的评价。至此之后，此方法又在多个测量项目中得到了应用。

6 结束语

通过RTK结合辅助装置进行墙角点测量在吉林省扶余市地籍调查中的实际应用和在黑龙江工程学院校内进行实验的精度分析，可以得出该方法不仅好用又实用，而且大大提高了生产效率，同时满足了精度要求，完全克服了RTK信号受遮挡、RTK接收机存在几何外形、不能独立进行地籍测量等缺点。笔者认为，RTK辅助装置简单而且容易制造，如果大规模采用此方法，RTK的应用前景将更加广阔。

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