周 波,唐桂彬

(楊凌職業(yè)技術(shù)學(xué)院,陜西 楊凌712100)

0 引 言

地籍測(cè)量是為獲取和表達(dá)地籍信息所進(jìn)行的測(cè)繪工作,是地籍調(diào)查中依法認(rèn)定權(quán)屬界址和利用現(xiàn)狀的技術(shù)手段[1]。其主要的測(cè)量工作分為地籍控制測(cè)量和地籍碎部測(cè)量。其中,由于地籍碎部測(cè)量是對(duì)界址點(diǎn)和地物點(diǎn)坐標(biāo)、地類要素的獲取,因此可采用的方法很多。其中,常規(guī)的極坐標(biāo)方法要求測(cè)站點(diǎn)間必須通視,導(dǎo)致不能進(jìn)行大面積的測(cè)量工作,并且需要3個(gè)工作人員以上,費(fèi)事費(fèi)力,效益十分低下;而攝影測(cè)量方法通常用來(lái)進(jìn)行界址點(diǎn)坐標(biāo)的加密比較方便,但其對(duì)技術(shù)要求較高,并且內(nèi)業(yè)工作加大,精度控制較難;近年來(lái),全球定位系統(tǒng)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)差分方法(GPS RTK)已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用于地籍測(cè)量的各個(gè)方面,但對(duì)于一些隱蔽點(diǎn),如高樓林立的城市內(nèi)界址點(diǎn)、樹(shù)木或其他建筑物遮擋的地帶實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)差分方法(RT K)無(wú)法采集。由此可見(jiàn),單一的測(cè)量方法都存在缺陷,導(dǎo)致無(wú)法高效的完成地籍碎步測(cè)量。根據(jù)一些實(shí)踐的經(jīng)驗(yàn),結(jié)合相關(guān)理論知識(shí),在簡(jiǎn)單比較不同地籍碎步測(cè)量方法的基礎(chǔ)之上,對(duì)GPS-RTK技術(shù)與其它地籍碎步測(cè)量方法的集成進(jìn)行了深入的分析和探討。

1 地籍碎步測(cè)量的方法

1.1 常規(guī)極坐標(biāo)測(cè)量方法

如圖1所示,在控制點(diǎn)A上架設(shè)儀器,并以控制點(diǎn)B定向,測(cè)量目標(biāo)點(diǎn)P與控制點(diǎn)B之間的角度和目標(biāo)點(diǎn)P與控制點(diǎn)A之間的距離S及垂直角,即可測(cè)定目標(biāo)點(diǎn)的位置[2]。由于全站儀的廣泛使用,該法已成為目前獲取地籍要素的主要方法,通過(guò)直接將每個(gè)碎部點(diǎn)的高度角、水平角和斜距自動(dòng)記錄在外業(yè)電子手簿或掌上電腦上,直接解算界址點(diǎn)的三維坐標(biāo)。同時(shí)外業(yè)記錄各個(gè)碎步點(diǎn)的屬性數(shù)據(jù),再內(nèi)業(yè)通過(guò)軟件進(jìn)行地籍成圖。

圖1 極坐標(biāo)法

常規(guī)的極坐標(biāo)測(cè)量方法主要通過(guò)經(jīng)緯儀、全站儀、測(cè)距儀等來(lái)進(jìn)行外業(yè)數(shù)據(jù)的采集,其共同特點(diǎn)要求測(cè)站點(diǎn)間必須通視,使得不能進(jìn)行大面積的測(cè)量工作,并且需要3個(gè)工作人員以上,費(fèi)事費(fèi)力,效益十分低下。

1.2 攝影測(cè)量方法[3]

攝影測(cè)量法也稱航空攝影測(cè)量法,它是按航攝像片及其測(cè)制底圖獲取目標(biāo)的位置。主要采用全數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量的方法求得界址點(diǎn)點(diǎn)位坐標(biāo)。當(dāng)界址點(diǎn)的數(shù)目很多,地面通視不良的情形下,采用高精度的攝影測(cè)量方法是經(jīng)濟(jì)有效的。對(duì)于采用其它方法施測(cè)界址點(diǎn)坐標(biāo),而用航測(cè)法繪制地籍圖,更是我國(guó)當(dāng)前城鎮(zhèn)地籍測(cè)量的主要方法之一。

攝影測(cè)量的方法雖然能減少外業(yè)的工作量,但是其內(nèi)業(yè)工作比較復(fù)雜,且精度的控制較難。

1.3 GPS-RTK測(cè)量方法

由地籍調(diào)查規(guī)程所知,在地籍平面控制測(cè)量基礎(chǔ)上的地籍細(xì)部測(cè)量,對(duì)于城鎮(zhèn)街坊外圍界址點(diǎn)及街坊內(nèi)明顯的界址點(diǎn)間距允許誤差為±10 cm,城鎮(zhèn)街坊內(nèi)部隱蔽界址點(diǎn)及村莊內(nèi)部界址點(diǎn)間距允許誤差為±15 cm.在進(jìn)行土地征用、土地整理、土地復(fù)墾等土地勘測(cè)定界工作中,相關(guān)規(guī)程規(guī)定測(cè)定或放樣界址點(diǎn)坐標(biāo)的精度為:相對(duì)鄰近圖根點(diǎn)點(diǎn)位中誤差及界址線與鄰近地物或鄰近界線的距離中誤差不超過(guò)±10 cm[4].因此,利用GPS-RTK測(cè)量模式能滿足上述精度要求?？傊?GPS-RTK技術(shù)使精度、作業(yè)效率、實(shí)時(shí)性達(dá)到了最佳的融合,為地籍碎部測(cè)量提供了一種嶄新的測(cè)量方式。一般來(lái)說(shuō),GPS-RTK測(cè)量地籍碎步點(diǎn)主要工作有GPS-RTK外業(yè)數(shù)據(jù)采集和內(nèi)業(yè)差分處理兩個(gè)方面。

1)利用GPS-RT K采集數(shù)據(jù)

根據(jù)地籍測(cè)量的要求,需要采集兩類數(shù)據(jù):一是地塊的地理坐標(biāo)數(shù)據(jù);二是屬性數(shù)據(jù)如權(quán)屬、利用類型等。測(cè)量前打開(kāi)GPS接收機(jī),鎖定4顆以上衛(wèi)星,進(jìn)行初始化,設(shè)置設(shè)站采樣率和天線視角。當(dāng)初始化完成后即可開(kāi)始移動(dòng)測(cè)量。另外,每測(cè)一個(gè)地物,需要同時(shí)填寫野外記錄表,詳細(xì)記錄每個(gè)地物的屬性數(shù)據(jù)。

2)內(nèi)業(yè)差分處理

內(nèi)業(yè)差分處理的任務(wù)是根據(jù)基準(zhǔn)站和流動(dòng)站得到的觀測(cè)量,按某種差分算法解算出移動(dòng)測(cè)站在WGS84坐標(biāo)系下的坐標(biāo)值。一般GPS接收機(jī)都配備有差分后處理軟件,可以提供差分方法,如:位置差分、偽距靜態(tài)差分、移動(dòng)差分和厘米級(jí)的載波相位差分等。

GPS RTK進(jìn)行地籍碎部測(cè)量在農(nóng)村或城市空曠地是可行的,在實(shí)際工作中,一臺(tái)流動(dòng)站大約是一臺(tái)全站儀工作效率的1.5倍,但一些隱蔽點(diǎn),如高樓林立的城市內(nèi)界址點(diǎn)、樹(shù)木或其他建筑物遮擋的地帶,RTK無(wú)法采集。

2 GPS-RTK技術(shù)與其他測(cè)量方法集成及實(shí)例分析

上述幾種方法的比較可以看出,單一的地籍碎步測(cè)量方法都存在不同程度的缺陷。針對(duì)上述一些缺點(diǎn),嘗試以下幾種解決方案:一種是采用RTK與全站儀的集成測(cè)量;另外一種則是采用RTK與激光紅外設(shè)備集成的方法;此外,還可以采用RTK與帶電荷耦合裝置的遙感相機(jī)(CCD相機(jī))組合系統(tǒng)。

2.1 RTK技術(shù)與全站儀測(cè)量方法集成

1)RTK與全站儀技術(shù)實(shí)驗(yàn)比較

為了考察GPS-RTK測(cè)量界址點(diǎn)的精度和作業(yè)特點(diǎn),在某一宗地邊界上,布設(shè)了12個(gè)界址點(diǎn),首先用天寶公司的GPSTrimble5700(GPS-RTK功能)施測(cè),然后采用索佳SET系列5″級(jí)全站儀對(duì)界址點(diǎn)進(jìn)行實(shí)測(cè)坐標(biāo)測(cè)量。以比較兩種方法的點(diǎn)位坐標(biāo)差異及宗地面積差異。

表1 界址點(diǎn)精度檢測(cè)統(tǒng)計(jì)表

由表1可見(jiàn),X坐標(biāo)最大差約4.49 cm,最小差約0.23 cm;Y坐標(biāo)最大差約3.33 cm,最小差約0.01 cm.說(shuō)明RTK測(cè)量的界址點(diǎn)精度是好的,能達(dá)到規(guī)范要求。

將RTK和全站儀測(cè)量的界址點(diǎn)坐標(biāo)輸入CASS軟件,繪制出宗地圖(圖2),并計(jì)算宗地面積。通過(guò)軟件計(jì)算出S全站儀=845.6168 m2;SRTK=845.4946 m2;面積差S全站儀-SRTK=0.1222 m2,則相對(duì)誤差約為1/8180,精度良好。

比較RTK和全站儀進(jìn)行的界址點(diǎn)測(cè)量,各有其優(yōu)勢(shì)和不足。采用全站儀測(cè)定的12個(gè)界址點(diǎn),從儀器架設(shè)到數(shù)據(jù)處理完畢,總共花費(fèi)1個(gè)小時(shí)多,且其中10號(hào)點(diǎn)不通視而需采取拉皮尺交會(huì)計(jì)算。采用RT K測(cè)量,從基準(zhǔn)站架設(shè)到數(shù)據(jù)處理完畢,總共15分鐘多,且點(diǎn)間不必通視,但界址點(diǎn)附近有障礙物則信號(hào)不佳。因此,在實(shí)際中,可考慮把GPS和全站儀集成到一起,更能提高界址點(diǎn)的精度。

圖2 兩種方法所測(cè)宗地圖對(duì)比

2)RT K技術(shù)與全站儀的集成

將電子全站儀(TPS)和GPS集成一起的測(cè)繪系統(tǒng) HD-STGPS(Huada-superTotal Station Global Positioning System,簡(jiǎn)稱HD-STGPS),也簡(jiǎn)稱為超站儀定位系統(tǒng)SPS(Super-total Station Positioning System,簡(jiǎn)稱SPS)。超站儀定位系統(tǒng)由參考站(GPS接收機(jī)和電臺(tái))、流動(dòng)站(GPS,T PS,電臺(tái)、計(jì)算機(jī))、反射棱鏡構(gòu)成[3]。它具有全球定位系統(tǒng)的功能,又具有全站儀的功能,能取長(zhǎng)補(bǔ)短,優(yōu)勢(shì)互補(bǔ),是一種典型的多傳感器集成系統(tǒng),具有測(cè)角、測(cè)距和位置、基線和方向的測(cè)量。該系統(tǒng)可實(shí)時(shí)地得到測(cè)站點(diǎn)、定向點(diǎn)的應(yīng)用坐標(biāo),控制測(cè)量與碎部測(cè)量同時(shí)進(jìn)行,所實(shí)現(xiàn)的無(wú)加密控制的即用即測(cè)作業(yè)模式,是對(duì)傳統(tǒng)測(cè)繪模式的革命性改造。

STGPS系統(tǒng)最大的優(yōu)點(diǎn)就是即用即測(cè)功能。如圖3所示,其作業(yè)模式是,先采用GPS作測(cè)區(qū)首級(jí)控制,無(wú)需再做任何加密控制,然后在已知點(diǎn)(參考站)架設(shè)STGPS主接收機(jī),在測(cè)站(流動(dòng)站,距參考站一般控制在10 km以內(nèi))上架設(shè)電子全站儀和STGPS副接收機(jī)采集數(shù)據(jù),直接傳到便攜機(jī)上,由便攜機(jī)解算出主、副站間的基線向量[5]。在GPS測(cè)量同時(shí),在測(cè)站不但可以用全站儀補(bǔ)充測(cè)量GPS難以精確測(cè)得的點(diǎn),而且全站儀也可以單獨(dú)工作測(cè)定與測(cè)站通視的碎步點(diǎn)。

圖3 HD-STGPS的構(gòu)成

2.2 RTK與激光測(cè)距儀的集成

RTK可以直接同手持式激光紅外測(cè)距儀或激光定位儀等設(shè)備相接,測(cè)量、計(jì)算并存儲(chǔ) RTK不能觀測(cè)的隱蔽點(diǎn),基本上能解決因點(diǎn)位隱蔽不能接收衛(wèi)星信號(hào)或者GPS不能設(shè)站的問(wèn)題,并且儀器輕便,便于攜帶和更替。

將手持式激光測(cè)距儀裝置在RKT接收天線的下方,保持測(cè)距儀儀器中心與天線中心在同一垂直線上,如圖4所示。對(duì)RTK天線不能靠近或接收機(jī)不能接收信號(hào)的點(diǎn)P,在己知點(diǎn)(控制點(diǎn)或RTK獲取的點(diǎn))A、B,對(duì)觀測(cè)點(diǎn)P采用激光測(cè)量,可以立即測(cè)量到P點(diǎn)的斜距L2、L3,則可以求得水平距離為

式中,h為手持式測(cè)距儀的儀器高,通過(guò)A、B兩點(diǎn)坐標(biāo)可以計(jì)算出兩點(diǎn)間距離S1。通過(guò)邊長(zhǎng)交會(huì)法解算出觀測(cè)點(diǎn)P的坐標(biāo)[6]。

這種集成系統(tǒng),不僅儀器輕巧便捷,并且能做到RTK和激光測(cè)距設(shè)備同時(shí)工作,比如RT K在A、B兩點(diǎn)測(cè)量點(diǎn)位坐標(biāo)同時(shí),手持式激光測(cè)距儀可以對(duì)P點(diǎn)測(cè)距,不僅解決了因衛(wèi)星信號(hào)不好不能測(cè)量的問(wèn)題,而且速度快,效率高。

2.3 RTK與CCD相機(jī)的集成

另一方面,考慮到GPS-RTK的局限性,對(duì)于因?yàn)樾盘?hào)問(wèn)題RTK無(wú)法測(cè)量的點(diǎn),也可采用普通數(shù)碼相機(jī)進(jìn)行近景攝影測(cè)量。影像內(nèi)共攝入13個(gè)點(diǎn),其中有7個(gè)是己知點(diǎn),作為攝影測(cè)量的控制點(diǎn),其它6個(gè)點(diǎn)為待測(cè)點(diǎn),通過(guò)相關(guān)軟件處理獲取這6個(gè)界址點(diǎn)坐標(biāo),并用全站儀檢測(cè)這幾個(gè)界址點(diǎn)的坐標(biāo)。

圖4 RTK與手持式激光測(cè)距儀集成作業(yè)圖

表2 CCD測(cè)量界址點(diǎn)精度統(tǒng)計(jì)表

由表2可以看出,X最大差約為3.1 cm,最小差約為0.1 cm;Y最大差約為1.9 cm,最小差約為0.1 cm;Z最大差約為0.7 cm,最小差約為0.1 cm.說(shuō)明CCD測(cè)量的精度是很好的,可以作為RTK測(cè)量的補(bǔ)充方法。

RTK和CCD相機(jī)的集成是在RTK接收天線上安裝一個(gè)高分辨率CCD相機(jī),保持相機(jī)中心與天線中心在同一垂直線上,并通過(guò)電纜線使CCD相機(jī)和計(jì)算機(jī)相連。CCD相機(jī)內(nèi)的圖像傳感器具有光電轉(zhuǎn)換的功能,它以電荷為信號(hào),其工作過(guò)程就是電荷的產(chǎn)生、存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)移。如圖5所示,當(dāng)RTK無(wú)法量測(cè)P點(diǎn),采用CCD相機(jī)對(duì)目標(biāo)點(diǎn)成像,獲取左像片和右像片,通過(guò)計(jì)算機(jī)內(nèi)的相關(guān)軟件處理可以獲取影像范圍內(nèi)各點(diǎn)坐標(biāo)。

圖5 RTK與CCD相機(jī)集成系統(tǒng)

采用RTK和CCD相機(jī)集成系統(tǒng),價(jià)格經(jīng)濟(jì),攜帶便捷,在地籍碎部測(cè)量中不僅能彌補(bǔ)RTK因信號(hào)屏蔽的不足,而且可以在RTK進(jìn)行測(cè)量的同時(shí),CCD相機(jī)獲取實(shí)地影像。在地籍管理中,實(shí)地影像資料還可以作為產(chǎn)權(quán)登記、判別土地類別等方面的有利資料。

但普通CCD相機(jī)測(cè)量時(shí),需要至少6個(gè)以上控制點(diǎn),且均要通視,而且各點(diǎn)上要做醒目而清晰的標(biāo)志,準(zhǔn)備工作比較復(fù)雜,同樣對(duì)隱蔽點(diǎn)也無(wú)法量測(cè)。

3 結(jié) 論

探討了地籍碎步測(cè)量中多種測(cè)量方法的集成。通過(guò)對(duì)GPS-RT K和全站儀、CCD相機(jī)系統(tǒng)的集成實(shí)驗(yàn),可以得出以下結(jié)論:

1)通過(guò)闡述地籍碎步測(cè)量的方法,可以看出不管是常規(guī)的極坐標(biāo)方法、攝影測(cè)量方法或者新型的GPS RTK測(cè)量方法都存在不同程度的缺陷;

2)RTK技術(shù)和全站儀比較可知,RTK技術(shù)能完全滿足地籍碎步測(cè)量的精度要求,且精度良好;

3)針對(duì)RTK技術(shù)的缺點(diǎn),提出集成了全站儀的RTK技術(shù)-HD-STGPS系統(tǒng),它不但能滿足地籍碎步測(cè)量的精度要求,而且RTK和全站儀結(jié)合進(jìn)行,可以大大提高外業(yè)工作的效率;

4)手持激光測(cè)距儀和CCD相機(jī)系統(tǒng)可以作為RTK技術(shù)的有益補(bǔ)充。在實(shí)際的外業(yè)工作中,由于手持式激光測(cè)距儀使用相對(duì)比較簡(jiǎn)單,而且內(nèi)業(yè)計(jì)算的工作量較少,且精度能滿足實(shí)際地籍測(cè)量要求,因此,相對(duì)而言,RTK技術(shù)與手持式激光測(cè)距儀的集成有更大的應(yīng)用范圍和推廣價(jià)值。

[1] 詹長(zhǎng)根.地籍測(cè)量學(xué)[M].武漢:武漢大學(xué)出版社,2001.

[2] 彭 琳.全球定位系統(tǒng)在地籍測(cè)量中的應(yīng)用[D].武漢:武漢大學(xué),2004.

[3] 吳風(fēng)華.GPS在地籍測(cè)量中的應(yīng)用研究:[D].武漢:武漢大學(xué),2003.

[4] 周 波.基于MAPGIS的中小型城鎮(zhèn)地籍管理信息系統(tǒng)研究[D].贛州:江西理工大學(xué),2009.

[5] 劉愛(ài)輝.GPS-RTK配合全站儀數(shù)字測(cè)圖技術(shù)的應(yīng)用[J].交通標(biāo)準(zhǔn)化,2009(17):159-160.

[6] 黃 鵬.GPS技術(shù)在地籍測(cè)量中的應(yīng)用研究[J].價(jià)值工程,2010(24):224.