李鵬，李廣海，王永吉,邢武杰

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)地球科學(xué)與測(cè)繪工程學(xué)院,北京 100083)

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GPS-RTK與全站儀在數(shù)字城管測(cè)量中的聯(lián)合使用

李鵬，李廣海，王永吉,邢武杰

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)地球科學(xué)與測(cè)繪工程學(xué)院,北京 100083)

摘要：本文主要概述了RTK技術(shù)作業(yè)模式的基本原理,以及全站儀的作業(yè)模式和基本原理,在對(duì)比分析了RTK技術(shù)和全站儀測(cè)量的優(yōu)缺點(diǎn)后,討論了RTK技術(shù)與全站儀在外業(yè)測(cè)量中的配合使用,并以東北某市數(shù)字城管部件測(cè)量為例來(lái)說(shuō)明其在數(shù)字城管控制測(cè)量及部件測(cè)量中的應(yīng)用情況。結(jié)果表明全站儀和GPS-RTK一體化測(cè)量能在保證精度的前提下大大提高外業(yè)測(cè)量的進(jìn)度。

關(guān)鍵詞：RTK;全站儀;外業(yè)測(cè)量;數(shù)字城管

0引言

GPS是一個(gè)中距離圓型軌道衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。它可以為地球表面絕大部分地區(qū)(98%)提供準(zhǔn)確的定位、測(cè)速和高精度的時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)。該系統(tǒng)由美國(guó)國(guó)防部研制及維護(hù)。該系統(tǒng)由24顆GPS衛(wèi)星;1個(gè)主控站、3個(gè)數(shù)據(jù)注入站以及5個(gè)監(jiān)測(cè)站和作為用戶終端的GPS接收機(jī)所組成[1]。一般最少只需4顆衛(wèi)星,就可以迅速確定地球上任意一點(diǎn)的位置及其海拔高度。由于它具有操作方便、定位精度高、受天氣與通視條件影響小等優(yōu)點(diǎn),在測(cè)繪行業(yè)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。

1RTK測(cè)量基本原理

1.1RTK基本原理

實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)差分法(RTK),是一種新的常用的GPS測(cè)量方法,是一種能夠在野外實(shí)時(shí)得到厘米級(jí)定位精度的測(cè)量方法。采用的是載波相位動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)差分方法,由于其具有操作方便、直觀、高精度、高自動(dòng)化、定位誤差不累積等優(yōu)點(diǎn),是GPS應(yīng)用領(lǐng)域里的重大里程碑,它的出現(xiàn)使工程放樣、地形繪圖以及其他測(cè)量方向出現(xiàn)了新的曙光,大大地提高了外業(yè)測(cè)量效率[2]。

RTK的工作原理是在基準(zhǔn)站上安置一臺(tái)GPS接收機(jī),其余接收機(jī)安置于流動(dòng)站上,基準(zhǔn)站和流動(dòng)站同時(shí)接收相同GPS衛(wèi)星所發(fā)射的信號(hào),基準(zhǔn)站通過(guò)對(duì)所獲得的觀測(cè)值與其已知坐標(biāo)信息進(jìn)行比較計(jì)算,得出GPS差分改正值,然后通過(guò)電臺(tái)將此改正值及時(shí)地傳遞給流動(dòng)站以使其觀測(cè)值更精確,進(jìn)而得到經(jīng)過(guò)差分改正后較準(zhǔn)確的移動(dòng)站的實(shí)時(shí)坐標(biāo)[3]。流動(dòng)站的狀態(tài)共分為兩種:靜止?fàn)顟B(tài)、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

1.2RTK測(cè)量的優(yōu)點(diǎn)

1) 測(cè)量的精度比較高。2) 選點(diǎn)非常靈活、觀測(cè)費(fèi)用較低。3) 系統(tǒng)抗干擾性能力強(qiáng),保密性能好;4) 可以全天候作業(yè),在任何時(shí)間、任何天氣條件下都可以進(jìn)行觀測(cè);5) 操作簡(jiǎn)單,測(cè)量方便;6) 觀測(cè)時(shí)間比較短。7) 自動(dòng)化程度比較高。目前GPS接收機(jī)已經(jīng)趨于小型化和操作簡(jiǎn)便,觀測(cè)人員只需將天線對(duì)中、整平,量取天線高度后,打開電源即可進(jìn)行自動(dòng)觀測(cè),利用數(shù)據(jù)后處理軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理即可求得觀測(cè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)[4]。

1.3RTK測(cè)量過(guò)程中的誤差分析

RTK定位技術(shù)主要存在三類誤差[5]:一類是與測(cè)站相關(guān)的誤差,包括天線相位中心的變化、多徑誤差、信號(hào)干擾以及氣象等因素;另一類是與距離相關(guān)的誤差,包括衛(wèi)星軌道誤差、電離層誤差、對(duì)流層誤差;第三類是由于轉(zhuǎn)換參數(shù)引起的精度損失。

2全站儀測(cè)量基本原理

2.1全站儀簡(jiǎn)介

全站儀,即全站型電子速測(cè)儀是一種集光、機(jī)、電為一體的高技術(shù)測(cè)量?jī)x器,是集水平角、垂直角、距離(斜距、平距)、高差測(cè)量功能于一體的測(cè)繪儀器系統(tǒng)。其類型主要有:編碼盤測(cè)角系統(tǒng)、光柵盤測(cè)角系統(tǒng)及動(dòng)態(tài)(光柵度盤)測(cè)角系統(tǒng)等三種。幾乎可以用在所有的測(cè)量領(lǐng)域。

2.2全站儀工作原理

全站儀的工作原理按其測(cè)量目的分為測(cè)角原理以及測(cè)距原理。測(cè)量就是通過(guò)對(duì)數(shù)學(xué)平面幾何、立體幾何的利用,結(jié)合測(cè)得的角度距離等數(shù)據(jù)來(lái)計(jì)算出其它邊的距離、及相應(yīng)角度。測(cè)角時(shí)通過(guò)角度度盤及角度傳感器來(lái)獲得數(shù)字化的角度數(shù)據(jù);測(cè)距部件與光電測(cè)距儀的部件基本相同,并且大多數(shù)都是通過(guò)電磁波測(cè)相技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

2.3全站儀作業(yè)的條件

一般情況下使用全站儀工作必須要滿足以下幾個(gè)條件:

1) 必須要有可見光,而且光線不能太弱。2) 必須要保證光學(xué)通視,且觀測(cè)的目標(biāo)和全站儀之間的水平線上不能有任何遮擋物。3) 一般的測(cè)量工作中全站儀若要完成全部測(cè)量工作,都需要搬站,會(huì)導(dǎo)致測(cè)量時(shí)間增加,且存在誤差累積的情況。

3數(shù)字城管

3.1數(shù)字城管概念

“數(shù)字城管”系統(tǒng)是國(guó)家建設(shè)部在結(jié)合北京市東城區(qū)的成功經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,面向全國(guó)推廣的一種新型城市管理模式,把信息技術(shù)和城市管理完美結(jié)合,將多種現(xiàn)代化技術(shù),例如GPS、地理信息系統(tǒng)、空間數(shù)據(jù)庫(kù)、通訊網(wǎng)絡(luò)等集成一體,構(gòu)建的城市管理信息綜合平臺(tái),使得城市管理工作向信息化、數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化的方向進(jìn)行轉(zhuǎn)變[6]。使城市管理的組織機(jī)構(gòu)更加精簡(jiǎn)、機(jī)構(gòu)反應(yīng)更快、系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)更加高效、靈活,也明確了各個(gè)部門的安全職責(zé),城市管理的模式變得更加開放。

“萬(wàn)米單元網(wǎng)格城市管理模式”是北京東城區(qū)運(yùn)用“數(shù)字城管”技術(shù)在城市管理中取得的一個(gè)典型的成功案例。它的主要理論是:將網(wǎng)格地圖技術(shù)運(yùn)用在城市管理中,將1萬(wàn)做為基本單位,在其所管轄區(qū)域內(nèi)劃分若干個(gè)網(wǎng)格單元,運(yùn)用地理編碼技術(shù)將本區(qū)范圍內(nèi)所有的公共設(shè)施都按其物理坐標(biāo)在萬(wàn)米單元網(wǎng)絡(luò)地圖上表示出來(lái),利用網(wǎng)絡(luò)化城市管理信息平臺(tái)分別對(duì)它們進(jìn)行管理,由城市里的管理員對(duì)所管轄的單元網(wǎng)格進(jìn)行全時(shí)段的不間斷城市監(jiān)控,同時(shí)明確了各級(jí)地區(qū)負(fù)責(zé)人做為轄區(qū)的城市管理責(zé)任人,進(jìn)而實(shí)施對(duì)管理空間的分層、分級(jí)、全區(qū)域的管理方法。

3.2數(shù)字城管普查的內(nèi)容及精度要求

數(shù)字城管技術(shù)是以“單元網(wǎng)格”原理進(jìn)行的分片管理,在對(duì)城市部件進(jìn)行普查時(shí)需先對(duì)城市轄區(qū)劃分單元網(wǎng)格,以單元網(wǎng)格做為基本單元進(jìn)而對(duì)城市里的各類部件進(jìn)行普查,城市部件又是城市基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的重要組成部分,其部件種類主要包括:市政類公用設(shè)施、市容環(huán)境、交通設(shè)施類、房屋建筑、景觀園林、牌匾廣告和其它擴(kuò)展部件類等，如表1所示。

表1　城市部件普查的主要內(nèi)容

按照建設(shè)部《城市市政綜合監(jiān)管系統(tǒng)管理部件和事件分類、編碼及數(shù)據(jù)要求》,城管部件的定位精度應(yīng)符合表2的規(guī)定。

表2　部件定位精度要求

4城管數(shù)據(jù)的采集

4.1城管部件普查方法

在明確了城市部件的普查內(nèi)容和“單元網(wǎng)格”的思想之后,就可以著手進(jìn)行城市部件普查的核心工作。由于不同的城市間區(qū)域差別較大以及所擁有的基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)也有差異的情況,在實(shí)際的普查工作中將城市部件普查方法分為三類:調(diào)繪法、常規(guī)測(cè)量法、移動(dòng)測(cè)量法。

4.2城管部件碎部測(cè)量

綜合考慮到城管部件普查的進(jìn)度要求以及部件的精度要求,在大范圍開闊地帶RTK測(cè)量精度與效率足已滿足要求。RTK外業(yè)測(cè)量一般為兩人一組,一人手持儀器在城管部件中心處進(jìn)行位置采集,另外一人為其拍照、記錄屬性信息。規(guī)定作業(yè)過(guò)程中必須保證移動(dòng)站接收到的衛(wèi)星數(shù)在6顆以上[8]。在用流動(dòng)站進(jìn)行測(cè)量前要進(jìn)行儀器初始化工作,以保證系統(tǒng)在預(yù)定的精度水平下工作。在應(yīng)用RTK進(jìn)行部件測(cè)量時(shí),要注意下面幾個(gè)問(wèn)題:1) 減少信號(hào)干擾,要注意在基準(zhǔn)站周圍100～500 m范圍內(nèi)沒有大功率無(wú)線電的發(fā)射源,2) 在進(jìn)行測(cè)量作業(yè)前,應(yīng)使用儀器自帶軟件做好衛(wèi)星星歷的預(yù)報(bào)工作,應(yīng)注意在進(jìn)行RTK測(cè)量時(shí)保證PDOP值小于5,否則在實(shí)地測(cè)量中很難測(cè)得“固定解”;為了保證測(cè)量成果質(zhì)量,規(guī)定測(cè)量人員立點(diǎn)要準(zhǔn)確,測(cè)量部件時(shí)需保證對(duì)中桿氣泡居中等。

4.3RTK與全站儀的聯(lián)合作業(yè)在數(shù)字城管部件普查中的應(yīng)用實(shí)例。

4.3.1測(cè)區(qū)概況

測(cè)區(qū)位于遼寧省東部的地級(jí)市F市,本次數(shù)字城管測(cè)量區(qū)域位于該市城區(qū),測(cè)區(qū)總面積160 km2,測(cè)區(qū)包括四區(qū)一縣,測(cè)區(qū)整體東西帶狀分布,采取當(dāng)?shù)鬲?dú)立坐標(biāo)系,此次以其中一個(gè)區(qū)里RTK信號(hào)比較差的一個(gè)平方公里為例進(jìn)行闡述。

4.3.2儀器設(shè)備

本次測(cè)量采用南方靈銳s86型GPS接收機(jī)1+8套,接收機(jī)精度指標(biāo)為:靜態(tài)平面精度:3 mm+1 ppm;靜態(tài)高程精度:5 mm+1 ppm;RTK平面精度:1 cm+1 ppm;RTK高程精度:2 cm+1 ppm;通訊方式:USB、串口、藍(lán)牙;數(shù)據(jù)鏈:2～5W、GPRS/CDMA(可選);RTK初始化時(shí)間:典型15 s.另外還配備有南方nts362r全站儀(測(cè)角 2″,測(cè)距3 mm+2 ppm)兩套。

4.3.3作業(yè)組織安排

根據(jù)當(dāng)前擁有的儀器設(shè)備,結(jié)合測(cè)區(qū)地貌特征,作業(yè)分工如下:

1) 用GPS-RTK布設(shè)圖根點(diǎn),根據(jù)實(shí)地建筑物及道路走向布設(shè)點(diǎn)位,保證通視以方便全站儀進(jìn)路口和小區(qū)測(cè)量為宜。

2) 用RTK測(cè)量測(cè)區(qū)內(nèi)的大道路及其兩邊開闊地帶的各類部件。

3) 建筑物根部、小區(qū)里、大樹下的部件以及其它地方用RTK采集有困難的部件用全站儀采集。

4.3.4作業(yè)過(guò)程

在合適的高處架設(shè)好基準(zhǔn)站,連接上移動(dòng)站接收機(jī)、天線、花桿后,打開手簿。對(duì)移動(dòng)站接收機(jī)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置,建立新的工程,工程名為當(dāng)天日期加本組編號(hào)。設(shè)置好坐標(biāo)系統(tǒng)參數(shù)后,就可以開始測(cè)量了,在這里要注意連接的衛(wèi)星個(gè)數(shù),無(wú)線電信號(hào)標(biāo)志,以及坐標(biāo)解是否固定等。如無(wú)問(wèn)題,即可進(jìn)行下一步的校點(diǎn)工作。在基站較近的一個(gè)校核點(diǎn)上讓所有流動(dòng)站進(jìn)行測(cè)量來(lái)比較精度,測(cè)量采用5次平滑,當(dāng)各組所測(cè)結(jié)果與校核點(diǎn)X,Y坐標(biāo)相差在幾個(gè)mm級(jí)時(shí),這可以認(rèn)為點(diǎn)檢核成功,當(dāng)天的觀測(cè)結(jié)果是可靠的[9]。這樣有利于保證各組數(shù)據(jù)的統(tǒng)一性,便于后期內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到城市獨(dú)立坐標(biāo)系下。

進(jìn)行點(diǎn)檢核后,各組即可按照部署奔赴各自測(cè)區(qū)進(jìn)行測(cè)量,用RTK為全站儀打控制點(diǎn),之后全站儀開始架站測(cè)量,往信號(hào)不好處做導(dǎo)線控制,并開始碎部測(cè)量;RTK打過(guò)控制點(diǎn)也開始在附近信號(hào)好的地方測(cè)量,這樣RTK確保了測(cè)量進(jìn)度,而全站儀又確保了RTK信號(hào)不好的地方的精度,二者相輔相成,互相配合。RTK與全站儀配合測(cè)量如圖1所示,確保了測(cè)量任務(wù)的快速高精度的完成。

圖1　RTK與全站儀配合測(cè)量簡(jiǎn)圖

4.4關(guān)于GPS和全站儀所測(cè)數(shù)據(jù)的共用

GPS與全站儀采用的是兩種不同的坐標(biāo)系

統(tǒng):GPS采用的是WGS-84世界大地坐標(biāo)系,而全站儀的數(shù)據(jù)一般為以自身旋轉(zhuǎn)中心為原點(diǎn)、水平某一指定方向?yàn)閄軸、豎直方向?yàn)閆軸、Y軸與Z軸構(gòu)成右手直角坐標(biāo)系[7]。將兩種儀器的應(yīng)用完美地融合起來(lái)的關(guān)鍵就是其測(cè)量數(shù)據(jù)在不同坐標(biāo)系中的相互轉(zhuǎn)換,通過(guò)數(shù)據(jù)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換將測(cè)量得到的數(shù)據(jù)變成我們所期望得到的結(jié)果。此外,由于全站儀補(bǔ)測(cè)的一般都是GPS信號(hào)比較弱的小區(qū)域或者狹長(zhǎng)的道路,面積和距離都比較小,所以用全站儀補(bǔ)測(cè)的小部分?jǐn)?shù)據(jù)是可以直接和RTK采集的數(shù)據(jù)統(tǒng)一處理的,具體數(shù)據(jù)情況如表3所示,選取了RTK和全站儀共同測(cè)量的十個(gè)點(diǎn)位的X與Y坐標(biāo),分別求出了其差值Δx與Δy,及其大小分布情況如圖2所示,并以全站儀所測(cè)作為真值分別求出了RTK所測(cè)十個(gè)點(diǎn)位的Δx與Δy的真誤差,Δx=0.371,Δy=0.346.其精度能滿足要求[10]。所以全站儀和RTK配合測(cè)量后的數(shù)據(jù)是可以共用的。

表3　RTK與全站儀共測(cè)的十個(gè)點(diǎn)位的坐標(biāo)

圖2　RTK與全站儀共測(cè)的點(diǎn)位的Δx與Δy的分布圖

5結(jié)束語(yǔ)

本文是在已有的GPS-RTK和全站儀的研究資料及應(yīng)用成果的基礎(chǔ)上,更進(jìn)一步的對(duì)GPS-RTK和全站儀在數(shù)字城管部件采集中實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行的總結(jié),探討了GPS-RTK與全站儀聯(lián)合作業(yè)的可行性及其優(yōu)勢(shì)。全站儀和GPS-RTK一體化測(cè)量,高程和平面精度都能滿足要求,能適合大多數(shù)測(cè)量工作,特別是特殊區(qū)域的數(shù)字城管部件測(cè)量作業(yè),能很大地提高作業(yè)速度,快速獲取大批量滿足精度要求的待測(cè)點(diǎn)的地理坐標(biāo)。

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作介簡(jiǎn)介

李鵬(1990-),男，碩士生，主要從事GPS定位的研究。

李廣海(1990-),男,碩士生,主要從事GPS導(dǎo)航與定位的研究。

王永吉(1992-),男,碩士生,主要從事遙感圖像處理與應(yīng)用。

邢武杰(1993-),男,碩士生,主要從事網(wǎng)絡(luò)GIS的研究與應(yīng)用。

In the Digital Urban Management Measurement by the Combined Use of GPS-RTK and Total Station

LI Peng,LI Guanghai,WANG Yongji,XING Wujie

(ChinaUniversityofMining&Technology,Beijing100083,China)

Abstract:This article mainly introduced the basic principle of RTK technology operation mode and operation mode and the basic principle of total station,RTK technology and total station is discussed in the field measurement, the analysis of the RTK technology and the advantages and disadvantages of total station to measure,to discuss its application in the digital urban management control and component measurement, in the northeast city of digital urban management component measurement as an example.Results show that the integration of total station and GPS-RTK measurement can be on the premise of guarantee accuracy greatly improve the progress of the field measurement.

Keywords:RTK; total station; field measurements; digital urban management

中圖分類號(hào)：P228.4

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1008-9268(2016)01-0076-05

收稿日期：2015-11-09

doi:10.13442/j.gnss.1008-9268.2016.01.015

聯(lián)系人： 李鵬 E-mail: 466391679@qq.com