李殿龍

（山西省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，山西 太原 030024）

GPS-RTK測(cè)量技術(shù)在冊(cè)田灌區(qū)地形圖測(cè)量中的應(yīng)用

李殿龍

（山西省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，山西 太原 030024）

地形圖測(cè)量中圖根控制點(diǎn)測(cè)量是基礎(chǔ)，外業(yè)數(shù)據(jù)采集工作量巨大。GPS-RTK測(cè)量技術(shù)具有定位速度快、測(cè)量自動(dòng)化、工作條件低、精度高等優(yōu)點(diǎn)。若將其引入1∶1000地形圖測(cè)量，既減少人力資源投入又可大大提高作業(yè)效率，降低作業(yè)成本。通過(guò)分析GPS-RTK測(cè)量技術(shù)的工作原理、技術(shù)要求和精度影響因素，提出改進(jìn)和優(yōu)化辦法。

GPS-RTK；地形圖測(cè)量；測(cè)量精度；冊(cè)田灌區(qū)

1 概述

桑干河冊(cè)田灌區(qū)續(xù)建配套與節(jié)水改造工程，位于大同市大同縣和陽(yáng)高縣境內(nèi)，屬丘陵山地地型，溝壑縱橫，植被主要是荒草和幼松，測(cè)區(qū)有縣鄉(xiāng)公路通過(guò)，交通便利，但正值春夏交替季節(jié)，風(fēng)力較大，溫度較高。項(xiàng)目主要是為冊(cè)田水庫(kù)水資源開發(fā)應(yīng)用，提供農(nóng)業(yè)灌溉用水。為提高單位面積產(chǎn)量，改變灌區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的落后面貌，對(duì)推動(dòng)全市發(fā)展農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、增加農(nóng)民收入和加快新農(nóng)村建設(shè)具有十分重要的意義。

2 GPS-RTK測(cè)量技術(shù)

2.1 工作原理

GPS-RTK測(cè)量技術(shù)是建立在實(shí)時(shí)處理基準(zhǔn)站和流動(dòng)站的載波相位基礎(chǔ)上，實(shí)時(shí)差分GPS測(cè)量技術(shù)，能實(shí)時(shí)提供觀測(cè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)，并達(dá)到厘米級(jí)的高精度。其工作原理是將一臺(tái)接收機(jī)置于基準(zhǔn)站上，另一臺(tái)或幾臺(tái)接收機(jī)置于流動(dòng)站上，基準(zhǔn)站和流動(dòng)站同時(shí)接受同一時(shí)間相同的GPS衛(wèi)星發(fā)射的信號(hào)，基準(zhǔn)站所獲得的觀測(cè)值與已知位置信息進(jìn)行比較，得到GPS差分改正值。由于基準(zhǔn)站與流動(dòng)站的距離較近，兩站上空的氣象條件近似相同，進(jìn)而兩站在GPS單點(diǎn)定位過(guò)程中的誤差（主要為對(duì)流層誤差和電離層誤差）近似相同，故基準(zhǔn)站得到的差分改正值與流動(dòng)站的差分改正值可看作相等量。這樣，就可以將基準(zhǔn)站算得的差分改正值及時(shí)通過(guò)無(wú)線電數(shù)據(jù)鏈電臺(tái)傳遞給流動(dòng)站以精化其GPS觀測(cè)值，得到經(jīng)過(guò)差分改正后流動(dòng)站較精確的實(shí)時(shí)位置。GPS-RTK系統(tǒng)由基準(zhǔn)站（靜態(tài)GPS接收機(jī)、電瓶、中繼站電臺(tái)、連接線）、流動(dòng)站（動(dòng)態(tài)GPS接收機(jī)、手薄、天線）及軟件系統(tǒng)組成。

2.2 工作方法

GPS-RTK的工作方法分為一個(gè)基準(zhǔn)站和多個(gè)移動(dòng)站組成的測(cè)量系統(tǒng)。首先把基準(zhǔn)站架設(shè)在距離圖根控制點(diǎn)較近的視野開闊無(wú)水源地、無(wú)高壓線、無(wú)樹林等自然因素影響較大的地方。移動(dòng)站需要在兩個(gè)或兩個(gè)以上圖根控制點(diǎn)上進(jìn)行參數(shù)轉(zhuǎn)換測(cè)量，測(cè)量的圖根控制點(diǎn)越多則計(jì)算轉(zhuǎn)換參數(shù)的精度越高，越接近圖根控制點(diǎn)真實(shí)值。這個(gè)過(guò)程稱為初始化，初始化完成后即可開始測(cè)量。流動(dòng)站到待測(cè)點(diǎn)上，當(dāng)手薄屏幕顯示固定解5～10s后方可按手薄上的A鍵并及時(shí)按Enter鍵，求得基準(zhǔn)站到流動(dòng)站的高精度的當(dāng)?shù)刈鴺?biāo)系統(tǒng)三維坐標(biāo)差。最后把流動(dòng)站中的手薄與裝有南方CASS成圖軟件的計(jì)算機(jī)用數(shù)據(jù)線連接起來(lái)，打開南方CASS成圖軟件成果輸出命令轉(zhuǎn)化成三維坐標(biāo)。

2.3 技術(shù)要求

衛(wèi)星狀態(tài)要求：高度截止角15°、采樣間隔15″；在鎖定衛(wèi)星6顆以上、PDOP值不大于5、衛(wèi)星幾何圖形強(qiáng)度≤6。對(duì)3個(gè)E級(jí)點(diǎn)及水庫(kù)原有高程點(diǎn)采用三角架進(jìn)行觀測(cè)。E級(jí)控制點(diǎn)主要技術(shù)要求如表1。

表1 E級(jí)控制點(diǎn)主要技術(shù)要求

流動(dòng)站技術(shù)要求：觀測(cè)開始前應(yīng)進(jìn)行初始化，扶穩(wěn)移動(dòng)站桿使水平氣泡居中，并得到固定解，固定解持續(xù)5～10s后測(cè)量。作業(yè)過(guò)程中，如出現(xiàn)衛(wèi)星失鎖，應(yīng)重新初始化；出現(xiàn)死機(jī)現(xiàn)象時(shí)，應(yīng)重新裝電池再開機(jī)初始化，并測(cè)量重合點(diǎn)，合格后方能繼續(xù)作業(yè)。當(dāng)測(cè)區(qū)面積較大時(shí)，需要搬動(dòng)基準(zhǔn)站，重新架設(shè)基準(zhǔn)站并對(duì)測(cè)量2個(gè)以上E級(jí)控制點(diǎn)求出轉(zhuǎn)換參數(shù)，求出當(dāng)?shù)刈鴺?biāo)系統(tǒng)三維坐標(biāo)差。

3 GPS-RTK技術(shù)測(cè)量精度影響因素分析

影響GPS-RTK測(cè)量技術(shù)精度因素較多，通過(guò)分析和研究，并在作業(yè)中采取相應(yīng)措施，可減小相關(guān)因素的影響，提高測(cè)量精度和可靠性。

3.1 GPS-RTK系統(tǒng)自身影響

GPS-RTK系統(tǒng)本身因技術(shù)能力的不同，使其技術(shù)性、使用性無(wú)法控制。但可通過(guò)對(duì)人員操作過(guò)程及觀測(cè)方法的改進(jìn)削弱這些系統(tǒng)因素的影響。作業(yè)過(guò)程中嚴(yán)格按照規(guī)范要求，測(cè)量時(shí)有6顆或更多衛(wèi)星，解算速度越快數(shù)據(jù)越可靠。PDOP值越小點(diǎn)位精度衰弱因子越好，且固定解持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)越好。

3.2 作業(yè)范圍限制

GPS-RTK測(cè)量的數(shù)據(jù)處理過(guò)程是基準(zhǔn)站和移動(dòng)站之間的基線處理過(guò)程，基準(zhǔn)站和移動(dòng)站的觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量好壞和無(wú)線電臺(tái)的信號(hào)傳播強(qiáng)弱對(duì)定位結(jié)果影響較大，故基準(zhǔn)站位置選擇至關(guān)重要?；鶞?zhǔn)站距離移動(dòng)站距離越大，固定解的時(shí)間就越長(zhǎng)，精度就會(huì)降低，因此基準(zhǔn)站距移動(dòng)站距離一般為3km之內(nèi)。本次測(cè)量基準(zhǔn)站距移動(dòng)站最大距離為1.5km。

3.3 觀測(cè)方案影響

觀測(cè)方案的主要內(nèi)容有基準(zhǔn)站位置的選擇、坐標(biāo)系統(tǒng)的選擇、歷元數(shù)等?；鶞?zhǔn)站位置選擇在視野開闊、周圍無(wú)高大遮擋物、無(wú)通訊發(fā)射塔的地區(qū)?；鶞?zhǔn)站全部架設(shè)在控制點(diǎn)上，同時(shí)移動(dòng)站對(duì)2個(gè)以上同級(jí)別控制點(diǎn)進(jìn)行參數(shù)轉(zhuǎn)換，確保起算數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確。

GPS-RTK測(cè)量實(shí)踐表明，只要技術(shù)人員具有一定專業(yè)技術(shù)能力和較強(qiáng)的工作責(zé)任心，即可避免系統(tǒng)誤差對(duì)觀測(cè)值的影響。

4 應(yīng)用實(shí)例及精度分析

西冊(cè)田分灌區(qū)壓力管線及北干分灌東四干渠1/1000地形圖測(cè)量，每千米需布設(shè)測(cè)點(diǎn)90～180個(gè)，整個(gè)測(cè)區(qū)加密圖根點(diǎn)4500～6000個(gè)。如果采用傳統(tǒng)的測(cè)量方法現(xiàn)進(jìn)行首級(jí)控制測(cè)量，然后在D級(jí)導(dǎo)線控制測(cè)量及圖根控制測(cè)量，工作量非常大，不僅需要大量的專業(yè)技術(shù)人員，耗掉大量的財(cái)力和物力，還要延長(zhǎng)施工時(shí)間，為了在有效時(shí)間內(nèi)完成測(cè)量任務(wù)，決定用GPS-RTK測(cè)量方法代替?zhèn)鹘y(tǒng)測(cè)量方法。

4.1 精度分析

根據(jù)上述方法，在測(cè)區(qū)進(jìn)行了觀測(cè)，并抽出部分?jǐn)?shù)據(jù)用重復(fù)觀測(cè)值進(jìn)行比較，采用3個(gè)基準(zhǔn)站比較法、快速靜態(tài)GPS-RTK檢測(cè)法3種方法。

4.1.1 重復(fù)觀測(cè)值比較

在測(cè)量點(diǎn)數(shù)據(jù)庫(kù)里選取30個(gè)圖根控制點(diǎn)進(jìn)行3次重復(fù)觀測(cè)，經(jīng)數(shù)據(jù)比較得出：平面較差最大6mm，高程較差最大8mm。

4.1.2 3個(gè)基準(zhǔn)站觀測(cè)值比較

為了證明基準(zhǔn)站位置的不同對(duì)精度的影響，分別把3個(gè)基準(zhǔn)站架設(shè)在50個(gè)控制點(diǎn)范圍內(nèi)不同位置，3個(gè)測(cè)量成果為：ΔXmax=11mm，ΔYmax=9mm。點(diǎn)位最大偏差ΔPmax=7mm，高程最大較差ΔHmax=13mm。計(jì)算其平均較差為：ΔX=7mm，ΔY=6mm，ΔP=4mm，ΔH=10mm。

4.1.3 快速靜態(tài)GPS-RTK檢測(cè)法

為了更好地檢驗(yàn)觀測(cè)數(shù)據(jù)的可靠性，選取20個(gè)實(shí)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行了比較，結(jié)果如下：ΔXmax=9mm，ΔYmax=7mm。點(diǎn)位最大偏差ΔPmax=6mm，高程最大較差ΔHmax=11mm。計(jì)算其平均較差為ΔX=1mm，ΔY=4mm，ΔP=2mm，ΔH=3mm。

通過(guò)數(shù)據(jù)精度可以看出，采用RTK實(shí)施測(cè)量，大大提高了實(shí)測(cè)點(diǎn)的觀測(cè)精度，確保了測(cè)量成果的可靠性，而且與靜態(tài)定位相比較，節(jié)省了人力、物力，提高了外業(yè)工作效率，減少了快速靜態(tài)觀測(cè)內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)的處理工作。從以上數(shù)據(jù)得出RTK技術(shù)滿足不同比例尺地形圖測(cè)繪的精度要求。實(shí)踐表明，RTK技術(shù)以其測(cè)繪速度快、測(cè)繪成果精度高、操作簡(jiǎn)單、攜帶方便等優(yōu)點(diǎn)，在工程測(cè)繪領(lǐng)域發(fā)揮了重要作用。

4.2 作業(yè)時(shí)間比較

在進(jìn)行快速全站儀測(cè)量的同時(shí)，對(duì)作業(yè)時(shí)間進(jìn)行了記錄，結(jié)果見表2。

表2 快速全站儀測(cè)量和RTK測(cè)量時(shí)間對(duì)比

根據(jù)表2分析可知：在測(cè)量同一實(shí)測(cè)點(diǎn)，受對(duì)中整平及自然條件的影響，使用全站儀至少需要13min，而RTK只需要9min，如果同時(shí)測(cè)同一個(gè)實(shí)測(cè)點(diǎn)能提高60%的效率，且測(cè)量成果數(shù)據(jù)精度滿足規(guī)范要求。從測(cè)量所用的總時(shí)間比較，可節(jié)省160d，測(cè)量時(shí)間得到了有效保證。

5 結(jié)語(yǔ)

RTK技術(shù)優(yōu)勢(shì)在于定位速度快、測(cè)量自動(dòng)化、工作條件低，不受天氣、通視條件的限制，控制測(cè)量操作簡(jiǎn)便、機(jī)動(dòng)性強(qiáng)、測(cè)量成果精度較高、滿足各種比例尺地形圖的需要?？纱蟠筇岣邷y(cè)量工作效率。減輕測(cè)量工作人員的負(fù)擔(dān)，節(jié)省人力、物力、財(cái)力。同時(shí)應(yīng)用RTK技術(shù)測(cè)量時(shí)無(wú)需光學(xué)通視，可完成復(fù)雜地形的高精度測(cè)量，滿足各種比例尺地形圖的需要。在布設(shè)首級(jí)控制網(wǎng)的同時(shí)，可直接加密及控制測(cè)量，減少了內(nèi)業(yè)誤差累計(jì)，不需要逐級(jí)布設(shè)，節(jié)省了工作流程，提高了工作效率。此外，不受天氣、通視條件的限制，控制測(cè)量操作簡(jiǎn)便、機(jī)動(dòng)性強(qiáng)，工作效率較快，具有廣闊的應(yīng)用前景。

U652.6+2 ［

］C ［

］1004-7042（2016）07-0039-02

李殿龍（1974-），男，2012年畢業(yè)于太原理工大學(xué)水利工程專業(yè)，工程師。

2016-05-08；

2016-06-17