浅析GPSRTK技术在地形测量中的应用

摘要：GPS技术是现代科学技术的结晶，现GPS技术已得到广泛地应用,如大地测量、地球动力监测、地球物理勘探、资源勘察、航空与卫星遥感、摄影测量、精密工程测量、工程变形监测、地籍测量、地理信息系统、海洋测绘、水上定位和导航等。本文主要介绍了GPSRTK技术在地形测量中的步骤及应用，供大家参考。
　　关键词：GPS，地形测量，RTK技术
　　1．概述
　　GPS已在测绘领域引起了革命性的变化,目前,范围上数公里至几千公里的控制网或形变监测网；精度上从百米至毫米级的定位,一般都将GPS作为首选手段,随着载波相位动态实时差分RTK技术的日趋成熟,GPS已开始向分米乃至厘米级的放样、高精度动态定位等领域渗透。
　　地形测量首先离不开控制测量。在城市和区域地形测量中,GPS实际上已成为建立平面控制网的一种标准手段。随着差分GPS定位技术的发展与应用,不仅是高等级的首级网和加密网,甚至图根点和航空摄影测量像控点的测定也广泛采用了GPS。在许多地形测量项目中,电子测距导线早已成为一种最基本的控制测量方法。特别是当使用全站仪时,可以将低等级的图根控制与细部地形测量同步进行,从而提高总体作业效率。高程控制测量过去一直沿用几何水准测量的方法,这种方法耗时费力,效率很低。
　　过去测地形图时一般首先要在测区建立图根控制点,然后在图根控制点上架上全站仪或经纬仪配合小平板测图,现在发展到采用RTK时,仅需1人背着仪器在要测的地形地貌碎部点呆上1~2s,并同时输入特征编码,通过手簿可以实时知道点位精度,把一个区域测完后回到室内,由专业的软件接口就可以输出所要求的地形图,这样用RTK仅需1人操作,不要求点间通视,大大提高了工作效率,采用RTK配合电子手簿可以测设各种地形图。
　　2．GPS系统和测量方法介绍
　　2．1GPS系统包括三大部分：
　　空间部分--GPS卫星星座；地面控制部分--地面监控系统；用户设备部分--GPS信号接收机。
　　（1）GPS系统的空间部分由21颗卫星组成,均匀分布在6个轨道面上,卫星上安装了精度很高的原子钟,其系统信息能在全球范围内向任意多用户提供高精度的、全天候的、连续的、实时的三维测速、三维定位和授时。
　　（2）在地形测量中主要是用静态测量来完成控制测量,用RTK来完成碎部测量工作记录点的WGS-84坐标。
　　（3）GPSRTK可以不布设各级控制点,仅依据一定数量的基准控制点,便可以高精度并快速地测定界址点、地形点、地物点的坐标,利用测图软件可以在野外一次测绘成电子地图,然后通过计算机和绘图仪、打印机输出各种比例尺的图件。
　　（4）GPSRTK定位的概念：基准站实时地将测量的载波相位观测值、伪距观测值、基准站坐标等用无线电传送给运动中的流动站,在流动站通过无线电接收基准站发射的信息,将载波相位观测值实时进行差分处理,得到基准站和流动站的坐标差△X、△Y、△Z;坐标差加上基准站坐标得到流动站每个点的WGS-84坐标,通过坐标转换参数转换得出流动站每个点的平面坐标x、y和海拔高程h。这个过程称作GPSRTK定位过程。GPSRTK定位技术主要用于地形测量和工程放样。
　　（5）GPSRTK数据处理是基准站和流动站之间的单基线处理过程,采用基准站和流动站的载波相位观测值的差分组合载波相位,将动态流动站未知坐标作为随机的未知参数,载波相位的整周模糊度作为非随机未知参数解算。
　　下面介绍一下GPS布网和基线测量的相关情况。
　　2．2准备工作
　　测量前必须要实地了解测区情况,如点位情况(点的位置,上点的难度等)交通状况等,还需要了解卫星状况的预报评估障碍物对GPS观测可能产生的不良影响。最后依据测点的卫星状况,测量作业的要求以及测区的实际情况确定出具体的布网和作业方案。
　　首先是完成点的选取和GPS网的布设,然后在此基础上来进行静态控制测量。在进行GPS定位时,认为接收机的天线在整个观测过程中的位置是保持不变的。在数据处理时,将接收机天线的位置作为一个不随时间的改变而改变的量。其具体观测模式多台接收机在不同的测站上进行静止同步观测,时间由几分钟,几小时,甚至数十小时不等。接收机测得卫星发送的伪距,载波相位等信号的观测值,再将观测值下载到计算机中处理,一般要通过基线处理,网平差,坐标转换和高程转换求出高精度网点坐标。在测量中,静态定位测量方式一般用于高精度测量定位,如主要用于各种等级的大地测量跟踪网、基准网、工程控制网,变形监测网等的测量。
　　2．3选点若干技术要求
　　(1)为保证对卫星的连续跟踪观测的卫星信号的质量,要求测站上空尽可能地开阔,在10°~15°高度角以上不能有成片的障碍物。
　　(2)为减少电磁波对GPS卫星信号的干扰,在测站周围200m的范围内不能有强电磁波干扰源,如大功率无线电发射设施,高压输电线等。
　　(3)为避免减少多路径效应的发生,测站应远离对电磁波信号反射强烈的地形地物。如高层建筑,成片水域等。
　　为便于观测作业和今后的应用,测站应选在交通便利,上点方便并易于保存的地方。
　　2．4布网
　　（1）GPS基线向量网的等级：依据国家测量规范、各行业测量规范、任务要求来定等级。根据我国1992年所颁布的全球定位系统测量规范,GPS基线向量网被分成了A,B,C,D,E5个级别。见表1。
　　表1GPS基线向量网等级表
　　测量分类固定误差α/mm 比例误差b/10－6
　　mm 相邻点距离/km
　　A ≤5 ≤0.1 100～2000
　　B ≤8 ≤1 15～250
　　C ≤10 ≤5 5～40
　　D ≤10 ≤10 2～15
　　E ≤10 ≤20 1～10
　　注：A级网一般为区域或国家框架网，区域动力学网；B级网为国家大地控制网或地方框架网；C级网为地方控制网和工程控制网；D级网为工程控制网；E级网为测图网。
　　（2）GPS布网方案主要取决于工程的具体要求、经费、时间、人力消耗及接收机的数量和后勤保障条件等,在确定布网方案时,应在满足精度要求的前提下,尽可能降低消耗。GPS网一般采用较多的异步闭合环,这就要求接收机多次重复设站,但受交通工具和通讯手段的限制,往往会给实际操作带来很大困难。而且,GPS网中的异步环对提高网平差精度起不到决定性作用,仅能起到多余观测的作用,是剔除粗差的有效手段,但施测中每增加一个环就会增加一次重复设站,就会消耗大量的时间和人力,由于起始点对网平差影响较大,所以在GPS布网时尽量使起始点间形成异步环,其它各点根据实际情况而定,不必一定在异步环中,以节省时间和人力,提高外业工作效率。
　　（3）GPS基线向量的布网形式。网常用的布网形式有以下几种:跟踪站式、会战式、多基准站式(枢纽点式)、同步图形扩展式,单基准站式。
　　2．5外业观测
　　完成了GPS点的选取和网的设计,就可以开始进行外业观测和数据的采集。具体方法和过程本文不再赘述。
　　2．6数据处理
　　采集的数据均由徕卡公司提供的与徕卡1200配套的LGO(LeicaGeoOffice)处理软件来处理。由于LGO是一个自动化很强的处理软件,因此用它处理时人工干预很少。对于某些点位的卫星不多,遮挡过多卫星信号时常出现短线情况,这种情况下在做网平差,基线处理时必须稍加干预。在处理这种情况时要注意分析基线的双差残差,观察是哪颗卫星何时的数据超出了误差的限值,如果某个卫星某个时段的双差残差较大,则要在点的卫星窗口里面去除这颗卫星或者是这颗卫星的某个时段,然后再进行处理,如此反复达到要求为止。
　　3总结
　　3．1GPS与常规地形测量比较其特点
　　（1）测量范围广。边长测程可从几km至上千km,可按需布设控制网,简化加密级别,省去联测过渡点。
　　（2）测量精度高。现今,生产性作业精度可达1~21