地籍碎步测量几种测量方法的集成

周 波,唐桂彬

(杨凌职业技术学院,陕西 杨凌712100)

0 引 言

地籍测量是为获取和表达地籍信息所进行的测绘工作,是地籍调查中依法认定权属界址和利用现状的技术手段[1]。其主要的测量工作分为地籍控制测量和地籍碎部测量。其中,由于地籍碎部测量是对界址点和地物点坐标、地类要素的获取,因此可采用的方法很多。其中,常规的极坐标方法要求测站点间必须通视,导致不能进行大面积的测量工作,并且需要3个工作人员以上,费事费力,效益十分低下;而摄影测量方法通常用来进行界址点坐标的加密比较方便,但其对技术要求较高,并且内业工作加大,精度控制较难;近年来,全球定位系统实时动态差分方法(GPS RTK)已经被广泛的应用于地籍测量的各个方面,但对于一些隐蔽点,如高楼林立的城市内界址点、树木或其他建筑物遮挡的地带实时动态差分方法(RT K)无法采集。由此可见,单一的测量方法都存在缺陷,导致无法高效的完成地籍碎步测量。根据一些实践的经验,结合相关理论知识,在简单比较不同地籍碎步测量方法的基础之上,对GPS-RTK技术与其它地籍碎步测量方法的集成进行了深入的分析和探讨。

1 地籍碎步测量的方法

1.1 常规极坐标测量方法

如图1所示,在控制点A上架设仪器,并以控制点B定向,测量目标点P与控制点B之间的角度和目标点P与控制点A之间的距离S及垂直角,即可测定目标点的位置[2]。由于全站仪的广泛使用,该法已成为目前获取地籍要素的主要方法,通过直接将每个碎部点的高度角、水平角和斜距自动记录在外业电子手簿或掌上电脑上,直接解算界址点的三维坐标。同时外业记录各个碎步点的属性数据,再内业通过软件进行地籍成图。

图1 极坐标法

常规的极坐标测量方法主要通过经纬仪、全站仪、测距仪等来进行外业数据的采集,其共同特点要求测站点间必须通视,使得不能进行大面积的测量工作,并且需要3个工作人员以上,费事费力,效益十分低下。

1.2 摄影测量方法[3]

摄影测量法也称航空摄影测量法,它是按航摄像片及其测制底图获取目标的位置。主要采用全数字摄影测量的方法求得界址点点位坐标。当界址点的数目很多,地面通视不良的情形下,采用高精度的摄影测量方法是经济有效的。对于采用其它方法施测界址点坐标,而用航测法绘制地籍图,更是我国当前城镇地籍测量的主要方法之一。

摄影测量的方法虽然能减少外业的工作量,但是其内业工作比较复杂,且精度的控制较难。

1.3 GPS-RTK测量方法

由地籍调查规程所知,在地籍平面控制测量基础上的地籍细部测量,对于城镇街坊外围界址点及街坊内明显的界址点间距允许误差为±10 cm,城镇街坊内部隐蔽界址点及村庄内部界址点间距允许误差为±15 cm.在进行土地征用、土地整理、土地复垦等土地勘测定界工作中,相关规程规定测定或放样界址点坐标的精度为:相对邻近图根点点位中误差及界址线与邻近地物或邻近界线的距离中误差不超过±10 cm[4].因此,利用GPS-RTK测量模式能满足上述精度要求。总之,GPS-RTK技术使精度、作业效率、实时性达到了最佳的融合,为地籍碎部测量提供了一种崭新的测量方式。一般来说,GPS-RTK测量地籍碎步点主要工作有GPS-RTK外业数据采集和内业差分处理两个方面。

1)利用GPS-RT K采集数据

根据地籍测量的要求,需要采集两类数据:一是地块的地理坐标数据;二是属性数据如权属、利用类型等。测量前打开GPS接收机,锁定4颗以上卫星,进行初始化,设置设站采样率和天线视角。当初始化完成后即可开始移动测量。另外,每测一个地物,需要同时填写野外记录表,详细记录每个地物的属性数据。

2)内业差分处理

内业差分处理的任务是根据基准站和流动站得到的观测量,按某种差分算法解算出移动测站在WGS84坐标系下的坐标值。一般GPS接收机都配备有差分后处理软件,可以提供差分方法,如:位置差分、伪距静态差分、移动差分和厘米级的载波相位差分等。

GPS RTK进行地籍碎部测量在农村或城市空旷地是可行的,在实际工作中,一台流动站大约是一台全站仪工作效率的1.5倍,但一些隐蔽点,如高楼林立的城市内界址点、树木或其他建筑物遮挡的地带,RTK无法采集。

2 GPS-RTK技术与其他测量方法集成及实例分析

上述几种方法的比较可以看出,单一的地籍碎步测量方法都存在不同程度的缺陷。针对上述一些缺点,尝试以下几种解决方案:一种是采用RTK与全站仪的集成测量;另外一种则是采用RTK与激光红外设备集成的方法;此外,还可以采用RTK与带电荷耦合装置的遥感相机(CCD相机)组合系统。

2.1 RTK技术与全站仪测量方法集成

1)RTK与全站仪技术实验比较

为了考察GPS-RTK测量界址点的精度和作业特点,在某一宗地边界上,布设了12个界址点,首先用天宝公司的GPSTrimble5700(GPS-RTK功能)施测,然后采用索佳SET系列5″级全站仪对界址点进行实测坐标测量。以比较两种方法的点位坐标差异及宗地面积差异。

表1 界址点精度检测统计表

由表1可见,X坐标最大差约4.49 cm,最小差约0.23 cm;Y坐标最大差约3.33 cm,最小差约0.01 cm.说明RTK测量的界址点精度是好的,能达到规范要求。

将RTK和全站仪测量的界址点坐标输入CASS软件,绘制出宗地图(图2),并计算宗地面积。通过软件计算出S全站仪=845.6168 m2;SRTK=845.4946 m2;面积差S全站仪-SRTK=0.1222 m2,则相对误差约为1/8180,精度良好。

比较RTK和全站仪进行的界址点测量,各有其优势和不足。采用全站仪测定的12个界址点,从仪器架设到数据处理完毕,总共花费1个小时多,且其中10号点不通视而需采取拉皮尺交会计算。采用RT K测量,从基准站架设到数据处理完毕,总共15分钟多,且点间不必通视,但界址点附近有障碍物则信号不佳。因此,在实际中,可考虑把GPS和全站仪集成到一起,更能提高界址点的精度。

图2 两种方法所测宗地图对比

2)RT K技术与全站仪的集成

将电子全站仪(TPS)和GPS集成一起的测绘系统 HD-STGPS(Huada-superTotal Station Global Positioning System,简称HD-STGPS),也简称为超站仪定位系统SPS(Super-total Station Positioning System,简称SPS)。超站仪定位系统由参考站(GPS接收机和电台)、流动站(GPS,T PS,电台、计算机)、反射棱镜构成[3]。它具有全球定位系统的功能,又具有全站仪的功能,能取长补短,优势互补,是一种典型的多传感器集成系统,具有测角、测距和位置、基线和方向的测量。该系统可实时地得到测站点、定向点的应用坐标,控制测量与碎部测量同时进行,所实现的无加密控制的即用即测作业模式,是对传统测绘模式的革命性改造。

STGPS系统最大的优点就是即用即测功能。如图3所示,其作业模式是,先采用GPS作测区首级控制,无需再做任何加密控制,然后在已知点(参考站)架设STGPS主接收机,在测站(流动站,距参考站一般控制在10 km以内)上架设电子全站仪和STGPS副接收机采集数据,直接传到便携机上,由便携机解算出主、副站间的基线向量[5]。在GPS测量同时,在测站不但可以用全站仪补充测量GPS难以精确测得的点,而且全站仪也可以单独工作测定与测站通视的碎步点。

图3 HD-STGPS的构成

2.2 RTK与激光测距仪的集成

RTK可以直接同手持式激光红外测距仪或激光定位仪等设备相接,测量、计算并存储 RTK不能观测的隐蔽点,基本上能解决因点位隐蔽不能接收卫星信号或者GPS不能设站的问题,并且仪器轻便,便于携带和更替。

将手持式激光测距仪装置在RKT接收天线的下方,保持测距仪仪器中心与天线中心在同一垂直线上,如图4所示。对RTK天线不能靠近或接收机不能接收信号的点P,在己知点(控制点或RTK获取的点)A、B,对观测点P采用激光测量,可以立即测量到P点的斜距L2、L3,则可以求得水平距离为

式中,h为手持式测距仪的仪器高,通过A、B两点坐标可以计算出两点间距离S1。通过边长交会法解算出观测点P的坐标[6]。

这种集成系统,不仅仪器轻巧便捷,并且能做到RTK和激光测距设备同时工作,比如RT K在A、B两点测量点位坐标同时,手持式激光测距仪可以对P点测距,不仅解决了因卫星信号不好不能测量的问题,而且速度快,效率高。

2.3 RTK与CCD相机的集成

另一方面,考虑到GPS-RTK的局限性,对于因为信号问题RTK无法测量的点,也可采用普通数码相机进行近景摄影测量。影像内共摄入13个点,其中有7个是己知点,作为摄影测量的控制点,其它6个点为待测点,通过相关软件处理获取这6个界址点坐标,并用全站仪检测这几个界址点的坐标。

图4 RTK与手持式激光测距仪集成作业图

表2 CCD测量界址点精度统计表

由表2可以看出,X最大差约为3.1 cm,最小差约为0.1 cm;Y最大差约为1.9 cm,最小差约为0.1 cm;Z最大差约为0.7 cm,最小差约为0.1 cm.说明CCD测量的精度是很好的,可以作为RTK测量的补充方法。

RTK和CCD相机的集成是在RTK接收天线上安装一个高分辨率CCD相机,保持相机中心与天线中心在同一垂直线上,并通过电缆线使CCD相机和计算机相连。CCD相机内的图像传感器具有光电转换的功能,它以电荷为信号,其工作过程就是电荷的产生、存储和转移。如图5所示,当RTK无法量测P点,采用CCD相机对目标点成像,获取左像片和右像片,通过计算机内的相关软件处理可以获取影像范围内各点坐标。

图5 RTK与CCD相机集成系统

采用RTK和CCD相机集成系统,价格经济,携带便捷,在地籍碎部测量中不仅能弥补RTK因信号屏蔽的不足,而且可以在RTK进行测量的同时,CCD相机获取实地影像。在地籍管理中,实地影像资料还可以作为产权登记、判别土地类别等方面的有利资料。

但普通CCD相机测量时,需要至少6个以上控制点,且均要通视,而且各点上要做醒目而清晰的标志,准备工作比较复杂,同样对隐蔽点也无法量测。

3 结 论

探讨了地籍碎步测量中多种测量方法的集成。通过对GPS-RT K和全站仪、CCD相机系统的集成实验,可以得出以下结论:

1)通过阐述地籍碎步测量的方法,可以看出不管是常规的极坐标方法、摄影测量方法或者新型的GPS RTK测量方法都存在不同程度的缺陷;

2)RTK技术和全站仪比较可知,RTK技术能完全满足地籍碎步测量的精度要求,且精度良好;

3)针对RTK技术的缺点,提出集成了全站仪的RTK技术-HD-STGPS系统,它不但能满足地籍碎步测量的精度要求,而且RTK和全站仪结合进行,可以大大提高外业工作的效率;

4)手持激光测距仪和CCD相机系统可以作为RTK技术的有益补充。在实际的外业工作中,由于手持式激光测距仪使用相对比较简单,而且内业计算的工作量较少,且精度能满足实际地籍测量要求,因此,相对而言,RTK技术与手持式激光测距仪的集成有更大的应用范围和推广价值。

[1] 詹长根.地籍测量学[M].武汉:武汉大学出版社,2001.

[2] 彭 琳.全球定位系统在地籍测量中的应用[D].武汉:武汉大学,2004.

[3] 吴风华.GPS在地籍测量中的应用研究:[D].武汉:武汉大学,2003.

[4] 周 波.基于MAPGIS的中小型城镇地籍管理信息系统研究[D].赣州:江西理工大学,2009.

[5] 刘爱辉.GPS-RTK配合全站仪数字测图技术的应用[J].交通标准化,2009(17):159-160.

[6] 黄 鹏.GPS技术在地籍测量中的应用研究[J].价值工程,2010(24):224.