GPS RTK技术在地形测量中的应用

陈国新

(福建省连城锰矿有限责任公司，福建 连城 366215)



地质

GPS RTK技术在地形测量中的应用

陈国新

(福建省连城锰矿有限责任公司，福建 连城 366215)

简要阐述了GPS RTK技术的基本原理，并通过在地形测量中的应用，介绍了GPS RTK的作业流程以及分析了它的优缺点。

GPS RTK；地形测量；技术应用

1 GPS RTK系统的基本原理

高精度的GPS测量使用的是载波相位观测值，RTK定位技术就是以载波相位观测值的实时动态定位技术。他能够实时地提供测站点在指定坐标系中的三维定位结果，并达到厘米级精度。在RTK作业模式下，基准站通过数据链将其观测值和测站坐标信息一起传送给流动站。流动站不仅通过数据链接收来自基准站的数据，还要采集GPS观测数据，并在系统内组成差分观测值进行实时处理，同时给出厘米级定位结果，历时不到1 s[1]。流动站可处于静止状态，也可处于运动状态；可在固定点上先进行初始化后再进入动态作业，也可在动态条件下直接开机。在整周末知数解固定后，即可进行每个历元的实时处理，只要能保持5颗以上卫星相位观测值的跟踪和必要的几何图形，则流动站可随时给出厘米级定位结果。

2 GPS RTK在地形测量中的应用

2.1测区概括

福建省连城锰矿有限责任公司庙前矿区一号点采空区及采空区邻近山坡要进行生态环境治理工程前期设计，现有地形图精度不能满足设计的需求，需要重新绘制1∶500最新地形图。山坡地形条件复杂，地形起伏大，树木和杂草丛生，通视条件很差，使用传统全站仪测量方法，很难进行观测和设站。且测量工作一般要求至少3～4人操作，测量误差也会随着支站的不断增加而加大，工作效率很低。而采用GPS RTK测量方法时，只要移动站能保持5颗以上卫星相位观测值的跟踪，仅需1人使用移动接收机在地形地貌碎部点就能把点位坐标和高程测量出来。不要求点间通视，并且各点的测量误差是独立的，不存在测量误差的累积，大大提高了测量精度和工作效率。因此本次测量工作选用GPS RTK测量方法，使用的仪器是由南方卫星导航仪器有限公司生产的S86测量系统。

2.2 GPS RTK测量方法

2.2.1 坐标转换

GPS接收机输出的数据是WGS-84经纬度坐标，而本次测量所使用的是1980国家大地坐标系统(以下简称80坐标)，这就要进行坐标转换参数的计算[2]。坐标转换参数主要是计算四参数或七参数和高程拟合参数，其中参与四参数计算的控制点至少要用两个或两个以上的点，四参数理想的控制范围一般在20～30 km2以内。本次测量任务范围在0.5 km2以内，使用四参数计算的方法完全可以满足工作精度要求。

四参数的计算可以在GPS手簿中的工程之星软件中计算，只要提供两个已知点的GPS原始记录坐标和测量施工坐标，工程之星软件就会自动计算得出四参数。GPS原始记录坐标的获取有两种方式：一种是布设静态控制网，采用静态控制网布设时后处理软件的GPS原始记录坐标；另一种是GPS移动站在没有任何矫正参数起作用的Fixed状态下记录的GPS原始坐标。本次GPS原始记录坐标的获取采用的是后一种方法。

庙前矿区现有两个已知控制点(80坐标系)，LC21和LC22，两个控制点相距350 m，控制点、公司办公楼与测区相对位置示意如图1。

图1 已知控制点、公司办公楼与测量区域位置

在距离控制点不远的空旷地带且无干扰源的地方任意架设基准站，移动站分别记录两个控制点的WGS-84坐标，测得数据如表1所示。

表1 原始记录坐标与测量施工已知坐标

再经过RTK手簿中工程之星软件计算得出四参数，并应用到工程之星软件测量任务的坐标系统中。四参数计算结果：比例尺1.000 105 532 615 83，北原点6.368 672 981 337 02，东原点9.126 892 089 843 75，北平移-363.126 2，东平移39 000 246.143 6，旋转角-0.003 051 703 1。

2.2.2 基准站架设及校正向导

基准站接收机实时的把观察数据及已知数据传输给流动站接收机，因此基准站与移动站之间不能有大的障碍物。且基准站一定要架设在视野比较开阔，周围环境比较空旷、地势比较高的地方，避免架设在高压输变电设备附近、无线电通讯收发天线附近、树荫下以及水边，这些都对GPS信号的接收以及无线电信号的发射产生影响。RTK作用距离与基准站架设的高度关系见表2。

表2 RTK作用距离与基准站架设的高度关系

校正向导分为两种方法：一种是基准站架设在已知点进行校正；另一种是基准站架设在未知点进行校正。前一种方法的缺点就是不能灵活选择基准站最佳架设位置，有时在基准站架设位置和移动站之间会有信号干扰等不利因素的影响。而后一种方法可以自由选择架设位置，能有效避开不利因素的影响，因此本次测量采用后一种方法。

公司办公楼与采空区相对位置如图1所示，楼顶距离地面10 m以上，视野开阔，没有干扰源，且可以和采空区及其山坡通视。根据RTK作用距离与基准站架设的高度关系可以得出，在公司办公楼楼顶架设基准站，完全能满足测量精度的要求。因此本次测量基准站选择架设在公司楼顶，基准站架设完成以后，移动站架设在已知点水平对中并达到固定解以后进行校正，然后进行外业的数据采集。

2.2.3 外业数据采集

GPS RTK技术的外业数据采集，是把移动接收机摆在要进行测量的地形地貌碎部点上，再通过手簿把点位坐标和高程测量出来。这种方法操作简单，而且仅需1人操作。但是在数据的采集过程中，因为GPS依靠的是接收太空中卫星发射来的无线电信号，这些信号频率高、功率低、不易穿透，可能阻挡卫星和GPS接收机之间视线的障碍物。因此，GPS在树林区有一定的局限性，但不意味着GPS只能用于视野开阔的地区。GPS测量在部分障碍的地区也是可以有效而精确的，因为GPS要实现精确可靠的定位必需要5颗适当分布的卫星，而一般情况下在任何时间，任何地区都可能会有7～10颗GPS卫星。在有障碍物的地点只要可以观测到5颗卫星，就有可能进行GPS测量。在树林四周进行测量时，只要在该地留有足够的开发空间，使GPS系统可以观测到5颗卫星，测量就能完成。一号点采空区山坡部分地区树木较密，会部分阻挡反射和折射卫星信号。GPS信号的接收在树林茂密的地方会变差，难以达到厘米级水平的精度定位，所以我们在测量数据采集时，遇到树木茂密的地方，必须要等到移动站可观察到至少5颗卫星，并达到整周末知数解固定后，方可进行数据采集[3]。

2.2.4 内业处理

外业采集的数据经手薄与电脑连接，使用手薄中的数据导出功能下载到电脑上，再打开南方cass软件进行展高程点。这些点号在cass软件中展开之后如图2所示。

图2 高程点在cass软件展开图

展开高程点以后，再根据外业草图进行测区内的房屋、林地、路等地形地貌的测制工作，并最终成图。

3 GPS RTK测量技术的优缺点

GPS RTK测量技术优点主要表现在以下4个方面[4]。

1) 只要满足测量的基本工作条件，GPS RTK的精度都能达到厘米级，测量精度可靠，且误差不会累积。

2) 测量人员少，效率高。只需要1人操作移动站，就可进行测量工作，在观测条件良好的时候，每个测量点位仅需停留1～2 s就可完成作业；尤其在地形条件复杂的地方，GPS RTK测量技术比传统测量方法更能快速、准确地进行作业。

3) 操作简单，自动化程度高。在测绘工作中，卫星信号的捕获、跟踪、观测等均由仪器自动完成，操作人员只需使用手簿就能完成点位的测量，极大的减轻测量工作者的工作紧张程度和劳动强度。

4) 在能见度低，通视条件差的情况下，GPS RTK技术都能够进行作业。

GPS RTK测量技术的缺点主要表现在以下4个方面[4]。

1) 受对空通视环境影响。在山区、林区、城镇楼房区等地方，GPS卫星信号会被阻挡，信号强度会比较弱，容易造成数据的失锁，重新初始化困难，影响正常的作业。

2) 受大气层的干扰。GPS RTK系统是要接收卫星信号才能进行作业，而卫星信号是要通过大气层才能达到地面，尤其是在白天中午，卫星信号受到的干扰大，会使得系统初始化时间长，甚至不能初始化，造成系统无法正常作业。

3) 受数据链电台传输距离影响。在测量工作中，移动站和基准站的数据链接会受到山体、强信号干扰源、树林、房屋等的影响，造成数据精度的降低和作业半径的减小。

4) 受天气的影响。在多云、大风等天气情况下作业，卫星信号强度都会受到影响，导致测量数据精度会降低。

4 结 语

GPS RTK技术不同于传统的全站仪测量模式,他能够在不通视的环境下，实时完成厘米级定位精度，他具有操作人员少、作业时间快、精度高等特点,能够极大地提高工作效率。但是他的作业方式又会受到接收的卫星数量、数据链电台传输、外部干扰源等外界条件的影响,在林区、房屋楼房区等测量中显得尤其突出,甚至有时会出现无法正常作业的情况。而传统全站仪测量方法又不受这些因素的限制，所以GPS RTK技术还不能完全替代传统全站仪测量方法。我们在测量工作中要结合实际情况，灵活应用GPS RTK测量技术和传统全站仪测量技术，才能够更好的完成各种测量工作。

[1] 黄燕明. GPS-RTK技术在工程测量中的应用研究[J]. 中国新技术新产品, 2012(5): 1-2.

[2] 刘发明. GPS RTK技术在工程测量中的应用浅析[J]. 中国地名, 2013(11): 58-59.

[3] 李翔. GPS-RTK技术在工程测量中的应用[J]. 甘肃水利水电技术, 2010(4): 39-42.

[4] 朱洪柳. GPS-RTK技术在工程测量中的应用研究[J]. 山西建筑, 2012, 38(3): 222-223.

AnApplicationofTopographicSurveyofGPSRTKTechnology

CHEN Guoxin

(FuJianLianchengManganeseCo.,Ltd.,Liancheng,Fujian366215,China)

This paper, through practical application in topographic survey, briefly expounds the basic principle of GPS RTK technology. And it introduces the operation process of GPS RTK in analysis of its advantages and disadvantages.

GPS RTK; Topographic survey; Technology application

2016-07-27

陈国新(1987-)，男，江西省高安市人，测绘助理工程师，研究方向：测量技术在矿山中的应用，手机：15960923550，E-mail：370921678@qq.com.

TD178

：Bdoi：10.14101/j.cnki.issn.1002-4336.2016.04.001