GPS-RTK測量技術在冊田灌區(qū)地形圖測量中的應用

李殿龍

（山西省水利水電勘測設計研究院，山西 太原 030024）

GPS-RTK測量技術在冊田灌區(qū)地形圖測量中的應用

李殿龍

（山西省水利水電勘測設計研究院，山西 太原 030024）

地形圖測量中圖根控制點測量是基礎，外業(yè)數(shù)據(jù)采集工作量巨大。GPS-RTK測量技術具有定位速度快、測量自動化、工作條件低、精度高等優(yōu)點。若將其引入1∶1000地形圖測量，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。通過分析GPS-RTK測量技術的工作原理、技術要求和精度影響因素，提出改進和優(yōu)化辦法。

GPS-RTK；地形圖測量；測量精度；冊田灌區(qū)

1 概述

桑干河冊田灌區(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，測區(qū)有縣鄉(xiāng)公路通過，交通便利，但正值春夏交替季節(jié)，風力較大，溫度較高。項目主要是為冊田水庫水資源開發(fā)應用，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，對推動全市發(fā)展農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、增加農(nóng)民收入和加快新農(nóng)村建設具有十分重要的意義。

2 GPS-RTK測量技術

2.1 工作原理

GPS-RTK測量技術是建立在實時處理基準站和流動站的載波相位基礎上，實時差分GPS測量技術，能實時提供觀測點的三維坐標，并達到厘米級的高精度。其工作原理是將一臺接收機置于基準站上，另一臺或幾臺接收機置于流動站上，基準站和流動站同時接受同一時間相同的GPS衛(wèi)星發(fā)射的信號，基準站所獲得的觀測值與已知位置信息進行比較，得到GPS差分改正值。由于基準站與流動站的距離較近，兩站上空的氣象條件近似相同，進而兩站在GPS單點定位過程中的誤差（主要為對流層誤差和電離層誤差）近似相同，故基準站得到的差分改正值與流動站的差分改正值可看作相等量。這樣，就可以將基準站算得的差分改正值及時通過無線電數(shù)據(jù)鏈電臺傳遞給流動站以精化其GPS觀測值，得到經(jīng)過差分改正后流動站較精確的實時位置。GPS-RTK系統(tǒng)由基準站（靜態(tài)GPS接收機、電瓶、中繼站電臺、連接線）、流動站（動態(tài)GPS接收機、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基準站和多個移動站組成的測量系統(tǒng)。首先把基準站架設在距離圖根控制點較近的視野開闊無水源地、無高壓線、無樹林等自然因素影響較大的地方。移動站需要在兩個或兩個以上圖根控制點上進行參數(shù)轉換測量，測量的圖根控制點越多則計算轉換參數(shù)的精度越高，越接近圖根控制點真實值。這個過程稱為初始化，初始化完成后即可開始測量。流動站到待測點上，當手薄屏幕顯示固定解5～10s后方可按手薄上的A鍵并及時按Enter鍵，求得基準站到流動站的高精度的當?shù)刈鴺讼到y(tǒng)三維坐標差。最后把流動站中的手薄與裝有南方CASS成圖軟件的計算機用數(shù)據(jù)線連接起來，打開南方CASS成圖軟件成果輸出命令轉化成三維坐標。

2.3 技術要求

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)星幾何圖形強度≤6。對3個E級點及水庫原有高程點采用三角架進行觀測。E級控制點主要技術要求如表1。

表1 E級控制點主要技術要求

流動站技術要求：觀測開始前應進行初始化，扶穩(wěn)移動站桿使水平氣泡居中，并得到固定解，固定解持續(xù)5～10s后測量。作業(yè)過程中，如出現(xiàn)衛(wèi)星失鎖，應重新初始化；出現(xiàn)死機現(xiàn)象時，應重新裝電池再開機初始化，并測量重合點，合格后方能繼續(xù)作業(yè)。當測區(qū)面積較大時，需要搬動基準站，重新架設基準站并對測量2個以上E級控制點求出轉換參數(shù)，求出當?shù)刈鴺讼到y(tǒng)三維坐標差。

3 GPS-RTK技術測量精度影響因素分析

影響GPS-RTK測量技術精度因素較多，通過分析和研究，并在作業(yè)中采取相應措施，可減小相關因素的影響，提高測量精度和可靠性。

3.1 GPS-RTK系統(tǒng)自身影響

GPS-RTK系統(tǒng)本身因技術能力的不同，使其技術性、使用性無法控制。但可通過對人員操作過程及觀測方法的改進削弱這些系統(tǒng)因素的影響。作業(yè)過程中嚴格按照規(guī)范要求，測量時有6顆或更多衛(wèi)星，解算速度越快數(shù)據(jù)越可靠。PDOP值越小點位精度衰弱因子越好，且固定解持續(xù)時間越長越好。

3.2 作業(yè)范圍限制

GPS-RTK測量的數(shù)據(jù)處理過程是基準站和移動站之間的基線處理過程，基準站和移動站的觀測數(shù)據(jù)質量好壞和無線電臺的信號傳播強弱對定位結果影響較大，故基準站位置選擇至關重要。基準站距離移動站距離越大，固定解的時間就越長，精度就會降低，因此基準站距移動站距離一般為3km之內(nèi)。本次測量基準站距移動站最大距離為1.5km。

3.3 觀測方案影響

觀測方案的主要內(nèi)容有基準站位置的選擇、坐標系統(tǒng)的選擇、歷元數(shù)等?；鶞收疚恢眠x擇在視野開闊、周圍無高大遮擋物、無通訊發(fā)射塔的地區(qū)?；鶞收救考茉O在控制點上，同時移動站對2個以上同級別控制點進行參數(shù)轉換，確保起算數(shù)據(jù)的準確。

GPS-RTK測量實踐表明，只要技術人員具有一定專業(yè)技術能力和較強的工作責任心，即可避免系統(tǒng)誤差對觀測值的影響。

4 應用實例及精度分析

西冊田分灌區(qū)壓力管線及北干分灌東四干渠1/1000地形圖測量，每千米需布設測點90～180個，整個測區(qū)加密圖根點4500～6000個。如果采用傳統(tǒng)的測量方法現(xiàn)進行首級控制測量，然后在D級導線控制測量及圖根控制測量，工作量非常大，不僅需要大量的專業(yè)技術人員，耗掉大量的財力和物力，還要延長施工時間，為了在有效時間內(nèi)完成測量任務，決定用GPS-RTK測量方法代替?zhèn)鹘y(tǒng)測量方法。

4.1 精度分析

根據(jù)上述方法，在測區(qū)進行了觀測，并抽出部分數(shù)據(jù)用重復觀測值進行比較，采用3個基準站比較法、快速靜態(tài)GPS-RTK檢測法3種方法。

4.1.1 重復觀測值比較

在測量點數(shù)據(jù)庫里選取30個圖根控制點進行3次重復觀測，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個基準站觀測值比較

為了證明基準站位置的不同對精度的影響，分別把3個基準站架設在50個控制點范圍內(nèi)不同位置，3個測量成果為：ΔXmax=11mm，ΔYmax=9mm。點位最大偏差ΔPmax=7mm，高程最大較差ΔHmax=13mm。計算其平均較差為：ΔX=7mm，ΔY=6mm，ΔP=4mm，ΔH=10mm。

4.1.3 快速靜態(tài)GPS-RTK檢測法

為了更好地檢驗觀測數(shù)據(jù)的可靠性，選取20個實測點進行了比較，結果如下：ΔXmax=9mm，ΔYmax=7mm。點位最大偏差ΔPmax=6mm，高程最大較差ΔHmax=11mm。計算其平均較差為ΔX=1mm，ΔY=4mm，ΔP=2mm，ΔH=3mm。

通過數(shù)據(jù)精度可以看出，采用RTK實施測量，大大提高了實測點的觀測精度，確保了測量成果的可靠性，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技術滿足不同比例尺地形圖測繪的精度要求。實踐表明，RTK技術以其測繪速度快、測繪成果精度高、操作簡單、攜帶方便等優(yōu)點，在工程測繪領域發(fā)揮了重要作用。

4.2 作業(yè)時間比較

在進行快速全站儀測量的同時，對作業(yè)時間進行了記錄，結果見表2。

表2 快速全站儀測量和RTK測量時間對比

根據(jù)表2分析可知：在測量同一實測點，受對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，如果同時測同一個實測點能提高60%的效率，且測量成果數(shù)據(jù)精度滿足規(guī)范要求。從測量所用的總時間比較，可節(jié)省160d，測量時間得到了有效保證。

5 結語

RTK技術優(yōu)勢在于定位速度快、測量自動化、工作條件低，不受天氣、通視條件的限制，控制測量操作簡便、機動性強、測量成果精度較高、滿足各種比例尺地形圖的需要?？纱蟠筇岣邷y量工作效率。減輕測量工作人員的負擔，節(jié)省人力、物力、財力。同時應用RTK技術測量時無需光學通視，可完成復雜地形的高精度測量，滿足各種比例尺地形圖的需要。在布設首級控制網(wǎng)的同時，可直接加密及控制測量，減少了內(nèi)業(yè)誤差累計，不需要逐級布設，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，控制測量操作簡便、機動性強，工作效率較快，具有廣闊的應用前景。

U652.6+2 ［

］C ［

］1004-7042（2016）07-0039-02

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

2016-05-08；

2016-06-17