毕业论文- GPS-RTK在地形测量中的精度分析-以南日岛为例

龙岩学院资源工程学院毕业论文 题目：GPS-RTK在地形测量中的精度分析—以南日岛为例专业：测绘工程班级：10测绘学号：姓名：指导教师：职称：讲师资源工程学院龙岩学院测绘工程【摘要】全球定位系统是随着现代科学技术迅速发展而建立起来的新一代紧密卫星导航定位系统[1]。随着GPS技术飞速的进步，GPS-RTK被普遍的使用在国民经济的各种部门行业，尤其是在地形测量中。本文简要介绍了GPS-RTK测量运用的原理，布设GPS网步骤与布网的特点等，通过对GPS-RTK测量与静态GPS测量，全站仪测量结果的比较分析，以及对在高压电线,河流湖泊，高楼大厦周围布设点,用已知点位法,将全站仪测量的结果和GPS-RTK观测结果进行对比,验证了GPS-RTK的测量具有精度高的特点并总结分析其特征，为以后的GPS-RTK在地形测量中的应用奠定基础。【关键词】GPS；动态GPS（RTK）；测量；精度控制TOC\o"1-4"\h\z\u目录1引言 11.1GPS简介 11.2GPS测量的特点 11.2.1作业范围大，测点坐标统一 11.2.2观测方便，效率高 11.2.3全天侯作业 11.3GPS-PTK的测量原理 11.3.1RTK定位原理 11.3.2RTK工作原理 21.4研究目的和意义 21.5研究的主要内容 22GPS在地形测量中的应用 22.1GPS测量概述 22.2布设GPS网的工作步骤 22.3GPS测量布网特色 33南日岛测量 43.1南日岛概况 43.2外业施测方法 63.2.1全站仪测量 63.2.2GPS-RTK测量 63.2.3静态GPS测量 63.3GPS首级控制 63.4GPS测量数据处理 74南日岛中GPS-RTK测量精度分析 94.1GPS-RTK测量精度与静态GPS测量精度比较分析 94.1.1目的及内容 114.1.2结论 114.2GPS-RTK测量精度与全站仪测量精度比较分析 114.2.1实验目的 114.2.2实验方法及设计 114.2.3数据整理和分析 114.2.4实验结论 125结论 12致谢 13参考文献 13.引言1.1GPS简介GPS，即美国根据自己国家的需要，开发了二十年，直到十九世纪九十年代初完成。具有在海、陆、空进行全方位实时三维导航与定位能力的新一代卫星导航与定位系统[2]。经过我国测量等部门的运用说明，GPS成功地应用于大地测量、工程测量、航空摄影测量、运载工具导航和管制等[3]。为测量领域带来了一场革命。GPS是美国第二代卫星导航系统。是根据子午仪卫星导航系统的原理研制开发起来的，并参照其经验建立发展的。和子午仪系统一样，由空间部分、地面监控部分和用户接收机三部分组成[4]。1.2GPS测量的特点1.2．1作业范围大，测点坐标统一测量的作业距离达50km，避免了控制点坐标较差带来的测点坐标不一致，同时还杜绝了操作失误造成的批量数据错误[5]。1.2．2观测方便，效率高目前GPS接收机自动化程度越来越高，操作智能化，观测人员只需对中、整平、量取天线高及开机后设定参数，接收机即可进行自动观测和记录[6]。减少了控制点需要良好保存及测量时需要摆放仪器的步骤，为观测减少了时间以及相关人员的任务量，机子重量小易携带，测区控制点放样速度提高30％。1.2．3全天候作业GPS卫星数量多，而且能够比较均匀的分布，因此能够在任何地点以及时间进行全天候的测量和观测。

1.3GPS-RTK测量的原理1.3.1RTK定位原理图1-1RTK定位原理其观测是把基站作为观测中心,移动站相对基站地相对定位[7]。GPS在工作中使用的是WGS-84坐标系,而事实则是使用国家或地方坐标系。由于坐标系的不同,因此要先进行参数转化,这样才能得到了所需要的结果。测量时,基准站的一系列数据为已经知道的数据,基准站与流动站就会同一时刻对同组卫星进行观测,测量后基准站及时把所得到的信息和已经知道的数据经过无线电的电波分别传输到每一个流动站,每个流动站在收到数据的同一时间,快速的对基线进行解算、平差和坐标系统转换,最后得到测点的坐标。1.3.2RTK工作原理RTK工作原理如图基准站基准站信号发射天线基准站基准站信号发射天线RTK天线传感器控制器调制解调器移动站基准站信号发射天线传感器控制器调制解调器RT天线显示坐标成果图1-2RTK工作原理1.4研究目的和意义GPS技术是测量范围内高科技的技术，为测绘提供了有力的测量手段，特别是GPS-RTK测量技术的发展和推广，使得GPS-RTK技术逐渐的代替了全站仪进行测绘工作和数据收集的阶段，扩大了GPS-RTK在测绘测量中的应用。课题的目的是探讨GPS在地形测量的应用，并针对GPS在南日岛的应用，总结GPS-RTK测量具有精度高及其他一些特点。对于GPS-RTK，课题针对其在南日岛测量中的精度而进行分析，验证GPS-RTK具有精度高的特点,让GPS-RTK在测量中能够更好的发展。1.5研究的主要内容在南日岛测量中，GPS-RTK具有可实时动态显示成果；操作方便，自动化高，大量的减少劳动量；观测站之间无需通视，适应各种地形等特点。通过南日岛静态GPS，全站仪以及GPS-RTK测量比较，总结GPS-RTK具有精度高特点，并对GPS-RTK在南日岛测量中出现的精度进行分析，总结RTK测量的一些特征。2.GPS在地形测量中的应用2.1GPS测量概述目前，GPS测量广泛使用在构建具体项目所需要的各个等级的控制网。在外业测量情况下，GPS-RTK测量大体上取代了平时传统的外业测量的方法，用途更加广泛。和传统测量比较，它构建自己的网型具备操作简便，择点简便，测量省时，投入小，测量及数据计算自动化程度高等特点。因此对地形测量的产生了深刻的影响，在地形测量以及其他测绘上被广泛的应用。2.2布设GPS控制网的工作步骤布设GPS控制网主要分为测量前期、测量中期和测量后期三个阶段。（1）测量前期的工作对于一项GPS测量工程项目，一般有如下一些要求：用途和精度等级：控制网将用于何种目的，其精度要求是多少，要求达到何种等级[8]。提交的成果：需要上交的成果，所上交的坐标成果和高程成果是何坐标系以及是何高程系统，提交最后的成果外，要不要提交原始数据或者中间数据。时间的要求：对于最终成果的时间要求，在什么时间内提交最后的成果。投资经费：对工程的经费投入数量。测量资料的收集与整理：工作进行前，要对现有测量资料进行收集与整理。收集整理的资料包括测区及附近地区中可以利用的测区的地形图以及已知点的相关资料的点标记、坐标等。测量前仪器的检查：对于将要用于测量的各种仪器相关设备进行检验，以保证它们能够正常工作。（2）测量实施实地勘测测区情况：负责外业测量作业的队伍到达测区后，要对测区的情况进行实地勘查了解[8]。主要需要了解的内容包括测区内点的情况、交通状况、民风民俗、经济发展状况等。这些对于今后测量工作的开展是非常重要的。测区卫星分布预报：根据测量范围内的地理概况，对卫星分布状况进行预报，这样能够选择合适的观测时间。所需预报的卫星状况有卫星的可见性、可供观测的卫星星座、随时间变化的PDOP值、随时间变化的RDOP值等。制定测量的方案：根据测区的状况以及进展的情况和测区的特点，制定出具体的测量方案，并下达到每一个测量小组。外业观测：各GPS观测小组在得到作业指挥员所下达的作业指令后，应严格按照作业指令的要求进行外业观测[9]。在进行测量工作时，测量人员要按照工作规范标准和指令操作，另外还要根据一些特殊状况，灵活地采取应对措施。数据输入和储存：在测量工作结束后，及时传输数据成果并备份，要确保输入的准确性。数据传输与转储应根据条件，及时进行。基线处理：在外业测量工作结束后及时处理外业数据，算出基线向量。（3）测后工作测量结果的分析：检验在外业测量工作介绍后得到的基线向量质量，并且对达到标准的基线向量网进行平差解算，得到成果网中各个点位的坐标。2.3GPS测量的布网特点相对定位方法进行的GPS测量，就是若干台接收机同一时刻在相同的时间段内连续跟踪观测相同的卫星组。平时我们说的时段，就是若干台机子同时测量的时间长度；这些仪器相同时间测量时所构成的形状叫做同步图形。由不同时段的基线联合推算某一基线，将推算结果与直接解算结果比较便得异步图形坐标闭合差条件称为异步图形。GPS测量相对其它测量的优点有，各点之间无通视要求，也不强求站间距离，其灵活自由布网设计的这一特点，使得GPS在布网设计方面发挥了强大优势，主要体现在以下这些方面：（1）通过同步图形之间相互接触可以令其构成的网具备扩大和延伸，但是当使用差异的接触，构网模型导致的形式产生差异。（2）测量区域网中的每个等级分也算是一个统一的设计，连接方法仅仅观察时间的长短，不同层次的点之间的点根据不同的要求各不相同。（3）GPS网设计完成后，应该包括尽可能多的闭合条件，确保高精度和高可靠性。（4）立即完成同步模式的观察基线解算后，如果没有理想的求解结果，你可以随时改变网方案，但不一定坚持到固定网的形状，它可以在人，财节约方面有所不同。3.南日岛测量3.1南日岛概况测区位于南日岛木兰溪南岸至秀屿区，涵盖新度镇、黄石镇、笏石镇、灵川、东海等乡镇，面积约为40平方公里。地理形态起伏较大，居民地比较密集。山地整体面积偏大，山上草丛和树林较多，通视比较困难。为了测量工程的实施，利用静态GPS建立首级控制网,并运用全站仪和GPS-RTK的测量方法。图3-1南日岛影像图图3-2南日岛套合影像图图3-3控制网设计图3.2外业施测方法3.2.1全站仪测量（1）收集在地形、地物的野外数字集合的元素的每个单位指定区域的现场数据，所有的点都需要现场的坐标和高程的测量。（2）将三脚架放置在已知点上，安置全站仪，对中，使仪器中心与已知点在同一铅垂线上。（3）对全站仪的进行整平并且精确对中，然后瞄准测量物进行读数，采集数据。数据采集方法用有码操作。最大测量距离应小于160m，无棱镜测距离最大视距不得大于60m。（4）测量点棱镜的放置地方，应确保与图式符号中的定位线或点一致。当棱镜不好放置在点位（凹角）地状态时，观测长度开始于棱镜后面，因此，在X上要求必须测量准确，并且要在手簿上记录测量长度改正数，标记在草图上，使其在图形编辑时能够更改。为保证精度应采用特制小棱镜或无棱镜仪器进行。3.2.2GPS-RTK测量（1）安置天线：三脚架安置在所需要的标志的上方，天线放在三脚架上并对中整平。（2）开机观测：天线安置完成后，在离天线适当位置的地面上安放GPS接受机，接通接收机与电源、天线、控制器的连接电缆，并经过预热和静置，即可启动接收机进行观测[10]。（3）观测记录：在外业观测工作中，所有信息资料均须妥善记录。记录形式有两种：一种是测量手簿，另一种是观测记录[11]。3.2.3静态GPS测量（1）准备工作：利用国家三角点作为已知点时，应将仪器架设在觇标的基板台部位（如标笼圆筒及其支架）或全部拆除，可用全站仪提前将标石中心投影到基板台上。（2）外业观测前应利用随机软件进行当日的卫星可见性预报，绘制GPS测量工作图，制定同步观测计划表，便于统一指挥，协调作业。（3）作业时应尽量保证各站同时开机、同时关机。（4）观测时间，应根据基线长短和点位环境情况来确定。如利用快速解算功能，边长大于5km观测时间至少有45min，小于5km时观测可适当减少时间，大约20-30分钟，依据观测当日的卫星状况，将基线最长边放在卫星状况最好的时间段观测，点位环境欠佳时，可以增加一定的观测时间。（5）连接方式：采用边连接或混合式连接为宜。（6）观测与结果记录。观测前要做好接收机天线对中、整平和量高等工作，尤其注意脚架应放置稳妥，然后再进行填写记录手簿工作，画出点位略图。（7）观测时应防止人员或其它物体触动天线或遮挡信号。（8）接收机开始记录数据后，应随时注意卫星信号、电源、自动记录显示有无异常，当出现异常时，应及时通知其它测站作出相应的处理或调整观测计划。3.3GPS首级控制主要使用GPS来布置测量范围，依据边长进行E级控制并布设控制点，GPS控制测量的等级划分为A、B、C、D、E四个等级，在这四个等级中，C、D、E三个级别可以使用单一平率测量，使用其他的等级要求双频GPS接收机进。测量分类固定误差a(mm)比例误差b(ppm)相邻点距离（km）A≤5≤0.1100～2000B≤8≤115～250C≤10≤55～40D≤10≤102～15E≤10≤201～10表3-1GPS等级网级别项目ABCDE平均距离300km70km10～15km5～10km0.2～5km表3-2GPS各个等级中对边长的要求根据规范要求布设好首级控制。3.4测量数据处理数据处理的基本流程如下：图3-4数据处理流程GPS网平差包括GPS基线向量网平差、地面网联合平差等内容。整个成果处理过程可以建立成果库管理系统[12]。经基线质量检核和平差后，得到GPS控制点的二维坐标，其各项精度指标符合技术设计要求。[13]表3-3部分成果表点号x/mY/mH/mJE1446244.9872794971.86730.704JE2446353.0562794549.11671.958JE3446722.5922794556.01416.041JE4446571.7712793992.44661.767JE5446158.1722794000.30950.035JE6447163.0572794097.6874.941JE7446464.0792793282.26455.122JE8446951.3972793895.3286.522JE9444648.0962793146.6314.889JE10445126.7092793313.71537.730JE11445638.9692793345.91817.851JE12445944.9612793158.5087.166JE13446224.2822793661.37447.443JE14446309.6632793034.72510.970JE14446717.9042793439.4926.028JE16447807.1792793431.1375.408JE17448145.7642793116.8295.333JE18444909.7282792972.9963.614JE19445113.7552792652.0833.734JE20445589.8352792958.00829.771JE21445973.8842792826.13911.781JE22446626.8192792925.64715.839JE23446969.972792506.51513.939JE24447156.6622793015.1226.821JE25447837.712792557.33912.540JE26448672.3262792690.48413.152JE27444992.272792217.7974.1404.南日岛中GPS-RTK测量精度分析4.1GPS-RTK与静态GPS测量精度比较4.1.1目的及内容为了确定GPS-RTK测量的精度,本文通过对南日岛E级GPS控制网GPS-RTK测量和静态GPS测量的成果进行比较。本次实习使用南方天王星9800RTK(1基准站+4流动站),仪器标称精度为20+2×10-6×D(mm).接收机进行动态GPS(RTK)测量的实验。选择3组,每一组的7个点求解转换参数,对3组转换参数进行比较，证明其精度满足要求,选用其中1组,作为测量的转换参数。设置一个基站在测量中心区域,地势较高,四周无障碍物,和E级GPS点联测。观测了27个重复点。为了减少人为错误和偶然误差的影响,对每一个点观测5s并且进行5次观测,对观测结果取平均值并作为观测成果和静态GPS观测值进行比较。表4-1动态GPS(RTK)和静态GPS坐标差及动态GPS(RTK)高程与水准高程点号动态x/m静态x/mΔX/cm动态Y/m静态Y/mΔY/cm动态H/m全站仪H/mΔH/cmΔS/cmJE1446244.987446244.9741.32794971.8672794971.8343.330.70430.6475.73.55JE2446353.056446353.0530.32794549.1162794549.0674.971.95871.8708.84.91JE3446722.592446722.637-4.52794556.0142794555.9793.516.04116.0390.25.7JE4446571.771446571.7432.82793992.4462793992.4172.961.76761.788-2.14.03JE5446158.172446158.21-3.82794000.3092794000.279350.03550.086-5.14.84JE6447163.057447163.0164.12794097.6872794097.6295.84.9414.8895.27.1JE7446464.079446464.0651.42793282.2642793282.224.455.12255.0784.44.62JE8446951.397446951.405-0.82793895.3282793895.358-36.5226.538-1.62.15JE9444648.096444648.08612793146.6312793146.62114.8894.8603.91.41JE10445126.709445126.729-22793313.7152793313.7011.437.73037.6943.62.44JE11445638.969445638.98-1.12793345.9182793345.888317.85117.888-3.73.2JE12445944.961445944.9520.92793158.5082793158.518-17.1667.191-2.51.35JE13446224.282446224.292-12793661.3742793661.381-0.747.44347.478-3.51.22JE14446309.663446309.624.32793034.7252793034.746-2.110.97010.9433.74.79JE14446717.904446717.8495.52793439.4922793439.4672.56.0285.9478.16.04JE16447807.179447807.199-22793431.1372793431.1122.55.4085.467-5.93.2JE17448145.764448145.75412793116.8292793116.820.95.3335.354-2.11.35JE18444909.728444909.69832792972.9962792973.013-1.73.6143.5763.83.45JE19445113.755445113.788-3.32792652.082792652.0750.533.73433.802-6.83.34JE20445589.835445589.82512792958.0082792958.016-0.829.77129.7264.51.28JE21445973.884445973.8285.62792826.1392792826.1162.311.78111.7790.26.05JE22446626.819446626.839-22792925.6472792925.6044.315.83915.868-2.94.74JE23446969.97446969.9591.12792506.5152792506.4892.613.93913.970-3.12.82JE24447156.662447156.5946.82793015.1222793015.1160.66.8216.7457.66.83JE25447837.71447837.6832.72792557.3392792557.381-4.212.54012.4954.54.99JE26448672.326448672.3131.32792690.4842792690.498-1.413.15213.177-2.51.91JE27444992.27444992.282-1.22792217.7972792217.7564.14.1404.0796.14.27中误差3.302.934.1.2结论经过以上观测结果的相互对比,点位误差的最大值是6.10厘米,最小值是2.04厘米,中误差是1.86厘米;高程误差最大为8.8厘米,最小为0.2厘米,中误差为3.30厘米，由此可知,GPS-RTK测量具有精度高的特点。4.2GPS—RTK测量精度与全站仪测量精度比较分析4.2.1实验目的GPS-RTK没有同步环、异步环及附合线路等约束条件，它是以基准站为中心呈放射状,以支点形式分布的散点,从而无法直接衡量其观测精度[14]。接收机仪器上测量出的数据与实际数据有一定的差距,为了分析GPS-RTK测量的精度,通过对南日岛中GPS-RTK测量和全站仪测量分析，设置以多路径效应为主,通过实地测量数据来对比和研究,通过进一步的研究,发现GPS-RTK测量成果与真实成果关系。4.2.2试验方法及设计（1）接收机情况本次测量的数据使用中海达接收机(RTK6000)。（2）试验条件当观测条件适宜时,GPS-RTK和全站仪观测观测数据相差不大,其观测的成果和RTK接收机上面显示的成果很是接近,这在后面我们将从表格中反映出来,因此这样不能反映问题的实质，于是就在南日岛测量中特意安排做GPS-RTK观测点,第一条件是在南日中学池塘周围以5m的间隔布置八个点,第二条件是在高压线的周围布了10m,20m,40m,60m,60m,80m,100m一些点,第三条件是在高楼旁边布了与高楼成10度,20度,25度,30度,40度,50度等一些点。（3）试验方法和构想1)先布置7个基准点,用静态相对定位模式把几个点的B,L,H测量出来,而且这些点的可靠性与精度都较高。2)以其中一个点坐标(0,0)作为起算坐标,然后把布置的点坐标用全站仪测量出来,形成一个独立的坐标系统。3)然后将5,6号点转换,进行GPS-RTK测量,所观测的点坐标都是独立的坐标系统。实验方法采用中海达仪器1+1配置。4.2.3数据整理和分析（1）湖面对RTK数据影响关系通过对湖面影响的数据统计,点位最大的误差MP=0.0453m,最小的MP=-0.0030m。通过下图得出，零米至十米范围,二者测量数据差异不大,然而十五米的地方差异比较大,二者相差约8倍,可是他们的误差均不大于3毫米，可以得出成果可靠。图4-1误差大小与湖面距离的关系（2）高楼对RTK数据的影响关系从4-2中得出,与高楼的距离越大,误差在逐渐减小,且在40度的左右,GPS-RTK的误差结果与真实的误差相差不大,基本的都在一倍的关系上,且数值都小于0.05m,满足在三倍关系内;在50度的时候离高楼过近,误差为5.06cm,没有达到分米级，说明RTK的精度不可靠,因此确实有必要来分析RTK的精度显示大小。图4-2误差大小与高程建筑的关系（3)与高压电线有关的误差关系从4-3中可得出,与高压线距离近的误差大而且RTK测量精度低,且与高压线距离越来越远误差呈现越小的趋势,但是有些点出现以外,需要进一步分析;10m处RTK显示的精度为0.0348m,但是实际误差为0.1255m,RTK结果不可靠,在150m的地方,RTK精度达到9.35cm。经过测量，距离在200m以上则精度较高。图4-3误差大小与高压线的关系4.2.4实验结论通过对南日岛实际测量数据的分析,经过图表分析,得到结论:(1)在离湖面不远的地方进行RTK测量时,要尽量控制在15m的范围,这样GPS-RTK测量的误差较小，精度较高。(2)在高楼附近测量时，与高楼成不同角度时，精度不一样。经验证，在40°范围内GPS-RTK的测量成果可靠性较大。(3)在GPS测量时要远离高压线，如果不能远离，尽量在200m以外的范围内测量，这样测量精度具有一定的适用性。(4)在观测条件适宜时，GPS-RTK的测量精度较高，在5cm以下，测量具有一定的精度。5.结论通过在南日岛测量中GPS-RTK的应用，了解到GPS-RTK关键技术是采取了快速算法，能够快速准确地求解出整周模糊度，并且在通视不好的环境下，对数据的采集较高，并且具有精度高，轻便灵活，节省劳力等特点，使得GPS-RTK在地形测量中发展越来越快，而且保证了地形测量一定的质量成果，而且还具有明显的经济效益。GPS-RTK在地形测量的重要性越来越大。经过对GPS-RTK的测量成果和静态GPS测量成果的比较分析，验证了GPS-RTK在地形测量中具有高精度的特点，同时通过GPS-RTK的精度分析，了解了一些误差的产生，并选择四周障碍物较少，尽量远离湖泊、高压线以及高楼，减少测量误差，或者采用有削弱多路径误差的各种技术的天线等方法减少误差，提高测量成果的可靠性和精度。致谢通过本次论文的撰写，我取得了很大的成效，也有了不少的收获，对GPS的原理与应用有了更深刻的了解，并加深了对RTK的理解，应用了所学的理论知识。但由于对专业知识只是一个初步的理解，没有透彻的理解，在对GPS-RTK测量误差的分析上还不够全面，对其精度的控制的问题分析的还不是太全面，因此以后还要加强这方面的学习。在大学四年中，非常感谢老师们对我的细心知道，让我在这四年中才不会荒废学业，能够学有所得，圆满的完成学业。最后，我要特别感谢我的导师高鹏老师对我的指导，在我论文撰写过程中，对我的积极鼓励和十分耐心、细致的指导，给我许多非常有益的帮助。参考文献[1]张俊，范鹏.GPSRTK技术应用特点与优化布测方法[J].北京电力高等专科学校学报：自然科学版，2012，308-308.[2]科技“生词”解释[J].广东科技，2010，1-1.[3]戴河良，曹建洋.GPS系统实时动态定位技术在公路测量中的应用[J].科技咨询导报,2007,6-6.[4]郭晓峰.绝对掌控―GPS全球定位系统[J].互联网天地,2007，26-26.[5]宫成林，夏群会，伊兵等.TrimbleGPS单基站系统在大庆油田钻井测量中的应用[J].物探装备，2010，196-199.[6]陈绿爽.GPS在工程测量中的应用[J].中国新技术新产品，2010，13-13.[7]丁文利，王怀念，黄良.动态GPS（RTK）测量的精度分析[J].地矿测绘，2004，16-17.[8]郭志强.浅谈GPS在道路工程测量中的应用[J].北京公路，2010，11-15.[9]潘和平,胡耀明.数字黄冈GPS基础控制网建网经验谈[J].家电检修技术：资料版,2012，46-47.[10]陈福林.论述GPS测量在水利工程中的应用[J].建材发展导向，2011，283-284.[11]周增辉.GPS在控制测量中的应用研究[J].科技资讯,2009，10-10.[12]欧勇继.城镇地籍测量控制测量中GPS的运用[J]