GPS-RTK技术在江山征地测量中的应用

PAGE10PAGEPAGE13题目：GPS-RTK技术在江山征地测量中的应用专业：测绘工程【摘要】实时动态测量技术（RealTimeKinematic，简称RTK）以其实时、高效、不受通视条件限制等优点，已被广泛应用于图根控制测量、公路测量及地形碎部测量等许多方面，倍受用户信赖。但是，相对于传统全站仪测量方式来说，它的精度还是有待提高的。本文通过阐述全球定位系统（GPS）的基本结构和特点，及其用途和发展历程；介绍了GPS实时动态测量GPS-RTK技术测量原理和工程的应用，阐述了利用GPS-RTK技术进行征地测量的前期准备工作、外业及内业工作内容,并通过对比分析,指出了GPS-RTK技术在速度、精度、可追溯性、审计、可控性方面的优势。了解到准确获取RTK测量点位精度以及点间边长精度，是指导如何应用RTK进行测量、如何进行成果质量控制的关键。【关键词】全球定位系统（GPS）；GPS-RTK技术测量；GPS-RTK应用；征地。目录TOC\o"1-3"\h\u107331．前言 4221392．GPS全球定位系统及动态GPS 565112.1GPS系统组成 5303172.2GPS全球定位系统的主要特点 5119842.3GPS全球定位系统主要用途 553112.4GPS-RTK技术 5322842.4.1GPS-RTK技术简介 5223283．GPS-RTK在江山征地中的应用 662063.2.1基准站的布设 831523.2.2基准站设置 8302363.2.3流动站工作 8256923.3碎部点数据采集 8239653.4内业数据处理 943603.4.1GPS-RTK数据下载 960663.4.2绘制征地图 9260233.5测量成果质量的控制 12183963.5.1质量控制的必要性 12100323.5.2质量控制的方法 12309254．展望 12288864.1GPS-RTK技术特点 12202384.1.1GPS-RTK技术优势 12313854.1.2GPS-RTK技术存在的问题 1266094.2发展趋势 1314670参考文献 141．前言研究现状:征地测量由最开始的拉皮尺到后面的水准仪测量再到全站仪测量，然后发展成早期的GPS,现在绝大部分使用的是实时动态相对定位（GPS-RTK）或者GPS-RTK与全站仪相结合的方法，很大程度减少了户外工作时间，节省了人力，大大提高了征地的效率。研究背景：随着建设的需要，征地范围不断扩大，为了加快征地节奏，节省征地时间，提高征地测量精度，传统征地测量方法已无法满足现在的需要。从而，人们研究出了GPS-RTK的测量技术，这种方法不但精度高，需要人员少，而且效率非常高，值得我们好好研究探讨。研究的意义：虽然，GPS-RTK测量技术有传统测量技术无法比拟的优势，但在工程实践中也体现出了此技术存在的一些不足之处。如受卫星的限制，受电离层、数据链电台传输距离、对空通视环境、高程异常等因素的影响，不能达到100%的可靠度。总之，GPS-RTK测量技术不仅能达到较高的定位精度，还可大大提高测量的工作效率，随着GPS-RTK技术的发展，这项技术已经逐步应用到各种测绘工作中。通过相应的数据处理程序，极大地减轻了测量人员的内外业劳动强度。但是，个别成果的不可靠性同样会带来不可预期的损失。因此，在理论和实践中应重视GPS-RTK技术的卫星信号及数据链传输的稳定性和抗干扰能力，同时应避免RTK测量带来的偶然误差[1]。研究的内容：针对以上GPS技术的不足，通过不断的尝试和对江山征地项目的研究，了解了如何避免偶然误差，提高成果精度。如：1、基准站该如何布设；2、如何布置控制点能使征地测量时定位更准确，误差更小，便于时候检查；3在移动站信号不好时该如何作业；4、内业绘图是该注意哪些问题，怎样避免错误，控制测量成果的质量等2．GPS全球定位系统及动态GPS2.1GPS系统组成GPS系统主要由地面监控部分、空间星座部分和用户设备三部分组成，如图2-1所示:图2-1GPS系统组成2.2GPS全球定位系统的主要特点GPS全球定位系统以其高精度、全天候、高效率、多功能、操作简便等特点在测量工作中得到广泛应用。1）定位精度高。GPS相对定位精度在50公里以内的基线上可达1ⅹ10-6~2ⅹ10-6，而在100~500公里的基线上可以达到10-6~10-7，在1000公里的基线上可以达到10-9。在300~1500米工程精密定位中，通过1小时以上观测，其平面位置误差小于1毫米。2）观测时间短。目前，快速静态相对定位测量时，当每个流动站与基准站相距在15公里以内时，移动站观测时间只需1分钟左右，然后可随时定位，每站观测只需几秒钟。3）测站间无须通视。GPS测量时，每个测站之间没必要通视，只需测站上空开阔即可进行信号传递；这样点位位置布设可根据工程要求，可稀可密，使选点工作简单化，可省去大量的野外测量工作。4）可提供三维坐标。GPS测出的三维坐标可满足四等水准测量的精度；同时也为其在航空物探、航空摄影测量及精密导航中的应用，提高了重要的高程数据。5）操作简便。接收机的体积越来越小，重量越来越轻，使测量工作者的工作变的更简单、更有趣。6）工作时间不受限制，全天候作业。GPS观测可在任何地点、任何时间进行连续地进行，一般不受阴天黑夜、起雾刮风、下雨下雪等气候的影响。7）功能多、应用广。GPS系统不仅可用于测量、导航，还可用于测速、测时及授时。测速的精度可达0.1m/s，测时的精度可达几十毫微秒。而且其应用领域还将不断扩大[2]。2.3GPS全球定位系统主要用途最初的GPS的主要目的是用于导航、收集情报等。后来随着其应用的不断开发，在更多领域得到了很好的应用。如进行海、陆、空、地的导航，导弹制导，大地测量和精密工程测量，时间传递和速度测量等。1）陆地应用2）海洋应用3）航空航天应用2.4GPS-RTK技术2.4.1GPS-RTK技术简介实时动态（RTK）定位技术是以载波相位观测值为根据的实时差分GPS技术，它是GPS测量技术发展的一个新突破，在测绘、交通、能源、城市建设等领域有着广阔的应用前景。众所周知，GPS测量工作的模式分为静态模式、准动态模式和动态相对定位等。但是，这些测量模式，要与数据传输系统相结合，否则其结果均需通过后续数据处理才能获得。因而，难以避免在数据后处理中发现不合格的测量成果，导致需要进行返工重测的情况[4]。解决这问题的方法，主要是观测时间、选择作业窗口，以获得大量的多余观测量，来保障测量结果的可靠性。但是这样一来，便明显降低了GPS测量工作的效率。RTK定位有快速静态定位和动态定位两种测量模式，两种定位模式相结合，在工程中的应用可以覆盖工程放样、地形测图数据采集等。在公路勘测过程中，从地形图测绘、中桩测量、横断面测量、纵断面地面线测量等工作都采用了RTK作业，测量1～2s，精度就可以达到1～3cm，且整个测量过程不需通视，有着常规测量仪器（如全站仪）不可比拟的优点。GPS-RTK整个系统配置包括这几部分：移动站接收机、基准站接收机及数据链。基准站接收机设在信号良好，周边无高大建筑、无电磁干扰的参考点上，通过不断接收GPS卫星信号，并将测站的坐标、卫星跟踪状态及接收机工作状态以数据链的形式发送移动站，移动站接收机接收基站数据和卫星信息，通过相对定位模型获取移动站相对于基准点的位置和测量精度。如图2-2所示GPS信号流动站参数GPS信号GPS信号流动站参数GPS信号发射接收发射接收流动站接收机基准站接收机流动站接收机基准站接收机电台电台求解两站间实时基线求解两站间实时基线解求流动站实时坐标（WGS-84）基准站信息解求流动站实时坐标（WGS-84）基准站信息坐标转换高程拟合坐标转换高程拟合用户流动站三维坐标用户流动站三维坐标图2-2GPS-RTK系统数据流程图[2]3．GPS-RTK在江山征地中的应用3.1工程慨况与方案设计江山镇地处新罗区西北部，位于国家森林公园梅花山自然保护区南麓，东邻铁山、雁石镇，南交西陂、龙门镇，西邻小池、上杭步云、古田，北与万安接壤。距城区11公里，被定位为龙岩中心城市“后花园”。全镇总面积248.5平方公里。江山为群山拥抱，地势高耸、复杂，含高山、中山、低山、丘陵以及山间、丘间盆谷等各种地貌类型。我们这次征地主要涉及山塘村、铜钵村、村美村。总的征地范围如图3-1总面积约6500亩。测区内有一个市规划局提供的控制点两个。图3-1江山征地总平面图首先根据根据开发商提供的纸质和电子版的红线图与地形图，了解整体地形以及面积，并进行实地勘察。然后，通过协商我们将测区划分两个大的测区，以隧道口马路为界，右边（东北方向）为第一期，左边为第二期，我们将第一期作为主要研究。在首期范围内，我们根据村与村，组与组之间的边界大概划分为五个小块，每个小块一个征地组。如图3-2 图3-2征地分组图根据项目进程，我制定了初步的征地测量技术方案：由于我们只有两个已知控制点，测区范围大（整个测区全长5公里，首期长2公里），所以首先我们需要在测区内加密控制点，布设控制网。有一条通往下里洋农庄的水泥路在首期范围正中间，因此我们选择在沿路做十个左右个基准点。以便校正和检验。由于测区四周环山，我们需要在测区红线内布设一个环形控制网，在测区边缘地带移动站信号比较弱的地方，我们在对这些地方测量时，需要随时带上全站仪，便于信号不好时，可以用全站仪与GPS-RTK配合使用，以保证测量成果质量。在中间空旷的地方信号比较好，可直接用GPS-RTK进行测量，在必要的情况下可用两台移动站对同一地块进行测量。采用GPS-RTK测量时每台移动站配两名测量员，一个记录户主姓名和地表附着物以及点号多少到多少，另外一人负责界址边界打点。全站仪测量时由3人组成，其中一个画草图，一人操作仪器，另外一人放菱镜。内业处理时，根据白天记录本记录的信息进行绘图，如发现较大误差时，可根据原有地形图进行检核，如这样还是无法解决问题的话，必须在第二天进行重测。本次首级平面控制网采用GPS快速静态相对定位技术,建立精度等级为E级GPS控制网。在此基础上采用RTK技术在每公里进一步加密3个GPS图根控制点，采用RTK技术与全站仪相配合的作业模式进行碎部测量。控制点沿测区内主要公路向外扩展,控制长度约为0.5公里。采用E级GPS控制网作为测区首级控制。GPS控制网的布设原则①GPS网的布设应视其目的、要求的精度、卫星状况、接收机类型和数量、测区已有的资料、测区地形和交通状况以及作业效率综合考虑，按照优化设计原则进行；②E级GPS网可布设成多边形或附和路线，其边数≤10；③GPS网相邻点间最小距离可为平均距离的1/3～1/2；最大距离可为平均距离的2～3倍。二级为0.2km；④新布设的GPS网应与附近已有的国家高等级GPS点进行联测，联测点数不得少于2点；⑤为求定GPS点在某一参考系中坐标，应与该参考坐标系中的原有控制点联测，联测点数不应少于3个，并均匀分布于测区中；⑥E级GPS点按GB12898四等水准或与其精度相当的方法进行高程联测；联测的高程点平原地区不宜少于5个点，对丘陵或山地联测高程点应按高程拟合曲面的要求进行布设；⑦为了便于用经典方法联测或扩展，可在GPS网点附近布设一通视良好的方位点，以建立联测方向。方位点与观测点的距离，一般应大于300m。⑧GPS快速静态定位网的布设，还应满足下列要求：相邻地区两个观测单元之间的流动站的重合点数：E级不应少于1点；相邻点的距离大于20km时，应采用GPS静态定位方法施测；当网中相邻点间距离小于该级别所要求的相邻点间最小距离时，两相邻点必须直接进行同步观测；对于双参考站作业方式，不同观测单元的基准基线宜相互联结，以构成整个网的骨架[8]。水准网的布设方案①水准路线应尽量沿坡度小的道路布设，以减少前后视折光误差的影响。尽量避免跨越河流、湖泊、沼泽等障碍物；②布设高程控制网时，应考虑到高程控制网的进一步加密；③水准网应尽可能布设成环行网或结点网，在个别情况下，亦可以布设成为符合路线。④注意测区内已有测量成果的利用。⑤各等水准网中最弱点的高差（相对于起算点）不得大于±20mm。⑥各等水准测量设计规格符合相关的规定。⑦本测区路线长2.2公里，首级GPS控制点的高程采用光电测距四等水准测量的方法,以已知水准点为起算数据,经观测计算获得[7]。3.2GPS-RTK基准站与流动站设置3.2.1基准站的布设基准站的点位应该是便于安置接收设备和操作，视野应开阔，应该能够看到高度角13°以上的天空。基准站附近不能有强烈干扰接收卫星信号的物体。基准站必须远离大功率无线电发射源（如电视台、微波站等），并远离高压输电线路及大面积水域。基准站的间距必须考虑GPS电台的功率，覆盖能力；应尽量布设在相对较高的位置，以便获得最大的数据通讯有效半径。江山地形复杂，山多且高，我们征地的范围就像一个碗行，四周都是山，所以我们选择架设基准站的位置在隧道口前方300的一个空地上。3.2.2基准站设置在选好的点上架设好GPS接收机，输入基准站的天线高，启动基准站。3.2.3流动站工作由手簿建立项目，对流动站参数进行设置：新建一个工程，选择好坐标系，输入天线高等，通道必须与基准站相同。然后，通过已知点的坐标来校正。已知点坐标为（2785973.334；498077.557；561.881）校正完后，再在点测量中，测量出已知点的坐标，并比较测量出来的坐标与已知坐标差距如不大，则可进行后续测量，反之，应重新校正，直到差距不超过5mm。3.3碎部点数据采集测量员在基准站架设好后，经点位校正工作后，GPS-RTK接收机就可实时得到地形点的当地三维坐标，便可开始采集碎部点数据。GPS-RTK接收机可随时进行放样功能并时时掌握图框四个边界，从而保证所测点在绘图区域范围之内。在数据采集时，一般两人为一组，一人背着仪器在拐弯点或特殊地物上立杆，保持正立，待接收数据固定解后，输入点号，同时输入特殊代码，保存数据；一人画草图，供内业整图时参考。3.4内业数据处理通过电脑上的记事本软件来编辑采集数据。参考白天画的草图和代码一户一户画好，在其范围内标明户主姓名，地面附着物等，图形难免会有重复的地方我们需要加以调整，重复面积较小时，我们可以直接在图上进行调整，若重复面积较大，则在上面标明争议，并附上争议的人的姓名。为了使图形更直观易懂，我们可对比较重要的内容调整字体颜色，如，（争议），另外要统一统一类别的属性，不能每一次都用不同的字体、字体大小，颜色等。3.4.1GPS-RTK数据下载为了统一GPS-RTK与CASS7.1数据格式，应进行如下处理：1）用电脑软件实现与GPS-RTK测量手薄的连接，把数据下载到电脑。2）用记事本软件编辑数据格式，具体格式是“点号，代码，东坐标，北坐标，高程”。3）数据的输出，经编辑将数据存为*.dat格式（CASS要求数据格式），实现GPS-RTK数据与测图软件数据格式的统一，为内业成图做好准备。1,00000000,498077.550,2785973.333,561.8772,00000000,498350.129,2786582.184,588.5693,00000000,498344.935,2786579.241,587.4234,00000000,498341.097,2786582.066,587.1605,00000000,498336.719,2786580.059,589.0786,00000000,498333.914,2786581.835,584.4677,00000000,498334.726,2786592.846,583.9528,00000000,498328.928,2786609.351,589.0689,00000000,498333.153,2786611.402,589.00810,00000000,498338.578,2786603.733,589.02911,00000000,498344.870,2786589.991,589.33612,00000000,498326.739,2786609.849,590.03913,00000000,498322.858,2786606.639,590.17414,00000000,498315.736,2786621.933,592.52515,00000000,498323.300,2786606.704,590.19716,00000000,498321.470,2786599.130,589.83617,00000000,498319.562,2786591.533,589.85718,00000000,498320.402,2786585.983,589.91819,00000000,498317.025,2786579.271,589.9483.4.2绘制征地图打开CASS7.1，将图形比例尺设为1﹕500，借助展点命令，将上述数据参照外业所绘草图，人机交互编辑，连线成图。将野外测点按CASS7.1提供的图式符号连线后，还有如下步骤：1、根据测量时的记录本，将点用线连接成面，在面里面标注户主的名字、面积、青苗类型等；具体如图3-3所示 图3-3基本信息标示图2、地属性：田、旱地，河道、路、水泥地等，还有地面附着物（房子、棚等）及其属性。具体如图3-4所示 图3-4地面附着物标示图3、对双方都有认的地块，应标明争议，字体颜色最好比较突出，另外地面房屋、大鹏等建筑物应与地块不同颜色的线型表示，以便地产公司识别，及时处理。具体实例如图3-5所示图3-5不同属性颜色分类图4、除了个人地块以外，集体地块也应该测量出来，在测量这些的同时，需要把水沟，路，河道等标志性的地物测量出来以便识别。（河流、水沟应标明水流方向）具体如图3-6所示 图3-6标注标志性地貌图5、最后，对那些与地形图规范要求不同的地方进行编辑处理，适当调整，最好名字、面积、属性用不同的颜色，以防东西多了，杂乱看不清楚。3.5测量成果质量的控制3.5.1质量控制的必要性研究表明，GPS-RTK确定整周模糊度的可靠性为95%～99%，GPS-RTK比静态GPS测量还多出一些误差因素，如数据链传输过程中易受到外界无线电信号和多路径因素的影响等。因此，与GPS静态测量相比，GPS-RTK测量更加容易出错。故在生产实际中利用GPS-RTK进行测量时必须进行质量控制。3.5.2质量控制的方法根据征地测量研究，总结出GPS-RTK质量控制的方法有如下：与已知点检核比较法：即在布设控制网的工程中，用静态GPS或全站仪多布设一些控制点，GPS-RTK在作业前先测已知点坐标进行比较检核，发现问题立即采取措施改正甚至重测。由于征地范围四周环山，在山脚下信号弱的情况下，我们可升高移动站使其能更好的接收到信号；若这样精度还不能达到要求，我们需要用全站仪配合使用，这样才能保证不会出现大的误差。在绘图时，若发现两块地有重合，（实际测量时是不重合的两块地）且重合面积超出误差范围，应在第二天进行重测。与地形图进行对比，在绘完图时可将征地图插图地形图，看两者线状是否一致，若相差太大，可在第二天进行实地查看必要时须进行重测几何检查法。在工程测量中，测量点与点之间相距较近，点之间具有一定的几何图形相关性，利用图形的几何条件来剔除异常数据。在测量地块时，周围户主必须都到场，避免地界不清楚，产生争议地界或空闲地（无人认的地块）。4．展望4.1GPS-RTK技术特点4.1.1GPS-RTK技术优势1）作业效率高。流动站在每个地物地貌点上的观测时间只需5s左右。在一般地形地势条件下，高质量的RTK一次设站便可完成4km半径测区作业，减少了传统测量所需的控制点数量及测量工程中“搬站”次数。GPS-RTK测图流动站仅需一个人操作，一人画草图，基准站在设置好后可以自动运行；作业速度快，劳动强度低，在节省了外业费用的同时，也提高了作业效率。以往传统的测图方法需要20~30天测完的地形图，用技术仅用5~10天时间便可完成全部测图工作。2）测量精度高，数据安全可靠，不存在误差累积。GPS-RTK测量精度达到厘米级，能满足地形测量要求。3）RTK作业自动化、集成化程度高。GPS-RTK完成各种测绘内、外业。流动站利用内置软件控制系统，无须人工操作便能自动完成多种测绘工作，极大减少了辅助测量工作，避免了人为误差的影响，从而保证了作业精度。4）降低了作业条件要求，可全天候作业。RTK技术不像传统测量方法那样要求光学通视，只需满足“电磁波通视”。故与传统测量方法相比，RTK技术受通视条件、能见度、天气及季节等因素影响和限制较小；在地形复杂、地物障碍而导致通视条件差的地区，只要满足RTK的基本工作条件，它便可以快速地进行高精度的定位作业，使外业测量工作变得轻松、简便。5）操作简单，数据处理能力强。在进行简单的测站设置之后，便可以边走边获得测量结果坐标及进行坐标放样。数据的输入、存储、处理、转换和输出能力强，可以方便快捷地与计算机、其他测量设备通讯[5]。4.1.2GPS-RTK技术存在的问题虽然，GPS-RTK测量技术有传统测量技术无法比拟的优势，但在工程实践中也体现出了此技术存在的一些不足之处。如受卫星的限制，受电离层、数据链电台传输距离、对空通视环境、高程异常等因素的影响，不能达到100%的可靠度。总之，GPS-RTK测量技术不仅能达到较高的定位精度，还可大大提高测量的工作效率，随着GPS-RTK技术的发展，这项技术已经逐步应用到各种测绘工作中。通过相应的数据处理程序，极大地减轻了测量人员的内外业劳动强度。但是，个别成果的不可靠性同样会带来不可预期的损失。因此，在理论和实践中应重视GPS-RTK技术的卫星信号及数据链传输的稳定性和抗干扰能力，同时应避免RTK测量带来的偶然误差。4.2发