RTK技术在地形测量中的应用

发布时间：2022-10-05 21:44 热度：

　　摘要：RTK（RealTimeKinematic）即实时动态GPS测量技术的出现为测量作业带来了新发展。本文通过工程实例介绍了RTK在地形测量中的应用，并对其作业流程和性能，精度等进行了分析。

关键词：RTK；地形测量；精度

一、引言

常规的GPS测量方法，如静态、快速静态、动态测量都需要事后进行解算才能获得厘米级的精度，而RTK是能够在野外实时得到厘米级定位精度的测量方法，它采用了载波相位动态实时差分（Realtimekinematic）方法[1]，是GPS应用的重大里程碑，它的出现为工程放样、地形测图，各种控制测量带来了新曙光，极大地提高了外业作业效率。

高精度的GPS测量必须采用载波相位观测值，RTK定位技术就是基于载波相位观测值的实时动态定位技术，它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，历时不到一秒钟。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，并在动态环境下完成周模糊度的搜索求解。在整周末知数解固定后，即可进行每个历元的实时处理，只要能保持四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]。

RTK技术的关键在于数据处理技术和数据传输技术，RTK定位时要求基准站接收机实时地把观测数据（伪距观测值，相位观测值）及已知数据传输给流动站接收机，数据量比较大，一般都要求9600的波特率，这在无线电上不难实现。

二、RTK作业流程

2.1仪器准备

野外数据采集使用南方    S82型双频实时动态测量系统。其双频定位平面精度为±2㎝+2×10ppm，其图根控制平面精度为±5㎝，高程精度为1∕10H（H为基本等高距）。含接收机1台，移动站接收机1台，数据链发射台1个，数据链接收台1个，基准站中增益天线及电缆线各1根，PISON掌中电脑2台，普通测杆2根。双频定位精±2+2ppm，基准站功耗12w，发射电台功率分为高频和低频，即低频2w或高频35w，移动台静态功耗12w。

2.2坐标系数及作业参数

地形测量是在地方独立坐标系上进行的，这就有在WGS-84坐标和地方独立坐标系的坐标转换问题。由于RTK作业要求实时给出当地坐标，这使得坐标转换工作非常重要。根据工程需要，求定测区转换参数可按如下步骤进行：首先在测区以静态方式布设均匀分布的高等级GPS控制点，获得各点的WGS-84坐标和地方坐标系下的坐标，利用同一点的两种坐标求出转换参数。

注意，为提高转换参数的可靠性，最好选用4个以上的点进行观测和求解，这样可通过多种点的匹配方案，检验转换参数的正确性及精度。

2.3基准站的选址

数据传输系统由基准站发射电台和流动站接收电台组成，它们是实时动态测量的关键设备。稳定可靠的数据链是动态初始化的前提。保持高质量的数据传输，可以减少整周模糊度的解算时间，大大提高工作效率，所以基准站的安置是顺利实施RTK作业的关键之一，基准站安置应满足下列条件：

（1）基准站可设立在有精确坐标的已知点上，也可设在未知点上（最好设在已知点上）。施工前先联测已知点进行检核，确保采集数据准确可靠。

（2）基准站安置应选择地势较高，视空无遮挡、电台有良好覆盖域的地方，最好选择在测区内高大建筑物上。

（3）为防止数据链的丢失和多路径效应，基准站周围应无GPS信号反射物（大面积水面、大型建筑物、车辆拥挤的街区等）、200m范围内无高压电线、电视台、无线电发射台等干扰源。

2.4RTK实施步骤

野外作业时，基准站安置在选定的控制点上，连接好各条链接线，打开接收机输入点号、天线高、WGS-84的已知坐标；设置完毕检查接受的GPS卫星数≥5颗。检查电台发射指示灯是否正常，基准站设置完成。流动站选择与基准站电台相匹配的电台频率，检查电台接收指示灯是否正常，检查接收卫星颗数≥4颗，流动站可开始测量任务。先联测1-2个已知控制点，评定测量精度，满足设计要求后开始测量任务。实时动态RTK数据处理相对简单，外业测量采集的实测坐标通过手簿的数据传输系统，直接下载到计算机内。经整理、分类、判断形成文件后直接打印出来。

三、应用实例

3.1测区概况

我院于2008年承担小店工业区10平方公里1：1000数字化地形图测绘工程。该测区地势相对平缓，高大建筑物较少，适宜RTK进行地形测量。

3.2确定转换参数

为保证转换参数的精度，共选取了5个高等级GPS控制点，通过多种点的匹配方案，选择残差较少，精度较高的一组参数为最终启用参数。



3.3内业数据处理

内业数据处理使用南方CASS成图软件。通过手簿的数据传输系统，直接下载到计算机内，然后用南方CASS成图软件将数据转换成CAD的dwg图形文件，结合现场草图绘制出最终地形图。

3.4精度分析

RTK技术作业在国家规范中没有相关的精度指标规定，通过常规测量手段作业与之进行相关精度指标对比，核定其精度指标及限差。通过与全站仪测量坐标的对比检查，得出重复测量同观测点的坐标较差统计表和相邻观测点间全站仪实测和RTK实测距离较差统计表。

重复测量同观测点的坐标较差统计表（单位/m）







相邻观测点间全站仪实测和RTK实测距离较差（单位/m）



根据以上两表来看，RTK作业采集的数据完全满足国家规范中数字化地形图测量的技术标准。

四、认识和体会

通过RTK在生产实践中的应用，笔者得出以下几点认识和体会：

（1）作业效率高。在一般的地形地势下，高质量的RTK设站一次即可测完4km半径的测区，大大减少了传统测量所需的控制点数量和测量仪器的“搬站”次数，在一般的电磁波环境下几秒钟即得一点坐标，作业速度快，劳动强度低，节省了外业费用，提高了劳动效率。

（2）定位精度高，数据安全可靠，没有误差积累。只要满足RTK的基本工作条件，在一定的作业半径范围内（一般为4km），RTK的平面精度和高程精度都能达到厘米级。

（3）降低了作业条件要求。RTK技术不要求两点间满足光学通视，只要求满足“电磁波通视”，因此，和传统测量相比，RTK技术受通视条件、能见度、气候、季节等因素的影响和限制较小，在传统测量看来由于地形复杂、地物障碍而造成的难通视地区，只要满足RTK的基本工作条件，它也能轻松地进行快速的高精度定位作业。

（4）RTK作业自动化、集成化程度高，测绘功能强大。RTK可胜任各种测绘内、外业。流动站利用内装式软件控制系统，无需人工干预便可自动实现多种测绘功能，使辅助测量工作极大减少，减少人为误差，保证了作业精度。

（5）操作简便，容易使用，数据处理能力强。只要在设站时进行简单的设置，就可以边走边获得测量结果坐标或进行坐标放样。数据输入、存储、处理、转换和输出能力强，能方便快捷地与计算机、其它测量仪器通信。

与此同时RTK-GPS技术还存在着一些不足之处：

（1）受卫星状况限制。当卫星系统位置对美国是最佳的时候，世界上有些国家在某一确定的时间段仍然不能很好地被卫星所覆盖，容易产生假值。另外，在高山峡谷深处及密集森林区，城市高楼密布区，卫星信号被遮挡时间较长，使一天中可作业时间受限制。产生假值问题采用RTK测量成果的质量控制方法可以发现。作业时间受限制可由选择作业时间来解决。

（2）天空环境影响。白天中午，受电离层干扰大，共用卫星数少，常接受不到5颗卫星，因而初始化时间长甚至不能初始化，也就无法进行测量。我们在洛阳新安县进行测绘时就发现，在同样的条件和同样的地点上进行RTK测量，上午11点之前和下午3：30分之后，RTK测量结果准而快，而中午时分，很难进行RTK测量。可见选择作业时段的重要性。

（3）数据链传输受干扰和限制，导致作业半径比标称距离小的问题。RTK数据链传输易受到障碍物如高大山体、高大建筑物和各种高频信号源的干扰，在传输过程中衰减严重，严重影响外业精度和作业半径。在地形起伏高差较大的山区和城镇密楼区数据链传输信号受到限制。另外，当RTK作业半径超过一定距离（一般为几公里，每种机型在不同的环境又各不相同）时，测量结果误差超限，所以RTK的实际作业有效半径比其标称半径要小很多，工程实践和专门研究都证明了这一点。解决这类问题的有效办法是把基准站布设在测区中央的最高点上。

（4）初始化能力和所需时间问题。在山区、一般林区、城镇密楼区等地作业时，GPS卫星信号被阻挡机会较多，容易造成失锁，采用RTK作业时有时需要经常重新初始化。这样测量的精度和效率都受影响。解决这类问题的办法主要是选用初始化能力强、所需时间短的RTK机型。

（5）高程异常问题。RTK作业模式要求高程的转换必须精确，但我国现有的高程异常图在有些地区，尤其是山区，存在较大误差，在有些地区还是空白，这就使得将GPS大地高程转换至海拔高程的工作变得相当困难，精度也不均匀。

（6）电量不足问题。RTK耗电量较大，需要多个大容量电池、电瓶才能保证连续作业，在电力供应缺乏的偏远作业区受到限制。

（7）稳定性问题。由于RTK较容易受卫星状况、天气状况、数据链传输状况影响的缘故。不同质量的RTK系统，其精度和稳定性差别较大。要解决此类问题，首先要选用精度和稳定性都较好的高质量机种，然后，要在布控制点时多布置一些“多余”控制点，作为RTK测量成果质量控制的检核点。

综上所述，在当前测量科学技术大发展的时期，随着用户对各种测绘成果的要求越来越高，高效率和高质量已成为我们生存的根本。采用RTK进行测量无疑是一种有效的手段，它在实际测量过程中有很多优秀的方面，同时也有些技术限制，只有了解了它的优劣所在，才能避其害，把有益于实际生产的技术带到工程应用中来。

总之，随着RTK技术的日臻完善，它必将在各种工程测量当中发挥越来越重要的作用。



参考文献

[1]周忠谟，易杰军，周琪.GPS卫星测量原理与应用[M].北京：测绘出版社，1997.

[2]钱天爵，瞿学林.全球定位系统及其应用[M].北京：海潮出版社，1993.

[3]刘基余，李征航.全球定位系统原理及其应用[M].北京：测绘出版社，1995.

[4]魏二虎，黄劲松.GPS测绘[M].武汉：武汉大学出版社，2002.

[5]徐绍铨，张华海.GPS测量原理及应用[M].武汉：武汉大学出版社，2002.

 

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