全站儀與GPS RTK在工程測量中的應(yīng)用

吳祥錦

（仙游縣永勝測繪有限公司　莆田　351200）

全站儀與GPS RTK在工程測量中的應(yīng)用

吳祥錦

（仙游縣永勝測繪有限公司莆田351200）

本文在已有的GPS RTK及全站儀的研究資料和應(yīng)用成果的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步對GPS RTK和全站儀在工程測量的實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行總結(jié)，對比了在工程測量中使用GPS RTK和全站儀的優(yōu)劣，重點(diǎn)研究了GPS RTK作業(yè)對比全站儀作業(yè)的優(yōu)勢和效率。

GPS RTK；全站儀；工程測量

1　RTK的基本原理、組成及使用

1.1RTK的基本工作原理

RTK（Real Time Kinematic）實(shí)時(shí)動態(tài)定位技術(shù)，是GPS全球定位技術(shù)與數(shù)據(jù)傳輸相結(jié)合而構(gòu)成的以載波相位觀測值為根據(jù)的實(shí)時(shí)差分定位技術(shù)，是集計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)字通訊技術(shù)、無線電技術(shù)和GPS測量定位技術(shù)為一體的組合技術(shù)，能夠?qū)崟r(shí)提供測點(diǎn)（用戶站）在指定坐標(biāo)系的三維坐標(biāo)成果；GPS RTK系統(tǒng)由基準(zhǔn)站、若干個(gè)流動站及無線電通訊系統(tǒng)三部分組成，工作原理是基準(zhǔn)站利用無線通訊系統(tǒng)將接受到的所有信息傳遞到流動站，接受的信息包括衛(wèi)星信息和基準(zhǔn)站自身的一些信息，因此流動站在接收衛(wèi)星數(shù)據(jù)信息的同時(shí)也接收基準(zhǔn)站傳遞過來的數(shù)據(jù)信息，流動站將接收的信息進(jìn)行初始化轉(zhuǎn)換，將收到的基準(zhǔn)站信息傳遞到控制器，再將流動站自身的載波觀測信號與基準(zhǔn)站的載波觀測信號進(jìn)行處理，通常采用差分處理的方式，來獲得未知點(diǎn)的具體坐標(biāo)。

1.2RTK系統(tǒng)的組成

本文以在工程測量中應(yīng)用中海達(dá)GPS RTK為例。GPS RTK測量系統(tǒng)的主要組成部分有移動站、基準(zhǔn)站和電腦記錄手薄。其中移動站的設(shè)備主要有強(qiáng)制對中測桿、GPS基準(zhǔn)站接收機(jī)、記錄手薄等。基準(zhǔn)站的設(shè)備主要有電臺、三腳架、電瓶、GPS基準(zhǔn)站接收機(jī)、發(fā)射天線和電纜。

1.3RTK系統(tǒng)的操作規(guī)程1.3.1 GPS RTK測量的關(guān)鍵——轉(zhuǎn)換參數(shù)的求解

RTK與GPS靜態(tài)測量一樣，GPS接收機(jī)接收的衛(wèi)星信號經(jīng)數(shù)據(jù)處理后，首先得到的是地心坐標(biāo)系（WGS-84）坐標(biāo)，而我們在測繪工程中應(yīng)用的通常是投影后的高斯平面直角坐標(biāo)（1980西安坐標(biāo)系、1954年北京坐標(biāo)系或地方坐標(biāo)系等），其高程一般為正常高。靜態(tài)測量中，坐標(biāo)轉(zhuǎn)換是在事后處理進(jìn)行，而RTK測量多數(shù)用于實(shí)時(shí)測量，要求能實(shí)時(shí)地提供國家或地方坐標(biāo)，因此，作業(yè)前首先必須進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換或點(diǎn)位校正，它是影響測量成果精度如何的關(guān)鍵因素。GPS點(diǎn)校正功能允許進(jìn)行GPS和校正所用地方控制點(diǎn)的匹配（GPS坐標(biāo)必須從GPS點(diǎn)和觀測值得到，格網(wǎng)點(diǎn)必須從格網(wǎng)點(diǎn)和地面觀測值得到）。GPS RTK的三種常規(guī)校正方法：單點(diǎn)校正、多點(diǎn)校正和參數(shù)校正。實(shí)現(xiàn)成果從WGS-84坐標(biāo)系中轉(zhuǎn)換到國家或地方坐標(biāo)系中，實(shí)際上是兩個(gè)不同橢球之間的成果轉(zhuǎn)換。

在野外進(jìn)行作業(yè)的時(shí)候，一般采用兩種方法來求得轉(zhuǎn)換參數(shù)：

（1）將已有的GPS靜態(tài)控制網(wǎng)資料進(jìn)行充分的利用，并利用電子手薄的自帶轉(zhuǎn)換軟件來轉(zhuǎn)換參數(shù)，還可以利用外部自編坐標(biāo)來轉(zhuǎn)換當(dāng)?shù)刈鴺?biāo)和地心坐標(biāo)；

（2）在已知點(diǎn)和未知點(diǎn)上架設(shè)基準(zhǔn)站，移動站對已知點(diǎn)的地心坐標(biāo)一次進(jìn)行測量，并將測量的平面坐標(biāo)和高程信息輸入到手薄中，并進(jìn)行校正，將殘差較大的已知點(diǎn)淘汰掉，對兩坐標(biāo)間的轉(zhuǎn)換參數(shù)進(jìn)行解算。

1.3.2安置基準(zhǔn)站

架設(shè)基準(zhǔn)站必須注意：周圍應(yīng)視野開闊，截止高度角應(yīng)超過15°；周圍無信號反射物（大面積水域、大型建筑物等），以減少多路徑干擾。并要盡量避開交通要道、過往行人的干擾，地面開闊，無遮擋物的地帶；200m范圍內(nèi)沒有微波站、雷達(dá)站、電信信號發(fā)射塔等，無電磁波干擾，50m范圍內(nèi)無高壓線；三是場地位置比較高；GPS天線、信號發(fā)射天線、主機(jī)、電源等應(yīng)連結(jié)正確無誤。GPS接收機(jī)架設(shè)要嚴(yán)格對中、整平，連好電臺和發(fā)射天線，用手簿啟動基準(zhǔn)站接收機(jī)。

1.3.3流動站作業(yè)

基站設(shè)置好后，流動站即可進(jìn)行數(shù)據(jù)采集工作，為保證數(shù)據(jù)的正確，一般流動站開始作業(yè)前要求檢查至少一個(gè)已知點(diǎn)再開始數(shù)據(jù)采集工作。

2　全站儀簡介及測量原理

“全站儀”全稱為“全站型電子速測儀”（Electronic Tachometer Totolstation）通常又稱為“電子全站儀”或“電子速測儀”。這種測繪儀器是將測角、測距和微處理機(jī)結(jié)合起來，能夠?qū)崿F(xiàn)對測角、測距進(jìn)行自動控制，對水平距離、坐標(biāo)增量、高差等進(jìn)行自動計(jì)算，另外，還可以自動顯示、記錄、存儲和數(shù)據(jù)輸出，全站儀內(nèi)部有豐富的測量軟件，可方便快捷地進(jìn)行坐標(biāo)放樣等工程測量工作。

利用全站儀進(jìn)行測圖時(shí)，主要是通過極坐標(biāo)法獲得碎部點(diǎn)的坐標(biāo)，其測量原理為以測站為中心和依測站上的已知方向，測定已知方向與所求點(diǎn)方向間的角度和測量測站點(diǎn)到各碎部點(diǎn)的距離，以確定所求點(diǎn)的三維坐標(biāo)。

由于受地形和通視條件的影響，實(shí)際測量中將有部分點(diǎn)不能用儀器在測站上直接進(jìn)行觀測，因此碎部測量除主要采用極坐標(biāo)法外，還需要采用如后方交會、兩點(diǎn)前方交會等其它一些測量方法進(jìn)行補(bǔ)充。

3　GPS RTK與全站儀比較與分析

前面簡要介紹了全站儀測量和GPS RTK測量的基本原理，下面將對兩種方法在工程測量中的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行比較。

3.1使用GPS RTK系統(tǒng)進(jìn)行工程測量作業(yè)的優(yōu)、缺點(diǎn)

（1）優(yōu)點(diǎn)：

①條件要求低

對控制點(diǎn)不要需要兩點(diǎn)通視；與天氣無關(guān)，基本不受陰睛天氣的影響，作業(yè)時(shí)間不受限制，日夜均可；

②精度好

GPS RTK定位速度快、精度高，其點(diǎn)位誤差不積累、不傳播，精度均勻，數(shù)據(jù)安全可靠。無需等待；

③效率高

通視條件對GPS RTK作業(yè)沒有限制，設(shè)置好基準(zhǔn)站和點(diǎn)檢核以后，就可以開測，為使開測更便捷可以使用虛擬基站。GPS RTK作業(yè)每組一般1～2人，測記法1人操作1人畫圖，編碼法1人即可。每站測圖采點(diǎn)僅需3s左右，工作效率大大提高。

④成本低

相比傳統(tǒng)的導(dǎo)線測量加密控制點(diǎn)，GPS RTK能夠降低人力、物力成本，較少使用的時(shí)間，采用傳統(tǒng)的測量方法進(jìn)行作業(yè)一般需要4個(gè)人，而采用GPS RTK進(jìn)行作業(yè)需要1個(gè)人或者2個(gè)人就可以，如果多個(gè)流動站一起作業(yè)，就可以很大程度的加快進(jìn)度，提高工作效率。

⑤操作簡便，方便適用，具有可視性，數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)大。

（2）缺點(diǎn)：

①受到衛(wèi)星的限制，衛(wèi)星的數(shù)量要在5顆以上才可以對相位的觀測值進(jìn)行跟蹤，一旦信號反射物的面積過大，就無法實(shí)現(xiàn)定位，比如面積較大的森林和高達(dá)的建筑；信號會受到強(qiáng)電磁的干擾，例如在變電站和輸電線的周圍會受到影響，云層較厚的時(shí)候也會對其產(chǎn)生影響。

②精度還不夠高，要實(shí)現(xiàn)高精度的狀態(tài)，衛(wèi)星的數(shù)量需要6～ 7顆來接收信號，雖然GPS RTK有的時(shí)候也可以實(shí)現(xiàn)高精度的固定解狀態(tài)，但是其PDOP也就很大，就無法采集項(xiàng)目的確定數(shù)據(jù)。

③對圖形沒有約束，缺少多余觀測，需通過測前、測中、測后的固定點(diǎn)檢核提高可靠性。

④存在高程異?，F(xiàn)象。

⑤雖然近幾年GPS價(jià)格有所下降，但仍然過于昂貴。

⑥數(shù)據(jù)鏈?zhǔn)芨蓴_和限制、作業(yè)半徑比標(biāo)稱距離小。

3.2使用全站儀進(jìn)行工程測量作業(yè)的優(yōu)、缺點(diǎn)

3.2.1優(yōu)勢

（1）根據(jù)測圖要求及儀器等級，可靈活布設(shè)圖根導(dǎo)線點(diǎn)，從而提高作業(yè)效率。

（2）隨機(jī)測量程序，實(shí)時(shí)提供觀測過程并計(jì)算出最終結(jié)果，許多測量工作只需按儀器中設(shè)定的操作步驟即可完成所做測量工作。

（3）操作簡便，方便適用，具有可視性，數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)大。

3.2.2缺點(diǎn)

（1）全站儀的最大的缺點(diǎn)就是要求通視，受地形和人為因素影響大。

（2）如果測距較長時(shí)，尋找目標(biāo)較為困難，浪費(fèi)時(shí)間，影響作業(yè)效率。

（3）前期需建立足夠的控制點(diǎn)，作業(yè)量大，投入也大，外業(yè)時(shí)間較長。

4　GPS RTK和全站儀在工程測量具體應(yīng)用的分析

4.1在控制測量中的作業(yè)應(yīng)用比較

在地形測量工作中，使用RTK系統(tǒng)來進(jìn)行控制測量，在首級控制測量時(shí)，不用進(jìn)行后面的加密測量工作，無需考慮通視方向點(diǎn)和進(jìn)行更多的加密控制，不需要布設(shè)導(dǎo)線測圖根點(diǎn)等工作，只需將移動站放在所需的控制點(diǎn)上采集數(shù)據(jù)即可得出坐標(biāo)。首級控制點(diǎn)位選擇，只需在實(shí)用性及設(shè)置基準(zhǔn)站的安全性方面考慮。

傳統(tǒng)的控制測量方法首先對測區(qū)布設(shè)足夠的高等級控制測量點(diǎn)，然后再加密圖根控制點(diǎn)。一般采用導(dǎo)線測量方法，花費(fèi)很多的人力、物力和時(shí)間。在城市建成區(qū)控制點(diǎn)常被破壞，傳統(tǒng)控制點(diǎn)施測方法不能快速精確地提供控制點(diǎn)，直接影響工作的效率和工程測量的進(jìn)度。

常規(guī)控制測量如導(dǎo)線測量，要求點(diǎn)間通視，費(fèi)工費(fèi)時(shí)，且精度不均勻。應(yīng)用RTK技術(shù)無論是在作業(yè)精度，還是作業(yè)效率上都具有明顯的優(yōu)勢?？傊琑TK測量技術(shù)在控制測量上可大大提高工作效率和減輕勞動強(qiáng)度。

4.2地形碎部測量中的作業(yè)應(yīng)用比較

采用RTK進(jìn)行野外碎部點(diǎn)數(shù)據(jù)采集時(shí)，只需單人操作。移動站采用手動記錄的方式使用的是電腦手薄。測繪人員對所測地形要十分熟悉，真正做到看到測到。在一般情況下，10～15km為有效距離。對大范圍的內(nèi)碎部點(diǎn)進(jìn)行采集的時(shí)候，可以進(jìn)行自動采集，在確定不改變標(biāo)高的情況下，將流動站進(jìn)行移動就可以，利用常規(guī)測量方法的時(shí)候，需要2個(gè)人進(jìn)行碎部測量，一人負(fù)責(zé)測站看鏡，一人持反射棱鏡，開始測量前需要已知點(diǎn)定向，測站人員指揮持鏡人員，測線的長度和通視等條件會對其有限制作用，不如RTK測量方便快捷。

4.3在線路斷面測量中的作業(yè)應(yīng)用比較

RTK接收機(jī)與手薄記錄相配合，對斷面的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)的采集如果采用RTK技術(shù)，能夠較好的解決線路斷面測量的斷面點(diǎn)采集問題，對通視方向和分站的測量可以不進(jìn)行考慮，對斷面圖的效果可以利用手薄進(jìn)行實(shí)時(shí)的顯示，可以很直觀地檢查斷面狀況與實(shí)地地形。在斷面測量中使用常規(guī)的測量方法肯呢個(gè)會遇到各種問題，如斷面樁沒有方向點(diǎn)、斷面測量需要分站等。RTK測量相比常規(guī)測量能減少不少的內(nèi)業(yè)工作量。

4.4在工程施工放樣中的作業(yè)應(yīng)用比較

利用RTK實(shí)時(shí)定位的特點(diǎn)，施工放樣前只需把待放點(diǎn)的坐標(biāo)錄入手簿，就可以單人操作并很方便地放樣出各類直線、曲線或特征點(diǎn)的坐標(biāo)位置，放樣速度快、無需協(xié)作指揮。常規(guī)測量進(jìn)行放樣工作時(shí)，必須先在室內(nèi)將所要求放樣的元素計(jì)算好，到實(shí)地放樣的工作至少要2人密切配合，司尺人員只能在測站的指揮下，不斷地移動，方可完放樣工作。因此RTK測量在施工放樣工作中相比常規(guī)測量能減少很大工作量，提高效率非常明顯。

5　結(jié)論

根據(jù)上述RTK和全站儀在工程測量方面的應(yīng)用比較分析，我認(rèn)為，RTK實(shí)時(shí)動態(tài)測量技術(shù)改變了傳統(tǒng)的測量模式，使經(jīng)典的測量理論與方法產(chǎn)生了深刻的變革，是對傳統(tǒng)常規(guī)測量技術(shù)的一次重大突破，是測繪領(lǐng)域續(xù)GPS后的又一次技術(shù)革命，是測繪信息化的趨勢?？偨Y(jié)得到如下幾點(diǎn)經(jīng)驗(yàn)體會：

（1）具有明顯的優(yōu)勢。在大型隧道、大橋、特大橋等工程測量工作中采用RTK技術(shù)，具有測量人員少、作業(yè)時(shí)間短特點(diǎn)，能夠極大的提高工作效率，減輕測量人員勞動強(qiáng)度，能讓測量人員從繁重的體力勞動中解放出來，具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

（2）使用RTK技術(shù)作業(yè)有著較高的精度，觀測速度快、通視條件對其不限制等特點(diǎn)。單站測量能夠控制較廣的范圍，操作起來較為簡便，使工作量有效的減少，適合應(yīng)用到大規(guī)模的工程測量和其它測量工作中。

（3）使用RTK技術(shù)作業(yè)可以大大提高測繪成果質(zhì)量。人為因素對其沒有影響，作業(yè)過程主要是依靠電腦控制，記錄是自動進(jìn)行的，數(shù)據(jù)預(yù)處理、平差計(jì)算等都是自動進(jìn)行的。

（4）要根據(jù)測區(qū)的作業(yè)條件，采用適當(dāng)觀測方法，保證網(wǎng)絡(luò)RTK測量精度。①盡可能地檢測一定數(shù)量的測區(qū)內(nèi)和相鄰的控制點(diǎn)進(jìn)行檢核；②在做控制測量時(shí)需采用一些如延長測量時(shí)間、選擇最佳觀測時(shí)段、增加觀測次數(shù)的方法來提高測量精度；③同精度兩次測量值的較差取2cm以下為宜；④受到基準(zhǔn)站傳播差分改正數(shù)有效范圍的限制，在大區(qū)域?qū)嵤┳鳂I(yè)時(shí)，應(yīng)注意其控制的有效范圍，RTK的范圍盡量不超過10km為原則，否則解算速度和精度都大受影響。

（5）使用RTK測量要努力克服RTK測量的缺點(diǎn)，把誤差控制在最小范圍。一是RTK采集的定位坐標(biāo)數(shù)據(jù)是GWS-84坐標(biāo)，在其它坐標(biāo)系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)行RTK作業(yè)則需要求取定位坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)，轉(zhuǎn)換參數(shù)質(zhì)量的好壞直接影響RTK的測量精度。

（6）在破碎地帶、難以逾越的地帶、有成片的遮擋物和衛(wèi)星較少或無衛(wèi)星信號地帶、RTK無法采集到測量數(shù)據(jù)的地方。易造成失鎖，很難有固定解或解算精度不高的條件下，可用全站儀配合使用，全站儀能彌補(bǔ)RTK工作中的缺點(diǎn)，解決測量工作中遇到的問題。

隨著測繪學(xué)與其他學(xué)科的不斷滲透，測繪科學(xué)與先進(jìn)技術(shù)的不斷發(fā)展，逐步完善的RTK技術(shù)于測繪領(lǐng)域中必有其廣闊的應(yīng)用前景，更好的服務(wù)于現(xiàn)代化發(fā)展，帶來更好的經(jīng)濟(jì)、社會效益。

[1]周忠謨，等.GPS衛(wèi)星測量原理與應(yīng)用[M].北京：測繪出版社，1997.

[2]《城市測量規(guī)范》（CJJ8-1999）[S].

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2015-9-18