RTK用于数字测图的理论与实践.docx
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RTK用于数字测图的理论与实践用于数字测图的理论与实践学号201251132867武汉大学函授本科毕业论文RTK用于数字测图的理论与实践院(系)名称:
资源与环境科学学院专业名称:
地理信息系统学生姓名:
时正本指导教师:
刘沛兰教授二一四年一月郑重声明本人呈交的学位论文,是在导师的指导下,独立进行研究工作所取得的成果,所有数据、图片资料真实可靠。
尽我所知,除文中已经注明引用的内容外,本学位论文的研究成果不包含他人享有著作权的内容。
对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体,均已在文中以明确的方式标明。
本学位论文的知识产权归属于培养单位。
本人签名:
日期:
摘要随着以遥感(RS)、全球定位系统(GPs)和地理信息系(GIS)为代表的现代测绘技术体系的建立,大比例尺地形测量从技术手段和产品形式及其应用上均发生了巨大的变化。
GPS新技术的出现,可以高精度并快速地测定各级控制点的坐标,在数字测图中已得到广泛地应用。
本文主要介绍GPS(RTK)的基本原理、系统组成、技术特点、误差来源,现阶段GPS(RTK)主要发展方向。
主要阐述的是利用现有的技术进行误差来源分析和主要误差的减弱或者消除。
通过实例说明GPS(RTK)的主要优点和缺点以及RTK技术注意的问题。
关键词:
GPS(RTK);发展方向;误差来源;误差改正;应用范围目录第1章绪论1.1GPS概述11.2GPS应用范围11.2.1RTK的主要使用范围61.2.2RTK技术以后的发展方向7第2章RTK原理与技术2.1RTK的定位原理82.1.1RTK定位技术的原理82.1.2RTK的系统组成和工作原理92.2RTK技术的误差来源和测量精度102.3RTK技术优缺点102.3.1RTK技术的优点102.3.2RTK技术的缺点11第3章利用RTK进行数字测图3.1全站仪和RTK组合进行数字测图实例133.1.1GPS首级控制和全站仪图根控制133.1.2RTK碎步测量143.2控制点位的精度分析153.3RTK技术应当注意的问题16结论17参考文献18致谢19第1章绪论1.1GPS概述GPS定位技术给传统的工程测绘(光学法)带来了彻底性的革命。
它具有操作简便、定位精度高、不受天气与通视条件的限制等特点,受到了测绘行业的青睐。
特别是GPSRTK(RealTimeKinematic)平面实时定位技术是GPS定位技术的最新发展技术,因其操作快捷、直观、定位精度高、实时性强、自动化程度高、点位误差不累积等优点,从而具有3大优势:
(1)实时掌握定位精度,操作方便快捷;
(2)快速施测碎部的地形与地貌,并能数字成图;(3)能事先输入设计点坐标,进行工程放样等。
RTK定位技术是基于实时载波相位差分的实时动态定位技术。
在RTK作业模式下,基准站除了采集卫星数据外,还要通过数据链将其观测值和站点坐标信息一起传送给流动站。
流动站在采集卫星数据的同时,还要接收来自基准站的数据链,并在系统内对采集和接收的两组数据,进行实时载波相位差分的处理,得出定位结果。
RTK又可细分为修正法和差分法:
修正法是将基准站的载波相位修正值发送给流动站;改正流动站接受到的载波相位,流动站再求解坐标,也称准RTK:
差分法是将基准站采集到的载波相位,发送给流动站,再由流动站求差解算坐标,又称真正的RTK。
1.2GPS应用范围
(1)GPS应用于测量GPS技术给测绘界带来了一场革命。
利用载波相位差分技术(RTK),在实时处理两个观测站的载波相位的基础上,可以达到厘米级的精度。
与传统的手工测量手段相比,GPS技术有着巨大的优势:
测量精度高;操作简便,仪器体积小,便于携带;全天候操作;观测点之间无须通视;测量结果统一在WGS84坐标下,信息自动接收、存储,减少繁琐的中间处理环节。
当前,GPS技术已广泛应用于大地测量、资源勘查、地壳运动、地籍测量等领域。
(2)GPS应用于交通出租车、租车服务、物流配送等行业利用GPS技术对车辆进行跟踪、调度管理,合理分布车辆,以最快的速度响应用户的乘车或送请求,降低能源消耗,节省运行成本。
GPS在车辆导航方面发挥了重要的角色,在城市中建立数字化交通电台,实时发播城市交通信息,车载设备通过GPS进行精确定位,结合电子地图以及实时的交通状况,自动匹配最优路径,并实行车辆的自主导航。
民航运输通过GPS接收设备,使驾驶员着陆时能准确对准跑道,同时还能使飞机紧凑排列,提高机场利用率,引导飞机安全进离场。
(3)GPS应用于救援利用GPS定位技术,可对火警、救护、警察进行应急调遣,提高紧急事件处理部门对火灾、犯罪现场、交通事故、交通堵塞等紧急事件的响应效率。
特种车辆(如运钞车)等,可对突发事件进行报警、定位,将损失降到最低。
有了GPS的帮助,救援人员就可在人迹罕至、条件恶劣的大海、山野、沙漠,对失踪人员实施有效的搜索、拯救。
装有GPS装置的渔船,在发生险情时,可及时定位、报警,使之能更快更即使地获得救援。
(4)GPS应用于农业当前,发达国家已开始把GPS技术引入农业生产,即所谓的精准农业耕作。
该方法利用GPS进行农田信息定位获取,包括产量监测、土样采集等,计算机系统通过对数据的分析处理,决策出农田地块的管理措施,把产量和土壤状态信息装入带有GPS设备的喷施器中,从而精确地给农田地块施肥、喷药。
通过实施精准耕作,可在尽量不减产的情况下,降低农业生产成本,有效避免资源浪费,降低因施肥除虫对环境造成的污染。
(5)GPS应用于娱乐消遣随着GPS接收机的小型化以及价格的降低,GPS逐渐走进了人们的日常生活,成为人们旅游、探险的好帮手。
通过GPS,人们可以在陌生的城市里迅速地找到目的地,并且可以最优的路径行驶;野营者携带GPS接收机,可快捷地找到合适的野营地点,不必担心迷路;甚至一些高档的电子游戏,也使用了GPS仿真技术。
121RTK的主要使用范围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,在公路工程中的应用可以覆盖公路勘测、施工放样、监理和GIS前端数据采集。
在地形图测绘、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510s,精度就可以达到13cm,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。
122RTK技术以后的发展方向GPS技术给测绘界带来了一场革命,那么我们就说一下以后的RTK的主要发展方向,将在哪些方面会有新的进展。
(1)双星系统双星系统(GPS+GLONASS双系统导航定位)是GPSRTK发展的热点,它可接收14-20颗卫星左右,是常规RTK所无法比拟的,该技术使GPS设备具备最短时间达到厘米级精度的能力与最强的抗干扰遮挡能力。
当然以后还会有欧洲的伽利略,中国的北斗系统,都有可能加入双星系统。
(2)VRS系统VRS就是我们通常所说的网络RTK,VRS(VirtualReferenceStation虚拟参考站)正在改善着RTK定位的质量和距离,增强RTK的可靠性,并减少OTF初始化的时间。
VRS技术,可以在50Km左右时使RTK定位平面位置精度为12cm,并无需设立自己的基准站。
其应用领域将逐渐涵盖陆地测量、地籍测量、航空摄影测量、GIS、设备控制、电子和煤气管道、变形监测、精准农业、水上测量、环境应用等诸多领域。
VRS是天宝提出的网络RTK作业模式,现在世界上90%的网络RTK都是应用VRS。
(3)GPS和系统系统的融合GPS为代表的卫星导航应用产业已成为当今国际公认的八大无线产业之一,也是全球发展最快的三大信息产业(蜂窝网Mobilecellular/PCS、因特网Internet/Intranet/Extranet和全球定位系统GPS)之一。
GPS与计算机、通信、GIS、RS等技术的集成与融合必将使GPS技术的应用领域得到更大范围的拓广。
通过本章的论述我们了解到了GPS的优点,GPS技术的发展给我们的生活、生产带来了方便。
RTK是GPS发展的最新成果,RTK除了给我们带来了上述的优点还给我们带来了一些不可避免的缺点,这些缺点直接影响我们RFK的应用范围,这样看出了我们来急需处理这些缺点是必须的,这样才有利于RTK的推广。
让GPS发挥更大的用处。
同时我们了解了RTK将来的发展方向为以后的RTK跟广泛的应用,提供指导作用,说明RTK技术在测绘将会起到越来越不可替代的作用。
第2章RTK原理与技术随着社会的发展,科技的进步RTK的广泛应用是必然的,充分的了解RTK的原理以及RTK的主要误差来源,学会减弱或者消除误差的影响,显的格外重要。
2.1RTK原理211RTK定位技术的原理图2.1RTK定位原理在RTK作业模式(如图2.1)下,基准站接收机设在具有已知坐标的参考点位上,连续接收所有可视GPS卫星信号,通过数据链,将测站点坐标、载波相位观测值、伪距观测值、卫星跟踪状态及接收机工作状态等“载波相位测量校正值”一起发送给流动站。
流动站接收机先进行初始化,在完成整周未知数的搜索求解后,进入动态作业,其在接收来自基准站的DGPS数据时,同步观测采集GPS卫星载波相位数据,通过在系统内差分处理求解载波相位整周模糊度,依此改正移动站接收机所地坐标系坐标)。
基准站接收机和流动站接收机滞后载波测得的载波滞后相位,得到基准站和流动站之间的坐标差值X、Y、Z,坐标差加上基准站坐标就可以得到流动站点的WGS84坐标,通过坐标转换参数转换得出流动站每个站点实用的三维位置。
212RTK系统组成和工作原理RTK系统一般有基准站、差分传送、移动站及手簿终端控制器四部分组成
(1)基准站部分、接收GPS信号,包括:
导航信号、信号;提供差分坐标,星历等信息。
(2)差分传送部分,将基准站差分数据传输给移动站包括测站坐标、观测值、卫星跟踪状态等数据。
(3)移动站部分,接收GPS信号及基准站差分信号、并进行解算,得到实时的高精度定为结果(4)手簿终端控制器,内置RTK测量软件,可设置基准站,移动站的工作参数,显示运动站实时坐标成果,技术测量参数,进行辅助线路设计等功能。
RTK工作原理如图2.2图2.2RTK工作原理RTK系统正常工作要具备一下三个条件:
a.基准站和移动站要同时接受到五颗以上的GPS卫星信号;b.移动站要同时接受基站发出的差分信号和卫星信号;c.基准站和移动站要保持开始同时接受卫星信号,移动站在移动的过程中也要接受基准站信号2.2RTK技术的误差来源和测量精度如果要想了解RTK的主要误差来源,需要先了解GPS的主要误差源具体类别如表2.1。
表2.1GPS误差来源误差来源对距离测量影响卫星部分星历误差钟误差相对论效应1.515信号传播电离层对流层多路径效应1.515信号接收钟的误差位置误差天线相位中心变化1.55其他影响地球潮汐负荷潮1.0表2.2RTK误差来源、测量精度及处理方法RTK定位误差同仪器干扰有关天线相位中心变化天线的机械中心和电子相位中心不重合误差一般达到3-5cm,提高RTK精度方法天线检验校正多路径误差大小和周围的环境有关,一般误差1-10cm不等,提高精度的方法,选择不具反射面的点位,专业的天线,铺设吸电波材料等信号干扰周围有干扰源,无线电发射源,高压电线等。
提高精度的方法,远离干扰源。
气象因素快速运动的气象锋面引起,一般1-2dm,气变化较快时,不进行观测象同电离层误差和电离层引起电磁波传播延迟有关,主要和太阳黑子活动、地理位置、季节变化、昼夜变化有关。
提高精度的方法,两个以上观测站同步观测;利用电离距离有关误差层模型改正。
太阳黑子活动剧烈时不宜观测,平静时一般误差为510-6轨道误差目前轨道误差只有几米,残余相对误差是110-6,就短基线10km,结果影响可以忽略不计对流层误差对流层误差同点间距离和点间高差密切相关,一般可达310-62.3RTK技术优缺点231RTK技术的优点与传统的测量仪器相比,RTK有着大量的优势,主要有以下几个方面。
(1)RTK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5km半径的测区,大大减少了传统测量听需的控制点数量和测量仪器的“搬站”次数,仅需一人操作,每个放样点只需要停留12s,就可以完成作业。
在公路路线测量中,每小组(34人)每天可完成中线测量68km,在中线放样的同时完成中桩抄平工作。
若用其进行地形测量,每小组每天可以完成0.81.5km的地形图测绘,其精度和效率是常规测量所无法比拟的。
(2)RTK定位精度高,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暇一般为5km),RTK的平面精度和高程精度都能达到厘米级,且不存在误差积累。
(3)RTK可以全天候作业。
RTK技术不要求两点间满足光学通视,只需要稿足“电磁波通视和对空通视的要求,因此和传统测量相比,RTK技术作业受限因素少,几乎可以全天候作业。
(cRTK可胜任各种测绘外业。
流动站配备高效手持操作手簿,内置专业软件可自动实现多种测绘功能,减少人为误差,保证了作业精度。
232RTK技术的缺点虽然GPS技术有着常规仪器所不能比拟的优点,但经过多年的工程实践证明,GPSRTK技术存在以下几方面不足。
(1)RTK受卫星状况限制。
GPS系统的总体设计方案是在1973年完成的,受当时的技术限制,总体设计方案自身存在很多不足。
随着时间的推移和用户要求的日益提高,GPS卫星的空间组成和卫星信号强度都不能满足当前的需要,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。
例如在中、低纬度地区每天总有两次盲区,每次2030min,盲区时卫星几何图形结构强度低,RTK测量很难得到固定解。
同时由于信号强度较弱,在对空遮挡比较严重的地方GPS无法正常应用。
(2)RTK工作受电离层影响。
白天中午,受电离层干扰大,共用卫星数少,因而初始化时间长甚至不能初始化,也就无法进行测量。
根据我们的实际经验,每天中午1213点,RTK测量很难得到固定解。
(3)信号受数据链电台传输距离影响。
数据链电台信号在传输过程中易受外界环境影响,如高大山体、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。
另外,当RTK作业半径超过一定距离时,测量结果误差超隈,所以RTK的实际作业有效半径比其标称半径要小,工程实践和专门研究都证明了这一点。
(4)信号传输受对空通视环境影响。
山区、林区、城镇密楼区等地作业时,GPS卫星信号被阻挡机会较多,信号强度低,卫星空间结构差,容易造成失锁,重新初始化困难甚至无法完成初始化,影响正常作业。
(5)受高程异常问题影响。
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分布图在有些地区,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比较困难,精度也不均匀,影响RTK的高程测量精度。
(6)RTK现阶段还不能达到100%的可靠度。
RTK确定整周模糊度的可靠性为95%-99%,在稳定性方面不及全站仪,这是由于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。
RTK的误差来源有很多种,在进行使用RTK的过程中一定要采取措施保证RTK的测量精度,提供了理论依据。
RTK的优点的总结可以更好的利用RTK在实际的工作中,充分的发挥RTK的优点。
了解了RTK的局限性,也可以让我们在工作的过程中采取其他的措施,去弥补RTK的不足。
为以后正确的使用RTK提供了可以借鉴的理论依据。
第3章利用RTK进行数字测图3.1RTK全站仪和RTK组合进行地形测量实例RTK虽然与常规测绘仪器相比有诸多的优点,但是,由于一些空间技术还不成熟和一些人为因素等原因,其定位精度,特别是垂直精度还无法满足一些工程建设的需要,另一方面是其应用范围也受到一些限制,而使用常规测绘仪器全站仪可以在一些领域弥补其不足。
因此,研究RTK与常规测绘仪器在工程实践中的协调配合使用具有理论研究价值和实践应用的现实意义。
GPS与全站仪联合进行数字化测绘地形图就是一种行之有效的新方法。
具体流程如图3.1图3.1测量流程311GPS首级控制和全站仪图根控制由于RTK技术不同于常规的控制测量,不可能完全用常规控制测量的技术标准来衡量,尤其是在边长较短的相邻点表现比较明显。
RTK技术的测量实践中误差分布均匀、相互独立,不存在误差积累,精度可靠度较高。
(1)、测区概况测绘公司根据平顶山测绘局的要求确定好作业的测区,测绘地区为山地,确定好作业区域后以便根据作业区域的大小,划分作业块,和进行首级控制点及图根控制点的选取。
(2)、GPS首级控制:
主要使用的是GPS根据边长进行E级控制在确定好作业区域后,我们就要根据测区的情况来布设控制点,目前可使用全球定位系统(GPS)测量规范的要求,目前使用GPS进行控制测量的等级分为AA、A、B、C、D、E级几个等级范围,在这几个等级范围中,C、D、E三个等级可以使用单频进行测量,其他的等级均要求使用双频GPS接收机进行测量工作。
GPS各个等级中对边长的要求如表3.1:
表3.1GPS网等级级别AAABCDE平均距离1000km300km70km10-15km5-10km0.2-5km根据规范要求布设好首级控制,可使用GPS进行静态测量(如使用中纬ZGP800),测量完毕后使用仪器自带的软件进行解算,解算完毕后即可获得首级控制点的WGS84坐标和地方坐标,并可以生成坐标系文件,并可以将坐标系文件拷贝到GPS手簿中,由于我们在做坐标系的时候采用了首级控制网中的所有点故精度能够保障。
(3)全站仪图根控制由于这次还需要进行土方量计算,对高程的精度要求比较高,主要用于开荒还田,所以需要进行全站仪图根控制。
在进行完首级控制测量之后,使用首级控制做成的坐标系文件,使用RTK的模式进行图根点的测量,在进行图根点测量的时候根据测区的情况灵活布设,由于考虑到布设完图根点后要使用全站仪进行地形测量,故在进行图根点测量的时候要保证点至少要和另外的一个点能够通视才能保障全站仪测量的时候方便定向。
312GPSRTK碎步测量与采取全站仪相比,采用RTK技术在数字测图中也具有非常突出的优势:
采点速度快,因为解算速度已达到20Hz,一般用1Hz,即每秒钟就可以记录一组观测数据,所以初始化完成后单点采集的时间几乎可以忽略不计。
作用范围广,减少做控制和换站的工作量。
一般在沿基准站方向阻挡较少的地区,RTK作用半径可达十几公里。
多台接收机可以同步工作,而且相互不影响,也无误差的积累。
实践证明,在相同的时间内,一台流动站大约是一台全站仪工作效率的2倍。
实现单人操作,节省劳动力。
在保证基准站安全的前提下,每台流动站只需要一人。
RTK定位方式在碎步测量上也有其不足之处。
它虽然不要求流动站与基准站通视,但是要求GPS接收机的卫星信号接收天线对天通视,在测量建筑物、构筑物、林带时往往无法靠近被测地物而无法测量,这就需要全站仪等光学仪器的配合使用。
当所有的外业数据采集完毕后,即可进行内业的制图工作,并将图形制作完毕后进行成果的输出或图形资料的先用电子手簿-工程-把文件起个名字-导出,再连接电脑,复制导出的文件到电脑,绘制的地形图如图3.2。
图3.2地形图3.2控制点位的精度分析以全站仪所测定的标值为真值,那么2种方法所测得的坐标的差值即可认为是RTK测量的误差。
根据工程测量规范点位误差5cm,可得如下结论。
(1)RTK测量结果与全站仪测量结果互差均在厘米级,其中互差最大为3.4cm,最小为0.4cm。
(2)若以全站仪测定的点位坐标为准,RTK放样点点位误差均在5cm以内,RTK放样点点位相对于全站仪测定点位误差按公式m=计算,结果为2.3cm。
(3)统计数据表明:
若以全站仪测量结果为准,可以认为RTK测量结果的点位精度达到厘米级,需要指出的是各点位之间不存在误差累计,克服了传统测量技术的弊端,完全能满足点的测设精度要求。
(4)但本次检验的结果是在全站仪测量误差忽略不计的情况下进行对比分析的,如果考虑到全站仪的误差,放样点有可能出现误差大于5cm的情况,对于这样的点误差,误差的原因可能是RTK系统自身的误差,也可能是测量环境对RTK的影响产生的误差,或许也是我们自身操作的不正确造成的,但最有可能的原因就是放样时存在测量环境影响中的“多路径误差”或“信号干扰误差”。
(5)对于上述误差超限的点,我们可以根据误差的原因,采取措施来消除或减小误差,如:
改变基准站的位置,选择地形开阔的地点,远离无线电发射源、雷达装置、高压电线等,或采用有削弱多路径误差的各种技术的天线等。
对于误差较大RTK又难以削弱其误差的点我们可以采用其他的测设方法,如用经纬仪和电子测距仪利用导线点对RTK放样的点进行测量,得出点的精确位置,再制作模板,标出点的正确位置。
由于RTK在高程测量方面误差比较大,本文采用了RTK和全站仪组合使用,满足了土方量的计算的条件。
表3.2已知坐标与检验值比较点号X(m)Y(m)X(m)Y(m)X(mm)Y(mm)点位误差(mm)035425339.78303705427.1560425339.78463705427.1578-1.61.82.4225425457.96353705278.7286425457.96443705278.7266-0.92.02.2433425132.23143705653.3263425132.23013705653.32511.31.21.83.3RTK技术应当注意的问题RTK技术在数字测图中已得到广泛地应用,但RTK技术应用于测图时,要注意一些问题。
(1)作用距离有限,RTK测量在解算整周模糊度时,需要一个近似的估值,该估值是以相位常规差分测量得到的,作用距离太大时,该估值就大,有可能在运动状态下无法搜索到可靠的整周数解,导致作用距离有限,一般要得到厘米级的精度,基准站和流动站的距离不能超过20km,要得到亚米级的精度作用距离就不能超过50km。
(2)基准站与移动站必须在所有测量时间内维持4颗以上公共卫星连续锁定。
(3)在应用实时动态GPS进行测量的时候,可能会出现信号受阻挡、卫星信号中断、卫星失锁等现象。
这时GPS能够自动重新进行初始化,在初始化的过程中,精度将会降低到常规差分GPS的精度。
为了保证测绘成果的质量,有时初始化成功以后,还需要重测附近的点来检核初始化结果是否正确。
(4)在利用实时动态GPS进行控制测量所作的控制点时,两点间最好通视,以方便全站仪等其他仪器的联测。
结论RTK在数字测图中有着广泛的运用,比传统的测量仪器的测量,它有着省时省工且精度高等特点,但其在碎部测量中的应用还是有一定的限制,在进行测量时,主要注意事项是基准站选择要在比较中心、位置空旷开阔的至高点上,且周围无磁场的影响,这样流动站接收的信号好。
应用RTK技术,使得数字测图的精度、作业效率和实时性达到最佳的融合。
随着数据传输能力的增强,数据的稳健性,抗干扰性水平和软件水平的提高,传输距离的增加,RTK技术将在数字测图和其他领域得到更广阔的应用。
参考文献1徐绍铨,张华海,杨志强,王泽民.GPS测量原理及应
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