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RTK、全站仪在野外大比例尺数字测图中的应用及精度分析.doc

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RTK 全站仪 野外 比例尺 数字 中的 应用 精度 分析
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龙岩学院资源工程学院毕业论文题 目: RTK、全站仪在野外大比例尺数字测图中的应用及精度分析资源工程学院RTK 和全站仪在野外大比例尺数字测图中的应用及精度分析【摘要】随着电子计算机和电子技术的普及,野外地形图的成图方法由传统的白纸法成图转为数字测图,而且占据了几乎全部的地形图测绘市场。鉴于全站仪和 RTK 各自独立的特点,文中主要介绍 RTK、全站仪在野外地形图数据采集的应用及精度分析,探讨全站仪与 RTK 结合在测量的过程,通过无线电传输实时处理数据全站仪和 RTK 同步进行测量。文中对测量方法进行必要的精度分析得出全站仪和 RTK 结合在野外测量中能够适应多数测量作业并且二者实时测量能够避免全站仪换站的精度累计差从而提高作业效率。【关键字】RTK ;全站仪 ;数字测图 ;精度分析目录1.引言 ....................................................................................................................................................................12.RTK 测量技术原理 ............................................................................................................................................12.1 RTK 系统的构成 .....................................................................................................................................12.2 RTK 的定位原理 .....................................................................................................................................13.RTK 精度分析 .....................................................................................................................................................23.1 实时载波相位分差 .................................................................................................................................23.2 坐标转换 .................................................................................................................................................34.全站仪工作原理 ................................................................................................................................................35.全站仪的测量功能 ............................................................................................................................................36.作业流程. ..........................................................................................................................................................47.应用实例. ..........................................................................................................................................................57.1 测区概况 .................................................................................................................................................57.2 测量任务及大比例尺地形图测量要求 .................................................................................................57.3 图根控制点的测量 .................................................................................................................................57.4 地形测量绘制内容 .................................................................................................................................57.5 外业数据采集 .........................................................................................................................................67.6 测绘软件和仪器 .....................................................................................................................................67.7 内业成图 .................................................................................................................................................67.8 提交资料 .................................................................................................................................................67.9 精度分析 .................................................................................................................................................98.总结与展望 ......................................................................................................................................................12致谢语 ..................................................................................................................................................................12参考文献 ..............................................................................................................................................................1311. 引言在以前传统的野外测量中测站与测站之间容易受到障碍物的遮挡便需要多次设站,从而导致测量中搬站次数太多,影响测量数据的精度和测量工作的效率。RTK、全站仪测量技术引入数字测图为野外采集测量数据提供了新的方法。这种新方法具有所需人员少、操作方法简便等特点,且各个测站之间无须通视,作业不受时间和环境限制,而且全站仪的无棱镜模式可以解决持圆棱镜人员无法抵达及有危险的地方。2.RTK 测量技术的原理2.1 RTK 系统构成RTK 系统由基准站、流动站和传送数据的电台组成,是利用载波相位观测值进行动态定位 [1]。图2-1 和图 2-2 分别为 RTK 测量系统基准站和流动站结构图。2.2RTK 定位原理RTK 的原理是基准站和流动站对卫星进行连续观测,基准站将相关的观测数据通过电台发送至流动站,流动站再综合自身采集的观测数据和来自基准站的数据,进行差分数据处理,并最终求的三维坐标(x,y,z)的方法。图 2-3 为 RTK 实时相对定位示意图。通信天线图 2-1 RTK 基准站结构示意图 定位成果 通信天线 图 2-2 RTK 流动站结构示意图 野外数据采集包括控制点的测量和碎部点的测量。内业数据处理包括 RTK 控制测量数据的处理,RTK 测量数据的编辑和格式转化,将数据文件导入成图软件进行数字化成图的三个方面的内容 [1]。利用 RTK 进行数字化测图的基本流程如图 2-4 所示:天 线G P S接收机PC 设置数 据 传输 电 台功能天 线G P S接收机电子手簿 计算机数据传 送 电 台2基准站 流动站 图 2-3 RTK 实时相对定位示意图图 2-4 利用 RTK 进行数字化测图的基本原理3. RTK 精度分析RTK 是一种 GPS 的实时动态测量,原理如下:3.1、实时载波相位差分在进行 GPS 定位过程中时,会受到许多不同的因素影响 (在消除误差源方面,是通过两台以上的GPS 接收机进行同步工作解决的 )。GPS 静态测量的方法是几个接收机进行独立观测,再通过后处理软件进行差分解算。基准站接收机和流动站接收机同步观测卫星数据,与此同时,基准站也将载波相位差分改正信号发射出去;流动站同时接收到卫星和基准站电台信号;两个信号通过流动站上的软件进行差分计算,即可得到基准站与流动站的空间相对位置 [2]。在过程进行中,会受到观测条件、信号源等的影响存在卫星卫星卫星卫星卫星控制测量利用 RTK 测量图根点 利用全站仪测量碎部点利用 RTK 测量碎部点数字化成图3一定的误差,大多数文献表明平面误差为 1cm+1ppm,高程误差为 2cm+1ppm。3.2、坐标的转换通常的软件是将平面与高程分开转换,平面坐标是把 GPS 测得成果投影成平面坐标,再根据已知控制点计算出二维相似变换的四参数,高程是采用平面拟合,然后用已知水准点计算出待测点的高程异常,便可求出它们的高程 [3]。所以,RTK 的测量精度是由 GPS 的测量误差和坐标转换误差所影响的。在使用三个以上的平面已知点进行校正时,计算转换四参数的时又会给出转换参数的中误差。假如此转换参数中误差比较大(比如,大于 5cm),而在采集点时实时显示的测量误差却在标称精度范围之内,则可判定是已知点的错误,也有有可能是已知点的精度不够,还有可能已知点的分布不均匀。当平面已知点只有两个时,只能满足计算坐标转换四参数的必要条件,由于无多余条件,所以不能给出坐标转换的精度评定,但可以从查看四参数中的尺度比 ρ 来检验坐标转换的精度,该值理想值为 1,若 ρ 偏离 1 较多且 |ρ-1|≧1/40000,超出了工程精度,在保证 GPS 测量精度满足要求的情况下,可判定该已知点有问题 [4]。4. 全站仪的测量功能全站仪是指由电子经纬仪、光电测距仪和电子记录器组成的,能够进行自动测角、自动测距、自动计算和自动记录的一种多功能高效率的测量仪器 [6]。它具有处理数据的快速与准确性。全站仪包含有测量的四大光电系统,包括水平角测量系统、竖直角测量系统,水平补偿系统和测距系统。通过键盘可以输入操作指令、数据和设置参数。以上各系统通过 I/O 接口接入总线与微处理机联系起来 [5]。微处理机是全站仪的核心部件,主要有寄存器、运算器和控制器组成。主要功能是根据键盘指令驱动仪器进行测量工作,执行测量过程中的检核和数据传输、处理、显示、储存等工作。输入输出设备是与外部设备连接的装置,输入输出设备使全站仪能与磁卡和微机等设备交互通讯、传输数据。5.全站仪的精度分析5.1 由参考文献 [10]可知对全站仪的测量精度分析主要包括1.全站仪测角误差分析。2.全站仪测距的误差分析。3.全站仪测量的点位中误差分析。5.2 野外地形测量常用圆棱镜和无棱镜进行地形测量。下面对用圆棱镜和无棱镜进行精度分析。通过全站仪的两种测距模式分别对同一圆棱镜中心进行若干次测量,两种测量结果的差值在34mm 左右,见下表 5-1表 5-1 TCRA1101 两种测距模式对圆棱镜观测结果Reflector 模式 Reflectorless 模式变长水平方向 天顶距 斜距 水平方向 天顶距 斜距/m 斜距改正/mm1-2 269 14 41 90 08 46 37.126 269 14 40 90 08 47 37.160 -341-3 198 36 32 90 10 05 25 .857 198 36 35 90 10 04 25.892 -352-3 0 00 41 90 08 46 25.251 0 00 41 90 08 49 25.286 -352-4 16 44 46 90 03 05 37.555 16 44 45 90 03 05 37.589 -34以上数据表明,两种测距模式的对测角精度无明显影响。通过表中数据的分析统计,距离的数值4对斜距改正基本无影响。这是因为,本仪器的棱镜常数是 34mm,徕卡 tps 全站仪内置软件把棱镜常数设为零值,测量后内置程序自动修正结果。无棱镜模式测距精度与测程、所测物体的属性和观测条件都有很大关系。选择同一种观测条件对多种物体进行观测,每个点测量 30 余次,经统计如表 5-2。同一种反射面在不同距离上的测量结果如图 5-3 所示表 5-2 TCRA1101 无反射棱镜测量反射目标 观测值 观测值 反射 观测值 观测值均值 均方差 目标 均值 均方误差光滑墙壁 40.951 3 1.30 玻璃屏幕 48.630 7 1.10沙土地面 7.633 1 0.51 灰色墙壁 11.932 6 1.30平静水面 6.464 7 0.74 树干 12.798 5 0.50褐色雨伞 36.226 5 1.70 阔叶树叶 22.262 2 3.90草丛 19.248 5 27.10 三角铁架 12.000 4 1.20水泥路面 12.366 1 0.59从统计学的角度分析,观测值均方误差虽不能真实地反映观测精度,但却可以真实地反映观测数据的误差分布,即测量数据误差的精度分布。从图 5-3 的误差曲线可以得出,无棱镜测距的精度随着距离的增加而下降。00.20.40.60.811.21.45 7 8 12 13 20 22 36 42 49距 离 ( 单 位 : m)均方误差(单位:mm)图 5-3 无棱镜测距精度随距离的变化6.作业流程使用 RTK 和全站仪联合测量的作业分为两个步骤:1)使用 RTK 测量图根控制点,多数文献的大量试验表明 GPS-RTK 可以满足图根控制的要求,RTK 技术进行控制测量既能够实时知道定位结果,又能知道定位精度这样可以大大提高作业效率 [6]。 2) 使用全站仪和 GPS-RTK 联合测量碎部点。在全站仪使用 RTK 的数据设站时,要进行检核,避免由 RTK 信号遮挡产生的粗差,用这种方法就可以使测量数据的精度不变。如图 6-1 所示。5图 6-1 RTK 和全站仪联合作业流程图及数据流程图所要测量的区域距离要使用的控制点比较远时,可以通过全站仪测区内用假定坐标高程进行设站测图,等到外业结束后,然后用 RTK 所测控制点坐标,利用成图软件测站改正功能进行坐标改正,这样与传统作业相比就野外测量工作节约了时间。RTK 和全站仪联合作业,可以使之优势互补,有时可以解决传统测量方法无法进行的测量任务,非常适合于野外数据采集。7.应用实例7.1 测区概述本次地点位于北纬 25°18′40″~26°02′05″之间,东经 116°00′45″~116°39′20″,地处武夷山南麓,南与广东近邻,西与江西接壤。地理位置位于亚热带季风气候区,平均气温 18.3℃,年降水量 1685.6 毫米,无霜期年均 260 天,四季分明。7.2 测量任务及大比例尺地形图测量要求对测区进行 1:500 地形测量并用绘图软件成图存档。本次施测为局部范围内的大比例尺地形图测量。测图比例尺为 1:500。图式符号执行国家的《1:500 1:1000 1:2000 地形图图式》 。7.3 图根控制点的测量采用 GPS 方法测量图根点。图根点测量利用徕卡 Viva TS11/15 电子全站仪进行测量。7.4 地形测量测绘内容 地形图要求绘制测区的控制点、地面附着物并着重显示与测图用途有关的各项要素。地物、地貌要按照文件标准地形图绘制。控制点资料 GPS 卫星基站(GPS 接收机) 电台 流动站(GPS 接收机) 流动站(GPS 接收机)图 根 控 制碎部点数据 数据处理 碎部点数据绘制地形图67.5 外业数据采集在测绘过程中 2 个测绘小组,每个小组 4 人,工作分别为使用 RTK 做控制点、操作全站仪、跑杆和绘制草图。最后再把草图跟实地对照检测是否有所遗漏地物数据,然后将采集的数据利用草图在绘图软件 CASS 上成图,最终的地形图。本组成员遵循的原则为“从整体到局部” 、 “先控制后碎部” 、 “由高级到低级” 、 “步步有检核” 。每次作业顺序为:(1)实地测量前先进行勘测。这样在进行测量是对测站所要设的位置做到心中有数,从而也就提高了测量的精度和效率。(2)确定测站点。要求测站与测站之间通视性良好,而且要尽可能的使可视区域最大化。这样可以减少搬站次数,有利于测量数据的精度保证。 (3)架设仪器。将三脚架的三个腿之间的距稍微拉大点,可以提高脚架的稳定性。(4)立棱镜,测量读数。立杆时要尽量保证镜杆竖直,而且立杆要灵活。(5)记录。数据采集使用无码作业,可以提高采集数据速度。在观测同时另一人将山脊线、山谷线、探槽等特殊数据在草图上记录下来,用于内业作业。(6) 测站点检验及校正。测站内点测完后搬站时,要进行一次测站点检合。即对某一已知点重新测量,检验两次误差是否符合技术要求。若误差超出范围则所测数据有误。7.6 测绘软件和仪器采用南方 CASS7.0 软件进行内业数据处理。外业数据采集所用全站仪为徕卡 Viva TS11/15 电子全站仪,以及性能指标如下:(1)测角精度 2 秒(2)测距精度 2mm+2DppmRTK 为天宝 5800RTK,以及性能指标如下:(1)静态测量精度:5mm+0.5ppm 水平;5mm+1ppm 垂直(2)RTK 精度:+/-10mm+1pp 水平;+/-20mm+1ppm 垂直7.7 内业成图地貌要求:采用 1 米等高线表示。绘出的等高线要平滑自然、注记均匀。地势平坦地区,采用散点均匀分布表示即可。由于测区内地物主要包括:房屋、水渠、牲畜棚、农田等,地物地貌比较简单,因此地形图不需要加图例。 7.8 提交资料表 7-1 蔡坊村河田鸡保种场、育种场测区部分控制点坐标数据:A01 37683.729 41685.049 294.127A02 37624.002 41778.409 296.624D01 37597.662 41677.344 316.5717表 7-2 蔡坊村河田鸡保种场、育种场测区部分数据:.1 37699.841 41679.199 293.4302 37699.591 41681.095 293.9813 37704.743 41692.655 294.0654 37706.861 41696.773 294.1565 37712.919 41652.893 289.1976 37706.668 41698.810 294.2907 37709.866 41655.051 289.2208 37713.154 41710.259 294.4759 37717.815 41722.316 294.69310 37697.414 41657.768 289.93111 37721.975 41731.469 293.62412 37689.880 41657.481 290.20613 37726.123 41739.785 294.98114 37678.339 41661.958 291.72315 37669.548 41667.911 294.03816 37731.037 41752.344 295.37317 37666.077 41670.273 294.12618 37733.981 41759.430 295.42319 37655.213 41674.746 294.27120 37739.894 41771.455 295.94521 37645.139 41677.296 294.38922 37744.561 41781.121 295.92923 37638.348 41679.361 294.46724 37748.644 41783.734 295.85625 37624.786 41684.620 294.73026 37749.542 41791.028 296.20527 37626.697 41695.473 294.90028 37748.747 41798.375 296.45629 37620.213 41703.928 295.06830 37748.112 41803.165 296.71931 37614.922 41710.668 295.174把.dat 格式的数据展到南方 CASS7.0 中并绘制成图附图如下:
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