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全站仪和GPS-RTK联合在数字测图中的应用.doc

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全站仪 GPSRTK 联合 数字 中的 应用
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1龙岩学院资源工程学院毕业论文题 目: 全站仪和 GPS-RTK 联合在数字测图中的应用 资源工程学院全站仪和 GPS-RTK 联合在数字测图中的应用【摘要】全站仪历来是数字测图的重要工具之一,其具有设站灵活,操作简单等优势,但受地形和人为因素影响较大,足而需要建立够的控制点,工作量大,人力物力投入也大,野外作业时间较长。用 GPS-RTK 进行测量工作,可全天候进行,坐标校正以后,无需设立控制点,可省去大量的控制测量时间,不存在通视问题,工作效率高,无累积差,精度均匀,作业自动化程度高,但其容易受作业半径的限制卫星信号影响,且稳定性不高。本文通过对比全站仪和 GPS-RTK 测量技术的基本测量原理与特点,并结合实际工程,探究如何将 RTK 技术与全站仪相结合,发挥各自的优2势来弥补彼此的局限性,从而提高数字测图的效率和速度。最后指出了全站仪与 GPS-RTK 技术进行数字测图的局限性及注意事项。【关键词】RTK 测量技术 全站仪 数字测图 GPS3目录1 绪论 ............................................................................................................................................................41.1 研究的目的与意义 ..........................................................................................................................41.2 论文的主要研究内容 .....................................................................................................................42 基于全站仪与 GPS-RTK 的数字测图 .....................................................................................................42.1 数字测图基础 .................................................................................................................................42.2 全站仪的测量原理 .........................................................................................................................42.3 GPS-RTK 的原理 ............................................................................................................................52.4 GPS-RTK 及全站仪的优缺点比较 ................................................................................................52.5 GPS-RTK 与全站仪联合作业方式探究 ........................................................................................53 全站仪与 GPS-RTK 联合测图的实施 .....................................................................................................63.1 测区概况 .........................................................................................................................................63.2 图根控制网布设与测定 .................................................................................................................63.3 碎部测量 .........................................................................................................................................73.3.1 基于 GPS-RTK 的碎部测量 ...............................................................................................73.3.2 基于全站仪的碎部测量 ......................................................................................................73.4 数据传输与处理 .............................................................................................................................73.5 内业成图 .........................................................................................................................................73.6 GPS-RTK 与全站仪联合测图的局限性 ........................................................................................93.7 GPS-RTK 与全站仪联合测图时的注意事项 ................................................................................94 数字测图的几种方法对比 ........................................................................................................................94.1 边角法与坐标法 .............................................................................................................................94.2 编码法与传统草图法 ...................................................................................................................104.3 简码识别与编码引导 ...................................................................................................................105 结束语 ......................................................................................................................................................116 致谢语 ......................................................................................................................................................11参考文献 ..................................................................................................................................................1141 绪论1.1 研究的目的与意义地形测量在测绘行业工作中占据这举足轻重的地位,一些专业的测绘队伍中,地形测量的任务甚至可能占到每年的测量总任务量的 80%以上。然而,用传统的数字测图手段进行地形图测绘,其效率已无法满足现在用户的要求。很多以效率为上的测绘单位只好采用人海战术,这无疑又造成了测图成本的增加,使测绘单位的利润降低。数字测图是测绘工程中一门非常重要的学科。而提高数字测图效率的速度则成为测绘各界一直努力的方向。目前大部分大比例尺地形图测绘采用的是全站仪数字测图方法。这种方法是利用全站仪进行野外数据采集,在室内使用的计算机进行内业编辑、成图,该方法是相对快速、方便且可直接形成数字化地形图,其缺点是对水平方向遮挡的克服能力较弱,造成不必要的设站,降低了生产效率。而随着 GPS-RTK 的诞生,明显改变了这一现状,测绘工作者根据全站仪和 GPS-RTK 各自的工作特点,发掘出一套全站仪联合 GPS-RTK 的数字测图方法,类似问题很大程度上得到了解决,并且在满足精度要求的前提下,大大地提高了测图效率和速度。1.2 论文的主要研究内容(1)本文主要对全站仪与 GPS-RTK 联合进行数字测图方法进行探究,详细说明如何发挥全站仪与 RTK 各自的测绘优势,进行高效率,高精度的数字测图。(2)在探究过程中总结,RTK 在数字测图的局限性,RTK 使用过程中的注意事项,以及全站仪结合 RTK 进行数字测图时应注意的问题。2 基于全站仪与 GPS-RTK 的数字测图2.1 数字测图基础数字测图的基本思想:采集各种地物和地貌信息并转换为数字形式,通过串口传输至计算机进行处理,获得内容丰富的电子地图,有需要时由计算机图形输出设备(如显示器,绘图仪)绘制出地形图或各类专题图 [1]。2.2 全站仪的测量原理全站仪即全站型电子速测仪,它集电子经纬仪、光电速测仪与微处理器于一体。全站仪的基本功能是角度测量,距离测量(平距与斜距) ,高差测量,坐标测量等。因其一次设站即可完成该测站的全部测量工作,故称之为全站仪。全站仪使用方便简单,精度高,可实现地形测量的全要素测绘。全站仪测角原理:两点之间照准过程需要转动度盘,从度盘上获取电信号,再将电信号转换为数字并显示角度值。全站仪测距原理:全站仪内置测距仪通过测量光波往返待测点与仪器之间的距离和传播的时间来计算待测距离。计算公式如下:其中 D 为全站仪与待测点距离, C 为光速约 30 万 km/s ,t 为测量出光波在全站仪与待测点之间往、返传播的时间。设测站点 A 坐标为(X A,Y A,Z A) ,后视点 B 坐标为(X B,Y B,Z B) ,未知点 C 坐标为(X C, YC,Z C) ,S 为侧站点与未知点距离,α AB 为侧站点到已知点的坐标方位角,β 为观测的水平角,λ 为观测的竖直角,i 为仪器高, v 为目标高,则未知点 C 坐标为:(2-1)t21D5viSZsYXACABAtan·)180(ico·对于式中的“±” ,当 α AB+β≤180°时,为“+” ,当 α AB+β≥180 时,为“-” 。2.3 GPS-RTK 的原理RTK 技术,载波相位差分技术,是建立在对两个测站的载波相位实时处理的基础上。载波相位数量和基站的坐标信息将被实时采集,通过数据链路沿着传送给流动站,流动站接收来自基站和 GPS 卫星的载波相位 [2]。并组成相位差分观测值进行实时处理,通过适当的参数和投影坐标转换参数的输入,能够提供流动站的实时精度和三维坐标,RTK 定位技术具有速度快,误差不累积,节省人力,工作效率高等特点 [3]。实时动态测量(RTK)Real Time Kinematic 定位技术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。与传统的数字测量手段相比,RTK 测量具有精度高,操作简单,全天候操作,体积小,便于携带,广泛应用于大地测量、资源勘查、监测、工程测量、土地测量、城市管理、形变监测等方面。并为这些领域中的生产作出了重大贡献。2.4 GPS-RTK 及全站仪的优缺点比较利用全站仪实施数字测图,其各种特点无不优越于传统的数字测图仪器,全站仪成为各种测绘工作不可或缺的测量工具。但全站仪进行数字测图的缺点是要求测站点与观测点相互通视,受地形和人为因素影响较大,且需要建立足够的控制点,在某些区域相对于 RTK 来说,工作量大,投入也大,野外作业时间较长。用 GPS-RTK 进行测量工作,可全天候进行,坐标校正以后,无需设立控制点,可省去大量的控制测量时间,且无需通视,效率高,无累计误差,成果精度均匀,在地形简单,视野开阔的地区,明显优于于全站仪,但在单基站模式下容易受作业半径的限制或遇到密集、高大的障碍物时,就很难接收到卫星和基站发出的相位信息,即使能满足测量要求,但其精度也不尽理想。表 2-1 即为全站仪与RTK 优缺点对比。表 2-1 全站仪与 RTK 优缺点对比对比项目 全站仪 GPS-RTK设站灵活性 灵活设站 利用控制点校正后,无需设站操作复杂程度 操作简单,但相对于 RTK 稍显复杂 操作简单通视要求 要求测站点与观测点相互通视 无需通视测量精度(相同情况下) 较高 较高稳定性 稳定 稳定性受地貌影响较大所受限制类型 水平遮挡 竖直遮挡数据实时性 内业处理时才能知晓精度情况 可当场知晓点位信息与测量精度人力物力投入量 较大 小适用地形 高楼密集区域,上空遮挡较为严重区域 适用于视野开阔、水平方向遮挡且无较高上空遮挡区域2.5 GPS-RTK 与全站仪联合作业方式探究常规测量作业工作需要遵循“从整体到局部,先控制后碎部,分级布网,逐级控制”原则。具体工序包括一级控制网、加密控制网、图根点控制、特征点数据采集和成图,从施工流程来看,完成一个测区的测量工作往往需要数次进出作业现场。且多次在同一测站上设站,导致测量作业效率低下,(2-2)6也必将造成不必要的精度流失(如对中误差和定向误差的增加等) [4]。针对上述情况以及 RTK 针对于全站仪缺点的补偿性,利用 RTK 协同全站仪采集数据方式进行作业,用以克服上述诸多弊端 [5]。利用 GPS-RTK 联合全站仪测量作业可分为两个阶段:(1)GPS-RTK 测量图根点。RTK 的测量精度完全可以满足图根控制的要求,利用 RTK 进行控制测量既能实时知晓定位结果,还能实时知道定位精度,大大提高了作业效率 [6]。(2)碎部点数据采集。使用 RTK 和全站仪同时进行,这样不但能解决水平方向遮挡(全站仪视线) 问题,同样也解决了上方遮挡( 卫星信号) 问题,避免了因个别碎部点不通视而不得不搬站的影响 [4]。全站仪联合 GPS-RTK 进行数字测图基本流程如下图所示:图 2-1 全站仪联合 GPS-RTK 进行数字测图基本流程3 全站仪与 GPS-RTK 联合测图的实施3.1 测区概况测区位于莆田市石黄线附近的惠下村,地势平坦。面积约为 0.12KM2。其中房屋约为 0.02KM2,主要分布在村道两边,并且极为密集,测量难度大,作业时间为 1 天,作业人员为 3 人,测绘仪器为带基准站的 RTK(中海达 V30)一台,全站仪(拓普康 GTS-102N) 。本次测图比例为 1:5 0 0,等高距 0.5 m。平面坐标系统为 1980 西安坐标系,高程系统为 1985 国家高程系统。3.2 图根控制网布设与测定在测图前,使用 RTK 对至少 4 个已知点进行检验,误差均在限差范围内,表明利用 R T K 进行图根点的测量精度是可靠的。在测区均匀布设一定数量的图根点,并使用 RTK 测量出这些图根点的坐标,供测图使用。观测待定点之前设置机内精度阀值,设置点位中误差阀值为±2.0 cm,高程中误差阀值为±3.0cm ,并取 10 次平滑数据。将图根点前缀设为 T,我们共布设了 16 个图根点,即(T1, T2,…… T16) 。图根点坐标如表 3-1 所示:表 3-1 图根控制点坐标点号 X Y ZT1 2806185.274 410327.541 4.890T2 2806188.764 410351.681 4.928T3 2806192.335 410374.987 4.897T4 2806181.154 410296.638 4.819T5 2806176.727 410257.705 4.875T6 2806168.458 410176.398 4.655T7 2806152.018 410109.257 4.935T8 2806144.739 410076.902 5.078T9 2806081.433 410051.072 6.311T10 2806054.848 410061.514 6.501T11 2806077.645 410167.281 4.404T12 2806080.315 410266.319 4.543T13 2806101.675 410392.780 4.322T14 2806072.083 410377.034 4.462T15 2806041.41 410357.034 4.552T16 2806132.678 410395.628 4.32473.3 碎部测量3.3.1 基于 GPS-RTK 的碎部测量对于地势较平坦,四周无明显遮蔽物,且不存在较高建筑的情况下,可使用 RTK 快速作业。利用RTK 进行碎部测量,不必画草图,碎部点的记录存在特定的格式,这种格式包括点名、仪器高、编码,能被数字测图软件所识别,在进行图形编辑时就能被处理,在野外可实现一人一流动站的作业模式,与全站仪作业相比,节省了大量人力。3.3.2 基于全站仪的碎部测量对于 RTK 信号不佳的区域,如树木较高的区域,建筑物较高的区域。使用全站仪进行碎部点采集。由于本项目精度要求不高,此处采用斜距法(即边角法)测量,无需事先将图根点数据上传至全站仪中,使用假设坐标进行观测。(1)对中整平,量取仪器高;(2)全站仪开机界面,进入文件管理,建立文件名,并选择该文件作为碎部点存储文件;(3)照准地物特征点,输入特征点相应的编码,按下全站仪上的观测键进行观测采集数据。其中线状地物在采集第二个以上特征点时需要输入编码“+”或者“-”连接起来,以便内业成图时易于识别。3.4 数据传输与处理使用数字测绘数据处理系统(河南地质测绘院)软件进行数据传输,将采用的碎部点以.dat 格式输入计算机,输入过程中必须保持全站仪与软件的通讯参数一致(此处设置:协议:无 波特率:9600 数据位:8 位 奇偶位:无 停止位:1)图 3-1 碎部点坐标文件格式(左图为初始文件,右图为展点文件)上面左图为从全站仪中导出的原数据文件,右图为 CASS 展点所需要的数据格式,利用 RTK 测量的图根点与原数据文件使用相应的软件进行计算,即可得到右图所示的 CASS 展点所需要的格式。3.5 内业成图将转好格式的数据文件及 GPS-RTK 采集的数据以展点和简码识别的方式展到利用 CASS8.0 软件中,再根据外业所输入的编码根据《福建省 1:500 1:1000 1:2000 基本比例尺数字地形图测绘技术规定》中的表示方式进行编辑,连线成图。为了保证测图的质量及验证 GPS(RTK)测图的精度,将完成的地形图打印一份,到实地进行巡视,检查是否有漏测、错测现象,并利用仪器进行任意的打点检查,若有遗漏或者错测,则应该及时补测,并在内业图中改正过来。整个图形完成后,添加图框。图 3-2 为 CASS8.0 中为内业处理后的成果图。8图 3-2 惠下村项目成果图93.6 GPS-RTK 与全站仪联合测图的局限性(1)当卫星系统的位置是美国的最佳时,一些国家此时不能很好地覆盖卫星,容易出现假值。此外,在高山峡谷和茂密的森林,城市建成区的深处,卫星信号被阻断时间长,所以一天的工作时间可能会受到限制。采用 RTK 测量成果的质量控制方法可以发现假值问题。作业时间受限制可由选择作业时间来解决 [7]。(2)中午时分,由于电离层扰动较大份额的卫星太少,经常无法收到 5 颗卫星的相位信息,导致长时间甚至无法初始化初始化,就不能进行测量。在相同条件和相同位置进行 RTK 测量在上午 11:00之前和下午 3:30 之后,RTK 测量准,速度快,中午时刻 RTK 测量精度难以控制。(3)数据链路传输受干扰和作业半径比标称半径小。 RTK 数据链传输易高大山体障碍物如高大建筑物和各种高频信号源受干扰,传输过程中信号的衰减较为严重,严重影响量精度和工作半径 [8]。在山区地形起伏大和城镇楼区密集区数据链传输容易受限。有效的方法来解决这个问题就是要在测区较高点设置基准站。(4)初始化能力和初始化所需时间较长。在山区,在一些 GPS 卫星信号被阻挡较为严重的地区,极易造成失锁,有时在使用 RTK 作业需要频繁的重新初始化,这导致测量精度和效率受到影响。(5)某些地区会出现高程异常问题。(6)电力消耗较大。作业过程中的 RTK 耗电量大,需多个大容量的电池,以确保其能够连续作业。(7)精度和稳定性不够。在测量精度和稳定性上 RTK 不及全站仪,尤其是稳定性方面。这是由于 RTK 较容易受卫星状况、天气状况、数据链传输情况的影响 [9]。3.7 GPS-RTK 与全站仪联合测图时的注意事项(1)两个点检核容易出问题,且高程不易控制,而有多余点就可以进行检核。在测量时控制点检核应在三个点以上,且需均匀分布在测区中。(2)基准站架设点的选择应选择周边环境开阔、没有大面积水源、没有大功率的发射设备,如移动或者联通的基站、地势是否比较高等因素进行综合考虑。(3)在架设基准站时应考虑到电台的信号能否覆盖整个测区,如不能很好的覆盖整个测区,则应考虑增加基准站架设点的个数。(4)在作业前要仔细的检查电池的电量,否则可能导致工作中电量不足。外出作业时尽量多带一块电池备用。(5)在作业之前进行基座检校,测量成果的质量很大程度上决定于对中整平的好坏。(6)如使用 GSM/GPRS 作业的时候,在作业前要检查卡内的余额。(7)控制点测量是仪器必须保持对中和水平,控制点精度直接影响测量成果质量。(8)使用 RTK 点测量图根点,在全站仪进行测图需要进行必要的检核,以保证测图精度。4 数字测图的几种方法对比GPS-RTK 的诞生,势必造成全站仪与 GPS-RTK 的联合作业的局面,而全站仪与 GPS-RTK 的联合作业势必衍生出数字测图中各种测图方法,为了提高企业的经济效益以及迎合各个测区测量要求的不同,可以选择不一样的测图方式。以下几种测图方式均为各测绘企业较为常用的测图方式。4.1 边角法与坐标法边角法即利用全站仪的基本功能采集测站点与未知点的距离及相对于已知边的转向角,然后将采集数据传输至计算机中,最终借助数字制图软件绘制地形图的机助成图方法。坐标法是通过事先导入到全站仪内的测站和后视点坐标当场计算出碎部点坐标。然后经通讯接口将采集数据传输至计算机中,借助数字制图软件实现数字地形图的机助成图。10两种方法原理基本相同,主要区别在于坐标法需要事先测量图根控制点,并且在碎部测量之前需要将图根控制点坐标导入全站仪,作为起始数据。而边角法则可以先进行碎部测量再进行图根点测量。尤其是对于小型测绘项目,可以一边碎部测量,一边控制测量,外业完成后由内业处理计算碎部点数据。大大加提高了测图效率。表 4-1 即为两种方法的对比。表 4-1 边角法与坐标法测量对比测图方法 边角法 坐标法原始数据 测图前无需事先导入图根点至全站仪 测图前需要事先导入图根点至全站仪测图效率 定向检核速度较快 定向检核速度较慢检核 当场无法知晓控制点准确性,需内业检核 当场可检核控制点精度精度 低 高适用范围 对于精度要求较低的项目,可使用本方法提高测图效率 主要应用于精度要求相对高的项目,对不合格控制点及时检测4.2 编码法与传统草图法编码法测图是借助带编码格式的坐标数据进行自动绘图的,由计算机自动成图的一种数字测图方法。传统草图法进行数字测图时,不输入编码,直接测量碎部点,并根据碎部点点号和实地绘制相应的草图,供内业成图使用。两种方法的区别在于编码法在测图过程中已经将编码输入仪器中,内业成图时通过编码进行引导成图,而传统草图法则利用点号和外业工作时绘制的草图进行成图。编码法测图效率相对较高,但成图错误率较高,内业处理完成后需要再到实地进行检查修改。表 4-2 即为两种方法的对比。表 4-2 编码法与传统草图法测量对比测图方法 编码法 传统草图法外业观测时需输入相应地物的简码,测量线状地物需在该线状地物第二个特征点输入简码“+”或“-”连起来碎部点观测时无需输入编码,但需要绘制草图内业展点 内业展点后各地物均已基本成图,只需进行部分修改即可 内业展点至绘图软件后均为散点,需要在绘图软件中展如点号,并结合草图进行内业成图作业人数 2 人 至少 3 人测图效率 高 低适用范围 适用于大部分数字测图项目 适用于少部分要求较高的测区4.3 简码识别与编码引导简码识别采集数据时同时输入简编码,用“简码识别”成图。编码引导采集数据时输入相应简编码,内业时编辑引导文件( * .yd) ,用编码引导。两种方法皆为编码测图法,主要区别在于编码内容不同,简码识别法只需直接将外业工作时输入到仪器中的编码展进绘图软件中即可进行内业成图,编码引导法在绘图前需要编辑引导文件,将诸如“201”等编码转换成简码,用于成图。表 4-3 即为两种方法之间的对比。
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