利用GNSS RTK高程拟合代替四等水准的可行性分析
作者:必高测绘人才网 来源:勘测联合网 日期:2018-05-17 浏览

摘 要:结合生产实际,将RTK 测量的高程拟合数据和传统的四等三角高程数据进行对比,并总结了相关的精度指标。结果表明,利用网络RTK 水准能达到四等水准的精度要求,思路明确、条例清楚,论据充分,有一定的经济和社会价值,值得推广。


关键词:GNSS ;RTK ;精度分析


随着GNSS 技术的发展,区域性的CORS 和单基站RTK 技术不断得到推广。这两项技术因覆盖范围和信号发送的介质不一样而有所区别,但从技术上来分析,二者都是利用差分信号进行精确定位,均属于实时动态测量技术。随着RTK 技术的不断普及和相关技术规范的出版,传统的一级二级导线测量逐步被RTK 替代,但在测绘项目生产中四等高程控制测量仍采用四等三角高程来施测,该方法虽相对于几何水准在进度上有所提高,但始终无法在更短的时间内获得测区控制点的高程数据。本文探讨了利用RTK 方法并结合高程拟合进行四等水准测量的精度。结果表明,利用GNSS 拟合高程完全能达到四等水准的精度要求。


1 RTK 工作原理


RTK 是以载波相位观测为依据的实时差分GPS 技术,是测量技术发展里程中的一个突破,由基准站接收机、数据链或无线电传输设备以及流动站接收机3 部分组成[1] 。根据覆盖范围的大小,RTK 测量方法可分为单基站RTK 和网络RTK,但二者的基本原理是完全一致的。


其工作原理和流程主要为[2]  :

①在基准站上安置1 台接收机为参考站,对卫星进行连续观测,并将其观测数据和测站信息通过数据链或无线电传输设备实时地发送给流动站;


②流动站GNSS 接收机在接收GNSS卫星信号的同时,通过无线接收设备接收基准站传输的数据;


③根据相对定位原理,实时解算得到流动站相对于基准站的三维坐标差及其精度(即基准站和流动站的坐标差ΔX、ΔY、ΔH,加上基准坐标得到各点的WGS84 坐标);


④通过测量的控制点计算坐标转换参数得出流动站各点的平面坐标X、Y 和海拔高H。


2 RTK 测量的特点


相对于传统测量技术,RTK 技术有以下特点:

1)观测站间无需通视。传统测量方法通过光学测量获取测站间的角度、距离等主要测量要素,所以必须要求观测站之间有良好的通视条件,而RTK 技术接收的是基站信号和基于卫星星座的GNSS 信号,所以观测站间无需通视,只需保证测站附近的开阔度即可,使得实际生产中对测站点的选择更具可操作性。


2)测量方法简便。相对于传统导线测量来说,RTK 实时差分定位是一种能在野外实时得到cm 级定位精度的测量方法,它的出现极大地提高了野外作业效率。野外数据无需太多检核条件,只需对比每测回获得的坐标数据较差即可得知成果是否符合技术要求。


3)测量全天候。由于RTK 技术接收的是基站信号和基于卫星星座的GNSS 信号,因此只要能保证主要基站信号和电源,RTK 测量就可如期进行,不受雾天或烈日等天气条件的影响。


4)定位精度高。在传统RTK 作业模式下,基准站是通过数据电台将观测值和测站坐标信息一起传送给流动站的,流动站接收来自基准站的数据,并采集GNSS 观测数据进行实时处理,其定位精度可达1~2 cm。


3 RTK 拟合高程精度分析


3.1 项目基本情况

2016 年5 月某经济开发区1 ∶ 500 地形测量项目测绘总面积为20 km, 测区内共有18 个能控制整个测区的四等GNSS 控制点,55 个均匀分布的一级RTK 控制点。项目使用的仪器包括中海达V90 GNSS 接收机6 台套, 接收机RTK 平面标称精度为±(10 mm+1 mm×D×10-6 ), 高程标称精度为±(20 mm+1 mm×D ×10-6) ;Leica TS02 2" 级全站仪1 台套,角度测量标称精度为±2",距离测量标称精度为±(2 mm+2 mm×D ×10-6)。利用RTK 采集测区内73 个控制点的平面和高程数据,为保证高程数据质量,利用全站仪和四等三角高程测量方法获得73 个控制点的高程数据。


利用TS02 进行四等三角高程测量时,根据工程测量规范要求[3] ,采用对象观测方式进行每点3 个测回的垂直角观测,各测回的指标差互差均小于7",各测回较差均小于7" ;距离观测2 测回,各测回4 次读数,读数互差小于10 mm ;测回中数之间的互差小于15 mm。项目线路形成结点网状,最终利用清华山维对数据进行平差,平差后高程观测权中误差为±0.005 m,满足规范要求的±0.010 m。


利用RTK 测量时,根据CH/T 2009-2010《全球定位系统实时动态测量(RTK)技术规范》[4]  要求,对控制点采集4 测回,每测回采集30 次,每次采样间隔为2"。实际测量中各次测量的大地高较差均小于2 cm,RTK 高程收敛精度均小于1 cm。利用项目中的19 个点进行坐标参数解算,并采用平面拟合模型和18 个四等GNSS 点的高程数据获得55 个一级RTK 控制点的拟合高程,最终对拟合高程和四等三角高程数据进行对比分析。平面坐标转换后,18 个四等GNSS 点的最大残差为±0.019 m,满足规范要求,高程拟合后控制点的最大高程残差为±0.043 m。


3.2 精度分析

1)内符合精度。将各点4 次高程观测值取均值后,对比点与点之间的高差,并与四等三角高程测量的对应点高差进行对比,计算RTK 测量的内符合精度以验证RTK 测量的稳定性。由于相对高差数量采用两两组合的方式过多,若全部枚举则数据过多,最终选取52 对相对高差数据进行分析,详细数据统计见表1。


通过对比数据可知,RTK 原始测量的高差与四等三角高程测量的高差之差的最大值为-0.059 m,最小值为-0.002 m,根据GB/T 24356-2009《测绘成果检查与验收》[5] §4.3.5 节规定,按同精度检测公式计算以上高差之差的中误差为±0.018 m。从较差和精度数据来看,RTK 观测的高差较可靠,说明RTK 观测原始数据较稳定。


2)外符合精度。将各点的RTK 拟合高程与四等三角高程测量的结果进行对比,统计RTK 拟合高程的外符合精度,以验证RTK 拟合高程结果的精度,详细统计表见表2。


表1 RTK 拟合高程的内符合精度统计表/m


通过以上对比数据,RTK 拟合高程与四等三角高程测量高程较差的最大值为-0.046 m,最小值为-0.000 m,根据GB/T 24356-2009《测绘成果检查与验收》[5] §4.3.5 节的规定,按同精度检测公式计算以上高程较差的中误差为±0.015 m,说明RTK 拟合高程数据可靠。


表2 RTK 拟合高程的外符合精度统计表/m


4 结 语


综上所述,RTK 原始测量的高差和RTK 高程拟合后的高程均能满足规范要求,说明利用RTK 结合一定的高程拟合模型能替代四等三角高程测量。通过笔者参与的其他项目应用可知,利用RTK 高程拟合方式进行低等级高程控制时,需尽量满足以下条件[3] 


1)高等级控制点需覆盖全测区,且测区内的高等级控制点必须联测四等以上的高程;


2)采用该方法时,若测区为类似公路的条带状,则联测的GNSS 点应分布于测区两端和中部;


3)根据规范要求,地形高差变化较大的地区应适当增加联测的已知点数;


4)地形趋势变化明显的大面积测区宜采用分区拟合的方法;


5)RTK 拟合高程的最大误差为仪器高测量误差,因此测量时需认真核实天线高和天线量测位置;


6)在进行RTK 拟合高程前,需进行平面坐标参数解算,且解算精度应达到相应规范要求。


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