RTK测量对传统大地测绘方法的影响及精度分析
来源：《测绘与空间地理信息》2017年4月
作者：贾桂宝，容金宏，席玉国，景文凯
摘要：随着RTK测量技术的不断发展，其在测量模式、效率及精度等方面都对传统大地测绘方式提出了挑战，而且其特殊的基站与流动站测量模式使某些工程测量手段的实现更加方便有效。本文从RTK定向、替代导线测量、工程放样、地形图测量等几个方面对RTK技术方法的应用进行了概述，通过对比分析实验数据得出了两种测量方式的效率和精度特点。
关键词：RTK;传统大地测绘;对比;精度
0 引言
GPS RTK(Real Time Kinematic)技术又称载波相位动态实时差分技术，它能够实时地提供测量点在指定坐标系中的三维坐标(算，Y，z)，并能够达到厘米级的精度。由于RTK技术在野外作业时能够实时提供测量点的三维坐标，具备灵活、快速、省时、省力及精度高等优点，能极大地提高工作效率⋯。大量工程实践证明：RTK技术能够替代常规控制测量，如一、二级导线测量，图根控制测量，四等水准测量等。目前，该技术已广泛应用于地形测量、航空摄影测量、地籍测量、勘界与征地测量、工程测量等各个领域。本文主要针对RTK在测量方式、测量精度方面对传统测量方法的影响及双方互补等问题进行分析对比。
1 RTK定向
传统大地测量中，定向是全站仪测量准备工作的首要步骤，其主要目的是建立待测区域在相应坐标系中的相应关系，从而达到联测的目的，工作原理如图1所示(4、曰为控制点)拉1。全站仪测量定向需要2个已知点，且需通视。测绘标志点稀疏，而且许多控制点已经毁坏，测区往往仅有一个控制点，使用全站仪进行测量无法定向。传统解决方法是借助GPS控制测量与水准测量在测区引入其他控制点，然后利用引入点才能进行定向。
图1全站仪定向测量示意图
随着RTK测量技术的广泛使用，其单基准站与流动站的测量特点，使在测区进行单基准点进行点位测量成为可能，进而利用即时测量的控制点进行定向。定向的基本原理：当测区范围内仅有1个控制点时，可将基准站架设在已知点上(也可选任意位置架设)，利用流动站精确测量临时控制点，进而用全站仪采用单基准点与临时控制点进行定向，然后进行待测点的测量。这种GPSRTK与全站仪配合使用，省去了以往需要进行GPS静态测量、水准测量等大量工作引入控制点进行定向，解决了以往在实际测量工作中测区仅有一个控制点时无法进行全站仪控制测量的问题，在实际测量工作中具有积极的意义。
另外，对于某些建立独立坐标系的控制区域，例如RTK定向在地质物探线放样等方面具有重要意义。因为物探线布设往往需要在测区某一方向上布设点位，这对于传统解决方法意味着需要在测区至少引入2个控制点才能确定所需方向线，大大降低了工作效率。但对于RTK测量方法只需在测区任意位置建立起RTK测量系统(不需要已知控制点)，流动站测量的两点计算得到点与点的方位角，建立起物探测区的方向线，然后可用RTK直接放样点位或用全站仪放样。同时，需要注意的是：建立RTK测量系统需注意坐标系的问题，即测量坐标系与RTK测量坐标系一致，例如在利用RTK定向过程中，由于RTK平面测量精度为厘米级且在作用距离范围内(作业半径一般为10 km)测量误差独立性、一致性的特点，保证了定向精度，如果是在离控制点1 m距离处测量定向点(距离越近定向误差越大)，RTK测量横向误差对定向的误差影响仅为0.5”，这对于定向精度来说可以忽略。
2 替代导线测量
GPS在测绘领域中的应用主要在高精度的大地测量和工程控制测量，而今GPS RTK(实时动态)模式，以其快速实时和操作便捷，使得GPS应用范围变得越来越广。常规控制测量通常要分级布网、逐级加密，还要考虑有较好的网形结构等。如各等级导线测量，不仅要构成一定的网形，至少两点之间必须通视，才能进行导线施测，即便是在不需要布设控制点的地区，为了导线点间传递和网形，还必须布设和测量导线点，因此增加了许多不必要 的工作。而采用GPS RTK技术，就可直接在所需点位的测区进行布设和测量，节省了不少工作量。
RTK替代导线测量原理：基准站和流动站同时接收卫星信号，基准站将接收到的卫星信号通过基准站电台发送到流动站，流动站将接收到的卫星信号与基准站发来的信号传输到控制手簿进行实时差分及平差处理，实时得到本站的坐标和高程及其精度指标等，并随时将实测精度和预设精度指标进行比较，一旦实测精度达到预设精度指标的要求，手簿将提示测量人员是否接受该成果，如接受，手簿将测得的坐标、高程及精度同时存储到手簿中。
以某测区城镇环境1：500地形图测量为例，用RTK测量直接代替导线控制测量进行图根控制测量，测区共布设1 500余个图根控制点，经过对最终地形图成果进行检验，满足《城市测量规范》中地形点误差不大于±17 cm的规范要求，精度检验结果见表1。
表1平面和高程精度检验结果(单位：m)
注：z、Y、z、z分别为纵坐标、横坐标、高程、距离的中误差。
总的来说，RTK替代导线测量优势主要有以下两点：
1)高效、精度高。通过粗略估计，导线测量布设图根点工作计划为20 d左右，采用RTK布设全测区实际工作日为7 d左右。
2)简单易行。用RTK取代导线测量最大的优势在于即时放样，对于隐蔽区域，可随时进行放样图根点，避免了测一个碎部点就要进行导线点的传递测量。
3 地形图测量
与以往传统测图技术相比，RTK测图操作简便、高效，尤其打破了以往“先控制再碎部”测量原则，无须进行次级控制测量而直接采集碎部点，大大提高了工作效率。另外，在戈壁荒漠中，由于地形测量区域没有明显的地物参考，测量区域的判定对于传统测量方式是突出的问题，扩大测量区域无形中增加测量工作量，减少测量区域则往往不能达到实际工程需求，而RTK测量则能实时观测到测区范围信息，顺利解决了这一问题。与传统控制测量相比，GPS RTK测量具有效率高、误差累积少(各流动站之间不存在误差累积)的优点，在一些精度要求不太高的控制测量中被广泛应用。RTK在点状地物、现状地物和面状地物测量的同时，可输入地物属性，在内业处理中就可以轻松识别测量地物的属性信息，给内业制图提供了方便口o。RTK在碎部测量中，用RTK进行地形测图碎部测量可以不进行图根控制而直接根据分布在测区的一些基准点进行各碎部点的测量，只需安置好基准站并输入必要的已知数据(基准点坐标、参考点坐标等)后即可进行碎部测量。RTK碎部测量与传统全站仪测量的人员配备不同，传统全站仪测量一个作业组至少3人，RTK测量只需一人在碎部点上停留观测2—3 S。同时RTK测量可以全天候进行，并且可以多个流动站同时进行碎部测量，效率可以成倍提高，而传统全站仪测量虽然一组可以多人跑镜但只能一人操作仪器，因而其速度提高是有限的。此外，传统全站仪测图需频繁搬站，消耗大量时间。而RTK测量则不受基准站和流动站之间的地物影响，设一基准站后可在半径10 km内采集任意碎部点(在能观测到4颗以上GPS卫星的前提下)。
结合以往使用RTK技术在地形图测绘中的应用，在提高成果精确性和可靠性方面总结以下几点：
1)对于在城市空旷区、山地地形测量等能充分满足RTK接收机数据采集要求的地区，RTK能快速完成碎部测量作业;但在建筑物密集、树林稠密的地区，会使RTK初始化速度大大降低或者出现失锁现象，可以采用RTK施测图根控制点，再利用全站仪测量。这种GPS RTK+全站仪测量碎部点的方法，能快速完成野外作业，两种作业方法能互相补充、取长补短，以最大限度地发挥各自的优势。
2)在利用RTK技术施测图根控制点时要充分考虑保证RTK高程控制数据的质量。在外业观测时，观测条件要求比碎部点高，注意及时与已知点高程校核，采用合适的数据处理方法剔除粗差。
3)初始化速度决定着RTK测量的速度，在山区、林区或建筑物密集区，GPS信号受到一定的影响，容易造成失锁现象，需要重新初始化，大大降低了测量的精度和生产效率，解决这个问题的方法主要选用初始化能力强、初始化时间短的RTK机型。
4 工程放样
工程放样是工程测量的一个分支，其主要任务是按照设计和施工的要求，将图纸上设计建(构)筑物的点位，在现场标定出来。现阶段平面施工放样常采用全站仪极坐标法或RTK坐标法进行放样H1。施工放样技术具有测量精度高，仪器的集成化、自动化和智能化程度高等优点。
传统的放样方法利用距离、角度等参数进行放样，放样精度往往取决于作业人员的专业素质、经验以及观测员和跑镜员的相互配合，点位放样效率比较低垆-。利用RTK放样不但克服了传统放样法和坐标放样法的缺点，而且具有观测时间短、精度高、无须通视、现场给出精确坐标等优点。如图2、图3所示，RTK技术可放样点、直线、弧段等信息，而且在操作过程中，GPS操作手簿会对操作员有详细的提示信息，以便于快速方便地定位。另外，操作员还可将设计好的点、直线的参数信息上传到操作手簿上，改变了以往手工录入的放样方法。
图2建立任务示意图
5 RTK测量在摄影地形图测量中的应用
航片制图外业主要工作之一是像控点测量，即根据像片上室内布点方案，在实地结合划定的影像确定像控点的位置，其一般采用GPS静态测量和水准测量方式分别进行平面控制测量和高程控制测量，特别是水准测量在山区进行作业相当艰苦，且工作量大、效率低、作业周期长。根据以往测绘经验，在航空摄影外业控制测量中GPS静态观测和水准测量占主要工作量的90%以上。但随着RTK技术的迅猛发展，它以高精度、高效率以及误差独立性等特点在像控点测量等方面得到了广泛应用，大大缩短了外业工作时间。
一般来讲，像平面和高程控制点对于附近国家等级三角点或高级地形控制点的平面位置不超过图上±0.1 mln，高程控制点不超过1/10基本等高距。以测绘平地l：10 000地形图为例，平面位置不超过±l m、高程不超过±0.1 m即可达到规范要求，由于RTK测量实时定位精度可达到厘米级，所以用RTK测量像控点的平面和高程完全可能符合测量要求。但需要说明的是，RTK测高在复杂地形(如高山)条件下达到其标称精度，由于高程异常的影响，必须要有测区符合条件的控制点进行点校正才能达到预期目的。
以某地区1：10 000航空摄影测图为例，用RTK完成丘陵地形、山区地形的部分像控点精度检测，将测量值与常规方法测量像控点的测量值进行对比，检验结果见表2、表3、图4以及图5。
表2 RTK丘陵地形像控点精度检测(单位：m)
表2、图4检验数据表明：丘陵地形RTK测量与常规方法测量像控点对比纵坐标最大差值为4 cm，横坐标最大差值为3 cm，高程最大差值为3.2 cm。检测结果表明，只要在测区范围做好RTK工地校正，其测量精度在丘陵地形可以达到常规测量方法的精度，用RTK测量技术测量像控点在丘陵地形中是可行的。
表3、图5检验数据表明，高山地形RTK测量与常规方法测量像控点对比纵坐标最大差值为5.6 em，横坐标最大差值为7.2 em，高程最大差值为7.68(3m。检测结果表明：只要在测区范围做好RTK工地校正，其测量精度在高山地形可以基本达到常规测量方法精度，用RTK测量技术测量像控点在山区地形中是可行的。
通过以上山区、丘陵两种较为复杂地形条件下用RTK测量方法对像控点进行测量的数据分析，得出利用RTK进行像控点测量可达到传统测量方法同等精度的结论，而在效率方面RTK测量使得我们的测量工作更加简便，其效率是传统测量方式的数倍，在这方面RTK测量将有更大的发展空间。
6 结束语
GPS RTK定位技术相比常规测量及静态GPS测量来说，其作业效率大大提高，在许多工程测量领域可完全替代常规测量，并且从效率、精度、作业方式等方面对常规测量作业方式有了很好的改进。只要选择高精度、抗干扰性强的RTK测绘仪器，通过全面的质量保证措施，就能得到更加稳定可靠的高精度成果，相信其应用前景会更加广阔。
参考文献：（略）
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