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RTK技术在GIS数据采集中的应用

 

RTK技术在GIS数据采集中的应用

 

陈琦1 刘永启2

1无锡市测绘院有限责任公司,无锡市石皮巷2 214001

2武汉大学资源与环境科学学院,武汉市珞瑜路129 430079

 

摘要: RTK技术是GPS测量技术发展中的一个新突破,在很多领域已得到广泛的应用,目前在GIS数据采集中也有非常好的应用前景。本文阐述了RTK技术的原理和在GIS野外数据采集中作业的实施,以及RTK应用中应注意的几个关键技术及处理方法。

关键词:GISGPSRTK;数据采集

地理信息系统(GIS)是一种采集、储存、管理、分析和描述整个或部分地球表面(包括大气层在内)与空间和地理分布有关的数据的空间信息系统1。它是一门主要涉及地理学、测绘学、摄影测量与遥感、计算机科学等的交叉学科。从计算机的角度看,地理信息系统是有计算机硬件、软件、数据和用户4大要素组成,其中数据处于核心地位,在地理信息系统的构成中,硬件、软件和数据的比通常为127。由此可见,数据在地理信息系统中有着十分重要的地位,犹如GIS的血液。目前,获取空间数据的技术手段包野外数据采集、地图数字化、摄影测量、遥感图像处理、空间数据转换等。野外数据采集的方法有平板测量、全站仪(电子平板)测量和GPS测量等。

对于大比例尺的城市地理信息系统而言,野外数据采集是一个最主要手段。而平板测量和全站仪(电子平板)测量工作繁琐,需要人力多,精度和效率低。RTK测量很好地克服了以上两种测量方式的缺点,它具有定位速度快,定位精度高,节省人力,全天候观测,减轻观测员的劳动强度等诸多优点。因此,研究RTK技术在GIS数据采集中的应用有着重要的意义。

1  RTK技术的原理

 
现在已经普遍采用全球定位系统(Global Positioning System GPS)直接测量地面点的大地纬度和大地高度。GPS以其高精度、全天候、高效率、多功能、操作简便、应用广泛等特点著称。GPS测量工作的模式已有多种,如静态、快速静态、准动态和动态相对定位等。但是,利用这些测量模式,如果不与数据传输系统相结合,其定位结果均需在测后处理,所以以上各种测量模式,不仅无法实时地给出观测站的定位结果,而且也无法对基准站和用户站观测数据的质量,进行实时地检核,因而难以避免在数据后处理中发现不合格的测量成果,需要进行返工重测的情况。综合考虑实时动态测量的作业模式最适宜于地理信息系统的数据采集。

实时动态(Real Time Kinematic—RTK)测量技术,是以载波相位观测量为根据的实时差分GPSRTD GPS)测量技术,它是GPS测量技术发展中的一个新突破。RTK技术又称栽波相位差分技术,是实时处理两个测站载波相位观测量的差分方法。载波相位差分方法分为两类,一类是修正法,即将基准站的载波相位修正值发送给用户,改正用户接收到的载波相位,再解求坐标;另一类是差分法,即将基准站采集的载波相位发送给用户,进行求差解算坐标。可见修正法属准RTK,差分法为真正RTKRTK定位原理如图1所示:

实时动态测量的基本思想是:在基准站上安置一台GPS接收机,对所有可见GPS卫星进行连续观测,并将其观测数据,通过无线电传输设备实时地发送给用户观测站。在用户站上,GPS接受机在接受GPS卫星信号的同时,通过无线电接受设备,接受基准站传输的观测数据,然后根据相对定位的原理,实时地计算并显示用户站的三维坐标及其精度。这样,通过实时计算的定位结果,便可监测基准站与用户站观测成果的质量和解算结果的收敛情 况,从而可实时地判定解算结果是否成功,以减少冗余观测,缩短观测时间2


2  RTK采集GIS数据时的几个关键技术

RTK 涉及载波相位模糊度的求解,评定RTK采集数据质量的好坏取决于三个主要因素:精度、可靠性及求得固定解的时间。

根据多年使用RTK技术的经验,采集时有以下几个技术问题应注意:

2.1  RTK初始化

在开始RTK测量时,需首先在某一起始点上,静止地观测几分钟,进行初始化工作。有条件的话,应尽量复测已测过的几个点,以便检查初始化、基准站和流动站接受机的参数设置的正确性。因为当把接受机的数据传输到计算机中并进行数据处理时,接受机中的参数很容易人为地改变,而野外测量时又很难知道实时测量结果是否正确。

2.2  卫星信号失锁

在观测过程中,要保持对观测卫星的连续跟踪。一旦发生失锁,必须重新进行初始化。在卫星失锁的地方,静止地观测几分钟。完成初始化后,尽量回到附近测过的点上复测该点,以便检查接受机卫星信号的稳定性。

2.3  动态测量可靠性检查

在测量结束前,应在已测过的一个地物点上进行快速静态测量。要求GPS接受机在该点上静止地观测几分钟。在观测过程中,连同接受到的基准站的同步观测数据,实时地解算整周未知数和测量点的三维坐标。然后与动态测量结果相比较,因为与动态测量相比,静态测量的稳定性和精度都要高,这样又进一步检查了动态测量的结果。

2.4  RTK与全站仪联合测量

在影响GPS卫星信号接受的遮蔽地带,应使用全站仪、测距仪、经维仪等测量工具,采用解析法或图解法进行测量。这时,可以把以前测过的点作为图根控制点,全站仪直接在点上设站观测。

2.5  RTK的应用范围

在目前条件下,流动站距基准站的距离一般不超过20km。但是随着数据传输设备性能和可靠性的不断完善和提高,数据处理软件功能的增强,这个距离将会不断地扩大。

2.6  数据采集后的处理

一天数据采集完毕后,尽量当天处理原始数据并输出各种GIS格式的GIS数据。后处理软件的功能很重要,它输出的GIS格式一定要满足所采用的GIS的数据格式。此外后处理软件的处理精度也一定要认真检查和考核,以满足GIS数据库所要求的精度。

3  RTK技术在GIS数据采集中的应用

利用RTK技术进行野外作业时,仅需一人背着仪器在待测的特征点上呆上一、二秒钟并同时输入特征编码,通过电子手簿或便携机记录,在点位精度合乎要求的情况下,把一个区域内的地形地物点位测完后回到室内或在野外,有专业测图软件可以输出所要求的图件。用RTK技术测定点位不要求点间通视,甚至可以不布设各级控制点,仅依据一定数量的基准控制点,便可高精度并快速地测定目标点的坐标。目前应用RTK技术进行实时定位可以达到厘米级的精度。

RTK技术在GIS数据采集中的应用主要有以下几个方面:GIS空间基础数据的采集;地形数据的局部修测;公路数据的采集与更新;边界数据的采集与更新;周期性数据的采集;为GIS提供实时定位信息等。

现就用于公路数据采集与更新中的应用加以具体说明。在地理信息系统中,有关公路尤

其是高级公路的数据,包括公路横断面和纵断面以及中心线等数据。GPS技术非常适合于公路信息的采集工作。横断面数据的采集以利用GPS的准动态观测模式为宜。横断面测量一般每隔一定的间隔采集一个数据。公路纵断面数据信息的采集,可利用动态GPS定位技术,特别是RTK技术。采集公路纵断面数据信息时,一般沿公路的左边线、右边线和中心线连续地采集断面点的坐标信息。如果应用传统的采集方法,需沿着公路断面线每隔20m采测一个点[3]。与之相比,RTK技术的一个明显的优势是它能以更高的采样密度采集断面点的平面坐标和高程信息,从而可以获得更为逼真的公路断面图。以我们过去采集的公路数据为例说明RTK技术的应用。

3.1  仪器设备

五台Trimble 4400GPS接收机(包括接收机控制器和天线等),五台TrimmarkII电台(包括发射接收天线)。

3.2  实测方法

在采集工作的前一天,我们进行了星历预测,对卫星的运转预先了解,以便利用最佳时段进行观测。野外工作时,由一台接收机和一台电台组成基准站,架设在一个已知坐标的参考点上,另四台接收机和电台组成流动站,对地面上各特征点和地形变化点进行测量,建立与基准站之间的矢量关系,测量人员只需五名,具体分工为:一人看守主站,一人进行中桩放样和中桩纵断面数据采集,其余三人进行横断面的数据采集。 经过初始化等准备工作。即可利用Trimble手薄(TSC1)中的放样测量和数模功能,进行放样和数据的采集工作,放样单点的定位时间为5秒(不包括行走的时间),定位精度为±3厘米;纵、横断面的数据采集时间为1秒(最短为0.5秒),定位精度为±5厘米;电台工作半径为10Km(实际中最大使用过3.1Km)所收集到的全部数据将自动存贮在Trimble手薄(TSC1)中,完成了外业数据采集。

3.3    数据处理

我们利用美国天宝导航有限公司(Trimble Navigation Limited)的TRIMMAP软件在微机上进行数据的处理工作。其主要工作程序如下:

 

1)数据导入:将Trimble手薄(TSC1)中的数据传输到计算机中。

2)数据分离:对观测点进行筛选,删除不必要的观测点。

3)建立等高线和三角网图形。

4)建立三维立体数字化模型。

5)生成等高线图和数字化地面模型。

6形成纵断面数据文件。

7)形成横断面数据文件。

4   

数据采集是建立GIS的最大投资消耗,一般而论,地理信息系统数据库的建设占整个系统建设投资的70%以上,并且这种比例在近期内不会有明显的改变。GIS数据采集在很大程度上存在现势性差,精度不高的问题,影响了GIS决策的可信度。而RTK用于GIS的数据采集能很好地避免这样的问题,尤其当GIS数据库需要更新时,RTK测量有着无可比拟的优越性。

但是RTK测量的卫星信号受环境影响很大,稳定性较差,一期投资大。不过随着数据传输设备性能和可靠性的不断完善和提高,数据处理软件功能的增强,RTK用于GIS中的数据采集将越来越广泛。

参考 文 献

1  龚健雅,地理信息系统基础.北京:科学出版社,2001

2  徐绍铨,张华海,杨志强,王泽民.GPS测量原理及应用.武汉:武汉测绘科技大学出版社,1998

3 王劲松,刘新亮,梁光华. RTK在公路工程中的一些技术问题.公路与汽运.2002,(6).-40-42

4    鹏,黄杏元,华一新.地理信息系统教程.武汉:武汉大学出版社,2002

5    伦,张  晶,赵  .地理信息系统.北京:电子工业出版社,2002

6  李夕银.GPSGIS数据采集中的应用.测绘通报,2002,(5):-23-24,28

7  尤红建,李树楷.GPS采集GIS数据的原理及应用.测绘科技动态,1997,(1):-35-38,51

 



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