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RTK技術(shù)在GIS數(shù)據(jù)采集中的應用

RTK技術(shù)在GIS數(shù)據(jù)采集中的應用

陳琦¹ 劉永啟²

（1無錫市測繪院有限責任公司，無錫市石皮巷2號 214001）

（2武漢大學資源與環(huán)境科學學院，武漢市珞瑜路129號 430079）

摘要： RTK技術(shù)是GPS測量技術(shù)發(fā)展中的一個新突破，在很多領(lǐng)域已得到廣泛的應用，目前在GIS數(shù)據(jù)采集中也有非常好的應用前景。本文闡述了RTK技術(shù)的原理和在GIS野外數(shù)據(jù)采集中作業(yè)的實施，以及RTK應用中應注意的幾個關(guān)鍵技術(shù)及處理方法。

關(guān)鍵詞：GIS；GPS；RTK；數(shù)據(jù)采集

地理信息系統(tǒng)（GIS）是一種采集、儲存、管理、分析和描述整個或部分地球表面（包括大氣層在內(nèi)）與空間和地理分布有關(guān)的數(shù)據(jù)的空間信息系統(tǒng)¹。它是一門主要涉及地理學、測繪學、攝影測量與遙感、計算機科學等的交叉學科。從計算機的角度看，地理信息系統(tǒng)是有計算機硬件、軟件、數(shù)據(jù)和用戶4大要素組成，其中數(shù)據(jù)處于核心地位，在地理信息系統(tǒng)的構(gòu)成中，硬件、軟件和數(shù)據(jù)的比通常為1：2：7。由此可見，數(shù)據(jù)在地理信息系統(tǒng)中有著十分重要的地位，猶如GIS的血液。目前，獲取空間數(shù)據(jù)的技術(shù)手段包野外數(shù)據(jù)采集、地圖數(shù)字化、攝影測量、遙感圖像處理、空間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換等。野外數(shù)據(jù)采集的方法有平板測量、全站儀（電子平板）測量和GPS測量等。

對于大比例尺的城市地理信息系統(tǒng)而言，野外數(shù)據(jù)采集是一個最主要手段。而平板測量和全站儀（電子平板）測量工作繁瑣，需要人力多，精度和效率低。RTK測量很好地克服了以上兩種測量方式的缺點，它具有定位速度快，定位精度高，節(jié)省人力，全天候觀測，減輕觀測員的勞動強度等諸多優(yōu)點。因此，研究RTK技術(shù)在GIS數(shù)據(jù)采集中的應用有著重要的意義。

1 RTK技術(shù)的原理

現(xiàn)在已經(jīng)普遍采用全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System， GPS）直接測量地面點的大地緯度和大地高度。GPS以其高精度、全天候、高效率、多功能、操作簡便、應用廣泛等特點著稱。GPS測量工作的模式已有多種，如靜態(tài)、快速靜態(tài)、準動態(tài)和動態(tài)相對定位等。但是，利用這些測量模式，如果不與數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)相結(jié)合，其定位結(jié)果均需在測后處理，所以以上各種測量模式，不僅無法實時地給出觀測站的定位結(jié)果，而且也無法對基準站和用戶站觀測數(shù)據(jù)的質(zhì)量，進行實時地檢核，因而難以避免在數(shù)據(jù)后處理中發(fā)現(xiàn)不合格的測量成果，需要進行返工重測的情況。綜合考慮實時動態(tài)測量的作業(yè)模式最適宜于地理信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集。

實時動態(tài)（Real Time Kinematic—RTK）測量技術(shù)，是以載波相位觀測量為根據(jù)的實時差分GPS（RTD GPS）測量技術(shù)，它是GPS測量技術(shù)發(fā)展中的一個新突破。RTK技術(shù)又稱栽波相位差分技術(shù)，是實時處理兩個測站載波相位觀測量的差分方法。載波相位差分方法分為兩類，一類是修正法，即將基準站的載波相位修正值發(fā)送給用戶，改正用戶接收到的載波相位，再解求坐標；另一類是差分法，即將基準站采集的載波相位發(fā)送給用戶，進行求差解算坐標?？梢娦拚▽贉?/span>RTK，差分法為真正RTK。RTK定位原理如圖1所示：

實時動態(tài)測量的基本思想是：在基準站上安置一臺GPS接收機，對所有可見GPS衛(wèi)星進行連續(xù)觀測，并將其觀測數(shù)據(jù)，通過無線電傳輸設(shè)備實時地發(fā)送給用戶觀測站。在用戶站上，GPS接受機在接受GPS衛(wèi)星信號的同時，通過無線電接受設(shè)備，接受基準站傳輸?shù)挠^測數(shù)據(jù)，然后根據(jù)相對定位的原理，實時地計算并顯示用戶站的三維坐標及其精度。這樣，通過實時計算的定位結(jié)果，便可監(jiān)測基準站與用戶站觀測成果的質(zhì)量和解算結(jié)果的收斂情況，從而可實時地判定解算結(jié)果是否成功，以減少冗余觀測，縮短觀測時間²。

2 RTK采集GIS數(shù)據(jù)時的幾個關(guān)鍵技術(shù)

RTK 涉及載波相位模糊度的求解，評定RTK采集數(shù)據(jù)質(zhì)量的好壞取決于三個主要因素：精度、可靠性及求得固定解的時間。

根據(jù)多年使用RTK技術(shù)的經(jīng)驗，采集時有以下幾個技術(shù)問題應注意：

2.1 RTK初始化

在開始RTK測量時，需首先在某一起始點上，靜止地觀測幾分鐘，進行初始化工作。有條件的話，應盡量復測已測過的幾個點，以便檢查初始化、基準站和流動站接受機的參數(shù)設(shè)置的正確性。因為當把接受機的數(shù)據(jù)傳輸?shù)接嬎銠C中并進行數(shù)據(jù)處理時，接受機中的參數(shù)很容易人為地改變，而野外測量時又很難知道實時測量結(jié)果是否正確。

2.2 衛(wèi)星信號失鎖

在觀測過程中，要保持對觀測衛(wèi)星的連續(xù)跟蹤。一旦發(fā)生失鎖，必須重新進行初始化。在衛(wèi)星失鎖的地方，靜止地觀測幾分鐘。完成初始化后，盡量回到附近測過的點上復測該點，以便檢查接受機衛(wèi)星信號的穩(wěn)定性。

2.3 動態(tài)測量可靠性檢查

在測量結(jié)束前，應在已測過的一個地物點上進行快速靜態(tài)測量。要求GPS接受機在該點上靜止地觀測幾分鐘。在觀測過程中，連同接受到的基準站的同步觀測數(shù)據(jù)，實時地解算整周未知數(shù)和測量點的三維坐標。然后與動態(tài)測量結(jié)果相比較，因為與動態(tài)測量相比，靜態(tài)測量的穩(wěn)定性和精度都要高，這樣又進一步檢查了動態(tài)測量的結(jié)果。

2.4 RTK與全站儀聯(lián)合測量

在影響GPS衛(wèi)星信號接受的遮蔽地帶，應使用全站儀、測距儀、經(jīng)維儀等測量工具，采用解析法或圖解法進行測量。這時，可以把以前測過的點作為圖根控制點，全站儀直接在點上設(shè)站觀測。

2.5 RTK的應用范圍

在目前條件下，流動站距基準站的距離一般不超過20km。但是隨著數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備性能和可靠性的不斷完善和提高，數(shù)據(jù)處理軟件功能的增強，這個距離將會不斷地擴大。

2.6 數(shù)據(jù)采集后的處理

一天數(shù)據(jù)采集完畢后，盡量當天處理原始數(shù)據(jù)并輸出各種GIS格式的GIS數(shù)據(jù)。后處理軟件的功能很重要，它輸出的GIS格式一定要滿足所采用的GIS的數(shù)據(jù)格式。此外后處理軟件的處理精度也一定要認真檢查和考核，以滿足GIS數(shù)據(jù)庫所要求的精度。

3 RTK技術(shù)在GIS數(shù)據(jù)采集中的應用

利用RTK技術(shù)進行野外作業(yè)時，僅需一人背著儀器在待測的特征點上呆上一、二秒鐘并同時輸入特征編碼，通過電子手簿或便攜機記錄，在點位精度合乎要求的情況下，把一個區(qū)域內(nèi)的地形地物點位測完后回到室內(nèi)或在野外，有專業(yè)測圖軟件可以輸出所要求的圖件。用RTK技術(shù)測定點位不要求點間通視，甚至可以不布設(shè)各級控制點，僅依據(jù)一定數(shù)量的基準控制點，便可高精度并快速地測定目標點的坐標。目前應用RTK技術(shù)進行實時定位可以達到厘米級的精度。

RTK技術(shù)在GIS數(shù)據(jù)采集中的應用主要有以下幾個方面：GIS空間基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的采集；地形數(shù)據(jù)的局部修測；公路數(shù)據(jù)的采集與更新；邊界數(shù)據(jù)的采集與更新；周期性數(shù)據(jù)的采集；為GIS提供實時定位信息等。

現(xiàn)就用于公路數(shù)據(jù)采集與更新中的應用加以具體說明。在地理信息系統(tǒng)中，有關(guān)公路尤

其是高級公路的數(shù)據(jù)，包括公路橫斷面和縱斷面以及中心線等數(shù)據(jù)。GPS技術(shù)非常適合于公路信息的采集工作。橫斷面數(shù)據(jù)的采集以利用GPS的準動態(tài)觀測模式為宜。橫斷面測量一般每隔一定的間隔采集一個數(shù)據(jù)。公路縱斷面數(shù)據(jù)信息的采集，可利用動態(tài)GPS定位技術(shù)，特別是RTK技術(shù)。采集公路縱斷面數(shù)據(jù)信息時，一般沿公路的左邊線、右邊線和中心線連續(xù)地采集斷面點的坐標信息。如果應用傳統(tǒng)的采集方法，需沿著公路斷面線每隔20m采測一個點^[3]。與之相比，RTK技術(shù)的一個明顯的優(yōu)勢是它能以更高的采樣密度采集斷面點的平面坐標和高程信息，從而可以獲得更為逼真的公路斷面圖。以我們過去采集的公路數(shù)據(jù)為例說明RTK技術(shù)的應用。

3.1 儀器設(shè)備：

五臺Trimble 4400型GPS接收機（包括接收機控制器和天線等），五臺TrimmarkII電臺（包括發(fā)射接收天線）。

3.2 實測方法：

在采集工作的前一天，我們進行了星歷預測，對衛(wèi)星的運轉(zhuǎn)預先了解，以便利用******時段進行觀測。野外工作時，由一臺接收機和一臺電臺組成基準站，架設(shè)在一個已知坐標的參考點上，另四臺接收機和電臺組成流動站，對地面上各特征點和地形變化點進行測量，建立與基準站之間的矢量關(guān)系，測量人員只需五名，具體分工為：一人看守主站，一人進行中樁放樣和中樁縱斷面數(shù)據(jù)采集，其余三人進行橫斷面的數(shù)據(jù)采集。經(jīng)過初始化等準備工作。即可利用Trimble手薄（TSC1）中的放樣測量和數(shù)模功能，進行放樣和數(shù)據(jù)的采集工作，放樣單點的定位時間為5秒（不包括行走的時間），定位精度為±3厘米；縱、橫斷面的數(shù)據(jù)采集時間為1秒（最短為0.5秒），定位精度為±5厘米；電臺工作半徑為10Km（實際中******使用過3.1Km）所收集到的全部數(shù)據(jù)將自動存貯在Trimble手?。?/span>TSC1）中，完成了外業(yè)數(shù)據(jù)采集。

3.3 數(shù)據(jù)處理

我們利用美國天寶導航有限公司（Trimble Navigation Limited）的TRIMMAP軟件在微機上進行數(shù)據(jù)的處理工作。其主要工作程序如下：

（1）數(shù)據(jù)導入：將Trimble手?。?/span>TSC1）中的數(shù)據(jù)傳輸?shù)接嬎銠C中。

（2）數(shù)據(jù)分離：對觀測點進行篩選，刪除不必要的觀測點。

（3）建立等高線和三角網(wǎng)圖形。

（4）建立三維立體數(shù)字化模型。

（5）生成等高線圖和數(shù)字化地面模型。

（6）形成縱斷面數(shù)據(jù)文件。

（7）形成橫斷面數(shù)據(jù)文件。

4 結(jié) 語

數(shù)據(jù)采集是建立GIS的******投資消耗，一般而論，地理信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的建設(shè)占整個系統(tǒng)建設(shè)投資的70%以上，并且這種比例在近期內(nèi)不會有明顯的改變。GIS數(shù)據(jù)采集在很大程度上存在現(xiàn)勢性差，精度不高的問題，影響了GIS決策的可信度。而RTK用于GIS的數(shù)據(jù)采集能很好地避免這樣的問題，尤其當GIS數(shù)據(jù)庫需要更新時，RTK測量有著無可比擬的優(yōu)越性。