前言
近些年來，隨著測繪技術(shù)的飛速發(fā)展，各式各樣新的測繪儀器和測繪技術(shù)正快速走向和充實各個專業(yè)測量隊伍。伴隨著社會的不斷進(jìn)步和發(fā)展，測繪數(shù)據(jù)成果在各行各業(yè)的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中顯得日益重要。新的測繪技術(shù)和發(fā)展正代替?zhèn)鹘y(tǒng)的測量工作模式，工作強(qiáng)度大大減輕，工作效率成倍提高，為城市建設(shè)和發(fā)展起了推動性作用。由于GPS技術(shù)的飛速發(fā)展，它的應(yīng)用領(lǐng)域也越來越廣泛。
2011年度甘肅省平?jīng)鍪徐o寧縣三維數(shù)字城市建設(shè)中GPS — RTK技術(shù)的運用，能夠方便，快捷，高精度地對點位進(jìn)行實時動態(tài)定位測量，既滿足了隨時變動，節(jié)省人力和物力，又能隨時得到定位數(shù)據(jù)的新要求。顯示出GPS — RTK測繪技術(shù)強(qiáng)大的，高精度的動態(tài)優(yōu)勢，給測繪工作和數(shù)據(jù)維護(hù)帶來了很大的方便。
一、GPS定位的工作原理簡述
1. GPS 相對定位原理
兩臺（或多臺）GPS用戶接收機(jī)分別安置在兩條（或多條基線的端點），同步同時段（或不同時段）觀測相同數(shù)量的GPS衛(wèi)星，一般情況下不少于4個。并對觀測量進(jìn)行差分處理，以確定基線端點（也就是我們常說的測站點）的相對位置，如果知道其中幾個點的坐標(biāo)和高程，通過專業(yè)軟件的數(shù)據(jù)處理，就可以解算
其它點的坐標(biāo)和擬合高程值，以最大限度地滿足工作的需要。
在多個觀測站同步觀測相同衛(wèi)星的情況下，衛(wèi)星的軌道誤差，衛(wèi)星時鐘差，接收機(jī)鐘差以及空氣中的電離層，對流層折射誤差等對觀測量的影響具有一定的相關(guān)性。利用觀測量的不同組合，可有效地消除或減弱誤差上的影響，從而提高相對定位的精度。
2. GPS-RTK 實時動態(tài)定位原理簡述
GPS 實時動態(tài)定位是基于載波相位的GPS相對定位方式。采用的星歷為廣播星歷，誤差修正方式采用基準(zhǔn)站相位誤差改正，精度可達(dá)到cm級。
GPS – RTK測量技術(shù)既保證了GPS測量的高精度，又具有實時動態(tài)性。其基本工作原理可簡述為：在兩臺GPS接收機(jī)之間增加一套無線電通訊系統(tǒng)。將兩臺或兩臺以上相對獨立的GPS接收機(jī)聯(lián)成有機(jī)整體，安置在已知點上的GPS接收機(jī)（我們常說的是基準(zhǔn)站）通過電臺將觀測信息，測站點數(shù)據(jù)傳輸給流動站（我們常說的移動站），流動站將基準(zhǔn)站傳來的載波觀測信號與流動站本身觀測到的載波信號進(jìn)行差分處理，從而解算出兩站間的基線向量；根據(jù)事先輸入的坐標(biāo)轉(zhuǎn)化和投影參數(shù)，就可得到流動站的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)。
GPS – RTK測量技術(shù)是建立在流動站與基準(zhǔn)站誤差強(qiáng)烈類似的這一基礎(chǔ)之上，隨著流動站與基準(zhǔn)站之間距離的增加，其誤差的類似性越來越差，定位精度會越來越低。數(shù)據(jù)的通信也會受到作用距離拉長，而干攏因素增加的影響。因此GPS – RTK技術(shù)的作用距離是有限的，一般小于10公里。
GPS – RTK作業(yè)流程示意如下圖
3. 三維數(shù)字城市建設(shè)工作簡述
三維數(shù)字城市建設(shè)指的是利用項目區(qū)的基礎(chǔ)圖件資料（最新的1：500或1：1000大比例尺地形圖），通過調(diào)繪項目區(qū)的建筑物和重要地物的幾何尺寸，加上近景攝影測量所得到的外業(yè)相關(guān)數(shù)據(jù)，利用專業(yè)軟件Skyline三維數(shù)字地球平臺軟件。，三維動畫制作軟件 3Ds max等。將基礎(chǔ)圖件上的有關(guān)地物，通過專業(yè)技能加工成立體圖形，使之圖形成為直觀、易懂，容易判讀的立體圖件。為城市管理，規(guī)化和設(shè)計等部門提供便利。
二、GPS – RTK技術(shù)在數(shù)字城市建設(shè)中的應(yīng)用
本文以靜寧縣三維數(shù)字城市建設(shè)中所需的像控點三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)和擬合高程數(shù)據(jù)為例，簡要闡述GPS – RTK 測繪技術(shù)在數(shù)字城市建設(shè)中的應(yīng)用。項目要求：按照數(shù)字城市建設(shè)規(guī)范和《測量規(guī)范》要求，提供靜寧縣三維數(shù)字城市建設(shè)項目中所需像控點坐標(biāo)和高程數(shù)據(jù)。
1. 采用基準(zhǔn)、系統(tǒng)和起算數(shù)據(jù)來源
采用基準(zhǔn)為1985國家程基準(zhǔn)。坐標(biāo)系統(tǒng)為1995靜寧縣城區(qū)坐標(biāo)系統(tǒng)，其中央子午線為東經(jīng)105°。投影面為測區(qū)平均高程面1660米。
起算數(shù)據(jù)為2008年靜寧縣城鎮(zhèn)地籍調(diào)查時，由天水三和數(shù)碼測繪院所做的一級GPS導(dǎo)線點，其高程數(shù)據(jù)為四等水準(zhǔn)測量平差后數(shù)據(jù)。均由靜寧縣國土資源局提供。共收集9個已知點D01，G09，EG003等。坐標(biāo)，高程系統(tǒng)及精度均滿足規(guī)程和本項目設(shè)計要求。作參數(shù)控制點網(wǎng)圖如下：
投入使用的儀器為：中海達(dá)GPS-RTK1+1臺套，標(biāo)稱精度<=（10mm+2pmm×D），自動安平
水準(zhǔn)儀DZS3-1型一臺，必要后勤保障。
2. 測區(qū)概況
本次工作區(qū)域為靜寧縣縣城建成區(qū)和遠(yuǎn)景規(guī)化區(qū)，東至隴興化工公司，南至靳家寺，西至火柴廠，北至八里鋪鎮(zhèn)，共計面積約30平方公里。項目區(qū)內(nèi)北側(cè)國道312線至東向西繞城穿過，城區(qū)內(nèi)成紀(jì)大道，阿陽路，西環(huán)路，中街，北環(huán)路，北二環(huán)路縱橫交錯，交通便利。
工作區(qū)內(nèi)涉及城關(guān)鎮(zhèn)，八里鋪鎮(zhèn)及八里工業(yè)園區(qū)。其中城關(guān)鎮(zhèn)包含5個行政村，5個居委會，是縣城政治，經(jīng)濟(jì)，文化交流中心。八里鋪鎮(zhèn)包含2個行政村，一個工業(yè)園區(qū)。城鄉(xiāng)結(jié)合部種植大面積蘋果園和其它經(jīng)濟(jì)作物，是當(dāng)?shù)鼐用裰饕?jīng)濟(jì)收入來源，但給測繪工作帶來不便。
3. 像控點的布設(shè)
根據(jù)項目設(shè)計要求，大部分像控點主要布設(shè)在城區(qū)主要干線附近，點位選在視野開闊，視場內(nèi)障礙物高度未超過15°的開闊處，且遠(yuǎn)離大功率的無線電發(fā)射源和高壓輸電線，大面積積水區(qū)域。遠(yuǎn)離高壓線距離大于100米，遠(yuǎn)離發(fā)射源距離大于200米?；旧蠞M足三維數(shù)字城市建設(shè)對像控點的布設(shè)要求。對所選點位位置打入鋼釘作為標(biāo)志，鋼釘中心刻有“十”字作為點位中心標(biāo)記。
4. 經(jīng)實地踏勘檢測，所收集的9個已知點點位保存完好，中心標(biāo)志清晰無損，可作為測區(qū)的起算數(shù)據(jù)。
5. 基準(zhǔn)站點位的選擇
在GPS – RTK測量方法中，關(guān)鍵在于基準(zhǔn)站與流動站點位的選擇上。在該項目中像控點的布設(shè)是事先確定的，也就是說流動站的點位已確定好了不能變動，只要選擇好基準(zhǔn)站的位置，便可以進(jìn)行RTK測量?；鶞?zhǔn)站位置的選擇有兩種情況：1. 基準(zhǔn)站架設(shè)在已知點上。2. 基準(zhǔn)點架設(shè)在未知點上。本項目選擇的是第二種情況。兩種情況各有利弊，以方便工作，滿足技術(shù)要求為準(zhǔn)，在實際工作中無具體要求。
基準(zhǔn)站點位的選擇注意了以下幾個方面：
1. 點位的選擇應(yīng)遠(yuǎn)離大功率的無線電發(fā)射臺和高壓輸電線，以避免其周圍磁場對GPS衛(wèi)星信號的干攏，接收機(jī)天線與其距離一般不小于200米。
2. 基準(zhǔn)站應(yīng)先在易安置接收機(jī)設(shè)備的地方，并且視場要開闊，點位周圍高度角大于15度，且以上天空無障礙物。
3. 還應(yīng)考慮基準(zhǔn)站周圍具有良好的通信設(shè)施和電力供應(yīng)以供基準(zhǔn)站與流動站之間的聯(lián)絡(luò)和設(shè)備用電。
4. 從靜寧縣國土局收集到的已知點之間的距離不超過3000米，符合RTK測量技術(shù)范圍要求（不超過10公里）。根據(jù)實地情況基準(zhǔn)站架設(shè)在遠(yuǎn)離大功率的無線電發(fā)射臺和高壓輸電線，視場開闊，高度角15°以上天空無障礙物的靜寧縣國土資源局辦公大樓6樓頂上，在作好相應(yīng)的安全保護(hù)措施情況下，便可以開始工作。
5. 根據(jù)9個已知點在該測區(qū)的具體位置，本項目區(qū)域坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換參數(shù)由收集到的9個已知點，實時動態(tài)定位測量數(shù)據(jù)計算得出。檢查其它已知點數(shù)據(jù)統(tǒng)計如下：
標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換參數(shù)滿足技術(shù)要求。切實可行。
6. 野外RTK測量
將作好的轉(zhuǎn)換參數(shù)以文件形式，存入到觀測記錄手簿中，基準(zhǔn)站架設(shè)在參考點上，經(jīng)過檢查校正無誤后，即可開始工作。檢查校核數(shù)據(jù)見下表：
GPS – RTK外業(yè)觀測的基本要求：采樣率為1S，每次測量的歷元數(shù)小于10個，每點觀測時間不低于3分鐘。平面點位精度小于2cm（即實測點值與原已知點值相比較的X Y值），高程點位互差小±5cm（即實測點高程值與原已知點高程值相比較）。依據(jù)技術(shù)要求，依據(jù)技術(shù)要求，對實地所布設(shè)的像控點進(jìn)行實時動態(tài)定位測量。按工作計劃，經(jīng)過五天外業(yè)工作，實時動態(tài)定位測量共計169個像控點的坐標(biāo)和擬合高程數(shù)據(jù)（成果數(shù)據(jù)見像控點成果表）。
三、 GPS – RTK擬合高程與水準(zhǔn)測量成果即的相互檢測
為保證GPS – RTK擬合高程的正確性，為今后相同項目工作流程打好基礎(chǔ)。我們采用隨機(jī)抽樣的方式，分別就城區(qū)，城鄉(xiāng)結(jié)合部抽取一定數(shù)量的GPS – RTK擬合高程點，按國家四等水準(zhǔn)測量要求進(jìn)行水準(zhǔn)觀測，檢核這些擬合高程點。根據(jù)項目區(qū)像控點點位布設(shè)情況和已知水準(zhǔn)點所處位置。本項目區(qū)四等水準(zhǔn)路線，由三個已知點，三個閉合環(huán)共計22.5Km組成。其中包括兩條附合水準(zhǔn)路線組成水路線網(wǎng)。外業(yè)數(shù)據(jù)經(jīng)過自檢、互檢、專檢、審核平差計算成果精度完全滿足《規(guī)范》要求和項目區(qū)設(shè)計要求。最終平差結(jié)果和精度統(tǒng)計如下：
1. 外業(yè)數(shù)據(jù)檢核：閉合環(huán)最大閉合差+28mm，允許值：±56mm。附合路線閉合差最大14mm，允許值：±22mm。閉合環(huán)路線最大長度11.34Km，允許值：15Km。附合路線長度最大1.28公里，允許值：15Km。
2. 平差后精度統(tǒng)計：最大點位誤差1.028cm，允許值：±2cm。最大點間誤差0.85cm.，允許值±1cm。最大高差中誤差0.85cm，允許值±1cm。高程點最大中誤差0.9cm，允許值：±2cm。具體數(shù)據(jù)統(tǒng)計如下：
從上面的檢查數(shù)據(jù)統(tǒng)計表結(jié)果中可以看出：四等水準(zhǔn)高程與GPS – RTK擬合高程點相比較，以四等水準(zhǔn)高程為基準(zhǔn)，最大較差絕對值為47mm，最小較差絕對值為7mm，通過計算得出高程點中誤差為1.7cm，規(guī)范中允許值為：不大于±2cm。靜寧縣三維數(shù)字城市建設(shè)中所需要高程數(shù)據(jù)可以用擬合高程數(shù)據(jù)代替。也就是說:在基準(zhǔn)站點位選取比較理想，滿足規(guī)范和相目區(qū)技術(shù)要求的情況下，通過經(jīng)過檢驗的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換參數(shù)，GPS – RTK實時動態(tài)定位所得到的三維數(shù)據(jù)擬合高程點數(shù)據(jù)代替可以完全代替水準(zhǔn)測量高程值。其優(yōu)勢在于GPS – RTK實時動態(tài)定位工作方式靈活，省人少力，可減輕作業(yè)人員的工作強(qiáng)度，提高測繪技術(shù)人員的外業(yè)工作效率。隨著GPS – RTK測量技術(shù)的日益成熟，擬合高程代替水準(zhǔn)高程必然成為一種趨勢。上述工作曾在隴南地區(qū)成縣三維數(shù)字城市建設(shè)中取得了較為明顯的工作成效。
3. GPS – RTK附帶地形測繪
利用RTK測量技術(shù)的靈活性，可隨時加密項目區(qū)的控制點，將項目區(qū)變化區(qū)域?qū)崟r定位測量，特別是關(guān)鍵區(qū)域變化點的測量。如道路，花壇的拐角和曲線部分的關(guān)鍵點。電線桿位，信號燈。管道設(shè)施中的檢修井，變徑處，分叉處及重要拐點測繪定位，并繪制好工作草圖。
四、內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理
不同型號的RTK生產(chǎn)廠商，都隨儀器設(shè)備配備有數(shù)據(jù)傳輸線和下載數(shù)據(jù)軟件。數(shù)據(jù)經(jīng)過轉(zhuǎn)換后，一般都能在文本處理軟件中打開并加工、編輯成最終成果資料。圖形在cass7.1操作環(huán)境下，結(jié)合外業(yè)手工繪制的工作草圖，繪制出最具有現(xiàn)實性的項目區(qū)基本圖形。
五、總結(jié)
由于三維數(shù)字城市建設(shè)在一些地方，仍處于一個試點、探索階段。對該類項目所需的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，條件不具備的測量單位，還需沿用較為傳統(tǒng)的工作方法和工作流程。隨著GPS—RTK測繪技術(shù)飛速發(fā)展，以及在越來越多領(lǐng)域中得到應(yīng)用。GPS—RTK測繪技術(shù)必將成為測繪行業(yè)的主力軍。特別是在為決策部門、規(guī)化、設(shè)計部門提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)中發(fā)揮越來越重要的作用。
六、幾點工作建議
1. 測繪技術(shù)人員具有強(qiáng)烈的責(zé)任心，認(rèn)真負(fù)責(zé)的工作態(tài)度。工作方法嚴(yán)謹(jǐn)，靈活。保證外業(yè)數(shù)據(jù)采集正確性。
2. 項目中投入的各種測量設(shè)備，要經(jīng)過嚴(yán)格的檢查，使其各項精度指標(biāo)達(dá)到規(guī)范要求。特別是重要設(shè)備的關(guān)鍵性技術(shù)參數(shù)如：如RTK的標(biāo)稱精度等等。
3. 加強(qiáng)測繪人員的團(tuán)隊合作精神，盡可能在外業(yè)數(shù)據(jù)采集工作中消滅不合格數(shù)據(jù)，保征每一項數(shù)據(jù)的正確性。
4. 作好數(shù)據(jù)的安全，保密工作，減少不必要的數(shù)據(jù)損失。
