利用GNSS RTK高程擬合代替四等水準的可行性分析

來源：《地理空間信息》2018年3月

作者：陳宗勇，閻鳳霞

摘 要：結合生產實際，將RTK 測量的高程擬合數據和傳統的四等三角高程數據進行對比，並總結了相關的精度指標。結果表明，利用網路RTK 水準能達到四等水準的精度要求，思路明確、條例清楚，論據充分，有一定的經濟和社會價值，值得推廣。

關鍵詞：GNSS ;RTK ;精度分析

隨著GNSS 技術的發展，區域性的CORS 和單基站RTK 技術不斷得到推廣。這兩項技術因覆蓋範圍和信號發送的介質不一樣而有所區別，但從技術上來分析，二者都是利用差分信號進行精確定位，均屬於實時動態測量技術。隨著RTK 技術的不斷普及和相關技術規範的出版，傳統的一級二級導線測量逐步被RTK 替代，但在測繪項目生產中四等高程式控制制測量仍採用四等三角高程來施測，該方法雖相對於幾何水準在進度上有所提高，但始終無法在更短的時間內獲得測區控制點的高程數據。本文探討了利用RTK 方法並結合高程擬合進行四等水準測量的精度。結果表明，利用GNSS 擬合高程完全能達到四等水準的精度要求。

1 RTK 工作原理

RTK 是以載波相位觀測為依據的實時差分GPS 技術，是測量技術發展里程中的一個突破，由基準站接收機、數據鏈或無線電傳輸設備以及流動站接收機3 部分組成^[1]。根據覆蓋範圍的大小，RTK 測量方法可分為單基站RTK 和網路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為^[2] ：

①在基準站上安置1 台接收機為參考站，對衛星進行連續觀測，並將其觀測數據和測站信息通過數據鏈或無線電傳輸設備實時地發送給流動站;

②流動站GNSS 接收機在接收GNSS衛星信號的同時，通過無線接收設備接收基準站傳輸的數據;

③根據相對定位原理，實時解算得到流動站相對於基準站的三維坐標差及其精度(即基準站和流動站的坐標差ΔX、ΔY、ΔH，加上基準坐標得到各點的WGS84 坐標);

④通過測量的控制點計算坐標轉換參數得出流動站各點的平面坐標X、Y 和海拔高H。

2 RTK 測量的特點

相對於傳統測量技術，RTK 技術有以下特點：

1)觀測站間無需通視。傳統測量方法通過光學測量獲取測站間的角度、距離等主要測量要素，所以必須要求觀測站之間有良好的通視條件，而RTK 技術接收的是基站信號和基於衛星星座的GNSS 信號，所以觀測站間無需通視，只需保證測站附近的開闊度即可，使得實際生產中對測站點的選擇更具可操作性。

2)測量方法簡便。相對於傳統導線測量來說，RTK 實時差分定位是一種能在野外實時得到cm 級定位精度的測量方法，它的出現極大地提高了野外作業效率。野外數據無需太多檢核條件，只需對比每測回獲得的坐標數據較差即可得知成果是否符合技術要求。

3)測量全天候。由於RTK 技術接收的是基站信號和基於衛星星座的GNSS 信號，因此只要能保證主要基站信號和電源，RTK 測量就可如期進行，不受霧天或烈日等天氣條件的影響。

4)定位精度高。在傳統RTK 作業模式下，基準站是通過數據電台將觀測值和測站坐標信息一起傳送給流動站的，流動站接收來自基準站的數據，並採集GNSS 觀測數據進行實時處理，其定位精度可達1~2 cm。

3 RTK 擬合高程精度分析

3.1 項目基本情況

2016 年5 月某經濟開發區1 ∶ 500 地形測量項目測繪總面積為20 km²， 測區內共有18 個能控制整個測區的四等GNSS 控制點，55 個均勻分布的一級RTK 控制點。項目使用的儀器包括中海達V90 GNSS 接收機6 台套， 接收機RTK 平面標稱精度為±(10 mm+1 mm×D×10^-6)， 高程標稱精度為±(20 mm+1 mm×D ×10^-6) ;Leica TS02 2" 級全站儀1 台套，角度測量標稱精度為±2"，距離測量標稱精度為±(2 mm+2 mm×D ×10^-6)。利用RTK 採集測區內73 個控制點的平面和高程數據，為保證高程數據質量，利用全站儀和四等三角高程測量方法獲得73 個控制點的高程數據。

利用TS02 進行四等三角高程測量時，根據工程測量規範要求^[3]，採用對象觀測方式進行每點3 個測回的垂直角觀測，各測回的指標差互差均小於7"，各測回較差均小於7" ;距離觀測2 測回，各測回4 次讀數，讀數互差小於10 mm ;測回中數之間的互差小於15 mm。項目線路形成結點網狀，最終利用清華山維對數據進行平差，平差後高程觀測權中誤差為±0.005 m，滿足規範要求的±0.010 m。

利用RTK 測量時，根據CH/T 2009-2010《全球定位系統實時動態測量(RTK)技術規範》^[4] 要求，對控制點採集4 測回，每測回採集30 次，每次採樣間隔為2"。實際測量中各次測量的大地高較差均小於2 cm，RTK 高程收斂精度均小於1 cm。利用項目中的19 個點進行坐標參數解算，並採用平面擬合模型和18 個四等GNSS 點的高程數據獲得55 個一級RTK 控制點的擬合高程，最終對擬合高程和四等三角高程數據進行對比分析。平面坐標轉換後，18 個四等GNSS 點的最大殘差為±0.019 m，滿足規範要求，高程擬合後控制點的最大高程殘差為±0.043 m。

3.2 精度分析

1)內符合精度。將各點4 次高程觀測值取均值後，對比點與點之間的高差，並與四等三角高程測量的對應點高差進行對比，計算RTK 測量的內符合精度以驗證RTK 測量的穩定性。由於相對高差數量採用兩兩組合的方式過多，若全部枚舉則數據過多，最終選取52 對相對高差數據進行分析，詳細數據統計見表1。

通過對比數據可知，RTK 原始測量的高差與四等三角高程測量的高差之差的最大值為-0.059 m，最小值為-0.002 m，根據GB/T 24356-2009《測繪成果檢查與驗收》^[5]§4.3.5 節規定，按同精度檢測公式計算以上高差之差的中誤差為±0.018 m。從較差和精度數據來看，RTK 觀測的高差較可靠，說明RTK 觀測原始數據較穩定。

2)外符合精度。將各點的RTK 擬合高程與四等三角高程測量的結果進行對比，統計RTK 擬合高程的外符合精度，以驗證RTK 擬合高程結果的精度，詳細統計表見表2。

表1 RTK 擬合高程的內符合精度統計表/m

通過以上對比數據，RTK 擬合高程與四等三角高程測量高程較差的最大值為-0.046 m，最小值為-0.000 m，根據GB/T 24356-2009《測繪成果檢查與驗收》^[5]§4.3.5 節的規定，按同精度檢測公式計算以上高程較差的中誤差為±0.015 m，說明RTK 擬合高程數據可靠。

表2 RTK 擬合高程的外符合精度統計表/m

4 結 語

綜上所述，RTK 原始測量的高差和RTK 高程擬合後的高程均能滿足規範要求，說明利用RTK 結合一定的高程擬合模型能替代四等三角高程測量。通過筆者參與的其他項目應用可知，利用RTK 高程擬合方式進行低等級高程式控制制時，需盡量滿足以下條件^[3]：

1)高等級控制點需覆蓋全測區，且測區內的高等級控制點必須聯測四等以上的高程;

2)採用該方法時，若測區為類似公路的條帶狀，則聯測的GNSS 點應分布於測區兩端和中部;

3)根據規範要求，地形高差變化較大的地區應適當增加聯測的已知點數;

4)地形趨勢變化明顯的大面積測區宜採用分區擬合的方法;

5)RTK 擬合高程的最大誤差為儀器高測量誤差，因此測量時需認真核實天線高和天線量測位置;

6)在進行RTK 擬合高程前，需進行平面坐標參數解算，且解算精度應達到相應規範要求。

參考文獻：略

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