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gpsrtk技术在地籍测量中的应用研究
武汉大学成人高等教育毕业论文（设计）
GPSRTK技术在地籍测量中的应用研究
学院：
武汉测绘学院
专业：
工程测量
学号：
200953103362
姓名：
李民胜
指导教师：
魏二虎
2010年3月15日
摘要
介绍了GPSRTK的原理、测量方法、技术特点和系统的组成，以及地籍测量的相关知识和GPSRTK在地籍控制网中的布网原则和形式，研究了GPSRTK在地籍测量中基准站的点位选择、仪器部件的连接、设置和工作时的要求以及流动站的设置和初始化，讲述了GPSRTK技术在地籍控制、碎步测量和建设用地勘测定界中的应用，分析了GPSRTK技术在地籍测量中测量误差的来源，并对观测结果的精度给予分析，得出的系统解决方案。
通过内外业相联系，建立起基于控制网的布设与外业数据采集相结合的方式。
关键词：
GPS，RTK，地籍测量，精度，应用
前言
测绘是了解自然、改造自然并获取图文资料及相关信息的重要手段，为国民经济基础建设提供重要的依据。
随着国民经济的不断发展，一方面，对测绘产品提供的图像资料、文字资料无论从精度或信息量的上要求也越来越高；另一方面，从测绘使用仪器设备，计算工具，数据处理软件，也不断地在更新，科技含量较高的仪器设备都越来越多地应用到了测绘领域。
测绘作为边缘学科，传统的作业方法、数据处理、内业成图等多个环节都发生了巨大的变革，甚至有些作业方法正在被逐步地淘汰。
呈现出测量仪器精度高，观测成果质量越好，数据处理机械化，操作方面人性化，内外业的连接越来越紧密，精密仪器的不断出现产生了新的作业方法。
地籍测量传统测量方法是先采用全站仪做导线控制，在导线控制点的基础上进行宗地界址点的碎部测量。
导线测量精度经常受到起算控制点的精度、测站之间通视差的影响，而且需要大量的人力、物力和时间。
GPSRTK（RealTimeKinematic，实时动态）技术的出现以及GPS（GlobalPositioningSystem，全球定位系统）接收机空间定位精度的不断提高，GPS-RTK技术广泛地在控制测量、地形测量、地籍测量、房产测量等等GPS-RTK在空间定位定位精度高、观测时间短、测站间无需通视、操作简便以及全天候作业等优点。
[1]
RTK技术与传统地籍测量方法相比，具有明显的优势。
GPS观测不受天气、时间、通视的影响。
GPS测量的点位之间不存在误差累积，避免了传统地籍测量中由于边长过长等原因带来的误差累积，提高了精度。
由于RTK技术能够实时处理所观测的数据，并能现场检测出不合格的成果，提高了工作的效率。
1GPS-RTK定位原理和地籍测量
2.1GPS-RTK定位原理及测量方法
2.11.1GPS-RTK定位原理
20世纪90年代以来，GPS全球定位系统在应用领域的研究取得了迅速进展。
测绘行业首先将GPS应用于大地测量，并进一步将该项技术推广到工程测量中，形成许多成熟的方法，如静态测量、快速静态测量、准动态测量以及动态测量等。
静态测量是用两台或两台以上GPS接收机同步观测，对观测数据进行处理，可得到两测站间精密的WGS84基线向量，再经过平差、坐标传递、坐标转换等工作，最终得到测点的坐标，其精度可达到厘米级，甚至是毫米级，但观测时间长，需要在现场记录观测数据，然后进行内业处理，才能得到测点的坐标，野外测量的精度能否达到规定的要求，只有在数据处理完成后才能确定，故静态定位技术在实时定位方面存在困难，不能直接应用于施工放样。
目前，动态测量实时定位的GPS载波相位差分技术，简称RKT定位技术，已在施工放样的实践中成功应用。
该技术保留了GPS测量的高精度，同时又具有实时性。
[2]
RTK定位技术是基于载波相位观测值的实时动态定位技术，他能够实时地提供测站点在指定坐标系中的三维定位的结果，并能达到厘米级精度。
他是利用2台以上的GPS接收机同时接受卫星信号，其中的一台安置在已知坐标点上作为基准站。
另一台是用来测定未知点的坐标（称为流动站），基准站根据该点的准确坐标求出其到卫星的距离改正数并将这一改正数发给流动站，流动站根据这一改正数来改正其定位结果，从而大大提高定位精度。
在RTK作业模式下，基准站通过数据链将其观测值和测站坐标信息一起传送给流动站。
流动站不仅通过数据链接收来自基准站的数据，还要采集GPS观测数据，并在系统内组成差分观测值进行实时处理。
流动站可以处于静止状态，也可处于运动状态。
RTK技术的关键在于数据处理技术和数据传输技术。
[3]
RTK技术采用差分GPS三类（位置差分、伪距差分和相位差分）中的相位差分。
这三类差分方式都是由基准站发送改正数，由流动站接收并对其观测的结果进行改正，以获得精确定位结果，所不同的是发送改正数的具体内容不一样，其差分定位的精度也不同。
前两类定位误差的相关性会随基准站和流动站的空间距离的增加其定位精度迅速降低，故采用相位差分技术进行差分。
RTK技术是GPS应用的重大历程碑，它的出现为工程放样、地形地籍测量及各种控制测量带来了新的曙光，极大地提高了外业作业效率，因此它一出现就受到了青眛。
[4]
城镇地籍测量是在1954年北京坐标系或是本地坐标系上进行。
因此，要快速完成测量工作，就必须实时进行坐标转换。
坐标转换可采用至少三个以上同时拥有WGS84地心坐标系和1954年北京坐标系或本地坐标的已知点，按Burasa模型解求七个转换参数。
RTK的关键技术主要是初始整周模糊度的快速解算，数据链的优质完成——实现高波特率数据传输的高可靠性和强干扰性。
其工作原理如图1-1：
2.11.2GPSRTK测量方法及其特点
⑴GPSRTK测量方法
RTK测量技术又称载波相位差分技术，是GPS测量技术与数据传输技术的结合，以WGS-84坐标为基础的全球通用的一种动态测量技术。
根据基准站的架设方法，GPSRTK技术的测量方法可分为两种：
1）“无投影（无转换）”法。
该种方法是直接用接收机在基准站和流动站接收WGS-84坐标，其后利用观测的已知点的WGS84坐标和相应的地方坐标，根据一定的数学模型进行转换。
这种方法基准站不一定要安置在已知点上，但根据不同的转换方法，需要一定数量的已知点。
2）“键入参数”法。
把用静态观测求得的WGS84坐标和地方坐标键入到手簿中，进行转换，也可以置入静态观测平差时求取的转换参数。
该方法基准站须架设在已知点上，为了检核，需要观测一定量的已知点。
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⑵GPSRTK技术特点
优点：
作业效率高
在一般的地形地势下，高质量的RTK设站一次即可测完5km半径的测区，大大减少了传统测量所需的控制点数量和测量仪器的“搬站”次数，仅需一人操作，每个放样点只需要停留1~2s，就可以完成作业。
定位精度高，没有误差积累
只要满足RTK的基本工作条件，在一定的作业半径范围内（一般为5km），RTK的平面精度和高程精度都能达到厘米级,且不存在误差积累。
全天候作业
RTK技术不要求两点间满足光学通视，只需要满足“电磁波通视和对空通视的要求”，因此和传统测量相比，RTK技术作业受限因素少，几乎可以全天候作业。
RTK作业自动化、集成化程度高
RTK可胜任各种测绘外业。
流动站配备高效手持操作手簿，内置专业软件可自动实现多种测绘功能，减少人为误差，保证了作业精度。
[7]
缺点及其解决方法：
受卫星状况限制
GPS系统的总体设计方案是在1973年完成的，受当时的技术限制，总体设计方案自身存在很多不足。
随着时间的推移和用户要求的日益提高，GPS卫星的空间组成和卫星信号强度都不能满足当前的需要，当卫星系统位置对美国是最佳的时候，世界上有些国家在某一确定的时间段仍然不能很好地被卫星所覆盖。
例如在中、低纬度地区每天总有两次盲区,每次20~30min，盲区时卫星几何图形结构强度低，RTK测量很难得到固定解。
同时由于信号强度较弱，在对空遮挡比较严重的地方GPS无法正常应用。
受电离层影响
白天中午，受电离层干扰大，共用卫星数少，因而初始化时间长甚至不能初始化，也就无法进行测量。
根据实际经验，每天中午12~13点，RTK测量很难得到固定解。
受数据链电台传输距离影响
数据链电台信号在传输过程中易受外界环境影响：
如高大山体、建筑物和各种高频信号源的干扰，在传输过程中衰减严重，严重影响外业精度和作业半径。
另外，当RTK作业半径超过一定距离时，测量结果误差超限，所以RTK的实际作业有效半径比其理论半径要小，工程实践和专门研究都证明了这一点。
受对空通视环境影响
在山区、林区、城镇密楼区等地作业时，GPS卫星信号被阻挡机会较多，信号强度低，卫星空间结构差，容易造成失锁，重新初始化困难甚至无法完成初始化，影响正常作业。
受高程异常问题影响
RTK作业模式要求高程的转换必须精确，但我国现有的高程异常分布图在有些地区，尤其是山区存在较大误差，在有些地区甚至是空白，这就使得将GPS大地高程转换至海拔高程的工作变得比较困难，精度也不均匀，影响RTK的高程测量精度。
不能达到100%的可靠度
RTK确定整周模糊度的可靠性为95%~99%，在稳定性方面不及全站仪，这是由于RTK较容易受卫星状况、天气状况、数据链传输状况影响的缘故。
[8]
2.11.3GPSRTK系统的组成
GPSRTK系统由基准站、若干个流动站及无线电通讯系统三部分组成。
基准站包括GPS接收机、GPS天线、无线电通讯发射系统、供GPS接收机和无线电台使用的电源（汽车用12伏蓄电瓶）及基准站控制器等部分。
流动站由以下几个部分组成：
GPS接收机、GPS天线、无线电通讯接听系统、供GPS接收机和无线电使用的电源及流动站控制器等部分。
GPS-RTK系统结构图如图1-2：
2.2地籍测量
地籍测量是为了获取和表达地籍信息所进行的测绘工作。
其基本内容是测定土地及其附着物的权属、位置、数量、质量和利用状况等。
具体内容如下：
地籍控制测量，测量地籍基本控制点和地籍图根控制点；
界线测量，测定行政区划界限和土地权属界线的界址点坐标；
地籍图测绘，测绘分幅地籍图、土地利用现状图、房产图、土地图；
面积测算，测算地块和宗地的面积，进行面积的平差和统计；
进行土地信息的动向监控，进行地籍变更测量，包括地籍图的修测、重测和地籍簿册的修编，以保证地籍成果资料的现势性与正确性；
根据土地整理、开发与规划的要求，进行有关的地籍测量工作。
同其他测量工作一样，地籍测量也遵循一般的测量原则，即先控制后碎部、有高级到低级、从整体到局部的原则。
地籍测量与基础测绘和专业测量有着明显的不同，其本质的不同表现在凡涉及土地及其附着物的权利的测量都可视为地籍测量，具体表现如下：
地籍测量是一项基础性的具有政府行为的测绘工作，是政府行使土地行政管理职能的具有法律意义的行政性技术行为。
地籍测量为土地管理提供了精确、可靠的地理参考系统。
地籍测量具有勘验取证的法律特征。
地籍测量的技术标准必须符合土地法律的要求。
地籍测量工作有非常强的现势性。
地籍测量技术和方法是对当今测绘技术和方法的应用集成。
从事地籍测量的技术人员应有丰富的土地管理知识。
地籍测量是精确测定土地权属界址点的位置，同时测绘供土地管理部门使用的大比例尺的地籍平面图，并量算土地面积。
[9]
2地籍控制测量
3.1地籍控制网的布网原则
3.1.1地籍控制网的基本要求
地籍控制网是为开展地籍碎步测量以及日常地籍测量而布设的测量控制网。
地籍控制网的布设，在精度上要满足测定界址点坐标精度的要求，在密度上要满足辖区内地籍碎步测量的要求，在点位埋设上要顾及日常地籍管理的需要。
地籍控制测量坐标系统尽量采用国家统一坐标系统。
地籍控制测量坐标系最好选择国家统一的3°带平面直角坐标系，使城镇地籍控制网成为国家网的组成部分，使地籍测量能充分利用国家控制点的成果。
在条件不具备的地区，地籍控制网可采用地方坐标系或任意坐标系。
采用任意坐标系时，起算数据应在较大比例尺的地形图或土地利用现状图上图解获取。
[10]
3.1.2首级控制网的布设
首级地籍控制网应能长期使用，因此布设首级地籍控制网的范围应覆盖中长期的城市规划区域。
随着全球定位系统（GPS）技术的广泛应用以及GPS定位技术具有精度高、速度快、费用省、操作简便、控制点间勿需通视等优势，首级平面控制网应优先以GPS网形式布设，采用GPS接收机测定控制点的坐标。
特殊情况下，也可以用导线网、边角网、三角网等地面控制网布设方法，采用全站仪等测定控制点的坐标。
首级地籍控制网的精度，要能保证四等网中最弱相邻点的相对点位中误差，以及四等以下各等级控制点相对于上级控制点的点位中误差不超过
5cm。
布设首级地籍控制网时，必须先制定技术设计方案，经上级业务主管部门批准后方可实施。
3.1.3加密控制网的布设
加密控制网应按地籍碎步测量的要求安排计划，可分期、分片布设，也可以一次整体布设完成。
加密控制网可以采用GPS网或导线网的形式布设。
当调查区域范围较大，并要求一次整体布设加密控制网时，一般多采用GPS网形式布设，布设导线网时，导线宜布设成直伸形状，当复合导线长度超过《城镇地籍调查规程》规定时，应布设成结点网。
结点与结点、结点与高级点之间的导线长度不应超过复合导线长度的0.7倍。
由于目前全站仪和GPS接收机的广泛应用，GPS网和地面控制网计算平差软件的功能增强，因此，加密控制网的等级一般不再分级，计算时应整体平差。
与地形测量相比，地籍测量要求平面控制点有较高的密度。
一般说来，地籍平面控制点的密度每km2不少于10点。
3.1.4地籍图根控制网的布设
为满足地籍碎步测量和日常地籍管理的需要，在基本控制（首级网和加密控制网）点的基础上，加密的直接供测图及测量界址点使用的控制网称为地籍图根控制网。
⑴地籍图根控制网的特点
与地形测绘的图根控制网相比，地籍图根控制网有下述特点：
地形测绘的图根控制网布设规格（点位密度、精度等）由当时的测图比例尺决定，不同成图比例尺图根控制网的规格相差很大。
地籍图根控制网布设规格，应满足测量界址点坐标的精度要求，与地籍图的比例尺大小基本无关。
地形测绘的图根控制点，是为地形碎步测量而布设的，测图（整个项目）完成后，便失去了其作用。
因此，埋点时原则上设临时性标志。
而地籍图根控制点不仅要为当前的地籍碎步测量服务，同时还要为日常地籍管理（各种变更地籍测量、土地有偿使用过程中的测量等）服务，因此地籍图根控制点原则上应埋设永久性或半永久性标志。
地籍图根控制点在内业处理时，应有示意图、点之记描述。
由于地籍图根控制点密度是根据界址点位置及其密度决定的，几乎所有的道路上都要敷设地籍图根导线。
一般说来，地籍图根控制点密度比地形图根控制点密度要大，通常每km2应布设100~400个地籍图根控制点。
⑵关于地籍图根导线布设的几点特殊规定
当导线长度小于允许长度的1/3时，只要求导线全长的绝对闭合差小于13cm，而不作导线相对闭合差的检查。
当单导线中的边长短于10m时，允许不作导线角度闭合差检查，但不得用该导线的边长及方位作为起算数据布设低一级导线或支点。
当用电磁波测距仪或电子全站仪测量导线的边长时，导线总长允许放宽。
但这时导线全长绝对闭合差不得大于
22cm,而相对闭合差：
一级地籍图根导线不得大于1/5000二级地籍图根导线不得大于1/3000。
[11]
3.2地籍控制网的形式及其选择
地籍控制网的布设形式是由GPS的布网所决定的，而GPS的网形主要有三角网、三边网、导线网和边角混合网，所以GPSRTK地籍控制网的形式也是由以上的四种构成。
地籍控制网的布设形式分情况而论，在城镇区由于建筑物的高度高和密集程度大等都可能对观测结果有影响，而此时采用三角网对观测结果的精度不利，所以在城镇建成区通常采用导线网布设地籍控制网，在建筑物稀少、通视良好的的地区可以布设成地籍图根三角网。
不管布设成那种形式的网形结构，都应该注意以下几点：
GPS网中不应存在自由基线。
GPS网中的闭合条件中基线数不可过多。
GPS网应以“每个点至少独立设站观测两次”的原则布网。
为了便于观测，GPS点应选择在交通便利、视野开阔、容易到达的地方。
4GPSRTK地籍测量
4.1基准站观测点位的选择和设置
4.1.1点位的选择
基准站的设立好与差对GPSRTK在地籍测量中起着决定性的作用，而且还关系到最终观测结果的质量，所以基准站的观测点位的选择应该要做到把其安置在一个视野开阔、无遮挡的点上，如在山头或者是楼顶上，能看到周围的沿地平线的高度角不小于15o以上的全部天空，而且还能满足GPS在选点上的要求，以确保RTK在工作时候能接收到足够的卫星的数目。
由于基准站对观测非常重要，所以要求其已知的坐标非常准确，因为已知点的坐标误差会造成RTK在解算时候起基线的误差。
当测区内存在高等级的控制点，如GPS永久性跟踪站、国家A级或是B级网点和GPS地壳形变监测点时，应优先考虑作为基准站使用。
[12]
4.1.2基准站的设置
在保证各个部件连接正确无误下，按一下接收机的电源开关键，接通电源。
用键盘上的按钮打开掌上电脑并确认所有部件连接无误，电源的接通，如果接收机和电台的指示灯以亮，表示连接无误且部件处于启动状态。
在以上的工作完成之后，一定要对接收机做相关的设置：
首先要做的是把接收机设置成RTK基准站模式，这个是在设置中是最重要的步骤；然后把电台的天线连接到基准站的输入端口，这个端口是用来传输原始数据到电台；还有些需要设置基准站的数据传输速率，但是一般都不设置但是记得要核对一下；最后还要设定接收机是否需要原始数据做后处理。
同时在进行流动站测量前面也一定要记得在基准站的接收机中输入“站点标识符、坐标和天线高”。
由于流动站的坐标是依据基准站而言的，是通过流动站的接收机来计算而得，但是必须的先知道基准站的三维坐标即平面和高程坐标，而基准站的三维坐标和观测的数据信息一起发送给流动站，因为天线高的中心位置必须的依靠基准站的坐标和天线高来确定。
站点标识符是用来确认流动站的数据时由哪个基准站提供，其同天线高也一起的传输给流动站。
4.1.3基准站运行时的要求
为了节省控制器的电量以备用于流动站，在基准站运行正常的时候可以关闭基准站的手持控制器；
尽管RTK设备在设计的时候是考虑了防水、防晒等各方面的因素，但是为了考虑到对于仪器的保护和其性能的稳定性，尽量避免仪器长时间的烈日暴晒和雨水淋湿；
在仪器运行正常的情况下，考虑到仪器的安全问题，工作人员不能远离仪器，需要定时的检查仪器的工作状态，及时报告和处理不正常的情况；
由于不仅基准站的GPS设备用电，还有RTK设备也需要耗电，可以采用双电源电池进行供电，条件允许的情况下还可以用汽车电瓶供电。
各项工作完成之后，对基准站进行检测，查看基准站系统是否运行正常，还有是否正常接受卫星且其数目是否足够，同时还查看基准站电台是否能正常传输数据，可以通过观察基准站电台传输的指示灯可得知，其闪动一次表明发送一个数据包。
如果基准站的各项都运行正常，那么就可以准备观测。
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4.2流动站的设置和初始化
4.2.1流动站的设置
同基准站一样，除测杆外，其他的部件也是放在背包或者是运输箱中。
流动站的GPS天线安置在测杆上，而其杆能够精确的在测点上对中、整平。
其他的同样也要量测和记录GPS天线高、安置电台天线（其与基准站站的设置有所差别，根据流动站装置的配备不同而设，如果是背包式装置，其电台电线安置在流动站背包外的可伸缩的杆上；要是杆装式的利用托架直接假设在GPS天线正下方的测杆上）、各个部件之间的连接（GPS天线→GPS接收机；掌上电脑→GPS接收机；电台天线→电台（如果是内置电台，连接到相对应的端口）；电台→GPS接收机（是内置GPS接收机电台，此项可免连接）；GPS接收机电源→GPS接收机（是内置GPS接收机电台，此项可免连接））、安装掌上电脑，同时也要把流动站设置成RTK作业的模式和检验RTK的系统。
4.2.2RTK流动站的初始化
流动站在进行任何测量工作前，都得进行系统的初始化。
在进行初始化之前，流动站系统只能计算出低精度的点位坐标。
初始化的目的就是为解决整周模糊度的问题，这对于流动站是至关重要的过程，一旦初始化结束流动站就可以达到厘米级的测量精度，除整周模糊度丢失之外。
系统的初始化时自动进行的，所需时间与周围的情况相关联，如果视野开阔没有遮挡物而且能接受到五颗以上的卫星，在很短时间内就能完成初始化，但是决定初始化时间长短的关键性因素是流动站与基准站之间的距离；在通视情况不是很好，而且没有足够的卫星那么必须的重新选择初始化的点位。
初始化结束之后只要能保证流动站在任何时刻都能接收到至少四颗卫星的信号，如果数目少于四颗卫星时就会容易发生初始化失效必须的进行重新初始化。
4.3RTK在地籍测量中的相关测量
4.3.1地籍控制测量的应用
地籍控制测量分为平面控制测量和高程控制测量。
对地籍测量来说，通常只对测区建立平面控制，仅在山区和丘陵地区才实施高程控制测量。
地籍平面控制在精度上要满足测定宗地界址点坐标精度的要求，在密度上要满足权属界址等地籍碎步测量的要求。
根据《城镇地籍调查规程》规定，地籍平面控制测量应尽量采用国家统一坐标系，条件不具备的地方也可采用地方坐标系或独立坐标系。
首级控制网可以三角网、边角网、导线网的形式布设，也可采用人造卫星定位技术（GPS）测定控制点的坐标。
在基本控制网的基础上，再布设地籍图根控制网，以加密控制满足测量界址点的需要。
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实时动态定位技术应用于地籍控制测量，可以根据实际需要，灵活布设控制点，点位可疏可密。
在地籍控制过程中，需要注意的是：
在进行GPS-RTK的控制网建立的时候一定要考虑外业观测，做到两者相结合，使最终的成果质量达到最优。
4.3.2地籍碎步测量的应用
与采用全站仪相比，采用RTK技术在地籍碎步测量中也具有十分突出的优势：
采点速度快，作用范围广，减少劳动力，实现单人操作。
RTK定位方式在碎步测量上也有其不足之处。
它虽然要求基准站与流动站之间不要求通视，但是要求GPS接收机的天线必须对空通视，在建筑物密集、林带时往往不能靠近被测物体，这时就需要与传统的测量方法相结合。
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4.3.3土地勘测定界（放样）中的应用
建设用地中的土地勘测定界是实地确定土地使用界线范围，测定界桩位置，测量使用界线范围内各类土地面积并计算用地面积等测绘技术工作，它为各级政府的国土资源部门审批土地、地籍管理提供依据和基础资料。
GPS-RTK技术完全满足建设用地勘测界址点坐标对邻近图根点位中误差及界址线与邻近地物或邻近界线的距离中误差不超过10cm的精度要求。
通过同时接收卫星信息与基准站发送的改正信息，经过解码，自动给出且有厘米级精度的定位数据。
利用GPS-RTK技术进行勘测定界放样，能避免解析法和关系距离法放样等放样方法的复杂性，同时也简化了建设用地勘测定界的工作程序，特别是对公路、铁路、河道、输电线路等线性工程和特大型工程的放样更为有效和实用。
5GPSRTK在地籍测量中的测量误差来源及精度分析
5.1测量误差来源
RTK定位的误差，一般分为两类：
同测站有关的误差和同距离有关的误差。
同测站有关的误差：
包括天线相位中心变化、多路径误差、信号干扰和气象因素；同距离有关的误差:
包括轨道误差、电离层误差和对流层误差。
对固定基准站而言，同仪器和干扰有关的误差可通过各种校正方法予以削弱，同距离有关的误差将随移动站至基准站的距离的增加而加大，所以RTK的有效作业半径是有限制的（一般为几公里）。
同距离有关的误差的主要部分可通过多基准站技术来消除，但是其残余部分也随着移动站
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