GPS-RTK在三维数字城市建设中的应用
前言
近些年来，随着测绘技术的飞速发展，各式各样新的测绘仪器和测绘技术正快速走向和充实各个专业测量队伍。伴随着社会的不断进步和发展，测绘数据成果在各行各业的基础设施建设中显得日益重要。新的测绘技术和发展正代替传统的测量工作模式，工作强度大大减轻，工作效率成倍提高，为城市建设和发展起了推动性作用。由于GPS技术的飞速发展，它的应用领域也越来越广泛。
2011年度甘肃省平凉市静宁县三维数字城市建设中GPS — RTK技术的运用，能够方便，快捷，高精度地对点位进行实时动态定位测量，既满足了随时变动，节省人力和物力，又能随时得到定位数据的新要求。显示出GPS — RTK测绘技术强大的，高精度的动态优势，给测绘工作和数据维护带来了很大的方便。
一、GPS定位的工作原理简述
1. GPS 相对定位原理
两台（或多台）GPS用户接收机分别安置在两条（或多条基线的端点），同步同时段（或不同时段）观测相同数量的GPS卫星，一般情况下不少于4个。并对观测量进行差分处理，以确定基线端点（也就是我们常说的测站点）的相对位置，如果知道其中几个点的坐标和高程，通过专业软件的数据处理，就可以解算其它点的坐标和拟合高程值，以最大限度地满足工作的需要。
在多个观测站同步观测相同卫星的情况下，卫星的轨道误差，卫星时钟差，接收机钟差以及空气中的电离层，对流层折射误差等对观测量的影响具有一定的相关性。利用观测量的不同组合，可有效地消除或减弱误差上的影响，从而提高相对定位的精度。
2. GPS-RTK 实时动态定位原理简述
GPS 实时动态定位是基于载波相位的GPS相对定位方式。采用的星历为广播星历，误差修正方式采用基准站相位误差改正，精度可达到cm级。
GPS – RTK测量技术既保证了GPS测量的高精度，又具有实时动态性。其基本工作原理可简述为：在两台GPS接收机之间增加一套无线电通讯系统。将两台或两台以上相对独立的GPS接收机联成有机整体，安置在已知点上的GPS接收机（我们常说的是基准站）通过电台将观测信息，测站点数据传输给流动站（我们常说的移动站），流动站将基准站传来的载波观测信号与流动站本身观测到的载波信号进行差分处理，从而解算出两站间的基线向量；根据事先输入的坐标转化和投影参数，就可得到流动站的三维坐标数据。
GPS – RTK测量技术是建立在流动站与基准站误差强烈类似的这一基础之上，随着流动站与基准站之间距离的增加，其误差的类似性越来越差，定位精度会越来越低。数据的通信也会受到作用距离拉长，而干拢因素增加的影响。因此GPS – RTK技术的作用距离是有限的，一般小于10公里。
GPS – RTK作业流程示意如下图
3. 三维数字城市建设工作简述
三维数字城市建设指的是利用项目区的基础图件资料（最新的1：500或1：1000大比例尺地形图），通过调绘项目区的建筑物和重要地物的几何尺寸，加上近景摄影测量所得到的外业相关数据，利用专业软件Skyline三维数字地球平台软件。，三维动画制作软件 3Ds max等。将基础图件上的有关地物，通过专业技能加工成立体图形，使之图形成为直观、易懂，容易判读的立体图件。为城市管理，规化和设计等部门提供便利。
二、GPS – RTK技术在数字城市建设中的应用
本文以静宁县三维数字城市建设中所需的像控点三维坐标数据和拟合高程数据为例，简要阐述GPS – RTK 测绘技术在数字城市建设中的应用。项目要求：按照数字城市建设规范和《测量规范》要求，提供静宁县三维数字城市建设项目中所需像控点坐标和高程数据。
1. 采用基准、系统和起算数据来源
采用基准为1985国家程基准。坐标系统为1995静宁县城区坐标系统，其中央子午线为东经105°。投影面为测区平均高程面1660米。
起算数据为2008年静宁县城镇地籍调查时，由天水三和数码测绘院所做的一级GPS导线点，其高程数据为四等水准测量平差后数据。均由静宁县国土资源局提供。共收集9个已知点D01，G09，EG003等。坐标，高程系统及精度均满足规程和本项目设计要求。作参数控制点网图如下：
投入使用的仪器为：中海达GPS-RTK1+1台套，标称精度<=（10mm+2pmm×D），自动安平水准仪DZS3-1型一台，必要后勤保障。
2. 测区概况
本次工作区域为静宁县县城建成区和远景规化区，东至陇兴化工公司，南至靳家寺，西至火柴厂，北至八里铺镇，共计面积约30平方公里。项目区内北侧国道312线至东向西绕城穿过，城区内成纪大道，阿阳路，西环路，中街，北环路，北二环路纵横交错，交通便利。
工作区内涉及城关镇，八里铺镇及八里工业园区。其中城关镇包含5个行政村，5个居委会，是县城政治，经济，文化交流中心。八里铺镇包含2个行政村，一个工业园区。城乡结合部种植大面积苹果园和其它经济作物，是当地居民主要经济收入来源，但给测绘工作带来不便。
3. 像控点的布设
根据项目设计要求，大部分像控点主要布设在城区主要干线附近，点位选在视野开阔，视场内障碍物高度未超过15°的开阔处，且远离大功率的无线电发射源和高压输电线，大面积积水区域。远离高压线距离大于100米，远离发射源距离大于200米。基本上满足三维数字城市建设对像控点的布设要求。对所选点位位置打入钢钉作为标志，钢钉中心刻有“十”字作为点位中心标记。
4. 经实地踏勘检测，所收集的9个已知点点位保存完好，中心标志清晰无损，可作为测区的起算数据。
5. 基准站点位的选择
在GPS – RTK测量方法中，关键在于基准站与流动站点位的选择上。在该项目中像控点的布设是事先确定的，也就是说流动站的点位已确定好了不能变动，只要选择好基准站的位置，便可以进行RTK测量。基准站位置的选择有两种情况：1. 基准站架设在已知点上。2. 基准点架设在未知点上。本项目选择的是第二种情况。两种情况各有利弊，以方便工作，满足技术要求为准，在实际工作中无具体要求。
基准站点位的选择注意了以下几个方面：
1. 点位的选择应远离大功率的无线电发射台和高压输电线，以避免其周围磁场对GPS卫星信号的干拢，接收机天线与其距离一般不小于200米。
2. 基准站应先在易安置接收机设备的地方，并且视场要开阔，点位周围高度角大于15度，且以上天空无障碍物。
3. 还应考虑基准站周围具有良好的通信设施和电力供应以供基准站与流动站之间的联络和设备用电。
4. 从静宁县国土局收集到的已知点之间的距离不超过3000米，符合RTK测量技术范围要求（不超过10公里）。根据实地情况基准站架设在远离大功率的无线电发射台和高压输电线，视场开阔，高度角15°以上天空无障碍物的静宁县国土资源局办公大楼6楼顶上，在作好相应的安全保护措施情况下，便可以开始工作。
5. 根据9个已知点在该测区的具体位置，本项目区域坐标系统转换参数由收集到的9个已知点，实时动态定位测量数据计算得出。检查其它已知点数据统计如下：
标系统转换参数满足技术要求。切实可行。
6. 野外RTK测量
将作好的转换参数以文件形式，存入到观测记录手簿中，基准站架设在参考点上，经过检查校正无误后，即可开始工作。检查校核数据见下表：
GPS – RTK外业观测的基本要求：采样率为1S，每次测量的历元数小于10个，每点观测时间不低于3分钟。平面点位精度小于2cm（即实测点值与原已知点值相比较的X Y值），高程点位互差小±5cm（即实测点高程值与原已知点高程值相比较）。依据技术要求，依据技术要求，对实地所布设的像控点进行实时动态定位测量。按工作计划，经过五天外业工作，实时动态定位测量共计169个像控点的坐标和拟合高程数据（成果数据见像控点成果表）。
三、 GPS – RTK拟合高程与水准测量成果即的相互检测
为保证GPS – RTK拟合高程的正确性，为今后相同项目工作流程打好基础。我们采用随机抽样的方式，分别就城区，城乡结合部抽取一定数量的GPS – RTK拟合高程点，按国家四等水准测量要求进行水准观测，检核这些拟合高程点。根据项目区像控点点位布设情况和已知水准点所处位置。本项目区四等水准路线，由三个已知点，三个闭合环共计22.5Km组成。其中包括两条附合水准路线组成水路线网。外业数据经过自检、互检、专检、审核平差计算成果精度完全满足《规范》要求和项目区设计要求。最终平差结果和精度统计如下：
1. 外业数据检核：闭合环最大闭合差+28mm，允许值：±56mm。附合路线闭合差最大14mm，允许值：±22mm。闭合环路线最大长度11.34Km，允许值：15Km。附合路线长度最大1.28公里，允许值：15Km。
2. 平差后精度统计：最大点位误差1.028cm，允许值：±2cm。最大点间误差0.85cm.，允许值±1cm。最大高差中误差0.85cm，允许值±1cm。高程点最大中误差0.9cm，允许值：±2cm。具体数据统计如下：
从上面的检查数据统计表结果中可以看出：四等水准高程与GPS – RTK拟合高程点相比较，以四等水准高程为基准，最大较差绝对值为47mm，最小较差绝对值为7mm，通过计算得出高程点中误差为1.7cm，规范中允许值为：不大于±2cm。静宁县三维数字城市建设中所需要高程数据可以用拟合高程数据代替。也就是说:在基准站点位选取比较理想，满足规范和相目区技术要求的情况下，通过经过检验的数据转换参数，GPS – RTK实时动态定位所得到的三维数据拟合高程点数据代替可以完全代替水准测量高程值。其优势在于GPS – RTK实时动态定位工作方式灵活，省人少力，可减轻作业人员的工作强度，提高测绘技术人员的外业工作效率。随着GPS – RTK测量技术的日益成熟，拟合高程代替水准高程必然成为一种趋势。上述工作曾在陇南地区成县三维数字城市建设中取得了较为明显的工作成效。
3. GPS – RTK附带地形测绘
利用RTK测量技术的灵活性，可随时加密项目区的控制点，将项目区变化区域实时定位测量，特别是关键区域变化点的测量。如道路，花坛的拐角和曲线部分的关键点。电线杆位，信号灯。管道设施中的检修井，变径处，分叉处及重要拐点测绘定位，并绘制好工作草图。
四、内业数据处理
不同型号的RTK生产厂商，都随仪器设备配备有数据传输线和下载数据软件。数据经过转换后，一般都能在文本处理软件中打开并加工、编辑成最终成果资料。图形在cass7.1操作环境下，结合外业手工绘制的工作草图，绘制出最具有现实性的项目区基本图形。
五、总结
由于三维数字城市建设在一些地方，仍处于一个试点、探索阶段。对该类项目所需的基础数据，条件不具备的测量单位，还需沿用较为传统的工作方法和工作流程。随着GPS—RTK测绘技术飞速发展，以及在越来越多领域中得到应用。GPS—RTK测绘技术必将成为测绘行业的主力军。特别是在为决策部门、规化、设计部门提供基础数据中发挥越来越重要的作用。
六、几点工作建议
1. 测绘技术人员具有强烈的责任心，认真负责的工作态度。工作方法严谨，灵活。保证外业数据采集正确性。
2. 项目中投入的各种测量设备，要经过严格的检查，使其各项精度指标达到规范要求。特别是重要设备的关键性技术参数如：如RTK的标称精度等等。
3. 加强测绘人员的团队合作精神，尽可能在外业数据采集工作中消灭不合格数据，保征每一项数据的正确性。
4. 作好数据的安全，保密工作，减少不必要的数据损失。
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