1、本科毕业论文（20 届）全站仪联合 RTK 在地形测量中的应用及误差分析所在学院 专业班级 测绘工程 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 全站仪联合 RTK 在地形测量中的应用及误差分析摘要: 这些年，我国的经济建设成长的越来越快，工程项目也是逐渐增多，测绘在经济建设发展中起着前锋军的重要作用。全站仪和 GPS-RTK 也成为地形测量的主要仪器。但是， GPS-RTK 和全站仪都有各自的优缺点，如果只使用其中一种仪器，由于各种仪器的局限性与误差，很难高效快速完成工程量，从而影响工程进度，可谓事倍功半。本文通过相比优缺点，作出联合作业的流程，并联系现实探究如何将 GPS-RTK 技
2、术与全站仪相联合，施展各自的上风，消除局限性，将误差降下来，从而加速工程进度。本文最后指出了全站仪与 GPS-RTK 技术开展数字测图的局限性及主要误差来源与分析。关键词: 全站仪；GPS-RTK; 地形测量；联合作业；误差分析3目录1 前言 .41.1 研究的目的和意义 .41.2 本文的主要研究内容 .42 全站仪在地形测量中的应用 .42.1 全站仪工作原理 .42.2 全站仪的误差分析 .53 GPS-RTK 在地形测量中的应用 .53.1 GPS-RTK 测量原理 .53.2 GPS-RTK 误差分析 .64 全站仪联合 GPS-RTK 数字地形测图 .64.1 GPS-RTK 和全
3、站仪的优点缺点比较 .64.2 GPS-RTK 和全站仪联合测图的工作流程 .65 全站仪联合 GPS-RTK 测图的实例应用 .75.1 测区概况 .75.2 作业技术标准与测图要求.75.3 碎步测量数据采集 .85.3.1 基于 RTK 的野外数据采集 .85.3.2 基于全站仪的野外数据采集 .85.4 野外数据采集误差分析 .85.5 数据传输与处理 .85.6 内业成图 .95.7 联合测图时的注意事项 .106 结论 .10参考文献: .11致谢 .1241 前言1.1 研究的目的和意义在科技技高速生长下，传统的测图方式逐渐地被淘汰。为了能适应当代社会经济的快速成长，工作效率的不
4、绝提高，就要从技术操作方面不断改革招新。只有新的方式，技术，才可以有用地提高工作效率，以担保工程顺利，快速完成。地形测量在测绘工作中举足轻重的，然而，传统的数字测图方法进行地形图测绘，其效率已无法满足现在用户的要求。而且工作复杂，各种影响因素多，感觉工作量大，要想预期完成任务，就得加大人员的投入，从而提高生产成本。研究新的方法技术，以适应社会的发展，是势在必行的。提高数字测图效率成为测绘各界一直努力的方向。本文研究的目的在于通过 GPS-RTK 与全站仪相联络在地形测量中的实际应用，从而总结出方法技术的突破。对比总结 GPS-RTK 与全站仪野外收罗数据时误差来源的分析及精度提高研究。通过研究
5、，完成一套在地形测量中完整成熟的新作业模式，以适用未来高速发展下的高效作业。由于全站仪和 RTK 各自的局限性，在独立进行测量工作时，总会产生很多不必要的工作量。只有两者相结合，互相取长补短，才能更高地发挥他们的作用。但是，两者的结合也是很有科学依据的，而不是胡乱使用，颠倒使用顺序。所以，研究一种能满足现代测图要求的高效方法是很有意义的。1.2 本文的主要研究内容本文主要研究全站仪和 GPS-RTK 联合进行数字地形测图的方法应用，并对比两种仪器各自的优势，结合使用，进行高精度，高效率的测量工作。在研究的过程中，首先是简介全站仪和 RTK 及各自的工作原理，总结出全站仪和 RTK 在数字地形测
6、图中的局限性和误差来源及精度分析。最后通过工程实例，详细论述全站仪联合 GPS-RTK 在地形测量中的应用。2 全站仪在地形测量中的应用2.1 全站仪工作原理全站仪的投入使用让测量效率大大提高，全站仪数字测图是大比例尺测图的主要方式。此方式是用全站仪进行外业的碎步点采集，然后回到内业用计算机进行编辑、成图，该方法是相对快速、便利且可直接形成数字化地形图 1。 全站仪的工作原理一般分为测角原理和测距原理。 （2-1）Ct21DD 为测站点与待测点的距离C 为光速约为 30 万 km/s t 为光波在测站点与要测的点中传播一来回的时间设未知点 C 坐标为（XC, YC, ZC）,测站点 A 坐标为
7、（XA, YA, ZA）,后视点 B 坐标为（XB, YB, ZB）,S 为测站点与未知点倾斜距离，AB 为测站点到已知点的坐标方位角， 为观测的水平角， 为观测的竖直角，i 为仪器高， v 为目标高，则未知点 C 的坐标为：（2-2）viSZYXACABtan)180s(co）对于式中的“”，当 AB+180时，为“+”，当 AB+180 时，为“-”。52.2 全站仪的误差分析全站仪的误差主要分为：仪器误差；人为误差；环境误差仪器误差：仪器自身的误差大致可分为两种，一种是几何构造误差，好比视准轴误差，竖直轴倾斜误差，水平轴倾斜误差等；另一种是机器构造误差，是仪器制造，校准，磨损等原因造成的
8、，好比照准部转动误差。在观测的过程中，我们要一直转动照准部去瞄准我们所要测的点，在转动照准部时全站仪底座发生小小位移就会产生系统误差。人为误差：在操作的过程中，产生误差是难免的。人为的误差主要有对中整平操作误差，观测误差等。架设仪器时没有精准的对中整平产生误差，而观测误差还表现在观测的时候，我们人体的眼睛功能是有限制，没有办法很精确地判断照准部里的影像跟现实的影像是一样的，从而引起误差。环境误差：外界环境的影响有很多，比如地球曲率及地形地物复杂，太阳照射方位，大气的密度，温度，湿度等都对观测精度有影响。在观测的过程中，由于大气质量的影响，会使观测产生水平折光和垂直折光，加上地球曲率对照准目标的
9、相位差等因素，使得目标成像产生误差而质量下降。3 GPS-RTK 在地形测量中的应用3.1 GPS-RTK 测量原理GPS-RTK 的应用，在进行测图时，既可以缩短工作时间，又可以减少人员的投入，工作效率有了很大的提高。RTK 的工作原理是实时动态相对定位，它能够实时地提供测站点在指定坐标系中的三维定位结果，并达到厘米级精度 2。再通过坐标转换,得到想要的坐标数据。RTK 的作业流程如图 3-1 所示：图 3-1 GPS-RTK 野外数据采集作业流程图 3-2 GPS-RTK 实时动态相对定位原理63.2 GPS-RTK 误差分析RTK 是实时动态差分测量,这过程中必然引起很多误差。它离不开卫
10、星，然而卫星自身也会有挺多的误差，好比卫星钟误差和星历误差，但是这种误差能够通过差分技术来消除。在信号接收在传输过程中，会由于大气的对流，电离层及传播延迟产生误差。产生误差的原因还与流动站的接收机有关，包括有接收机内部的噪音，多路径效应及通道延迟的影响，而且这种误差用差分技术还不可消除。最后，外界环境的影响，也会干扰无线电信号，以及坐标转换时模型的误差也会产生误差。 4 全站仪联合 GPS-RTK 数字地形测图4.1 GPS-RTK 和全站仪的优点缺点比较利用全站仪实施数字测图其优越性明显高于传统的模拟测图，但是同样还存在缺点。利用全站仪进行数字测图时，测站点与观测点必需相互通视，受地形和人为
11、因素影响较大。测区内要有足够的控制点，否则测图将会异常困难 3。用 GPS-RTK 进行野外作业时，任意时间都可以进行测量，且无需设站，节省了大量时间。测区内无需通视，无累计误差，工作效率高，且成果精度均匀，在地形简单，视野开阔的地区，明显优于于全站仪。但是如果测区位于密集、较高的建筑物的地方时，单基站模式较容易被影响，基站和卫星发出的信号难以被接收 4。 尽管特定时间能满足测量要求，但精度也不理想,具体的优缺点比较如下表所示：表 4-1 全站仪与 RTK 优缺点对比对比项目 全站仪 GPS-RTK通视要求 要求测站点与观测点相互通视 无需通视设站灵活性 灵活设站 利用控制点校正后无需设站测量
12、精度（相同情况下） 较高 较高操作复杂程度 操作稍微复杂 操作简单稳定性 稳定 稳定性受地貌影响较大所受限制类型 水平遮挡 竖直遮挡数据实时性 内业处理时才能知晓精度情况 可当场知晓点位信息与测量精度人力物力投入量 较大 较小适用地形 高楼密集区域，上空遮挡较为严重区域适用于视野开阔、水平方向遮挡，竖直方向不遮挡的区域4.2 GPS-RTK 和全站仪联合测图的工作流程传统的作业模式工序比较复杂，而且工作量也大，要完成一个测区的测量工作，可能要多次去作业现场测量，而且因为时间差可能要在同一个测站上多次摆站站，复杂程度加大导致测量作业效率低，也造成不必要的精度流失 5（如对中误差和定向误差的增加等
13、）。针对上面这种情况，我们就可以利用 RTK 和全站仪各自的优点来补偿对方的缺点，把两者相结合，进行联合作业，就能克服上述的种种弊端。全站仪联合 GPS-RTK 测量作业大致可以分为两个阶段： 1、GPS-RTK 测量图根点。RTK 的测量精度是比较高的，它足以符合图根控制的精度要求，使用RTK 进行控制测量时既能实时地知晓定位的结果，还能够实时地知道定位的精度，这种方式的作业效率是比较高的 6。2、碎部点数据采集。用 RTK 和全站仪对一测区同时开展测图工作，两者的联合使用不但解决了全站仪视线水平方向遮挡问题，也解决了 RTK 卫星7信号竖直方遮挡问题，这样一来就免去了因为有些碎部点不通视没
14、办法测量而要搬站，没信号不能测量的影响 7。联合测图的基本流程如下图所示：图 4-1 全站仪、RTK 联合测图的基本流程5 全站仪联合 GPS-RTK 测图的实例应用5.1 测区概况本测区位于福建省莆田市，莆田属于我国东部沿海城市，地势平坦而广阔。本测区内，条条大路相通，行车便利，视野开阔，有利于测量工作的进展。因地理条件的优势，在本测区进行测量工作时，地形一般都是由 RTK 直接进行，地形特征点一般 RTK 都能到达。然而，像高层房子，塔，门等建筑，RTK 无法直接到达的，将用全站仪架站测量。莆田气候属于亚热带海洋性季风气候，雨热同期，降雨相对比较集中，且夏长冬短，白昼时间长，可以有充足的时
15、间进行测量工作。5.2 作业技术标准与测图要求在进行数字地形测图时，我们的测图都是有精度要求的，不同的地形地貌所测的精度要求也有所不同，而精度要求也主要有平面的精度和高程的精度。平面精度（1）主要地物点平面精度应满足下表的要求：表 5-1 主要地物点精度指标主要地物点相对于邻近控制点的点位误差主要地物点中误差（cm） 限差（cm）适用范围一级 5 10 高级商业用地、房产单价高的地物二级 7.5 15 普通住宅用地、房产单价适中的地物（2）其它地物点、地貌点平面精度应满足下表的要求：表 5-2 其它地物点、地貌点的点位中误差与间距中误差 单位：mm地区分类 点位中误差 邻近地物点间距中误差旧街
16、坊内部 0.5 0.4城市建筑区和平底、丘陵地 0.3 0.24高程精度（1） 图根点高程注记至 0.01 米，基本等高距为 0.5 米，碎部点高程注记至 0.01 米，水准联测的控8制点高程注记至 0.001 米，碎部点高程注记至 0.01 米 8。（2） 平坦地区的高程注记点相对于邻近图根点（及以上各级控制点）的高程中误差不大于0.15m9。（3） 其它各类地形高程的精度是用等高线插求点的高程中误差来权衡的，各类地形高程中误差如下表所示：表 5-3 等高线插求点的高程中误差地形类别 高山地 山地 丘陵地 平地高程中误差（等高线）1m 0.66m 0.5m 0.33m5.3 碎步测量数据采集
17、5.3.1 基于 RTK 的野外数据采集通常情况下，如果测区里地形较为开阔，四周也没有什么障碍物和较高的建筑物时，使用 RTK 进行快速的地形测量。使用 GPS-RTK 进行碎部测量，可以不要画草图，操作简单方便，这样的话可以一个人使用一台流动站 GPS-RTK 接受机进行测图。收集的碎部点在记录到文件时要求有一定的格式，这种格式包括点名、仪器高、编码，数字测图软件（CASS)通过简码识别可自动生成简单的图形。这样一来将节省大量的时间和人力投入 10。5.3.2 基于全站仪的野外数据采集在 RTK 信号不佳的区域，比如很多树木房屋，建筑物较高的区域。应当使用全站仪进行点的采集。但是对于一些棱镜
18、无法到达的区域，和危险的区域，可以采用无棱镜模式，这样既加快了测量速度，又减少了安全隐患。在一些房屋过于密集的区域，难以用 RTK 放控制点时，可以采用自由设站，同样将仪器整平量取仪器高，再随意输入 X Y Z 坐标，采用斜距法（即边角法）进行测量。在外业数据采集时，线状地物第二个以上特征点采集时需要输入编码“+”或者“-”连接起来，以便内业成图时易于识别。5.4 野外数据采集误差分析使用 RTK 在野外对碎步点开展测量时，其精度会受到信号的影响而降低。在居民楼比较密集的地方，周围树木比较茂盛的地方，接近信号铁塔，高压线，变电箱的地方等都会影响 RTK 接收的信号。信号不佳，浮动比较大，误差值
19、也增大，这在精准测量中影响是比较大的。RTK 打点的原理是基于载波相位观测值的实时动态定位，我们将仪器移动到所需测量点位时，要确保为固定解，此时测得的坐标才是所测点的坐标，且精度高。但由于接收机接收数据的时间差，如果在测量时，过快打点，容易使所测的点位偏移，甚至打飞。在 RTK 没有信号的点，就要架设全站仪进行测量。在使用 RTK 测量控制点的坐标时，由于控制点一般分布在 RTK 信号较弱的高层建筑周围，应当用 RTK 对控制点进行 10 秒数据采集，再取平均值。这样所得的坐标数据是更为精准的。控制点作为测图整体的参考，如果控制点的误差比较大，那么所测的整个图都将有所偏移，不能达到理想的成果。
20、在 RTK 有信号的情况下，应当尽量使用 RTK 放控制点，减少支站，从而减少全站仪因支站而引起的累积误差。全站仪野外数据采集时还有很多误差，比如大气折光的影响。一般情况下，当全站仪视线通过密度不一样的大气层时，就会发生连续折射，这时就会产生一个差值。减小大气折光的影响，应该在选点时尽量避开水域区，在大风大雾天气时，尽量减少测量。5.5 数据传输与处理全站仪的数据传输，使用相应的数据传输软件，我们使用的是拓普康和南方软件。选择我们想要的数据格式，一般可传输斜距数据和坐标数据，再选用通讯参数相应的波特率（我们使用波特率 38400），9最后转换成我们想要的坐标并保存格式（一般.dat 或.txt
21、 格式）以便读出。而 RTK 的数据传输，只需在手部中将格式改为.dat 格式，即可连接电脑直接将数据复制出。下面展示全站仪传输的数据（通讯参数设置：协议：None；波特率：38400；数据位：8；停止位：1；校验：无 ）图 5-1 全站仪原始数据 图 5-2 全站仪转换数据图 5-3 RTK 坐标数据上面图 5-1 为从全站仪中导出的原数据文件，图 5-2 为通过转换的 CASS 坐标（NTS600）(L)数据，利用 RTK 测量的图根点与原数据文件使用相应的软件进行计算，即可得到图 5-3 所示的 CASS 展点所需要的格式。图 5-3 为 RTK 直接导出的 CASS 展点格式的坐标数据
22、。5.6 内业成图将转好格式的数据文件及 GPS-RTK 采集的数据以展点和简码识别的方式展到 CASS 软件中，再根据外业所输入的编码根据福建省 1：500 1：1000 1：2000 基本比例尺数字地形图测绘技术规定中的表示方式进行编辑，连线成图 11。对于 GPS-RTK 与全站仪联合测图精度的保证，可打印一份完成的地形图，到测区进行地物对比，检查是否有漏测、错测现象，并利用仪器进行任意的打点检查，若有遗漏或者错测，则应该及时补测，并在内业图中改正过来。下面展示部分成果图。10图 5-4 莆田测区的部分成果图5.7 联合测图时的注意事项1 仪器使用的整个过程，应该轻置轻放，避免因过大震动
23、而影响内部件而影响精度。2 架设基准站时，应该找个空旷，无过多建筑遮挡的地方，确保电台信号能覆盖整个测区。3 使用小棱镜时，棱镜头正反应当符合棱镜参数的设定，不然造成 30mm 的误差。4 定向时，立杆的要确保杆是否竖直。在杆长期没有校验的情况下，气泡可能跑偏，此时的气泡居中，或许杆都是有所倾斜的。立杆时，可两手轻扶杆子，利用地心铅垂引力。当杆子直立不易倒时便是正确位置。5 在高程测量时，应该选择高差变化明显的等高线测量。在高差变化不大，较平坦的地块测高程时，应保持 20-30 米一个点，形成方格形状。6 由于很多客观环境因素及不可预见的因素影响，流动站 RPS-RTK 接收机采集数据时可能会
24、出现假固定，假数据的情况，此时应当移动到空旷处等待或重启。7 全站仪架设在土质较松或铁板桥上时，测量人员重踏可能导致仪器因受震动而倾斜，此时所测数据误差较大或需重新调平。8 全站仪数据传输时，仪器应避免放到过高处或狭窄位置。尽量放置在地板上，以免不小心摔落。9 地形图连线，画图时，在画到适量时应当应先点击下保存按钮。以免失误而全部白画。6 结论本文探究了全站仪联合 GPS-RTK 进行地形测量的方法，并展示了这种方法在测绘领域的先进性。通过进行两者特点的比较，总结出一套实用的全站仪联合 RTK 进行数字测图的方法。联合测量技术在地形测量中的应用，结合两者的特点，充分发挥了两者的优越性，合理避免了 GPS-RTK 和全站仪的缺点，局限性。这种方法目前也正广泛应用于地形测量这一块，只有不断去完善这种先进的方法，并逐渐排除现存的局限，缺点，继续深入探讨，形成一套更加成熟的方法，这对于加快工程进度，提高工作效率与质量都有着很大的作用。
