IMU_RTK方式下山区分散型宅基地测量精度分析_孙幼政_.pdf

第 39 卷第 2 期2023 年 6 月测 绘 标 准 化Standardization of Surveying and MappingVol 39No 2Jun 2023收稿日期:2022 10 17第一作者简介:孙幼政，工程师，现主要从事测绘地理信息相关的工作。IMU/TK 方式下山区分散型宅基地测量精度分析孙幼政张海青朱陈明李卓冰(自然资源部第一航测遥感院陕西西安710054;2 西安市房产测量事务所有限公司陕西西安710003)摘要:惯性测量单元/实时动态载波相位差分(Inertial Measurement Unit/eal-Time Kinematic，IMU/TK)测量技术的出现为山区分散型宅基地测量工作提供了新思路。本文以华测 i90 型号的IMU/TK 测量设备为例，探讨 IMU/TK 在倾斜角不大于 30情况下的测量精度及稳定性，并通过与全站仪测量坐标进行对比，证明 IMU/TK 测量在倾斜角不大于 30的山区能满足分散型宅基地的测量精度要求。关键词:惯性测量单元/实时动态载波相位差分;农房一体;分散型;倾斜角;全站仪中图分类号:P228 4;P23DOI:10 20007/j cnki 61 1275/P 2023 02 12Measurement accuracy analysis of dispersed homestead in mountainousarea under IMU/TK modeSUN Youzheng，ZHANG Haiqing，ZHU Chenming，Li ZhuoBing(1 The First Institute of Photogrammetry and emote Sensing，MN，Xian，Shaanxi 710054，China;2 Xian eal Estate Surveying Office Co，Ltd，Xian，Shaanxi 710054，China)Abstract:The emergence of IMU/TK survey technology provides a new idea for the survey of dispersedhomestead in mountainous area in the integrated rural housing project In this paper，the measurementaccuracy and stability of IMU/TK under 30 degree tilt angle are discussed by taking the measurementmethod of i90 IMU/TK as an example By comparing with the measurement coordinates of total station，the experimental conclusion is drawn that IMU/TK measurement can meet the measurement accuracy re-quirements of dispersed homestead in mountainous area under 30 degrees of tilt angleKeywords:IMU/TK;integrated rural housing;dispersion-type;tilt angle;total station开展农村房、地确权登记是维护农民财产合法权益的一项重要内容，是一项惠民利国的基础性工作，对深化农村不动产产权制度改革，实现乡村振兴有着重要的意义。该项工作的主要内容是对农村宅基地和集体建设用地范围内的建(构)筑物进行权属调查，形成不动产权籍数据库，并登记办理符合条件的不动产权证1。考虑到成本和技术手段的可行性，传统基于 TK+全站仪的全野外测图方法和倾斜摄影测量方法均不适用于山区分散型宅基地的测量。因此，本文提出采用 IMU/TK 方式采集山区分散型宅基地。目前，IMU/TK 技术的应用主要集中在大比例尺地形图测绘和工程测量等领域，但宅基地测量的精度要求则在界址点级。因此，若该技术手段的精度能得到验证，将省去布设图根点、架设全站仪、后视定向等烦琐工作，大幅提升山区分散型宅基地测量的作业效率，降低作业成本。第 2 期孙幼政，等:IMU/TK 方式下山区分散型宅基地测量精度分析1山区分散型宅基地测量农房一体项目的主要任务是全面查清每一宗宅基地的宗地范围，以及范围内建(构)筑物的位置、面积、权属等基本情况，建立集图形、属性、档案于一体的数据库与管理信息系统，为实施不动产统一登记奠定基础2。本文的试验区为汉中市镇巴县某乡镇。试验区地处秦巴山区，地形陡峭、地势高差大、植被茂密。按照 倾斜数字航空摄影技术规程3 规定，测区内地势高差最多不能超过航高的三分之一，否则不能开展航飞任务。另一方面，试验区植被覆盖太密，会严重影响构建三维模型的精度。因此，倾斜摄影测量方法不适用于该乡镇农村宅基地测量工作。该乡镇农村宅基地主要有两类:一类是国家统筹安排的移民安置点。这类宅基地主要位于村委会周边或交通要道两侧，呈密集片区，分布相对集中，数量约占该乡镇宅基地总数的 60%。另一类是老宅基地或在老宅基地基础上翻建的宅基地。这类宅基地主要分散于秦巴山间，呈零星状，分布相对分散，数量约占总数的 40%。第一类宅基地可以采用基于 TK+全站仪的全野外数字测量方法，经过图根控制测量、全站仪架设、后视定向和检核、极坐标法采集建(构)筑物和界址点等步骤，高效完成测量工作。TK+全站仪方法高效率测量的关键是基于全站仪测站能采集大量有效的地物特征点和界址点。因此，该方法不适用第二类山区分散型宅基地的测量。随着 TK 定位技术的不断发展，基于 IMU 的IMU/TK 技术也日趋成熟4。它既可以应用于困难场景下大比例尺地形图测图时的地物采集，又可应用于工程放样、电力通信线采集等，具有抗电磁干扰强、收敛时间短、可倾斜测量的特点。本文探讨IMU/TK 技术在山区分散型宅基地测量中的应用。2IMU/TK 原理与方法2 1IMU/TK 技术简介TK 就是基于载波相位观测值的实时动态定位技术5，可根据相对定位原理实时计算出移动站与基站相对的三维坐标6 8，并可在不同野外条件下实现三维坐标的厘米级测量9。但在生产中，受到工作场景和仪器形态的限制，很多地物要素的位置都无法直接获取，比如在农房一体项目中，TK接收机就无法直接垂直放置在房角等界址点处。为此，出现了一种新测量技术手段 基于 IMU/TK方式的倾斜测量技术，即在 TK 接收机上安装一个可以倾斜改正的装置，在一定倾斜角状态下接收机也能通过倾斜改正计算出对中杆底部(尖端)测量点的坐标。目前，市场上的第一代 TK 倾斜测量技术基于地磁解算，很容易受到高压线、变压器、发射站、多金属等地方的磁场干扰，从而降低倾斜改正精度10。本文使用的接收机采用二代 TK 倾斜测量技术，即IMU 和 TK。其中，IMU 由 3 个正交放置的陀螺仪和加速计组成。由于 IMU 能准确测量出 TK 在倾斜状态下的信息，因此能通过获取的 IMU/TK 中心姿态角和相对位置反算出测量点的坐标11。2 2IMU/TK 姿态角计算IMU/TK 的运动状态都可以用加速度来表示，由加速度计测得比力，应用牛顿运动三定律运算化简。IMU/TK 的加速度计算公式为12=f (2i+)Vr+g(1)式中:f 为加速度计测量的比力，和 i为陀螺仪的角速度和其在 X 方向的分量，Vr为陀螺仪速度，2iVr为 IMU/TK 运动与地球自转引起的哥氏加速度，Vr为 IMU/TK 运动引起的对地向心加速度，g 为重力加速度13。加速度对时间的一次积分是速度，二次积分就是位移。通过对 IMU/TK 加速度的二次积分求得不同坐标分量的位移。坐标分量位移计算公式为Xt=t0Vx(t)dtYt=t0VY(t)dtZt=t0VZ(t)dt(2)式中:Xt、Yt、Zt为 0 t 时间内相对位移，VX(t)、VY(t)、VZ(t)为瞬时速度。然后通过三角函数获得IMU/TK 的姿态角 a 和 b。2 3IMU/TK 改正模型传统 TK 的位置以天线相位中心重合的几何中心坐标为准，IMU/TK 方式测量的位置坐标与传统的 TK 存在差异，其改正模型结构示意见图 1。75测 绘 标 准 化第 39 卷图 1IMU/TK 改正模型示意图Fig 1Schematic diagram of IMU/TK correction model图 1 中，处于倾斜状态下的 IMU/TK 接收机获取到 A 点坐标(x，y，h)，接收机对中杆底部(尖端)所对应的 f 点位置坐标为(X，Y，H)。通过IMU/TK测量的倾斜改正，理论上可以由倾斜状态下的实测 A 点坐标(x，y，h)反算出待测点 f 点坐标(X，Y，H)6，计算公式为X=x+x=x+L sina cosbY=y+y=y+L sina sinbH=h h=h L cosa(3)式中:a 为对中杆竖直倾斜角，b 为对中杆倾斜投影到平面坐标系中的倾斜方位角，x、y、h 为坐标增量，L 是对中杆杆长。3采集试验与精度分析IMU 传感器存在零偏、因数误差、非正交项误差和非对准误差等误差，虽然进行了误差补偿，但还会产生综合误差。其中，零偏与因数误差又具有重复性、稳定性及温度相关性的特点，因数误差还具有非线性特点14 16。谢爱萍与刘才龙研究 IMU/TK倾斜改正误差，得出接收机对中杆在竖直倾斜角不大于 30 情况下平面精度可靠的结论。本文结合镇巴县农房一体项目，以山区分散型宅基地为作业对象，在 IMU/TK 方式下采集数据进行精度分析，验证 IMU/TK 方式在山区分散型宅基地测量方面的可靠性。3 1数据采集采用华测 i90 型号 IMU/TK 进行试验。该设备整合了 IMU 更新率为 200 Hz 的惯性传感系统，能够自动进行倾斜补偿。在数据采集前，先在手簿中设置参数，包括垂直倾斜角不大于30，高度截止角为10，采样间隔为20 s，天线高为2 m。在数据采集过程中，使用 TK 支架等辅助工具使 TK 在数据接收过程中位置和姿态保持稳定，以免出现粗差。由于 IMU/TK 的精度指标对作业场景有着严格的要求，为保证试验的可靠性，使用控制变量法，即同一个技术员使用同一台仪器在同一时段采集镇巴县某乡镇分散宅基地的明显界址点作为试验数据。3 2误差统计与分析使用 IMU/TK 方式采集了 50 个明显界址点，并以布设图根点，使用全站仪采集对应界址点作为真值，通过计算对精度进行验证，如表 1 所示。验证发现 所 有 界 址 点 的 水 平 精 度 因 子(HorizontalDilution of Precision，HDOP)值均小于6，表明数据有效可用。按照 GB/T 243562009测绘成果质量检查与验收17 中同精度检测中误差计算公式进行同精度检测。M=22n(4)表 1界址点精度统计Tab 1Accuracy statistics of boundary points点号X/mY/mS/mA/()HDOP点号X/mY/mS/mA/()HDOP10 0280 0430 052100 9260 0350 0270 044301 7720 0410 0260 048200 94270 0580 0290 064301 2430 0100 0610 062202 13280 0520 0100 053301 0640 0510 0240 057201 15290 0450 0300 054301 650 0310 0420 052301 73300 0010 0420 042201 1960 0050 0060 008301 3310 0400 0400 057301 2870 0050 0160 017301 33320 0580 0510 077301 7985第 2 期孙幼政，等:IMU/TK 方式下山区分散型宅基地测量精度分析续表 1点号X/mY/mS/mA/()HDOP点号X/mY/mS/mA/()HDOP80 0160 0440 047301 07330 0220 0240 032301 7890 0530 0280 059302 48340 0010 0220 022301 26100 0310 0040 031301 21350 0390 0500 064301 22110 0070 0470 047300 99360 0140 0090 017301 14120 0130 0170 021200 95370 0600 0670 090301 14130 0200 0300 036200 86380 0030 0030 004301 14140 0690 0530 087200 91390 0620 0120 063301 15150 0360 0530 064200 98400 0320 0240 040301 23160 0440 0230 050201 48410 1170 0890 147304 23170 0400 0280 049201 49420 0020 0600 060301 24180 0090 0340 035201 35430 0020 0260 026201 51190 0260 0120 028201 02440 0450 0080 046301 26200 0050 0370 037201 42450 0560 0380 068301 42210 0360 0620 072301 13460 0140 0620 064300 88220 0340 0420 055301 62470 0370 0690 079300 89230 0170 0470 050301 79480 0360 0240 043300 96240 0200 0690 072301 94490 0150 0170 023301 04250 0100 0400 041301 71500 0680 0040 068301 12对允许中误差2 2 倍以内(含2 2 倍)的误差值均参与误差数学计算。通过对 50 个界址点进行统计时发现:误差超过2 2 倍允许中误差的点有 1个，误差在1 2 2倍中误差之间的点有23 个，占比46%，误差小于等于中误差的点有 26 个，占比52%，剔除粗差后计算出中误差为 3 7 cm，总体精度良好18。详细误差分布见表 2。表 2界址点误差分布区间Tab2The distribution interval of error of boundary points误差分布区间 S/m界址点个数/个占比/%S0 0526520 05 S0 14123460 141 S12合计50100通过分析可以看出，当周边环境较差，如房屋间紧密 相 连、墙 角 有 遮 挡 物、屋 檐 较 宽 时，采 用IMU/TK方式进行测量，虽然影响了接收卫星信号，对 精 度 产 生 一 定 的 影 响。但 总 体 来 说，IMU/TK测量中误差满足了规范中规定的界址点点位中误差小于 5 cm 的要求。4结语IMU/TK 改变了传统 TK 作业模式，能够在复杂场景中实现数据的快速获取，并能在一定角度倾斜状态下快速定位界址点。但在不动产确权登记测量中，受接收机天线外观几何形状制约，无法在其相位中心直接测量到房角界址点8。本文在山区分散型宅基地测量试验中，用测量垂直倾斜角不大于 30的界址点作为实例进行试验，得出中误差为37 cm，满足了该类型项目生产的精度要求，极大地降低了作业人员工作量，提高了作业效率。该方法在山区分散型宅基地测量中具有一定的推广前景，可为同类型外业复杂场景测量工作提供参考。参考文献 1 张照杰，李娜 倾斜摄影在农村房地一体不动产确权登记项目中的应用 J 北京测绘，2021，35(1):66 69 2 杨洋，钟世彬，曾怀恩 农村房地一体不动产确权登记关键技术研究 J 测绘与空间地理信息，2021，44(12):43 4595测 绘 标 准 化第 39 卷 3 GB/T 396102020 倾斜数字航空摄影技术规程 S 2020 4 余彦培 基于移动基站的 TC OFDM 高精度室内定位关键技术研究 D 北京:北京邮电大学，2013 5 汪兆锐 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