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GPS在工程测量中的应用与探讨.rar

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    编号:20180915222315997    类型:共享资源    大小:97.43KB    格式:RAR    上传时间:2018-09-15
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    GPS 工程 测量 中的 应用 探讨
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    编号:10009410422南阳师范学院 2014 届毕业生毕业论文(设计)题 目:GPS 在工程测量中的应用与探讨 完 成 人: 张 进 杰 班 级: 10 级 4 班 学 制: 四 专 业: 测绘工程 指导教师: 杨 杰 完成日期: 2014/4/17 目 录摘要 ............................................................(1)1 前言 ..........................................................(1)2 GPS 的工作原理及使用方法 ......................................(1)2.1 GPS 测量仪器的结构组成部分 ...................................(1)2.1.1 空间部分 ............................................(2)2.1.2 地面控制系统 .........................................(2)2.1.3 用户设备部分 .........................................(2)2.2 GPS 在工程测量中的原理 ......................................(2)2.2.1 测量的特点 ...........................................(2)2.2.2 工程测量平面坐标系的建立原理 ...........................(3)2.2.3 GPS 测量技术原理 ......................................(3)2.3 GPS 在工程测量中的使用探讨 ...................................(4)2.3.1GPS 测量的技术设计 ....................................(4)2.3.2GPS 测量的外业实施 ....................................(5)3 GPS 的工程应用与工作方法 ......................................(7)3.1 GPS 在控制测量中的应用 ......................................(7)3.2 GPS 在碎步测量中的应用 ......................................(8)4 与常规测量比较及其优缺点 ......................................(9)4.1 GPS 的优势特点 .............................................(9)4.1.1 操作方面 ............................................(10)4.1.2 精度比较 ............................................(10)5 结束语 .......................................................(12)参 考 文 献 ....................................................(13)Abstract: .......................................................(13)第 0 页 (共 15 页)GPS 在工程测量中的应用与探讨作 者:张进杰指导教师:杨 杰摘要:GPS 是常用的测量工程的仪器之一,其是一种全球定位系统。随着我国经济的快速发展,其在工程中广泛应用。基于此,本文主要探讨其在工程方面的应用原理方法,以大量的现场操作去验证。从数据中分析其方法的优缺点,找出最快捷的方法。最后分析其未来的发展趋势,以及我国将来在这方面的前景,从而使其更好地应用到我国的国民经济建设中,为广大国民带来更快,便利的生活。 关键词:全球定位系统;快速;大量;快捷;前景1 前言最初的 GPS 计划在美国联合计划局的领导下 诞生了,该方案将 24 颗卫星放置在互成 120 度的三个轨道上。每个轨道上有 8 颗卫星,地球上任何一点均能观测到 6 至 9 颗卫星。这样,粗码精度可达 100m,精码精度为 10m。由于预算压缩,GPS 计划不得不减少卫星发射数量,改为将 18 颗卫星分布在互成60 度的 6 个轨道上,然而这一方案使得卫星可靠性得不到保障。1988 年又进行了最后一次修改:21 颗工作星和 3 颗备用星工作在互成 60 度的 6 条轨道上。这也是 GPS 卫星所使用的工作方式 [1]。GPS 在工程中的应用,主要是用于建立各种工程控制网及测定航测外控点等。随着发展,对勘测技术提出了更高的要求,由于线路长,以知点少,因此,用常规测量手段不仅布网困难,而且难以满足高精度的要求。中国已逐步采用GPS 技术建立线路首级高精度控制网,然后用常规方法布设导线加密。实践证明,在几十公里范围内的点位误差只有 2cm 左右,达到了常规方法难以实现的精度,同时也大大提前了工期。GPS 技术也同样应用于特大桥梁的控制测量中。由于无需通视,可构成较强的网形,提高点位精度,同时对检测常规测量的支点也非常有效。GPS 技术在隧道测量中也具有广泛的应用前景,GPS 测量无需通视,减少了常规方法的中间环节,因此,速度快、精度高,具有明显的经济和社会效益。2 GPS 的工作原理及使用方法 2.1 GPS 测量仪器的结构组成部分第 1 页 (共 15 页)2.1.1 空间部分GPS 的空间部分是由 24 颗卫星组成(21 颗工作 卫星;3 颗备用卫星),它位于距地表 20200km 的上空,运行周期为 12h。卫星均匀分布在 6 个轨道面上(每个轨道面 4 颗),轨道倾角为 55°。卫星的分布使得在全球任何地方、任何时间都可观测到 4 颗以上的卫星,并能在卫星中预存导航信息,GPS 的卫星因为大气摩擦等问题,随着时间的推移,导航精度会逐渐降低。2.1.2 地面控制系统地面控制系统由监测站(Monitor Station )、主控制站(Master Monitor Station)、地面天线( Ground Antenna)所组成,主控制站位于美国 科罗拉多州春田市(Colorado. Springfield)。地面控制站负责收集由卫星传回之讯息,并计算卫星星历、相对距离,大气校正等数据。2.1.3 用户设备部分用户设备部分即 GPS 信号接收机。其主要功能是能够捕获到按一定 卫星截止角所选择的待测卫星,并跟踪这些卫星的运行。2.2 GPS 在工程测量中的原理2.2.1 测量的特点:相对于常规测量来说,GPS 测量主要有以下特点: (1)测量精度高。 GPS 观测的精度明显高于一般常规测量, 在小于 50km 的基线上, 其相对定位精度可达 10-6, 在大于 1000km 的基线上可达 1×10-9。 (2)测站间无需通视.。GPS 测量不需要测站间相互通视,可根据实际需要确定点位,使得选点工作更加灵活方便。 (3)观测时间短。 随着 GPS 测量技术的不断完善,软件的不断更新,在进行 GPS 测量时,静态相对定位每站仅需 20min 左右,动态相对定位仅需几秒钟。(4) 仪器操作简便。目前 GPS 接收机自动化程度越来越高,操作智能化,观测人员只需对中、整平、量取天线高及开机后设定参数,接收机即可进行自动观测和记录。 (5)全天候作业。GPS 卫星数目多 ,且分布均匀,可保证在任何时间、任何地点连续进行观测,一般不受天气状况的影响。 (6)提供三维坐标 [2]。GPS 测量可同时精确测定测站点的三维坐标 ,其高程精度已可满足四等水准测量的要求。GPS 定位技术以其高精度 、速度快、费用低 、操作简便等优良特性被广泛应用于大地控制测量、工程测量、变形观测中,可以说 GPS 定位技术已完全取代了用常规测角、测距手段建立大地控制网, 一般将 GPS 卫星定位技术建立的控制网叫 GPS 网。GPS 控制网分为两大类:一类是全球或全国性的高精度 GPS 测量网 ,网内相邻点的距离在数千公里至上万公里, 主要任务是作第 2 页 (共 15 页)为全球高精度坐标框架或全国高精度坐标框架,为全球性地球动力学和空间科学方面的科研工作服务, 或用以研究地区性的板块运动或地壳形变规律等问题。另一类是区域性的 GPS 测网,它包括城市或矿区 GPS 网、施工区域控制网等,网内相邻点距离为几公里至几十公里,主要作用是直接为国民经济建设服务,下面主要阐述后者。 区域 GPS 是指国家 C、D、E 级 GPS 网或者专为工程项目布设的工程 GPS 测量网 ,这类网的特点是控制区域有限,边长短( 一般从几百米到 20km), 观测时间短(从快速静态定位的几分钟至一两个小时) 。由于 GPS 定位的高精度、快速度、省费用等优点, 建立工程首级控制网的手段基本被 GPS 技术所取代。GPS 快速静态测量用于平面控制测量与传统的全站仪和典型静态测量相比, 不仅能够显著提高工作效率,而且所测成果精度能够满足设计要求。2.2.2 工程测量平面坐标系的建立原理高斯投影长度变形公式地面上的边长归化至平均海水面上,再投影至高斯平面,变形公式如式(1):△s=(△s 1+△s 2)=s(V1+V2)=s[-(Hm+h)/Rn]+s(ym2/2Rm) 其中: △s 为地面长度归化的高斯投影面的总改正值;s 为地面两点间距离;△s1为地面长度归化至海平面的改正;△s 2为海平面距离投影到高斯平面的改正;V1为地面长度归化至海平面的改正系数;V 2为海平面距离投影到高斯平面的改正系数;Hm 为归算边高出海平面的平均高程;h 为平均海水面与参考椭球体之间的高差;R n为归算边方向平均海水面法截弧的曲率半径;y m为归算边两端点坐标的平均值),R m为平均海水面的平均曲率半径。从工程测量平面坐标系建立的方法可以看出, 当测区平均高程 Hm 在100m 以下 ,Y 坐标平均值在 40km 以下,高斯投影改正每公里小于 2.5cm。 能满足相应规范的要求。每公里距离改正 2.5cm,即为:从公式中的△S1 、△S2 两项改正,符号相反,故对以上要求 , 为此,需通过选择某一独立的平面坐标系来解决,具体方法是:根据测区的具体情况,将投影的中央子午线选在测区的中央,地面观测值归算到测区平均高程面上, 按高斯正形投影计算平面直角坐标, 可以有效的实现两种长度变形改正的补偿 [3]。2.2.3 GPS 测量技术原理在 GPS 测量中, 卫星主要被作为位置已知的空间观测目标,从而形成了不需要地面点的后方交会, 每台接收机都是一个独立的控制点, 经过接受到的数第 3 页 (共 15 页)据解算出点的经纬坐标(WGS-84), 在多台接收机同时接收数据便形成了很多三角网形参与平差解算, 自由网无约束平差解算出 WGS-84 坐标,然后把己知的控制点进行约束平差得到 BJ-54 坐标。考虑到测区的实际情况 , 选多于 4 台 GPS 接收机为一套设备,以两台仪器为一组 ,成对布设 GPS 点。 在组成良好网形的前提下,每一对 GPS 点必须通视良好,其间距一般 500 m 左右,以便于以后作为全站仪导线点的起始点 [4]。GPS 联测和高等级导线采用软件平差解算。 在做较长距离导线时就会产生投影变形, 投影变形处理与否将直接影响整个控制网精度是否达到要求。2.3 GPS 在工程测量中的使用探讨GPS 构成 GPS 主要由空间卫星系统、地面监控站及用户设备三部分构成GPS 空间卫星系统由 21 颗工作卫星和 3 颗备用卫星组成。 24 颗卫星均匀分布在 6 个轨道平面内,卫星的平均高度为 20 200km,运行周期为 11h58min。卫星用 L 波段的两个无线电载波向广大用户连续不断地发送导航定位信号,导航定位信号中含有卫星的位置信息,使卫星成为一个动态的已知点,在地球的任何地点任何时刻,在高度角 15°以上,平均可同时观测到 6 颗卫星,最多可达到 9 颗。GPS 地面监控站主要由分布在全球的一个主控站 、三个注入站和五个监测站组成。主控站根据各监测站对 GPS 卫星的观测数据,计算各卫星的轨道参数、钟差参数等,并将这些数据编制成导航电文,传送到注入站,再由注入站将主控站发来的导航电文注入到相应卫星的存储器中。GPS 用户设备由 GPS 接收机、数据处理软件及其终端设备(如计算机)等组成。GPS 接收机可捕获到按一定卫星高度截止角所选择的待测卫星的信号,跟踪卫星的运行,并对信号进行交换、放大和处理,再通过计算机和相应软件,经基线解算、网平差,求出 GPS 接收机中心(测站点)的三维坐标。应用实例工程概况 本文涉及的工程由某集团公司投资建造,是一个集休闲、娱乐、旅游、假等功能于一体的综合项目。工程位于城郊,占地 86.4km2,属两山夹一沟地形,山地面积约占三分之二。最高处约 90m。山上树木茂盛,地形复杂,通视困难,行走不便。 为了该工程的设计和施工,需建立首级控制网。考虑到工程复杂,工期较紧,测区通视困难,地形起伏大等因素,决定采用 GPS 第 4 页 (共 15 页)测量。2.3.1GPS 测量的技术设计设计依据 :GPS 测量的技术设计主要依据 1999 年建设部发布的行业标准《城市测量规范》 、1997 年建设部发布的行业标准《全球定位系统城市测量技术规程》有关要求制定的。设计精度 :根据工程需要和测区情况 ,选择城市或工程二级 GPS 网作为测区首级控制网。 要求平均边长小于 1km,最弱边相对中误差小于 1/12 000,GPS 接收机标称精度的固定误差 a≤15mm ,比例误差系数 b≤20×10 -6 。设计基准和网形 :如图 1 所示 ,控制网共 12 个点 ,其中联测已知平面控制点 2 个(A011 ,A012 ) ,高程控制点 5 个(A011,A012,A005,A009,A010,其高 程 由 四 等 水 准 测得) 。采 用 3 台 GPS 接收机观测,网形布设成边连式 [6]。观测计划 :根 据 GPS 卫 星 的 可见预报图和几何图形强度(空间位置因子 PDOP) ,选择最佳观测时段(卫星多于 4 颗,且分布均匀,PDOP 值小于 4) ,并编排作业计划表。2.3.2GPS 测量的外业实施选点:GPS 测量测站点之间不要求一定通视 , 图形结构也比较灵活,因此,点位选择比较方便。 但考虑 GPS 测量的特殊性,并顾及后续测量,选点时应着重考虑:①点与点之间至少与另外一点(或一点以上)保持通视,以便后续测量工作的使用;②为保证 GPS 观测精度,点周围高度角 15°以上不要有障碍物,以免信号被遮挡或吸收;③点位要远离大功率无线电发射源、高压电线等,以免电磁场对信号的干扰;④点位应选在视野开阔、交通方便、有利扩展、易于保存的地方,以便观测和日后使用;⑤选点结束后,按要求埋设标石,并填写点之记。观测 :根据 GPS 作业计划表的安排进行观测 ,采取静态相对定位,卫星高度角 1°,时段长度 20min,采样间隔 10s。在 3 个点上同时安置 3 台接收机天线(对中、 整平、定向) ,量取天线高,测量气象数据,开机观察,当各项指标达到要求时,按接收机的提示输入相关数据,则接收机自动记录,观测者填写测量手簿 [5]。GPS 测量的数据处理 GPS 网数据处理分为基线解算和网平差两个阶段,第 5 页 (共 15 页)采用随机软件完成。经基线解算、质量检核、外业重测和网平差后,得到 GPS 控制点的三维坐标(见表 1) ,其各项精度指标符合技术设计要求。图 1 GPS 控制网表 1 GPS 控制点通过 GPS 在测量中的应用,得到如下体会 :第一,GPS 控制网选点灵活,布网方便,基本不受通视、网形的限制,特别是在地形复杂、通视困难的测区,更显其优越性但由于测区条件较差,边长较短(平均边长不到 300m) ,基线相对精度较低,个别边长相对精度大于 1/12 000。 因此,当精度要求较高时,应避免短边,无法避免时,要谨慎观测。第二,GPS 接收机观测基本实现了自第 6 页 (共 15 页)动化 、智能化,且观测时间在不断减少,大大降低了作业劳动强度,观测质量主要受观测时卫星的空间分布和卫星信号的质量影响。 但由于各点的选定受地形条件限制,造成树木遮挡,影响对卫星的观测及信号的质量,经重测后通过。因此,应严格按有关要求选点,择最佳时段观测,并注意手机 [6]、步话机等设备的使用。第三,GPS 测量的数据传输和处理采用随机软件完成 ,只要保证接收卫星信号的质量和已知数据的数量、精度,即可方便地求出符合精度要求的控制点三维坐标。但由于联测已知高程点较少(仅联测 5 个) ,致使的控制点高程精度较低。因此,要保证控制点高程的精度,必须联测足够的已知高程点。3 GPS 的工程应用与工作方法3.1 GPS 在控制测量中的应用在工程测量中,GPS 有其无可取代的优越性。一些大型工程,例如铁路、水坝的修建需要全局上的掌握,这时,传统的测量方法面对如此大型的工程,就很是吃力了,但是 GPS 术就不存在这样的问题,而且 GPS 可以直接提供三维的数据,在勘探设计阶段,极大地方便了工程的进行。在测设方格网的过程中,GPS 展现出的灵活性、适应性都远在常规方式之上。因为 GPS 的基站之间不需要相互通信,所以相对与常规测量方式,选点时的工作就简单很多。也降低了经济成本,省掉了建立视标的成本。但是,在这个过程中 GPS 技术也有其特殊的要求,选择点位时,需要方便到达,以便放置标石,而且选择的地方需要视线开阔,没有金属物和障碍物,防止干扰电磁波。比如说大片的水面,高压线网以及有大量金属存在的建筑工地等。GPS 技术在工程测量中应用最广的,要算是 RTK(Real-time kinematic) ,即实时动态差分法。这是一种新的常用的 GPS 测量方法,以前的静态、快速静态、动态测量都需要事后进行解算才能获得厘米级的精度,而 RTK 是能够在野外实时得到厘米级定位精度的测量方法,它采用了载波相位动态实时差分方法,RTK 技术可以说是 GPS 发展历程中的一大突破,应用 RTK 技术,可以在野外进行外业测量时,在不到一秒钟内,实时得到精度在厘米级的定位数据,这在地形勘测、工程放样上都有重大意义。在城市建设和大型工程建设的过程中,控制网的面积大,要求的精度高,而且测量数据随着工程的进度在不断变化,需要高频率的测量。这时候,传统的测量方式显得落后。传统测量的定位点通常是位于地面的,随着第 7 页 (共 15 页)工程的建设,这些点中大部分会被不断破坏,测量的进度也就被破坏了。而且,城市建设中,导线测量的方式,还要求点与点之间通视,浪费时间也浪费精力,同时还存在着测量精度不均匀的问题。RTK 技术则不然,应用这一技术,可以实时知道测量数据和测量精度,在精度达到之后,就可以停止测量了,不需要在计算出数据,然后发现达不到要求之后返工,还可实时地判定解算结果是否成功,以减少冗余观测, 缩短观测时间,大大减少了人力的强度,节省了开销。在施工放样的过程中,传统的测量方式,例如经纬仪交会放样,全站仪的边角放样等,通常需要先人为的设计好点位,在实地标识出来,至少需要 2 人至3 人共同操作,来回的去移动目标,如果碰上困难,还需要想其他很多方法才能成功的放样,这样做不仅费时而且费力。但是,采用 RTK 技术,只需要一人操作,把放样点的坐标输入终端,按照提示走到放样点即可,而且这种放样形式,不需要点间通信,直接通过坐标放样,大大提升了放样均度。在广西某一输油管道建设项目中,RTK 技术就发挥了很重要的作用。该地区地形复杂,如果应用传统的无线电方法,就会遇上信号不好等问题 [8]。而应用高精度 GIS 采集测量技术,可以通过 GPS,达到高精度采集信息,实时监控工程进度,在工程设计,放样以及施工过程中的控制上发挥作用,为设计施工人员提供精确以及变化的数据,使该广西该输油管道项目的实施效率大大提高。GPS-RTK 技术也应用于矿山测量工作中, 它主要用于矿区控制点加密, 地形测量, 以及钻孔、剖点、探槽、探井、坑口、取样钻孔、地质点、近井点、坑口位置点的坐标放样与求测,工程作业调度, 地质填图等也同样适用。目前我国土地资源紧张,许多沿海城市正在大规模进行围垦建设。但是围垦工程大多远离岸边,施工位置受潮汐影响严重,大部分施工项目需水上作业等原因使全站仪难以完成围垦工程的测量工作,但 GPS 不会受到影响。3.2 GPS 在碎步测量中的应用在平原地区,野地地形较简单,但主要沟坎不可放过,因地势较平坦,高程点可以稀一些,但有明显起伏的地方,高处应延坡走向有一排点,坡下有一排点,这样画出的等高线才不会变形,画上沟坎后,等高线钻进沟坎,这样等高线才不会相交。平原地区的房屋应在一排房的两边控制,不可以用短边两点和长边距离画房,那样误差太大。有必要时该上房则上房可以得到事半功倍的效果。有些地方无法看到,可用仪器把周围打出来,里面的用钢尺量,不要以为钢尺量的不准,实践证明,量出来的和测的一样准,而且可以提高效率。测
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