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GPS在地籍测量中的应用2.doc

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GPS 测量 中的 应用
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龙岩学院资源工程学院毕业论文题 目:GPS 在地籍测量中的应用及问题探讨资源工程学院GPS 在地籍测量中的应用及问题探讨【摘要】为了更加快捷、准确的测出地籍的坐标、界址点、大小以及地理状况,我们引进了 GPS 测量技术。本文简述了 GPS 的概念、组成、特点、工作原理,介绍说明了地籍测量的概念、特点以及测量的精度要求。就关于 GPS 应用于地籍测量中的应用进行分类说明,以及应用中出现的误差处理方法进行探讨分析。结合实际情况,具体分析说明。【关键词】地籍测量;GPS 控制网;精度;碎部测量;误差;多路径效应;基线向量解算目录1.引言 ....................................................................................................................................................................12.地籍测量技术 ....................................................................................................................................................12.1 地籍测量的特征 ....................................................................................................................................12.2 地籍测量 的要求 ....................................................................................................................................12.2.1 地籍控制测量的精度要求 ........................................................................................................12.2.2地籍碎部测量的精度要求 .........................................................................................................22.3 地籍图 ....................................................................................................................................................23.GPS 技术 .............................................................................................................................................................23.1 GPS技术的建立以及发展 .....................................................................................................................23.2 GPS系统的构成 .....................................................................................................................................23.3 GPS定位的基本原理 .............................................................................................................................34.GPS 技术在地籍测量中的应用 .........................................................................................................................44.1 GPS技术应用在地籍碎部测量中 .........................................................................................................44.2 GPS在地籍测量中布设控制网 .............................................................................................................44.2.1 GPS控制网的介绍 .....................................................................................................................44.2.2 GPS控制网在图形设计时需要考虑的问题 .............................................................................44.3 GPS在地籍测量中的实例 .....................................................................................................................54.3.1 前期的准备工作 ........................................................................................................................54.3.2 外业工作 ....................................................................................................................................54.3.3 内业工作 ....................................................................................................................................54.3.4 作业成果 ....................................................................................................................................55. GPS 在地籍测量中可能存在的问题和解决办法 ...........................................................................................65.1 多路径效应的影响 ................................................................................................................................65.2 载波相位观测中的问题 ........................................................................................................................65.3 基线解算存在的问题 ............................................................................................................................76.结论与展望 ........................................................................................................................................................7致谢 ........................................................................................................................................................................8参考文献 ................................................................................................................................................................911.引言现代化的社会,无论经济还是技术都有了很大提升。作为重要的土地管理技术,地籍测量通过利用专业仪器,来对土地进行面积、地理位置等方面的测量,而且将之绘制成图,不仅节约了管理土地的时间,而且还提高了工作效率。GPS 定位系统集各种优势于一身,全方位、各时段、高精度等,操作简便,结果精确,成本降低,制作图形象。GPS 技术很大程度上提高了新时代的信息化水平,并且在很多工作以及产业都有应用。该技术和地籍测量的需求相符合,能够提高测量的精确度,并且操作便捷,为时代发展的必然产物。2.地籍测量技术土地管理中的重要工作之一即为地籍测量,通过地籍测量,不仅可以让管理人员获取更多有效的地理信息,同时,还可以给国家的生产建设提供参考。传统意义上的土地测量,整个过程较为复杂,尤其外业工作,更是繁琐异常。应用并推广地籍测量技术,能够降低人力以及物质成本,提高工作效率。而且借助制图软件绘制地籍图,将测量结果形象化,所具有的参考价值更大。2.1 地籍测量的特征和基础测量相比,地籍测量的不同特征归纳如下:第一,由政府统一管理,测量行为有法可依;第二,能够降低工作成本,降低各种资源消耗;第三,以地籍调查为基础;第四,土地地理、空间等信息获取更为准确快捷,大大提高工作效率;第五,现时性极强;第六,综合传统以及现代测绘的优点;第七,相关工作人员素质要求较高,并且要有极为深厚丰富的土地管理知识。2.2 地籍测量的要求地籍测量的外业工作主要有地籍控制测量以及地籍碎部测量两种。因为各个地方的地理位置、面积大小、交通状况都不一样,所以需要有一定的要求来规范测量行为。地籍测量的技术标准较为严格,根据这些标准,测量工作才能顺利完成。2.2.1 地籍控制测量的精度要求 地籍控制测量有两种类型,一是基本控制测量,一是地籍控制测量。以前者为基础,后者的测量工作可以分成众多等级,由此,可以布设与之对应的三角网等各种控制网型。 对于地籍控制测量坐标系统,基本上都使用国家的统一坐标系统,如果条件不满足,则要根据当地的具体实际,使用地方坐标系或者其他坐标系。GPS 网技术的量化指标为精度指标,精度指标决定着 GPS网的布设和观测情况,还有相应的处理方式。大部分地籍控制测量的精度,基本都根据界址点以及地籍图精度来确定。但是大部分地籍测量的精度要求不高,一般 C级控制网足以满足测量要求。根据《地籍测量规范》相关规定,GPS 网个级别的精度等级和技术要求如下表 2-1,2-2,表 2-1精度等级级别 固定误差(mm) 比例误差系数 相邻点间的平均距离(km)c ≤10 ≤10 5~10d ≤10 ≤20 0.2~5e ≤20 ≤20 0.2~52表 2-2技术要求等级 卫星高度角 观测时段长度 有效观测卫星数 采样时间间隔一级 ≥15 ≥45 ≥4 10~60 二级 ≥15 ≥45 ≥4 10~602.2.2 地籍碎部测量的精度要求 地籍碎部测量,采用全站仪对测量对象的界址点、坐标和地理要素进行野外测定。通常使用的方法为极坐标法,极坐标法建立在图根控制点通视基础之上,以街坊为单位,能够在图根控制点上直接测量,如果所测对象较为偏僻,那么就需要在图根控制点上二次支站。如果缺乏二次支站的条件,就使用钢尺测量,最终使用软件来计算坐标。地籍碎部测量所包含的的内容众多,比如界址点的获取,地类要素的提取,水利工程设施的测绘等等。其中的界址点可以将界址线或者边界线的空间属性体现出来,但是界址点的获取并不简单,需要使用专业性一起,根据固定地理坐标,一次次的反复测量,而最终得出一组数据,为界址点地理位置信息的一种数学化表达。其坐标精度,基本由所测量对象的经济价值以及界址点的重要性来决定。就中国现有国情来看,存在严重的经济水平失衡现象,所以,对于精度的要求也有所区别。2.3 地籍图地籍图是地籍要素的具体表达,是绘制宗地图的前提。它作为土地管理的专题图,包含行政界线、界址点、土地面积、土地所有者、土地类型、土地地理位置等.地籍图的绘制是应用一些计算机软件,将地籍测量所收集的数据进行归纳整理,然后编制成图。地籍图可以作为一些土地权属问题的依据,能帮助人们解决不少的土地纠纷。3 GPS 技术作为一种较为先进的现代化定位系统,GPS 的优势较多,全方位、多时段、精度高,可以在较短的时间内给用户提供所需地理信息,GPS 技术大大提高社会信息化水平,正是其所存诸多优势,使之应用范围和应用领域不断扩大。3.1 GPS 技术的建立以及发展早在二十世纪中期,美国海军以及詹斯·霍普金斯大学试验室着手研发新型卫星导航体系,就是美国海军导航卫星系统(NNSS) ;随后,苏联研制卫星导航系统(CICADA) 。不过,不管是美国的还是苏联的卫星导航系统,都存有明显不足,比如卫星数少、数据不精确等。科学技术的发展总是十分迅速。1972 年,简称为 GPS的导航体系-全球定位系统,在美国国防部批准开发,经过 5年的研制,国际上首颗 GPS试验卫星成功发射,之后再经过 11年的研究,国际上首颗 GPS 工作卫星成功发射。1991 年,GPS 全球定位系统技术应用在海湾战争中。随着技术的不断发展,全球定位系统也不断更新,GPS 功能不断完善发展,其精准度越来越高,定位速度也越来越快,具有更好的抗干扰性以及保密性等。中国的 GPS技术在近几年的发展迅速,现在,该技术已经趋向成熟,应用在各大领域当中,比如土地管理、军事导航、城市规划等。现在,中国的“北斗”卫星定位系统,作为我国的自主研发技术,已经趋于完善状态。中国的 GPS技术定会越来越完善,并不断扩大应用范围,造福于民。3.2 GPS 系统的构成GPS 的构成有三大部分,一是空间卫星部分,二是地面部分,三是用户部分。空间部分:其构成主要就是工作卫星以及备用卫星,其中工作卫星 21 颗,备用卫星 3 颗,分别散布于六大轨道上,卫星距离地面的平均高度为 2.02 万 km,绕地球转一圈耗时为 12 个小时差两分。地面部分:地面部分有三大部分,即地面控制站、注入站以及卫星监测站,其中,地面控制站一个,注入站有三个,卫星监测站有五个。3用户部分:也即是接收机部分。主要功用就是接收卫星所发射出来的信号,并交换信号以获取所测结果。用户可以将测量结果输入到相应的计算机软件,通过适当的解算和平差处理,获取地面点坐标。下图 3-1可以很好的表示他们之间的关系:图 3-13.3 GPS 定位的基本原理将高速运动的卫星瞬时位置当成已知起算数据,使用空间距离后方交会法,来明确待测点坐标。GPS 卫星测量中,每个时刻都可以用一个固定的坐标值来代表其所在的位置(x,y,z),接收机的位置坐标未知,卫星传输讯息所用的时间(Vt),和接收机间的时间(Va)差,乘以电波传达的速度,就能算出两者间的距离(d),由此可得出一个方程式。见下图 3-2 的 4 个方程式:4图 3-2一个卫星接收的数据可列一个方程式,最少需要四个卫星才能计算未知的坐标,五个以上可以提高精度。4 GPS 技术在地籍测量中的应用4.1 GPS-RTK 技术应用在地籍碎部测量中作为地籍测量的重要内容,地籍碎部测量能够将土地的位置测量出来,并且得到所需的各种数据信息。地籍测量中的界址点、界址线等地籍要素的测量,一般都是用碎步测量。地籍平面控制测量为地基碎部测量的依据,使用 GPS技术,能够保证测量精度。如果所测区域并不适合使用 GPS技术,则使用测距仪或者全站仪等来测量。用 GPS-RTK技术进行地籍测量,和测距仪以及全站仪比较,因为作业过程中,无需反复通视以及换站,所以,具有实时性,而且具有更高的精准度,提高了工作效率。4.2 GPS 在地籍测量中布设控制网4.2.1 GPS 控制网的介绍地籍控制测量的主要任务为地籍基本控制点的测设以及地籍图根控制点的测设,作为一种平面测量控制,主要应用于初始土地登记、日常地籍管理等。依据国家出台的相关要求,地籍平面控制网有三角网、三边网、导线网、GPS 网,依据城镇地籍的实际情况而决定。采用 GPS技术建立地籍测量控制网,无需繁复通视。点间距离限制也没要求非常严格,或长或短,无需考虑图形结构,不过点位需要遵从实际,便于使用为最大原则。以用途为分类标准,GPS 网图形布设有四种基本方式,即点连式、边连式、网连式、混连式。布设网的选择,需要综合考虑多方面的因素,比如测量精度要、野外客观条件、工效等。4.2.2 GPS 控制网在图形设计需要考虑的问题: 第一,GPS 控制点之间无需相互通视,不过,为了测量精密,需要保证控制点的某一个方向的通视性,并且,四周尽量避免高磁场的场所、尽量不在测量的时候通话、手机上网等,防止信号被干扰。第二,GPS 控制网布设过程,需要防止出现自由基线,需要保证必要的多余观测数,需要有一定的独立设站数,或者复线基线数,以提高布设网的精确性以及可靠度。第三,要控制闭和环和附和导线条数数量。基线夹角需要进行控制,保证能够正常检核,以提高网的可靠度。常规测量中非常重视网形设计。而 GPS的网形设计,源于同步观测无需通视的特点,所5以,测站点间的边角没有严格要求和规定,因此,图形设计较为灵活。4.3 GPS 在地籍测量中的实例本次实例来源于笔者在永春五里街镇的实习经历。布设 E级 GPS控制网作为首级控制网,采用1985国家高程基准、1980 西安坐标系,中央子午线 117°。4.3.1 前期的准备工作:实地考察测区情况 :在收到测量任务之后,需要去所属测区进行实地考察,以便以后的测量工作能够顺利的进行。因为社会在不断的发展,地籍建设也处于频繁的改造当中,有些给出的地籍图不能完整的体现测区状况,需要亲身去实地了解情况。需要了解的内容主要有:测区内的测点分布情况、交通状况、居民情况。测区卫星分布预报:根据测量范围内的地理概况,对卫星分布状况进行预报,这样能够选择合适的观测时间。所需预报的卫星状况有卫星的可见性、可供观测的卫星星座、随时间变化的 PDOP值等。制定测量方案:根据实地考察的测区状况,综合测区内测点的分布情况,和小组开展讨论会,认真分析。包括测量的时间预算、经费开销,然后拟定一个较为合理的测量方案,给每位成员分配好所属的工作任务。4.3.2 外业工作本次测量区域附近有三个 C级控制点,分别为 K1,K2,K3,可作为本次测量的起算数据。严格遵守测量人员的工作规范标准,认真执行测量方案里的内容,按照 E级 GPS控制网的布设要求进行测量。本次作业采用仪器设备为 3台中海达 GPS接收机同步进行作业,每个同步环观测的时间约为 60分钟,作业过程严格按照以下要求进行:(1)观测作业前,对 GPS接收机进行检验,根据相关情况编制 GPS卫星可见性预报表,以确保在相同的时间下能够观测到同一卫星组;(2)记录当天的天气状况(晴、阴、云、雨、风)等;(4)作业员到达测站后先安置好接收机使其对中整平,接着旋紧其基座锁紧螺旋和天线连接头,量取天线高,记入观测记录手簿;(5)现场记录各项数据,写在观测手簿;外业观测结束后,及时将当天外业观测记录的数据进行整理核对;(6)每一天作业完成后,当天回去应该将当天的观测数据转换存储到电脑上,以保证观测结果数据不会缺失。4.3.3 内业工作:计算此次测量结果,,将测量来的数据输入电脑中,用相应的平差软件进行数据处理。(1)无约束平差: 主要是为了对 GPS网的内部精度符合情况进行评定,以便及时发现可能存有的差错,并剔除之。通过平差处理,还能够获取 GPS网的各点在 WGS-84坐标系下的三维空间直角坐标。还可以提供经过如此处理后的大地高程。(2)约束平差: 无约束平差结束后,利用获取的观测值,将控制点 K1,K2 和 K3的坐标作为起算数据,以获得所需坐标值。(3)地籍图的绘制: 将测量采集的数据输入计算机,利用相应的计算机软件进行地籍图的绘制。4.3.4 作业成果本次测量成果,经过平差处理,问题分析之后得到的部分控制点坐标成果如下表 4-1:6表 4-1五里街镇 E级 GPS网控制点坐标成果点名 X(m) Y(m) H(m) 备注K1 2812435.012 39646706.365 120.352 已知点K2 2812462.625 39646886.584 122.526 已知点K3 2812503.427 39646902.389 128.604 已知点GS 2812446.358 39646787.652 121.336 拟合高程DP 2812468.523 39646896.432 122.876 拟合高程YS 2812498.658 39646913.524 126.381 拟合高程地籍图的绘制成果如下图 4-1:图 4-15.GPS 在地籍测量中可能存在的问题和解决办法5.1 多路径效应的影响多路径效应的别名为多路径误差,接收机天线在接收信号过程中,不仅可以接收到卫星发射信号,还可以接收到其他卫星信号,信号之间的重合必定会对测量参考点位置的确定有干扰影响,由此,也就形成观测误差,并且,此种类型的误差会因为天线周围的反射面性质的变化而发生变化,控制困难。试验资料显示,通常反射环境,多路径效应影响测码伪距大概能够达到米级,影响测相伪距甚至可以到达厘米级别。但是,处于高反射背景下,影响将会明显加强,并且,所接收的信号会出现失锁现象,7导致载波相位观测量出现周跳现象。所以,GPS 导航以及测量过程中,必须重视多路径效应所产生的影响。就现有的技术措施而言,通常使用以下方法来减弱多路径效应影响: 第一,接收机天线安装环境,需要选择反射面较弱面,比如水平地面。第二,天线选择具有较高屏蔽性能的为佳。 第三,观测不可一味追求快,时间可以稍作延长,以降低其周期性影响。 第四,GPS 接收机的电路设计需要完善优化。5.2 载波相位观测中的问题 对于载波相位观测,是现在基本上使用较为精密的观测方法,因为接收机仅仅可以将其非整周的小数部分测出,而不能将其整周数直接测定,所以,存有明显的整周不定情况。另外,观测时,因为卫星信号失锁而形成周跳,这个失锁到重新锁定过程,并不会影响到载波相位非整周的小数部分,也就是说该部分失锁前后不变,只是整周数却在此过程会中断,因此,周跳对于观测产生的影响和对整周未知数的影响具有相似性,处理精密定位数据时,都需要特别重视整周未知数以及周跳问题。针对卫星观测值中出现周跳的现象,不妨通过基线解算后的所得值残差分析。使用适当的计算机解算软件,能够通过具体测站数据进行分析。如果多颗卫星在同一个时间段内发生周跳的频率较高,那么就可以使用剔除周跳严重时间段法,以优化基线解算结果,提高其质量。如果发生周跳的卫星并不多,属于个别现象,那么就可以使用剔除常有周跳产生的卫星观测值法,以优化基线解算结果,提高质量。5.3 基线向量解算存在的问题基线向量解算会受到很多方面的影响,比如卫星数、分布情况、星历误差等。同步观测基线相互之间的联系较为密切,由此,理论上来看,同步环闭合差应该为 0,同步环闭合差如若超限,就表示同步环组成基线中,肯定存有基线向量错误;不过,相反,同步环闭合差如果未曾超限,也并不意味着同步环组成基线就一定质量过关,没有问题,也就是说,不能反向推断。如果异步环闭合差和限差要求相符合,则意味着异步环组成基线向量没有问题;如果异步环闭合差和限差要求不相符合,则意味着异步环组成基线向量中必定存在一定质量问题,不过,至于质量问题出现在哪条基线向量中,就需要采用一定的方法,比如将相邻异步环进行检验,或者对重复基线进行检验。解算过程中,需要重视下述几个问题。第一,剔除残差大的数据;第二,相应解算软件中,要设置合适历元间隔;第三,如果卫星的高度角较小,周跳频率不高,跟踪时间较长,就将之当成基准卫星,作基线解算;第四,15 千米以内的基线采取双差固定解方法,如果此方法无法产生好的效果,就需要将某段观测值舍去,然后作基线处理。6 结论与展望综上所述,笔者对地籍测量中所使用的 GPS技术进行多角度多方面的介绍和分析研究,包括技术要求、应用情况,并且分析其中可能面临的问题,而且提出相应的解决措施。相比传统测量技术,GPS技术的优势非常多,比如精准、快捷等,很大程度上提高了地籍测量的工作效率和工作质量。文章筹备过程中,笔者查阅众多的文献资料,并归纳各位专家学者的观点,从中了解到 GPS测量技术对于地籍测量的重要意义,并且也看到了其发展前景一片大好。随着社会经济的快速发展以及技术水平的不断提高,测绘事业也必定会大步向前。作为测绘事业的重要构成,地籍测量的研究价值可见一斑。作为该专业的一名当代大学生,在学习好专业知识的同时,还需要提升自我综合素质,并且结合实践,推陈出新,为测绘事业的发展贡献绵薄之力。
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