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GPS 控制 地形 测量 中的 应用
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龙岩学院毕业论文题 目:GPS 控制网在地形测量布网中的应用 二 零 一 六 年 六 月 三 号GPS控制网在地形测量布网中的应用摘要:随着 GPS-RTK 技术的快速发展,已成为各测绘单位、地形控制测量的方法越来越依赖 GPS 技术。GPS 全球卫星定位系统,在各个领域得到了越来越广泛的应用,GPS 与现代科学技术发展的迅速发展,它的出现给各种工程测量领域带来了革命性的飞跃,研究 GPS 在现代控制测量中的应用主要包括 GPS 在大地控制测量中运用 GPS 地形测量控制网的原理、运用 GPS 建立测量控制网的方法技术,关于 GPS 控制网的布设、静态观测、外业数据采集、GPS 数据处理控制测量中的应用以及使用的方法。关键词:GPS(RTK);控制测量;数据采集;数据处理目录1.引言 ..............................................................11.1研究的背景 .......................................................................................................................11.2国内外研究的现状 ............................................................................................................11.3 GPS系统简介及研究的意义 ............................................................................................12 研究区域概况及已知数据分析 ...........................................................................................22.1测区概况 ...........................................................................................................................22.2测区已有测绘成果资料 ....................................................................................................22.3数学基础 ...........................................................................................................................22.4原有高等级控制资料的收集与分析 ................................................................................32.5控制资料兼容性分析 ........................................................................................................43.控制网布设过程 ......................................................................................................................53.1 布网方案 ..........................................................................................................................53.2平面控制网的网形布设 ....................................................................................................53.3精度设计 ...........................................................................................................................64.外业数据采集 ..........................................................................................................................74.1数据采集技术要求 ............................................................................................................74.2数据采集操作要求 ............................................................................................................85.GPS数据平差处理结果 .........................................................................................................96.GPS测量中的误差分析以及解决方案 .................................117.总结与展望 .............................................................................................................................12参考文献致谢语111.引言1.1研究的背景长期以来,测量学的应用主要是针对小面积的地形测绘工作,利用常规的测量仪器进行平面测量直接测绘地形图。而当前社会需要的测绘技术越来越广泛,测绘新技术也因此而诞生,用 GPS 获取的针对地形测量大面积的控制网精度高且方便,为了社会生产的需要必须与时俱进。1.2国内外研究的现状卫星定位技术是人造地球卫星的点测量技术的使用。1958 年,美国海军导航卫星系统在美国被研究出来,并且应用到实际的舰体导航中;苏联在 1965 建立了卫星导航系统,即CICADA。 [1]然而这 2 个均存卫星数少、不能随时提供数据等明显的缺陷。为满足军事及民用领域需要,一九七三年,美国国防部着手开发新的导航体系﹣全球定位系统,简称GPS。依据卫星为基础的该系统,具备控制点间不要通视,定位精度高,操作简单,能全天候工作等优点。为了加快 GPS 技术产业的发展,1998 年美国开始了对定位系统进行现代化,即采取措施防止敌方和黑客的干预,增强军用信号的强度;提高 GPS 导航定位精度,将军用频道和民用频道完全分割,增添了 2 个民用频道,并于 2000 年 5 月 1 日取消了 SA 政策,从而 GPS 定位精度抬高了 10 倍。近年来,我国 GPS 技术也获得了较快的发展。我国研制的北斗导航定位系统,是全球第四个卫星导航定位体系。北斗系统包含实验系统及定位系统,当前已发射四颗试验卫星和十六颗定位卫星,其原理,精度,范围上渐渐和其他导航系统接轨。 “北斗一号”定位服务已覆盖亚太地区,预计将于 2020 建成覆盖全球的卫星导航。1.3 GPS系统简介及研究的意义GPS系统是一种导航系统,具有授时和测距的功能,同时还可以向被授权的用户提供实时性、连续性、高精度的三维位置、三维速度和时间等信息,是目前应用最广泛的卫高精度、高效率的测量方法。 [2]RTK更优越于其的GPS测量方法,解决了以前的静态、快速静态、动态测量都需要外业结束,回去之后进行解算,才能获得厘米级的精度麻烦,它的出现,实时的为用户提供空间定位数据。如下图:图1-1 GPS系统组成12作为前沿科技之一的GPS技术,在当今社会已经渗透到诸多的行业领域。导航与定位是GPS的主要功能。随着科学技术的发展,GPS技术在测量领域得到了很大的扩展,并有着极其重要的地位。随着GPS技术的更新换代,不论是在生活上还是城市基础建设中都发挥着日益重要的作用。同时这也使得GPS技术得到很大提升,功能更加的强大,在作业的时候,更加的方便快捷。与以前的传统测量方法相比较,GPS技术已经发上了的巨大的改变。 [4]而在以前,常用地面的测量方法均是把测距、测角、测水准当作最重要的方式,现如今伴着网络技术高速的发展,这些测量方法慢慢的被GPS技术即快速、高效且精确的获取三维坐标的技术所取代 [3]。通过对GPS技术在地形控制中的应用研究,深化对GPS技术的了解认识,对其今后的发展具有重要的意义。地形测量在测绘行业工作中占据这举足轻重的地位,一些专业的测绘队伍中,地形测量的任务甚至可能占到每年的测量总任务量的 80%以上。 [4]为了更加合理的利用土地,本文对 GPS 控制网的布设以及相关数据处理方法进行研究,建立统一的地籍测绘和规划建设高精度的控制基础,确保地籍测绘和规划建设的基础数据的准确性和统一性,方便现代化办公管理。2 研究区域概况及已知数据分析2.1测区概况工程测区位于漳州市角美镇境内,施测范围为:漳州市角美镇老江东大桥边进水闸起,向东方向至漳州市角美镇大人庙东侧的九冬至田边暗涵进口。测区海拔在 2 米-20 米之间。测区基本形状为东西向条带状,本次施测路线长约 7 公里,宽约 90 米,施测面积约 0.7 平方公里。324 国道横穿测区,沿渠两侧有多个村落,出行交通较为方便。测区属于山林地带,现季节恰逢雨季,通视条件良好,任务重,工期短,作业难度一般。2.2测区已有测绘成果资料测区内有 GPS 点和海沧控制点等现有坐标,平面系统为“92 厦门坐标系”,高程系统为“1985 国家高程基准”。上述控制点标石保存完好,经检查合格,可作为本次数字化地形测量的起算数据。1:1 万地形图,可供测区设计与踏勘使用。2.3数学基础平面坐标系:1980 西安坐标系,中央子午线 119°,高斯-克吕格任意度带投影。高程基准:1985 国家高程基准。为了成果的完整性,及与国家标准 3°带基础测绘成果资料的衔接,本文控制点平面成果还提供了 1980 西安坐标系,中央子午线 120°,高斯-克吕格 3°带投影成果和CGCS2000 国家大地坐标系成果。1980 西安坐标系 2 个投影带坐标,投影长度变形(综合高程归化和投影改化)的分析:本项目布设的控制点呈带状分布,情况如下:经度范围是:119°00ˊ51“∽119°01ˊ12“,平均经度取 119°01ˊ01“;纬度范围是:25°14ˊ14“∽25°25ˊ25““,平均纬度取 25°20ˊ10“,该纬度处 IAG-75 椭球平均曲率半径取 6364556 米;本测区大部分控制点高程在 5 米∽10 米,平均高程取 8 米;本测区 IAG-75 椭球的高程异常值取 12 米;按上述取值:1980 西安坐标系,中央子午线 119°坐标,投影长度变形值小于130.5cm/km;1980 西安坐标系,中央子午线 120°坐标,投影长度变形值大于2.5cm/km,最大达到 12cm/Km。综上,在本测区建筑物施工测量,宜采用中央子午线 119°坐标,地形图测绘应结合比例尺及精度要求酌情考虑采用适宜的投影坐标。表 1 部分 CGCS2000 坐标系控制点成果表CGCS2000 坐标系 测量方式:GPS 静态序号 代码 点号 等 级 经度 纬度 大地高标石类型 备 注1 106 ML001 GPS(E) 025:24:19.41042N 119:01:06.50037E 17.4336 砼 三等水准,第二期2 106 ML002 GPS(E) 025:24:26.72927N 119:01:07.03445E 17.4620 砼 三等水准,第二期3 106 ML003 GPS(E) 025:24:41.54231N 119:01:08.46877E 18.1095 砼 三等水准,第二期4 106 ML004 GPS(E) 025:24:56.79059N 119:00:58.40978E 22.5355 砼 三等水准,第二期5 106 ML005 GPS(E) 025:24:56.98133N 119:01:12.58161E 22.1562 砼 三等水准,第二期6 106 ML006 GPS(E) 025:25:02.20711N 119:00:50.05320E 22.6991 砼 三等水准,第二期7 106 ML007 GPS(E) 025:25:03.94388N 119:00:54.97960E 22.7968 砼 三等水准,第二期8 106 ML008 GPS(E) 025:25:09.49550N 119:00:50.87419E 19.3389 砼 三等水准,第二期9 106 ML009 GPS(E) 025:25:16.20155N 119:00:52.54158E 19.2753 砼 三等水准,第二期10 106 ML01 GPS(E) 025:24:13.96854N 119:01:12.18742E 17.0920 砼 三等水准,第一期2.4原有高等级控制资料的收集与分析本工程踏勘、设计阶段,对测区内及周边的高等级平面控制点进行了收集。国土资源局提供了 2 个 GPS(D)级网点:D019、IV30,均匀分布在测区及周边地区。该成果有联测国家高等级 GPS 点并有联测三等水准。以上 2 个网点都具有高精度的 CGCS2000 国家大地坐标系坐标和 1980 西安高斯投影平面直角坐标(中央子午线 119°、120°)。经实地踏勘以上 2 个点位,并结合以前的测绘成果,可以确认以上 2 个 D 级控制点位均保存完好,点位标志正确,并点位精度符合原等级要求,相互间兼容较好,并收集了本测区范围内 1 个 E 级 GPS 点 JE318。2 个 D 级控制点为本测区 E 级 GPS 平面控制网的起算数据,E 级 GPS 点 JE318 可做检核之用。该控制点成果如下见表 2、表 3。14表 2:已知 GPS(E)、(D)级网点平面直角坐标(1980 西安坐标系,中央子午线 120 度,1985 国家高程基准)点号 X(m) Y(m) H(m) 备注D019 2808855.750 402105.324 5.8340 三等水准IV30 2811522.326 395887.7899 29.745 三等水准JE318 2814364.078 400960.835 8.307 四等水准(1980 西安坐标系,中央子午线 119 度,1985 国家高程基准)D019 2808499.7852 502743.1454 5.8340IV30 2811119.4097 496506.6089 29.745三等水准JE318 2813998.7251 501557.5768 8.307 四等水准表 3: GPS(D)级网点 CGCS2000 国家大地坐标系(WGS-84 大地坐标(CGCS2000 国家大地坐标系),参考框架:ITRF97 参考历元:2000.0)点号 大地纬度 大地经度 大地高 备注D019 25.225920676 119.014236268 17.544IV30 25.242433318 118.575924065 41.294GPS D 级2.5控制资料兼容性分析本次在数据平差前,对起算数据进行了兼容性检测,本次控制网共联测了以上 3 个GPS(D)、(E)级网点,采用 2 个点(D019、IV30)为约束条件,其余 1 个点(JE318)作为检查。平面检查比较结果如下表 4。表 4:平面坐标检查比较表单位:米点名 检测坐标 X 检测坐标 Y 原坐标 X 原坐标 YJE318 2813998.7338 501557.5537 2813998.7251 501557.5768 (注:1980 西安坐标系,中央子午线 119 度)15经现场踏勘、GPS 联测对起算数据进行了检测,以上坐标检查比较表结果说明:本次联测的 3 个点保存完好、无移动现象,成果精度高、兼容强,可作为本测区控制的起算点及检核点。3.控制网布设过程3.1 布网方案E 级 GPS 网的布设与观测:本次观测采用 4 台 ZHD8200G 和 2 台 ZHD8200X 大地测量型单频 GPS 接收机,该仪器标称精度为±5mm+1ppm(平面)、±10mm+1ppm(高程)。根据HGO GPS 数据处理软件星历预报模块计算结果选择合理时段进行观测,由于业主在作业后期增设控制点,整个控制网分为一、二期两次观测。第一期观测,联测了 ML01 至 ML06 六个未知 E 级 GPS 点。第二期观测,联测了 ML001 至 ML009 九个未知 E 级 GPS 点,其中ML003 与 ML03 点重合,统一取编号 ML003,在 GPS 平差计算中把二期点号“ML”简写为“L”。3.2 GPS网的观测考虑到已有 D 级 GPS 控制点与测区的实际分布及本测区呈带状分布的实际情况,遵照《全球定位系统(GPS)测量规范》之相关技术要求及本测区的技术要求,采用先框架再加密的分级布设原则布设。先以漳州市国土局提供的 2 个 GPS(D)级网点 IV30、D019 和带状分布的头、中、尾部的控制点 JE318、ML01、ML003、ML06、ML07 共 7 个点形成一完整并控制整测区的框架,再在框架的基础上以点连接的形式从头至尾加密控制点。最终本测区控制网由 17 个点位组成,其中已知点 2 个已知点 IV30、D019,14 个 GPS(E)级网待定点呈带状均匀布设(一期 ML01 至 ML07、二期 ML001 至 ML009),还以加密点的形式联测检核点 E级 GPS 点 JE318。布设的控制网中已知点与待定点之间边长范围为 2450 米~6764 米,待定点之间边长范围为 420 米~2362 米,满足 D 级网发展 E 级网的布设要求。构成一个整体、封闭的网形。如下图:16图 3-2 D 级网注:8854 为药厂点,8926 为北门点,1026 为蓝房子点,0746 为产业大道边上山上点图 3-3 E级网17注:8854 为药厂点,8926 为北门点3.3精度设计(1) GPS 控制网的精度主要取决于工程的实际要求。下面是不同等级测量的精度:表 5 GPS 测量精度分级(一)级 别主要用途 固定误差a(mm)比例误差b(ppm D)AA 全球性的地球动力学研究、地壳形变测量和精度定轨30.01A 区域性的地球动力学研究、地壳形变测量 5 0.1B 局部形变监测和各种精密工程测量 8 1C 大、中城市及工程测量基本控制网 105
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