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GPS在数字地形图测绘中的应用.doc

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GPS 数字 地形图 测绘 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 在数字地形图测绘中的应用资源工程学院GPS在数字地形图测绘中的应用【摘要】GPS 全球卫星定位系统,目前已经在各个领域得到了广泛的应用,GPS 的迅速发展给各种工程测量领域带来了革命性的飞跃。GPS 系统以运行在地球轨道上的卫星为基础,为各行各业提供服务,这一技术已广泛的应用在国民经济建设和国防建设的各个领域中。近年来,GPS 广泛应用于测绘行业,其效率高、快速、可靠和高精度的测量方法,改变了传统测量。本文简述了 GPS 系统的构成、基本原理以及GPS 在数字地形图测绘方面的应用,并通过相关方面的研究来分析误差的来源和改进措施。【关键词】GPS 定位技术,数字地形图;测绘目录1.绪论 ........................................................................11.1课题的提出 ............................................................11.2课题研究的意义 ........................................................12.GPS测量技术特点 ............................................................12.1 全天候作业 ............................................................12.2 测站间无须通视 ........................................................12.3 操作方便简单 ..........................................................12.4 观测时间短 ............................................................12.5 提供三维坐标 ..........................................................12.6 定位精度高 ............................................................13.GPS测量技术在数字地形图测绘中的应用 ........................................13.1 GPS测量已有资料 ......................................................13.1.1 测区概况 ........................................................13.1.2 测区已有测绘成果资料 ............................................23.1.3 引用标准与作业依据 ..............................................23.2控制测量 ..............................................................23.2.1平面控制 ........................................................23.2.2高程控制测量 ....................................................33.3 数字地形图测绘 ........................................................33.3.1图根控制测量 ....................................................33.4 数据处理减小误差 ......................................................43.4.1 GPS网的平差 ....................................................43.4.2 GPS基线向量网平差 ..............................................63.4.3 GPS几何水准点的最佳布设 ........................................74.GPS测量和常规测绘方法比较的优点 ............................................75.GPS测量技术在应用中应注意的问题 ............................................76.结束语 ......................................................................8致谢 ..........................................................................8参考文献 ......................................................................811.绪论1.1课题的提出随着我国城乡建设的快速发展,城乡一体化进程加快,城乡用地迅速扩展,因此急需为其提供精确的地形图,实现安全与精确的生产和生活。然而,进行复杂及精度要求高的繁重测量和控制工作前,在 GPS没有传播到测量和控制领域,人们主要依靠测距仪、经纬仪,不但精度低,而且耗费大量的人力物力。GPS 技术凭借具备的效率高、精度高和自动化显著优点,普遍的被使用在地形控制测量中,使得测量人员的工作效率有了很大的提升,从而深得广大测量工作者的喜爱。1.2课题研究的意义实践表明,即使我们采用在为精密的测量仪器和正规的操作方法,技术员的工作态度也高度认真,但是由于误差的客观存在,这些都是不可避免的。所以我们要以严谨的态度分析误差产生原因想方设法的减小这方面的误差,研究出观测值和真值之间更加接近准确的方法,为 GPS在工程中的运用奠定基础。研究 GPS技术在地形图控制网布设中的运用,提高对 GPS技术定位的认识,促进 GPS技术的发展具有极大的研究意义。2.GPS测量技术特点2.1 全天候作业我国具有数量大,且均匀分布的 GPS卫星 [1],因此可以随时随地的进行连续观测,不受天气等自然条件的影响。2.2 测站间无须通视测量学的发展中有一道难题便是测站间的通视问题,而 GPS测量则只要确定具体点位,不需要通过观测站之间通视,这使得测量工作变得更加的灵活、方便。2.3 操作方便简单目前 GPS测量技术较为自动、智能。在测量工作中,能够让测量人员的工作量减轻。2.4 观测时间短在利用 GPS测量技术建立控制网时,每个测站需要 30~40min 的观测时间。而随着 GPS测量技术改进,测站的观测所需时间也会有所缩短。2.5 提供三维坐标测定观测站的平面位置和大地高程能够通过 GPS技术精确的测得。2.6 定位精度高GPS技术在应用多年后其测量的高精度 [2]也已经得到工程定位和测量人员的认可。由于这种技术是在静态模式下开展的定位,且受自然因素的干扰比较小,所以定位和测量时其精度非常高。在一定距离内,GPS 测量精度与红外线相比,大致相当。但随着距离的增加,GPS 测量的优越性便突发出来。相信在不久的将来这种定位技术的定位精度将有可能达到毫米级别,将能够较大幅度提高工程测量的质量。3.GPS测量技术在数字地形图测绘中的应用3.1 GPS测量已有资料3.1.1 测区概况泰宁县新农村建设用图保障工程地形图测绘是以村为单位,共施测十四个村,测图总面 9.8km2。其中杉城镇八里桥村 0.54 km2、杉城镇邱洪村 0.31 km2、杉城镇南会村 0.80 km2、大田乡料坊村1.49 km2、朱口镇官田村 0.88 km2、朱口镇游源村 0.30 km2、上青乡东山村 0.69 km2、上青乡崇际村 0.24 km2、新桥乡岭下村 0.13 km2、梅口乡谢家坪村 0.55 km2、下渠乡大湖村 0.70 km2、开善乡池潭 0.40 km2、开善乡墩上村 1.07 km2、大龙乡善溪村 1.70 km2。本项目测区分散,每个村的测图2边界线是以各村的实际情况和需要而确定,所以测区范围很不规则,大小不一,多呈条带状,通视条件一般,各测区均在村镇居民所在地,行人、车辆来往较多,给测量工作带来不便。3.1.2 测区已有测绘成果资料1)福建省测绘局在 2002年测量的 A级 GPS控制网和全省 C级 GPS控制网均可提供高精度的坐标成果,作为该项目平面控制点起算数据。本项目利用三个已知点。经现场踏勘,标石完好,均可使用。2)A级 GPS点 A031、C 级 GPS点 074P两点的水准高程成果,可以作为本项目高程控制起算使用。3)福建省测绘局已有地形图。3.1.3 引用标准与作业依据1)GB/7929-1995《1:500,1:1000,1:2000 地形图图式 》,以下简称《图式》2)CJJ8-99《城市测量规范》,简称《规范》3)CH/1002-1995《测绘产品检查验收规定》4)CH/1003-1995《测绘产品质量评定标准》5)FCB 001-2005《福建省技术规定》6)《新农村建设用图保障工程 三明市泰宁县 1:1000数字地形图测绘技术设计书》3.2控制测量3.2.1平面控制(1)点位布设首级控制是采用 A、C 级的 GPS控制点作为起算点和检测点,采用行政村作为单位,每个测区布设两个的 GPS控制点,一些比较大的测区加布 GPS的控制点,根据 E级的 GPS进行静态的观测、平差。点名采用当地的行政村名称和流水号表示,点号是采用行政村汉语拼音的第一个字母和流水号表示,点位要设置在土质坚实的地面或者坚固稳定的建筑上,然后就是该点所处的地方要方便埋石和观测,且可以长期保存。正常情况下,埋设混凝土标石或者在坚固水泥的地面做标记,并且要保证两点之间可以通视。还要遵守标石的规格,中心的标志是不锈钢的标志。(2)GPS 网的野外数据采集1)仪器设备:E 级 GPS网是用七台天宝 4600LS接收机进行静态定位观测。其精度是±(5mm+1ppm.D)。2)观测准备:应先写好工作的相关计划,事先规划好观测的路线。各个作业的小组拿到作业计划后,要收集点的相关资料。作业人员应严格按照计划到达指定测站。观测的过程尽量不要触碰接收机。雷雨天气最好先关闭机器,停止观测。3)天线安置与对中精度要求:天线高距地面应该大于 1米,天线必须严格整平。用光学对点器和垂球进行对中、检核,对中精度不能大于 2mm。4)天线高的测量:天线高应该在观测前后都应该进行量测,读数至 mm级,两者相减不能大于 3毫米,记录其平均值记录。5)观测时段要求,采用载波相位静态测量方法(如表 3-1):表 3-1 载波相位静态测量方法卫星高度角(0)有效观测卫星总数时段中任一卫星有效观测时间(min)观测时段数时段长度(min)数据采样间隔(S)卫星观测值象限分布 PDOP≥15° ≥4 ≥15 ≥1.6 ≥40 15 (25+20)%-25% ≤66)每次测量结束回住所后,应该及时将接收机的数据传输到电脑上,再进行各项测量数据的结核,其中括单位、点号、时段号和天线的高度。传输出来的原始数据应该进行保存,防止数据丢失引起不必要的麻烦。然后在进行基线处理。(3)GPS 网的数据处理1)基线解算之前要外业测量的全部数据进行检查,然后用相关的软件进行数据处理。2)检核基线的各项精度指标。① 单基线质量因子统计:计算相同时段的数据的剔除率不能大于 10%。② E级网在进行单基线的作业时,应该注意一些问题,在同种的基线解中,同步时段的同步环的3坐标分量的相对闭合差都要在 6×10-6的限差内,环线全长的相对闭合差要处于 10×10-6的限差内。对于采用不同数学模型的基线解,也要对其按相应的要求进行检核 [3]。 ③要在整个的 GPS网中选取一些完全独立的基线构成独立环。④ 复测基线相减应该不大于接收机标称精度的 2倍。3)基线向量组网及网平差。① 基线向量组网:全网的基线解算作业结束后,应该用合格的独立基线组网,独立环边数应该在10以内。② 空间向量网的无约束平差 [4]:完成组网作业后,要使全部的独立基线可以封闭起来,再以WGS-84坐标系内一点的三维坐标作为起算的依据,完成三维无约束平差。目的是检核空间向量网的内符合的精度、再检核一下组网的基线是否还存在粗差基线。平差结束后,要有无约束平差结果的综述文件和弦长相对中误差文件形成并保存,作为精度统计依据文件。③ 三维约束平差 [5]:完成三维无约束平差作业之后,在高等级点的平面坐标中,完成网的三维约束平差作业。表 3-2网格点名 GPS点名 水平残差 垂直残差 方法S001 SX1 0.005 0.006 水平和垂直S002 SX2 0.005 0.004 水平和垂直S003 SX3 0.006 0.005 水平和垂直表 3-3 善溪村 RTK测量成果残差是卫星残差观测的表示。根据分布的离散程度来判断卫星信号质量的好坏。3.2.2高程控制测量根据该项目各测区的情况,首级控制点的高程应该使用 E级 GPS的拟合高程。通过已知的控制点高程数据,运用 E级 GPS的拟合高程可以快速的知道其他所布设的控制点的高程。而如果使用水准高程测量各个控制点的高程不仅耗费的时间更长,而且所测算出来的控制点高程数据的误差较大。3.3 数字地形图测绘3.3.1图根控制测量(1)图根控制测量的步骤a.进行图根点的布设;b.水平角度观测;c.边长测量;d.平差计算;e.图根高程测量;f.RTK图根控制测量;(2)我们重点讨论 RTK图根控制测量。1)RTK 测量技术要求(如表 3-4):表 3-4 RTK测量技术要求指标等级 精度要求 距离(km)图根控制最弱点位误差≤5cm最弱边相对中误差≤1/4000高程中误差≤1/10 等高距≤52)RTK测量技术方法① RTK测量 [6]工作准备:首先检查一点以上的已知控制点是否在限差要求范围内,然后开始 RTK网格点名称 X Y H GPS点名称 纬度 经度 高程(WGS84)S001 2951485.755 39499840.05 313.067 SX1 26.40255941 116.5954215 320.617S002 2951019.035 39498345.73 338.323 SX2 26.40104263 116.5900173 345.873S003 2952572.698 39500884.95 299.505 SX3 26.41009095 117.0032008 307.0554测量。② 基准站的设置要求 [7]:a.点位要求:周围应视野开阔,截止高度角应超过 15º;周围无信号反射物,以减少多路径干扰。设站应尽量避免那些易受干扰及多微波干扰的地方,而基准站最好设置在信号易发送的地方。b.基准站的设置:仪器安置在测站上要严格的对中和整平,天线高也要量测两次,取其均值,且两者绝对值只差在 5mm之内。③ 流动站的设置要求 [8]:a. 在 RTK作业前,首先检查仪器内存或 PC卡容量能否满足工作需要,且保证仪器电源充足。b.流动站要保证缺省 2m高度的流动杆作业。④ RTK 作业a.RTK作业基本条件要求(如表 3-5):表 3-5 RTK作业要求指标 卫星数 卫星高度角 PDOP值≥5 15º以上 ≤7b. RTK作业最好在天气条件较好的情况下进行。c. 卫星预报 [9]:尽量做好严格的卫星预报后,再进行 RTK作业。d.进行 RTK作业之前的设备运行情况的检核要求:开机之后检查相关指示灯和仪表的显示是否正常,才能进行下一步的操作(输入测点号、仪器高等信息)。 [10]接收机开启之后,技术人员可以通过相关的功能键盘以及菜单栏,查看测站的相关信息,如:接收卫星数、卫星的运行状况、相位的测量残差实时定位结果和收敛值、存储介质记录还有电源情况 [11]。e.进行 RTK测量作业时的要求:严禁在仪器周围使用对信号有干扰的通讯器。在进行 RTK测量时,基准站设备的任何操作 [12]都是禁止的。在进行流动站操作时,天线姿态应该尽可能处于垂直位置,尽量避免倾斜弯曲引起测量误差。⑤ 数据后处理:a.使用随机接收机自身配置的相关软件进行点名、三维坐标、点属性、坐标残差[13]等 RTK观测数据的下载。b.依据事实和精度要求,对观测数据进行分析,看其是否正常和符合规范要求,对各测回值的限差、点属性、收敛的误差进行检核。c. 重测和补测:当点的精度要求不在规范要求之内时,应该进行相应的操作(重测、补测)。d.编辑和成果输出:针对多次观测数据在取其平均值之后,统一编辑成一类格式直接输出。e.在进行 GPS-RTK图根控制测量时,其高程的计算应该使用GPS大地高结合福建省(似)大地水准面进行计算。⑥ 观测成果的检验:a.已知点成果与观测数据的检核。b.重复观测同个点的检核。c.已知基线长度的检核。d.不同基准站对同一个观测点的检核。3.3.2地形图测绘主要过程是:1)地形图细部测量主要是用全站仪进行数据采集,用几何图解法和交会法进行测定。2)内业编辑及成图是用南方 CASS6.1软件进行内业的编辑和成图。外业数据采集结束以后,应该对其数据进行编辑处理,生成相关的数据文件 [14]。采集数据要进行检核,删去错误的数据,并进行错误数据的重测。地形图绘制应符合《1:500、1:1000、1:2000 地形图图式》的规范要求 [15]。3.4 数据处理减小误差3.4.1 GPS网的平差5图 3-1泰宁的 GPS网图在 2 迭代段的平差成功(如表 3-6):表 3-6 网平差数据网参考因子 : 1.00x 方检测 (=95%) : 失败自由度 :3.00GPS 观测值统计参考因子 :3.56冗余数 (r) :3.00查看迭代是否通过,若不通过,要选择加权策略。如下图是泰宁 GPS网的部分平差数据:在 1 迭代段的平差成功(如表 3-7) 表 3-7 网平差数据网参考因子 : 1.00x 方检测 (=95%) : 通过自由度 :246.00GPS 观测值统计参考因子 :1.00冗余数 (r) : 246.00表 3-8 个别 GPS 观测统计观测 ID 参考因子 冗余数B1 0.30 2.43B3 0.28 2.48B4 0.19 2.29B5 0.25 2.15B6 0.14 2.22B8 0.17 2.72B12 0.18 2.56B13 0.18 2.22B14 0.18 2.41B15 0.04 2.34B16 0.06 2.18B17 0.22 2.18B19 0.19 1.96B20 0.21 2.23B21 0.41 2.46B22 0.23 2.09B23 0.18 2.26B24 0.29 1.96B29 0.14 2.493.4.2 GPS基线向量网平差6根据平差所在得坐标空间,可以将其分为二维平差和三维平差;根据平差时所采用的观测值和起算数据的数量和类型,把平差类型分为约束平差、无约束平差联合平差。下面我们以泰宁的 GPS测量基线处理为例,其数据如下:表 3-9 GPS测量基线处理数据坐标系统: xian80ID 从 到 基线长度 解算类型 比率 参考变量 RMSB227 dongs1 lx1 5696.344m L1 固定 5.1 2.005 .005mB228 dongs1 lx2 5228.827m L1 固定 13.7 6.975 .009mB229 lx1 gt1 16529.085m L1 固定 15.9 2.876 .006mB232 dongs1 yy1 13552.224m L1 固定 5.2 8.631 .009mB233 gt1 blq1 19113.299m L1 固定 4.6 6.569 .009mB234 gt2 yy1 6501.659m L1 固定 5.6 3.065 .006mB243 cj2 blq1 13565.855m L1 固定 3.2 7.290 .010mB244 cj2 yy1 15662.749m L1 固定 8.5 .331 .002mB157 blq1 0034 8317.562m L1 固定 14.9 2.245 .005mB252 yy1 0034 17745.051m L1 固定 4.3 2.382 .005mB32 dh1 ds1 9321.860m L1 固定 16.4 4.767 .007mB16 ds1 xjp2 8579.389m L1 固定 30.9 1.747 .004mB124 a031 blq2 7196.423m L1 固定 5.7 2.983 .006mB239 cj2 gt1 10888.266m L1 固定 4.0 2.997 .006mB288 lx2 yy2 18306.049m L1 固定 4.1 .342 .002mB129 blq1 074p 6581.598m L1 固定 11.2 1.267 .003mB290 yy1 yy2 955.104m L1 固定 11.9 1.043 .003mB130 074p 0034 9731.443m L1 固定 7.8 1.490 .004m平差的目的就是求得待定点的最佳估值及精度,减小误差出现的几率,平差前后方向误差和固定误差都有了一定的提高,这对于得到精确的图根控制点有一定的帮助。所以说平差方法的选择对于精度的提高也是比较重要的一个环节。我们可以看出,三维平差是在(x、y、z)三维空间中,去除掉一些不稳定的值,如果有不连续的数据需要穿插一些数据使其更具可靠性,从而求出的点的三维坐标。采用无约束平差是为了检验向量中是否存在着粗差。其中我们可以看出遵循原则的必要性。①一定要选用互相独立的基线,如果选用了不互相独立的基线,最后的结果会使得计算的结果与实际情况不符②使用的基线应该是构成闭合图形的③选择基线向量的质量要好。④选择构成异步环时边数最少的的基线向量。⑤选择的基线向量的边长应该相对短一点。3.4.3 GPS几何水准点的最佳布设下面我们研究一下用 GPS测量几何水准点的最佳点数和最佳的点位布设 [16]。7图 3-2上图中的中方案中,前 3种为不同点数的实验,后 3种是不同的点位布设实验。计算结果如下:表 3-10 不同方案水准点布设的数据方案 1 2 3 4 5 6 7 8结点数 10 7 6 6 6 6 6 6插值点数 18 21 22 22 22 22 22 22u(已知)(mm)±1.7 4.0 0 9.6 14.1 0 0 0u(待求)(mm)14.3 15.1 12.4 18.2 19.6 20.4 153.0 22.6Vmax(mm) 25 27 25 32 26 46 399 27V﹥20mm 个 3 4 3 5 4 7 12 6从上表我们可以看出,方案 3的最为合理。方案 7的精度最低。所以点位的布设要均匀,且不能偏移主框架。4.GPS测量和常规测绘方法比较的优点与全站仪对比,GPS 测量不需要棱镜,可以一个人进行测点;全天候作业,比较不受天气和温度的影响;也不需要和棱镜实现通视,而且效率高,大大缩短了测量的时间;对技术要求较低,通过测量的手簿直接把数据传输到电脑中。再者 GPS测量的精度较高,不会因为测区所在范围、测距距离的增大出现误差增加的现象。可用于变形监测;对测绘人员要求低,会基本操作即可。用 GPS测量也比传统测量方式方便快捷,测量人员只需手持 GPS测量设备就行,不必用传统经纬仪、全站仪测量反复调整观测点,越是做大的工程越能显示 GPS测量的优越性。另外 GPS测量可以直接在手持机上实现放线、做转角、找交叉点等等功能,传统测量方法做这些可是很麻烦的。5.GPS测量技术在应用中应注意的问题由于 GPS测量技术的可靠性受到测量精度的影响,而测量精度又受卫星、环境、设备、测量方法等的影响。因此,我们应尽量做到以下几个方面:1)点位地形应利于减小多路径误差;2)所选择的点位应处视野开阔处;3)稳定的点位,交通和通讯都较为方便;4)在情况较为复杂的地区 GPS定位时,最佳观测时段的选择很重要;5)建立控制网时,起算点应均匀分布;
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