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GPS 工程 测量 中的 应用
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开题报告2014 年 4 月 11 日论文(设计)题目:GPS 在工程测量中的应用姓名 年级 2010 级 所在院系 资源工程学院专业 测绘工程 指导教师 )开展本课题的意义及工作内容:意义: 随着测量技术和测量仪器的高速发展,GPS 测量的精度越来越高。GPS 的高精度,高效率和自动化也被众多工程技术人员所认同,并成为国内测绘界极为关注的课题。但是有些客观的因素仍然与测量精度息息相关,不会因为仪器精度、技术的提高而不复存在。本文希望通过开展相关方面的研究来分析误差的来源和改进措施。总体安排及进度:04 月 21 日 ~ 04 月 11 日: 毕业调研,查找相关资料,编写开题报告,为论文做准备。04 月 26 日 ~ 05 月 15 日: 整理分析资料并,拟定任务书和开题报告编写论文提纲05 月 16 日 ~ 05 月 26 日: 完成资料分析整理,完成论文初稿,上交给指导老师。05 月 27 日 ~ 06 月 05 日: 完成论文正稿,提交论文,毕业答辩准备。课题预期达到的效果:通过毕业论文的撰写,进一步巩固、加深对课本知识的理解,更好的将理论知识和实践相结合。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 在工程中的运用尊定基础。指导教师意见:签名:GPS 在工程测量中的应用【摘要】:目前,GPS 技术在各个领域已经得到了广泛的应用,其以高效率、高精度、成本低、操作便捷等优点在工程测量中得到了广泛的应用。在很多工程测量中渐渐替代了常规的测量方法。本文简述了 GPS 技术在工程测量中的基本原理、优缺点,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 测量;工程测量;误差分析目录1.绪论 ...................................................................................................................................11.1 课题的提出 ......................................................................................................................11.2 课题研究的意义 ...............................................................................................................12.GPS 的优点 .........................................................................................................................12.1 GPS 测量与常规测绘方法比较的优点 ................................................................................12.2 GPS 进行工程测量的优点 .................................................................................................13.GPS 测量已有资料 ...............................................................................................................23.1 测区概况 .........................................................................................................................23.2 测区已有测绘成果资料 .....................................................................................................23.3 引用标准与作业依据 .......................................................................................................24.控制测量 ............................................................................................................................34.1 平面控制 .........................................................................................................................34.2 高程控制 .........................................................................................................................45.数字地形图测绘 ..................................................................................................................45.1 图根控制测量 ..................................................................................................................45.2 地形图测绘 .....................................................................................................................56.数据处理减小误差 ..............................................................................................................56.1 GPS 网的平差 ...................................................................................................................56.2 GPS 基线向量网平差 ........................................................................................................76.3 GPS 几何水准点的最佳布设 ..............................................................................................87. 结论 ..................................................................................................................................9致谢 .....................................................................................................................................10参考文献 ..............................................................................................................................111. 绪论1.1 课题的提出随着我国科学技术的不断发展,我国逐渐成为了科技强国。特别是在航天领域。GPS 技术被用于导航和武器方面的制导,在测量领域,它被用于测量各种地理参数,从二十世纪七十年代以来,成功研制出了多种的观测仪器。1980 年以来的 20 年间。测绘的相关人员在技术的研究方面也做出了很大的贡献,中期引进接收机到后来建立自己的导航系统。在大地测量方面和精密测量方面都取得了瞩目的成绩,建立了大地控制网,在 A 级网的基础上又布设了 B 级网。在工程测量方面,也发挥着不可或缺的地位。但社会生产的不断发展对测量成果的精度提出了更高的要求,这就需要我们对测量成果的精度进行分析,来获取更准确的数据结果。今天我们以泰宁的 GPS 测量为例,研究 GPS 测量在工程中的应用过程。1.2 课题研究的意义实践表明,几十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。2. GPS 的优点2.1 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。2.2 GPS 进行工程测量的优点在工程测量的优势不仅布设控制方便,且控制之间是不存在误差的累积和误差的传递。GPS 测量与传统测量优点明显。不仅布设控制方便,且控制之间是不存在误差的累积和误差的传递。GPS 测量与传统测量相比最大的特点是方便快捷,测量人员不需要像传统的方式一样,用全站仪或者经纬仪测量、反复调整观测点,只要手持一起就行。越大的工程就更能发挥 GPS 测量的优越性。GPS 在变形检测中。1)测站之间不需要通视。但是需要点位上空无遮挡。该特征使其布设简便、快捷。2)测定点的三维坐标位移。传统方法中,平面方向的位移、垂直方向的位移,是用两种方法进行的监测。耗时长工作量大,再者点和时间不容易保持一致。用 GPS 可准确定位点的三维坐标。3)可全天候观测。因为 GPS 的测量原理所以无论什么样的天气都可以正常的观测。在地质观测方面得到了广泛的应用。4)监测的精度高。在监测中若天线保持静止不动,很多误差都可以相互抵消或者减弱。5)操作便捷,可实现自动化。由于操作和安装的简单,易建立自动化系统。GPS 在地籍测量中,1、测站之间不需要通视。2、当 GPS 仪器的精度和地籍测量的精度要求相对应,就能满足测量规范要求。如果 GPS 的基线向量边长大于 15 千米时,可以用静态测量的方法,如果GPS 的基线向量边长在 10 千米到 15 千米之间,在观测条件足够好的情况下,可以使用快速静态测量 [1]。若 GPS 基线向量边长在 5 千米到 10 千米之间,在条件允许的情况下(机器设备,外部环境)可以使用RTK 测量方法。在地形测量中,与普通的测量方法对比,测量的效率明显高很多,主要体现在单点测量只要几秒钟,且不用经常换站点。在条件比较好的情况下(上空无遮挡),天线可以接收到卫星的信号,可以直接用 RTK 直接测量地貌的点位坐标。如果条件不佳。我们也可以再全站仪的配合下完成作业。表 2-1 测量结果、已知成果与 RTK 测量结果的比较3. GPS 测量已有资料3.1 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。3.2 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。3.3 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》,以下简称《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)GB/T18316-2001《数字测绘产品松果验收规定和质量评定》6)FCB 001-2005《福建省技术规定》7)《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》4. 控制测量4.1 平面控制4.1.1 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。坐标系为 1980 西安坐标系,3 度分带第 39 带, 中央子午线为 117°,高程系为 1985 国家高程基准。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。4.1.2 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:组长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: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。4.1.3 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,应该注意一下一些问题,在同种的基线解中,同步时段的同步环的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在 10×10-6的限差内。对于采用不同数学模型的基线解,其同步时段的同步环坐标分量的相对闭合差以及全长的相对闭合差也要按相应的要求进行检核 [2]。 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,无论采用单基线模式还是多基线模式解算出基线。 ④ 复测基线相减应该不大于接收机标称精度的 2 倍。23)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:组网的作业完成之后,必须使得全部的独立基线可以形成封闭的图形,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 [3]。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。无约束平差的基线向量改正数的绝对值要满足以下条件:VΔx≤3σ,VΔy≤3σ,VΔz≤3σ ③ 三维约束平差: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。在约束平差中,基线向量改正数还有剔除粗差无约束平差结果的同名基线,相应改正数差值要满足下面的条件 [4]:dVΔx≤2σ,dVΔy≤2σ,dVΔz≤2σ。以下为善溪村 RTK 测量成果: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 307.055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。4.2 高程控制测量根据该项目各的测区情况,首级控制点的高程应该使用 E 级 GPS 的拟合高程。5. 数字地形图测绘5.1 图根控制测量5.1.1 图根控制测量的步骤首先应该进行图根点的布设、水平角度观测、边长测量、平差计算、图根高程测量、RTK 图根控制测量,今天我们重点讨论以下:5.1.2 RTK 图根控制测量1)RTK 测量技术要求等级 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 测量准备:为了检验当前站 RTK 作业的正确性,必须检查一点以上的已知控制点,当检核在设计限差要求范围内时,方可开始 RTK 测量 [5]。② 基准站的设置要求: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。且不应设置在道路中间等易受干扰的地方。基准站要设置在较高的地方,才能更好的发送信号。再者基准站应距离大型的电磁发射源 200 米之外,距离高压电线以及通信的线路 50 米之外 [6]。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。在进行 RTK 作业时应该尽量避免雨淋日晒。再者,工作人员不应远离基准站,应该定时的检查设备工作的状态,对不正常情况作出及时处理。③ 流动站的设置要求:a. 流动站作业准备:在 RTK 作业前,应首先检查仪器内存或 PC 卡容量能否满足工作需要,应备足电源。b.流动站作业要求:流动站一般采用缺省 2m 流动杆作业,当高度不同时,应修正此值 [7]。④ RTK 作业a.RTK 作业基本条件要求:卫星数 卫星高度角 PDOP 值≥5 15º 以上 ≤7b. 要尽可能在天气条件较好的情况下进行 RTK 作业,尽可能避开在雷雨天气条件下进行。c. 卫星预报:在进行 RTK 作业之前,应该做好严格的卫星预报 [8]。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)。 [9]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 [10]。e.进行 RTK 测量作业时的要求:严禁在天线周围 10M 之内使用对讲机,50 米之内使用电台。在进行RTK 测量时,基准站严禁进行关机和重动、自测试、改变天线的高度和位置、仪器高度值测站名、关闭文件或删除文件等操作 [11]。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.观测数据的下载:RTK 观测数据的下载正常都使用随机接收机自身配置的相关软件进行。下载信息应包括点名、三维坐标、点属性、坐标残差等信息 [12]。b. 观测数据的检查、分析:依据事实和精度要求,分析观测的数据是否正常和符合规范要求,检核各测回值是否在规范限差之内、点属性是否齐全、收敛的误差是否在规范限差之内等。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.已知基线长度的测量检核。d.不同基准站对同一个观测点的检核。5.2 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 [13]。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。所绘制的地图形应符合《1:500、1:1000、1:2000 地形图图式》的规范要求 [14]。6. 数据处理减小误差6.1 GPS 网的平差图 6-1 泰宁的 GPS 网图在 2 迭代段的平差成功网参考因子 : 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 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 2.496.2 GPS 基线向量网平差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: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 .009m
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