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GPS在莆田荔城区地形图控制网布设中的应用.docx

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GPS 莆田 城区 地形图 控制 网布 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 在莆田荔城区地形图控制网布设中的应用 二 0 一六年六月三日GPS在莆田市荔城区地形图控制网布设中的应用【摘要】随着社会的不断发展,GPS 技术的也发生了一次革命性的变化,在测量中得到了广泛的应用。与传统的方法相比,全球定位系统不仅在布局方案,而且在调整模型中也有许多不同的地方。所以,依据 GPS 的原理和作业特点制定GPS 的布网计划,对提高作业成果的质量、提高外业测量的精度、提高作业的效率等都具有重大的意旨。文章着力于莆田市荔城区地形图控途客中国(虹桥枢纽国家会展中心店)、误差分析、成果检验等过程,论述了 GPS 定位技术在区域性控制网中的应用。【关键字】GPS 控制网;基线解算;水准高程目录1.绪论.....................................................................................................................................................................11.1 引言: ..............................................................................................................................................................11.2 GPS 技术做控制网布设现状 .........................................................................................................................11.3 本文研究的主要内容 ......................................................................................................................................12.GPS 技术的简介 ................................................................................................................................................12.1 GPS 技术发展 .................................................................................................................................................12.2 GPS 系统构成 .................................................................................................................................................22.3 GPS 定位原理 .................................................................................................................................................32.4 GPS 技术误差分析 .........................................................................................................................................33.GPS 网的网型设计及原则 ................................................................................................................................43.1 GPS 网的布设形式 .........................................................................................................................................43.2 GPS 网布设的一般原则 .................................................................................................................................54.GPS 在莆田市荔城区地形图控制网布设中的应用实例 ................................................................................64.1 测区概况、测量依据和技术要求 .................................................................................................................64.2 GPS 控制网的基准的选择 .............................................................................................................................64.3 选点、埋石、编号 ..........................................................................................................................................74.3.1 选点工作应遵守如下原则 ...........................................................................................................................74.3.2 点位编号 .......................................................................................................................................................74.4 GPS 网的布设和分析 .....................................................................................................................................74.5 静态 GPS 实际观测 ........................................................................................................................................94.6 内业数据处理 .................................................................................................................................................94.6.1 基线向量的解算 ..........................................................................................................................................94.6.2 GPS 网平差 ................................................................................................................................................124.7 GPS 高程网建立和分析 ...............................................................................................................................144.7.1 GPS 求解水准点的基本概念 ....................................................................................................................144.7.2 GPS 求解水准点的方法 ............................................................................................................................155、结束语 ............................................................................................................................................................16参考文献 ..............................................................................................................................................................17致谢语 ..................................................................................................................................................................1911 绪论1.1引言随着我国城乡建设的加速发展,城乡一体化进程的不断加快,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,同时满足数字地形图数据库及数字地籍图数据库更新维护的需要。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,测量工作主要依靠测距仪、经纬仪等测量仪器,费时耗力。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。研究 GPS 技术在城市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。1.2 GPS技术做控制网布设现状GPS 控制网布设能全天候作业、高精度定位、快速观测,被广泛应用于测绘领域。在传统的地形图测量中,主要利用精度很高的测距仪和全站仪,布设精度满足的测量控制网,这种方法只限于小区域、地形平坦且控制点之间通视良好的情况。在一些区域广、地形复杂、天气等一些外界因素的影响下,因为测量技术水平不高、点与点之间必须没有任何障碍物、且点与点的距离限制的要求特别高,测量精度难以控制。随着 GPS 的不断发展,GPS 技术广泛用于航空、测量、土地和其他部门。GPS 控制网不仅能提供较高的平面控制精度,同时也能提供精度很高的的高程数据,逐步替代了常规地面定位技术。GPS 控制网的发展,目前常用在控制测量,工程变形监测,精密工程测量中,利用控制网布设城市地形图的 GPS 技术的研究,是未来的发展趋势。1.3 本文研究的主要内容本文首先阐述 GPS 技术做控制网的组成、定位原理等。紧接着以莆田荔城地区地形图控制网布设为例,深入分析和探讨 GPS 网的网型设计、误差分析,成果检验,从而对 GPS 控制网的布设有更好的认识和了解。2 GPS 技术简介2.1 GPS 技术发展卫星定位技术是人造地球卫星的点测量技术的使用。1958 年,美国海军和詹斯·霍普金斯大学试验室为核潜艇研制全球的导航,动手研制一种卫星导航系统,简称 NNSS,即为美国海军导航卫星系统;1965,苏联建立了一个卫星导航系统,即 CICADA。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;提高全球定位系统导航定位精度,一般采用军用渠道和民间渠道完全拆分,增加 2 个民间渠道。近年来,中国的全球定位技术也得到了快速发展。我国研制的北斗导航定位体系,是全世界第四个卫星导航定位体系。北斗系统包含了实验系统和定位系统,目前已经发射了四颗测试卫星和十六颗定位卫星,其原理、精度、范围等和别的导航系统逐渐接轨。 “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。22.2 GPS 系统构成GPS 系统由空间卫星星座、地面监控站及用户设备三大部分构成 [1]:图 2-1 GPS 系统的组成空间星座部分GPS卫星空间部分:图2-2包含24颗GPS卫星,此中有21颗日常工作卫星和3颗为紧急备用卫星。它们依照必定密度分布6个轨道面倾角为55°平面上,卫星离地的平均高度约为2.02万千米,绕地球一圈时间为11小时58分GPS地面控制部分:GPS大地控制部分包括1个主控站、3个注入站、5个监测站。主控站通过对接收监测站的观测数据进行分析,计算出卫星位置和时间参数,送入注入站,由注入站发送卫星存储器中。 用户部分:主要用于接收卫星发射的信号,经常使用的配置包含各种GPS接收机和用到的处理软件,对信号进行互换。得到测量数据,把数据输入到软件中,经基线解算,平差得出地面点的坐标。 32.3 GPS 定位原理从原理上理解,GPS 定位就是空间距离交会确定待定点空间坐标,利用 GPS 在空间分布的卫星和设置接收机(基准站)位置的地面点距离关系所求得的。在求解待定点的空间位置时,接收机钟差 δt 为保证所求精度的关键之一,因此在求待定点时接收机钟差 δt 也为重要参数。在地面待定点位置安置接收机,在同一时间接收 4 颗以上 GPS 卫星有效的信号。设地面接收机位置为未知数,通过已知的地面基站点的位置和空间卫星瞬时位置,根据距离关系建立关系式,此种方法就是利用距离交会解算接收机位置以及接收机钟差 δt。图 2-3 GPS 定位原理如图 2-3,设时刻 it在测站点 P 用 GPS 接收机同时测得 P 点至四颗 GPS 卫星 S1、S2、S3、S4 的时间间隔分别为 、 、 、 。通过 GPS 卫星电文可以翻译出四颗 GPS 卫星的瞬时三维坐标,利用距离交会法𝜌1 𝜌2 𝜌3 𝜌4建立 P 点三维坐标的观测方程:{𝜌21=(𝑋‒𝑋1)2+(𝑌‒𝑌1)2+(𝑍‒𝑍1)2‒𝑐𝛿𝑡𝜌22=(𝑋‒𝑋2)2+(𝑌‒𝑌2)2+(𝑍‒𝑍2)2‒𝑐𝛿𝑡𝜌23=(𝑋‒𝑋3)2+(𝑌‒𝑌3)2+(𝑍‒𝑍3)2‒𝑐𝛿𝑡𝜌24=(𝑋‒𝑋4)2+(𝑌‒𝑌4)2+(𝑍‒𝑍4)2‒𝑐𝛿𝑡}在上面的公式 c 是光的速度,而 δt 是接收时钟误差。其中: , , 为点的空间直角坐标; , , 为 2 点的空间直角坐标 , , 为 3 点的空𝑋1 𝑌1 𝑍1 𝑋2 𝑌2 𝑍2 𝑋3 𝑌3 𝑍3间直角坐标; , , 为 4 点的空间直角坐标。 对于式中所求的坐标以及 接收机钟差 δt的精度提高包𝑋4 𝑌4 𝑍4括:提高卫星与接收站距离观测精度;观测卫星数尽量多,可以进行平差处理。2.4 GPS技术误差分析全球定位系统误差的主要来源有:卫星自身的原因误差、卫星信号传播的误差、接收端的接收误差等。具体影响分类和影响程度如表 2-1 所示:4表 2-1误差来源 误差分类 对距离测量的影响 /mGPS 卫星 ①卫星星历误差;②卫星钟误差;③相对论效应1.5~15信号传播 ①电离层折射误差;②对流层折射误差;③多路径效应1.5~15接收设备 ①接收机钟误差;②接收机位置误差;③天线相位中心变化1.5~15其他影响 ①地球潮汐; ②负荷潮 1.03 GPS网的布设形式及设计原则3.1 GPS 网的布设形式根据用途,GPS 网的布设形式可以分为三种基本形式:1.三角网和星型网如图 3-1 所示,三角网的边是由观测异步边组成。优点:网的几何、结构性强,每三个相邻点都组成三角形,这样有很好的检查能力,容易发现粗差,提高网的可靠性,经平差后相邻点的基线精度分布均匀;缺点:观测量大。在项目要求可靠性和精度要求高时才被应用。图 3-1 三角网星形网如图 3-2 所示。优点:简单、快捷;缺点:没有构成任何的自检,粗差发现能力很差。主要应用于边界测量等。图 3-2 星形网2.环形网环形网由若干条独立观测边组成的闭合网,如图 3-3所示。优点:需要的量观测少,自检性好、可靠性高;缺点:不同时观测基线边精度低,不均匀的基线分布,缺少三角网几何、结构强度。由于环形网5的可靠性和精度与环中的基线条数有关,所以各个等级的控制网都有规定,如表 2-2 闭合环基线边数的限值:表2-2闭合环基线边数的限值类级 A B C闭合环中的边数 ≤8 ≤10 ≤12图 3-3 环形网3.附和线路网GPS 布设控制点也可以和传统的方法一样设计附和线路,如图 3-3。与传统测量方法不一样的是,为保证可靠性和精度,其边数有严格的控制,按其等级有明确规定。表2-3附和路线边数规定级别 A B C D E附和路线边数 ≤5 ≤6 ≤6 ≤8 ≤10图 3-4 附合线路随着 GPS 技术的发展,网型的布设形式也不断变化。每种网都有优缺点,按实际须要选择一种经济、高效的布网尤为重要。其图形设计主要决定于所在的地形、经费、控制网的等级、所用的仪器、人力时间等。3.2 GPS 网布设的设计原则 [2]GPS 技术的不断发展,其布网形式发生了很大的不同。每种网都有其优缺点,按项目的要求选择一种经济、高效的布网显得非常的重要。GPS 网的图形设计与传统的控制测量差距很大,传统测量对图形设计要求比较很高,GPS 对点与点之间的距离要求不高,而且不通视也没关系。GPS 网的网形的设计主要取决于周围的地形、交通、控制网的等级、所用的仪器、人力等。(1) “一步一步检核”GPS网中不能有不构成闭合图形的自由基线。这减少了粗差出现的概率。 (2)GPS布网时,要有在该站上进行大于两次观测的原则。这样形成的网可靠性和精度有很大的提高。6(3)GPS网的闭合基线不是越多越好,这样不容易发现粗差。网中各控制点有三条基线分支为宜,确保可靠性,提高精度。(4) 为了更好的实现(WGS-84 坐标系)与大地坐标系的转换,理论上要求两个高精度的平面已知点,在实际操作中一般要求在3-5 个已知点和GPS 网点重合。同时需要足够的高精度水准点与GPS网点重合。(5)布设GPS 点位时,为了不受多路径效应的影响,GPS点应布设在宽阔,附近建筑以及地形较低地区。4 GPS 在莆田市荔城区地形图控制网布设中的应用实例4.1 测区概况、测量依据和技术要求 [3]所调查地区概况:莆田市荔城区位于市东南部,位于莆田市中心区,东经 118°49′~119°39′,北纬 24°59′~25°46′。城区基础设施完善,测区内经济发达,道路呈网状;人口密集,居民地密布。测区内交通道路街巷四通八达,十分便利。当地气候属亚热带海洋性季风气候,冬暖夏凉。 测量依据:(1)《城市测量规范》,CJJ 8—99;(2)《全球定位系统(GPS)测量规范》, GB/T 18314-2009;(3)《国家三、四等水准测量规范》,GB/T 12898-2009;(4)《国家大地测量基本技术规定》,GB 22021-2008;(5)《全球定位系统实时动态测量(RTK)技术规范》,CH/T2009-2010;(6)根据甲方技术要求书编制的并经甲方审批的本项目《技术设计书》 。技术要求:1.控制网平面坐标系统采用1980西安坐标系,中央子午线L0=120°,采用莆田市国土资源局2005年施测的高精度三维控制网进行发展加密。2.高程控制网由委托方提供的高等级控制点水准测量成果数据和莆田市似大地水准面精化成果,成果为1985国家高程基准,可用于本测区高程起算。4.2 GPS 控制网的基准的选择GPS 在做静态控制测量中,基准包括位置基准、方位基准和尺度基准。在理论上位置基准要求在已知点多于两个,在这边采用三个已知 C 级 GPS 点 408P、409P、424P 作为基准进行布网。由于所在的测区的面积较大,布网时选择点位基准方法来解算。控制点成果表如下表 3-1、3-2。表 4-1 已知点成果表(西安 80 坐标)点号 X(m) Y(m) H(m) 备注 起算数据408P 2862462.635 394024.268 34.926 水准高程 平面、高程409P 2864247.361 406884.337 17.633 水准高程 平面、高程424P 2855396.312 386855.267 113.522 水准高程 平面、高程点号 X(m) Y(m) H(m) 备注 起算数据408P 2862513.903 394066.209 34.926 水准高程 平面、高程7表 4-2 点成果表(北京 54 坐标)4.3 选点、埋石、编号 4.3.1 选点工作应遵守如下原则 [4]: 1.GPS 点位应设于利于安装仪器,视线开阔的地方,并且点位目标要显明。 2.点位不能布设在大功率无线电发射源附近。3.点位周围不应有大面积水域,对卫星信号接收强烈干扰的物体,减少多路径效应。 4.网点均应确保至少与一个邻近网点通视,而且点位容易保存。 5.测量选点人员应按技术设计进行踏勘,按要求实地选点定位。(2)标石埋设原则 [5]:1.在水泥路面,切割成方形框架 20cm×20cm,0.5 厘米的沟槽深度的边缘,0.5 厘米宽,镶嵌在标志的中心,与混凝土紧固;标志面和路面平,钢筋顶部不能高出地面很多。2.在沥青路面铺设 20cm×20cm,凿成方形,凿到路基碎石深度、清理杂土、灌混凝土嵌入标志。3 在岩石表面铺设时,选用浇灌岩标法,为 15cm×25cm×10cm 的混凝土标石规格。4.在房顶埋设时,应为 15cm×25cm×10cm 的标石规格。将屋顶的接触面弄毛,再打入 3 颗左右钉子清理干净。5.土壤中的地面铺设,为 12cm×20cm×60cm 标准规格的混凝土现场浇筑的标石,或提前做好。4.3.2 点位编号本项目控制点编号选用线分类法,代码由 8 个字母和数字构成。代码结构由四段组成,即“地区(第1 位)―年代(第 2、3 位)―等级(第 4 位)―序号(第 5、6、7、8 位)” 。4.4 GPS 控制网的布设和分析按项目和计划的要求,这次做的 GPS 静态控制点,主要是在 C 级 GPS 控制点基础上布设 D 级 GPS 控制点。结合实地的勘测,预设布设 13 个点。采用三角网布网形式来完成这次的控制网布设任务。本控制网平面控制利用 C 级 GPS 点 408P、409P、424P 为起算数据。起算数据为 1954 年北京坐标系和控制点成果为和 1980 西安坐标系,中央子午线为 120 度,3°带高斯平面直角坐标。高程控制通过 HDS2003 软件提供的高程拟和程序模块计算出其它控制点的 GPS 高程。起算数据和控制点结果同为 1985 国家高程基准。外业数据采集使用 6 台套中海达 HD8200G 接收机进行观测,每个同步环观测的时间均大于 60 分钟,同时观测和独立观测,观测的各新控制点和已知点形成相互形成的同步环、异步环,及同步基线、独立基线。基线预处理和基线向量网平差采用的软件是中海达公司的 HDS2003 软件。GPS 控制网布设同样遵循由高级到低级的原则,测量控制网的精度等级都是根据观测测量的中误差来划分的。GPS 测量规范将基线向量网分成了 A、B、C、D、E 五个级别,下图是我国 GPS 测量规范的等级相关内容。GPS 网的精度指标,通常是以网中相邻点之间的距离误差来表示的,其具体形式为 [6]: 其中, :网中相邻点间的距离中误差 (mm); :固定误差(mm); :比例误差(ppm [7]); :相邻点间的距离(km)。 对于不同等级的 GPS 网,有下列的精度要求:409P 2864298.567 406926.142 17.633 水准高程 平面、高程424P 2855447.682 386897.264 113.522 水准高程 平面、高程
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