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GPS在厦门市翔安区地形图控制网布设中的应用.doc

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GPS 厦门市 翔安区 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 在厦门市翔安区地形图控制网布设中的应用 资源工程学院开题报告2014 年 5 月 6 日论文(设计)题目:GPS 在厦门市翔安区地形图控制网布设中的应用姓名 年级 2010 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:课题的意义: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,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,地形测量前要进行复杂、繁重而对精度要求又高的控制测量工作,在 GPS 没有普及到控制测量领域之前,人们主要依赖于测距仪、经纬仪等进行小范围的测量,不但精度低,而且耗费大量的人力物力。GPS 技术以其具有的高效率、高精度和高度自动化等显著特点,广泛的应用于地形控制测量中。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。工作内容:本文分析了 GPS 的工作原理,控制网的布设方法,数据的内业解算与平差,在此基础上,探讨了 GPS 系统对测绘行业的影响及其未来的发展趋势。总体安排及进度:4月22日—5月8日:整理收集资料,确定论文题目,完成开题报告5月8日—5月10日:撰写论文提纲,开始论文写作5月10日—5月18日:完成论文初稿5月19日—5月29日:修改论文5 月 30 日—6 月 5 日:完成论文正稿,准备毕业答辩课题预期达到的效果:1.对 GPS 系统组成有具体的认识2.掌握 GPS 的工作原理3.对 GPS 控制网的布设有充分的认识4.熟悉 GPS 的内业解算与平差5.了解 GPS 系统对测绘行业的影响及其未来的发展趋势指导教师意见:签名:GPS 在厦门市翔安区地形图控制网布设中的应用【摘要】随着科技不断进步,全球定位系统(GPS)已广泛普及国民经济各种部门,并渐渐深入人们的日常生活中。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。本文着力于厦门市翔安区地形图控制网的建立,简要介绍了 GPS 系统的组成、原理。从技术设计到选点、网形设计、野外观测、数据处理、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;数据平差;水准高程目录1.引言: ................................................................................................................................................................11.1 GPS 技术做控制网布设现状 ................................................................................................................11.2 本文研究的主要内容 .............................................................................................................................12.GPS 技术的简介 .................................................................................................................................................12.1 GPS 的发展背景 .....................................................................................................................................12.2 GPS 系统的构成 .....................................................................................................................................22.3 GPS 的定位原理 .....................................................................................................................................23.GPS 控制网的设计 .............................................................................................................................................33.1 GPS 网的布设形式 .................................................................................................................................33.2 GPS 网的图形设计原则 .........................................................................................................................54.GPS 在厦门市翔安区地形图控制网布设中的应用实例 .................................................................................54.1 项目和测区概况 ....................................................................................................................................54.2 GPS 控制点的选择 .................................................................................................................................54.2.1 控制点选点与埋设 ....................................................................................................................54.2.2 点位编号 ....................................................................................................................................64.3 GPS 控制网的布设和分析 .....................................................................................................................64.4 GPS 野外观测 .........................................................................................................................................74.5 观测成果数据处理 .................................................................................................................................84.5.1 基线向量的解算 ........................................................................................................................84.5.2 GPS 网平差处理 .......................................................................................................................104.5.3 平面控制成果的检核和分析 ...................................................................................................124.6 GPS 点的高程控制测量 .......................................................................................................................124.6.1 野外数据采集 ..........................................................................................................................134.6.2 水准数据处理及结果 ..............................................................................................................135、总结与展望 ....................................................................................................................................................16致谢语 ..................................................................................................................................................................16参考文献 ..............................................................................................................................................................1711. 引言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,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,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。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。1.1 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,主要利用高精度的测距仪和全站仪,布设高精度的测量控制网,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。在区域广、地形复杂、天气等一些外界因素影响下,受技术的限制、点与点之间必须通视、且点与点的距离有严格要求的限制,不但精度低难度大,而且耗费大量的人力物力。伴随着 GPS 技术的发展,GPS定位技术已广泛应用于航空航天,军事,测绘,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,同时也提供准确的高程数据,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。1.2 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。紧接着以厦门市翔安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 技术的简介2.1 GPS 的发展背景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,着手研制一种卫星导航体系,简称 NNSS,即为美国海军导航卫星系统;苏联在 1965 建立了卫星导航系统,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 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。22.2 GPS 系统的构成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]:空间部分:由散布在 6 个轨道面上的 21 颗工作卫星和 3 颗备用卫星构成,卫星离地面的平均高度 2.02 万千米,绕地球一圈为 11 小时 58 分。卫星的核心是精度高的时钟、导航电文存储器、接收机和微处理机。地面部分:由 1 个地面控制站(负责收集,处理和监测站接收所有数据,编码和计算每个卫星星历和 GPS 时间系统,传送预测出的钟差、卫星星历、状态数据和大气传播改正编制成导航电文到注入站。必要时,启动备份卫星替换卫星) ,3 个注入站,5 个卫星监测站(供应卫星的观测数据)三部分构成。用户部分:接收机仪器。接收机接收卫星发射的信号,对信号进行交换,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。2.3 GPS 的定位原理 [2]GPS 进行定位的基本原理,即将卫星当作“飞行”的控制点,运用观测数据和导航电文提供的卫星位置 等已知信息,进行空间距离交会,确定接收机的位)(ssSzyxX,,置 。GPS 定位原理可分为绝对定位原理和相对定位原理。)(kkzyx,,GPS 绝对定位原理是:以卫星和用户接收机天线之间的距离观测量为基准,依据已知的卫星瞬时坐标,确定接受机所处的位置。绝对定位本质是空间后方交会,即在某一控制点上,只需 3 个独立间隔观测值。但为了提高精度,在一个测站上,最少同步观测 4 颗以上卫星,从而求解 4 个位置参数。GPS 相对定位原理是:将两台接收机安设在基线的两个端点上,静止不动,同时观测 4 颗以上卫星,确定基线两个端点在协议地球坐标系中的相对位置。而在实际工作中,常常将机子扩展到 3 台以上,提高成果的可靠性。如下图所示:图 2-1相对定位原理由于对 GPS 绝对定位精度的影响,卫星轨道误差不可避免,时钟误差和信号传输误差和其他因素不可避免。虽然模型的修正能削弱,可是无法不考虑改正的残差。而 GPS 相对定位是目前 GPS 测量中定位精度较准确地方法,广泛的应用于测量工作中。静态相对定位,常常以测相伪距观测值为基本观测量,测相伪距静态相对定位是目前定位中精度最高的一种方法。本节以伪距测量为例介绍 GPS 定位原理。伪距法定位是:根据已知的卫星位置,测量多余四颗 GPS 卫星的伪距,用距离后方交会求控制点的三维坐标。测距码伪距是由时间延迟,乘于光速所得的距离。因为卫星钟、3接收机钟的误差和无线电信号的延迟,实践中测量的距离 和卫星到仪器的几何距离 存 在差值,一般称测出的距离为伪距。以下 k 为测站号,j 为卫星编号,i 为历元编号。伪距观测值 为:ijk,,(2-1 )),(),(,, jkjktctj ionitropijik 式中: 为接收机钟差, 为卫星钟差, 为对流层折射影响,采用对流层iktij itr,改正模型进行计算改正, 表示电离层折射影响,也可以采用改正模型进行改)(kion,正。设 为正确的卫星至接收站的距离,则计算公式为:ijk,,= (2-2 ),, )()()( 222 kjkjkj zyx卫星坐标 为已知的,考虑到式(2-3-2) ,在式( 2-3-1)只有 4 个未知数:jjzyx,三个坐标未知数 及 。因此,在观测同一时期,4 颗卫星同时观察到,4 个kkikt观测方程,可求解。如果同时观测卫星超过 4,则存在冗余观测,这时,式(2-3-1)线性化,然后通过最小二乘平差计算。因线性化后的方程只取了一次项,若起初偏差太大,为防止去掉的高次项对解算结果的影响,采取解出的坐标从新作00,kkzyx为近似值,循环求解。3. GPS 控制网的设计3.1 GPS 网的布设形式根据不同的用途 GPS 网的布设形式有以下三种基本形式 [1]:1.三角网和星型网如图 3-1 所示,三角网的边在观测时由异步边组成。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。4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,发现粗差能力差。主要应用于工程测量,边界测量。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:观测少,自检性和可靠性好;缺点:不同时观测基线边比直接观测的基线边精度低,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 3-1 闭合环基线边数的限值:表3-1 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 所示。但是和传统测量不一样,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3-2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 ≤105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 网的图形设计原则 [14](1)GPS 网中不该有不组成闭合图形的自由基线。避免粗差的出现,加大检核条件,提高网的可靠性。(2)GPS 布网时,要保证一定的重复设站次数。(3)网中的闭合基线种类不应太多,这样不容易发现粗差。网中每点有三条基线分支最佳,提高可靠性。 (4) 为了更好的实现 GPS 网与地面网的坐标转换,理论要求 2 个高精度的平面已知点,而在实际操作中一般要求 3-5 个已知点和 GPS 网点重合。同时需要高精度的 GPS 水准点足够多,与 GPS 网点重合,起算点应分布在网的周围,不宜位于一条直线上。(5)在布设控制点时,要避免多路径效应,GPS 点应在交通便利、广阔的地方。测站与测站之间要通视,方便经典方法扩展。4. GPS 在厦门市翔安区地形图控制网布设中的应用实例4.1 项目和测区概况 [7]项目概况:受厦门市国土资源和房屋管理局委派,我所在实习单位福建省国土测绘院承担厦门市翔安区测区地形控制测量工作。测区概况:该区位于厦门市翔安区新店镇,不低于总面积 15 平方公里,包括刘店,东界,浦园等村,测区交通好,通视条件良好,比较适合观测。 本项目历时四个月,观测工作包括踩点、埋石、造标、观测、数据处理、提交成果等工作。共布设 E 级 GPS 控制点 65 个,四等水准点 65 个,图根控制点 2089 个,其中埋石点 509 个,非埋石点 1580 个。测区已有控制资料如下:(1)由厦门市测绘与基础地理信息中心提供的测区附近西岩山(GB36) ,山尾(GB37 ) ,下边社(GB56) ,澳头(GB53)4 个 B 级 GPS 点作为平面控制测量起算数据;(2)由厦门市测绘与基础地理信息中心提供的 II 厦门 39、 II 厦门 43、II 厦门 47 三个二等水准点作为高程起算数据。(3)由厦门市测绘与基础地理信息中心提供的测区 1:5000 标准分幅影像图,用于控制测量、图根控制测量、街坊划分工作底图。平面坐标选用“92 厦门坐标系” ,平面投影为中央子午线东经 118°31′,1.5°带高斯-克吕格投影,投影高程面为 0 米。4-1 起算数据 [7]点号 X(m) Y(m) H(m)GB36 2720598.7447 470417.4023 59.078GB37 2721210.9109 475207.0899 33.458GB56 2713634.8869 468256.6704 6.925GB53 2715447.4084 472752.8314 30.6644.2 GPS 控制点的选择64.2.1 控制点选点与埋设(1)选点工作应遵守如下原则 [6]:1.点位应设于易于安装仪器,视线开阔的点,且点位目标要显明,视场周围 15°以上不该有障碍物,以削减 GPS 信号被遮挡或障碍物的吸收。2.点位应远离大功率无线电发射源(如电视台、发电站等),其距离应大于 200m;远离高压输电线,距离应大于 50m,防止磁场对信号的干扰。 3.点位四周不该有大面积水域,对卫星信号接收强烈干扰的物体,减轻多路径效应。 4.网点均应确保至少与一个邻近网点通视,地面基础稳固,易于点的保存使用。 5.负责选点人员应按技术设计进行踏勘,按要求实地选点定位。6.网型应有利于同步观测和边、点的联结。 7.所选点位要水准联测时,应进行实地踏勘水准路线,提出相关建议。 8.当需要使用旧点时,应检查其稳定性,完好性和安全可用性,符合要求才能使用。9.E 级 GPS 网 相邻点间的距离不得小于 200m,并且相邻点间距离最大应不超过该网平均点间距的 2 倍。(2)标石埋设原则 [4]:1.在水泥路面铺设,切成方形框架 20cm×20cm,边槽的深度为 0.5 厘米,0.5 厘米宽,嵌入标志中心,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.在沥青路面上埋设时,凿成 20cm×20cm 方形,凿到路基碎石深度,清理杂土,灌混凝土埋入标志。3.在岩石面上埋设时,选用浇灌岩标法,弄成规格为 15cm×25cm×10cm 的混凝土标石。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.在土质地面埋设时,为 12cm×20cm×60cm 规格的混凝土标石,可现场浇筑或预先做好。4.2.2 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)” 。4.3 GPS 控制网的布设和分析 [7]控制网布设前对测区内所有国家平高点和城市水准点进行全面勘察,内容如下:标石是否完整;标架形状完好情况;点四周通视状况;到达该点的交通情况等 [10] 利用实地查验完好的 B 级 GPS 点,布设 E 级 GPS 控制网,网点均匀布设于测区。布设边连式网型。利用 7 台双频 GPS 接收机 X90 静态定位模式同步观测,观测的新控制点和已知点形成同步环、异步环,及同步基线、独立基线。GPS 网相邻点间基线长度精度用如下 [3]:(4-2-1)2)(2bDa其中: ——基线长度中误差( 毫米); a——基线观测固定误差( 毫米),其与基线长度无关; ——比例误差系数,为 10-6; bD——基线长度,即相邻点间距离(㎞) ,且 bD 与基线长度成比例。E 级网应符合下表的要求。相邻点的最小距离应为 1/2 ~ 1 / 3 的平均距离,最大距离应为 2 ~ 3 倍的平均距离。
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