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GPS在城市规划控制测量中的应用研究.doc

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GPS 城市规划 控制 测量 中的 应用 研究
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龙岩学院资源工程学院毕业论文题 目:GPS 在城市规划控制测量中的应用研究资源工程学院GPS 在城市规划控制测量中的应用研究【摘要】:随着测绘技术的不断发展,空间大地测量技术越来越受重视,其中 GPS 定位技术在测量各个领域得到了广泛的应用。原来的经典测量方法受其空间性和时限性限制,而 GPS 测量技术正是突破了经典测量中的种种限制,达到全天候采集和不受空间通视条件等限制,作业效率大幅度提高,特别在城市控制测量中,由于建筑物密集等干扰因素,常规测量方法费时且精度有限,GPS 更是得到充分应用。本文通过对某地区规划控制网中的应用,系统的阐述了GPS 在城乡规划控制测量中的应用过程。【关键词】:GPS;城市规划;控制测量;控制网2目 录1.引言 ...................................................................................................................................................................42. GPS 简介 ..........................................................................................................................................................42.1 GPS 系统的组成部分 ............................................................................................................................42.2 GPS 系统的技术优势 ............................................................................................................................42.2.1.测站之间无需通视 ...................................................................................................................42.2.2.定位精度高 .............................................................................................................................42.2.3.观测时间短 ...............................................................................................................................42.2.4.提供三维坐标 ...........................................................................................................................42.2.5.操作简便 ...................................................................................................................................42.2.6.全天候作业 ...............................................................................................................................52.3 GPS 的定位原理 ....................................................................................................................................53.GPS 在控制测量中的技术规范 ........................................................................................................................53.1 引用标准及作业依据 ............................................................................................................................533.2 GPS 点在城乡控制测量中的布设原则 ................................................................................................53.3.点位的选取 ...........................................................................................................................................63.4 埋石 .....................................................................................................................................................63.5 坐标及高程系统 ....................................................................................................................................74.工程实例 ...........................................................................................................................................................74.1 测区概况 ................................................................................................................................................74.2 已有资料的利用 ....................................................................................................................................74.2.1 图件资料: ..................................................................................................................................74.2.2 控制资料: ..................................................................................................................................75.外业观测 ...........................................................................................................................................................75.1 作业仪器 ................................................................................................................................................75.2 D、E 级 GPS 控制测量 ..........................................................................................................................85.3 四等水准测量 ........................................................................................................................................86.数据处理 ...........................................................................................................................................................97.结论 .................................................................................................................................................................118.致谢 .................................................................................................................................................................121.引言GPS 是英文 Global Positioning System(全球定位系统) 的简称,是 20 世纪 70 年代由美国陆海空三军联合研制的新一代空间卫星导航定位系统。起初其主要目的是为陆、海、空三大领域提供实时、全天候和全球性的导航服务, 并用于情报收集、 核爆监测和应急通讯等一些军事目的。经过 20 余年的研究实验,耗资数百亿美元,到 1994 年 3 月,全球覆盖率高达 98%的 24 颗 GP S 卫星星座己布设完成。GPS 是以卫星为基础的无线电卫星导航定位系统,它具有全能性、全球性、全天候、连续性和实时性的精密三维导航与定位功能,而且具有良好的抗干扰性和保密性。因此,作为较早采用 GPS 技术的领域,在测量中它最初主要用于高精度大地测量和控制测量建立。现在它除了继续在这些领域发挥着重要作用外,还在测量领域的其它方面得到充分的应用,如用于各种类型的施工放样、测图、变形观测、航空摄影测量、海测和地理信息系统中地理数据的采集等,尤其是在各种类型的测量控制网的建立这一方面,GPS 定位技术已基本上取代了常规测量手段成为了主要的技术手段 [2]。 42. GPS 简介2.1 GPS 系统的组成部分目前 GPS 全球定位系统,主要由两大部分组成.即空间卫星群和地面监控系统。作为测量用户还必须有卫星接收设备,空间卫星群 GPS 的空间卫星群由 2 4 颗高约 2 0 万公里的 GPS 卫星群组成,并均匀分布在 6 个轨道面上,各平面之间交角为 60 °,轨道和地球赤道的倾角为 55°卫星的轨道运行周期为 11 小时 58 分 ,这样可以保证在任何时间和任何地 点地平线以上可以接收 4 到 1 1 颗 GP S卫星发送出的信号。 GPS 接收机 、数据处理软件及相应的用户设备是 GPS 的用户重要的组成部分,如计算机、气象仪器等就是其重要组成部分,其最主要目的是接收 GPS 卫星发出的信号 ,并且利用收集来的信号进行导航定位等。随着现代的科学技术的发展,高精度的技术指标和体积小重量轻便于携带的 GPS 定位装置给工程测量带来了极大的方便 [1]。 2.2 GPS 系统的技术优势2.2.1.测站之间无需通视测量站之间的相互通视一直被认为是测量学的难题,而通过 GPS 这一特点的应用使得选点更加灵活方便。但测量站的上空必须是开阔的,从而可以使接收 GP S 卫星信号不受到过多干扰。 2.2.2.定位精度高大量的实验表明,目前在小于 50Km 的基线上,其相对定位精度可达 1×10-6~2×10 -6,而在100~500Km 的基线上可达 10-6~10 -7,随着观测技术与数据处理软件及方法的不断改善,其定位精度还将进一步的提高。在大于 1000Km 的距离相对定位精度达到或由于 1×10-82.2.3.观测时间短目前,利用经典的静态定位方法,测量一条基线的相对定位所需要的观测时间,根据要求精度的不同,一般约为 1~3h。为了进一步的缩短观测时间,提高作业速度,利用短基线(不超过 20Km)快速相对定位法,其观测时间仅需数分钟。2.2.4.提供三维坐标GPS 测量中,在精确测定观测站平面位置的同时,亦可确定观测站的大地高程。GPS 测量的这一特点,不仅为研究大地水准面的形状和确定地面点的高程开辟了新途径,同时也为其在航空物探、航空摄影测量及精密导航中的应用,提供了重要的高程数据。2.2.5.操作简便由于 GP S 测量的自动化程度非常高,因此目前 GPS 接收机已逐步趋向小型化和操作傻瓜化,而观测人员则只需将天线对中并且整平、量取天线高度,打开电源就可以进行自动观测 ,现在三维坐标的获取就是利用数据处理软件对数据进行处理测得的。2.2.6.全天候作业GPS 测量工作,可以在任何地任何时间连续地进行,一般不受天气状况的影响。因此,GPS 定位技术的发展是对经典测量技术的一次重大突破 [10]。 2.3 GPS 的定位原理5图 2-1 GPS 的定位原理图GPS 定位的基本原理是根据高速运动的卫星瞬间位置作为已知的起算数据, 采用空间距离后方交会的方法,确定待测点的位置。如上图所示, 假设 t 时刻在地面待测点上安置 GPS 接收机,可以测定 GPS 信号到达接收机的时间△t ,再加上接收机所接收到的卫星星历等其它数据可以确定以下四个方程式,从而得到该点在 WGS 一 8 4 坐标系的精确的三维坐标 [2]。 S1 = [(X 1-X) 2 +(Y1-Y) 2+(Z1-Z) 2]1/2+C(Vt1-Vt 0)S2 = [(X 2-X) 2 +(Y2-Y) 2+(Z2-Z) 2]1/2+C(Vt2-Vt 0)S3 = [(X 3-X) 2 +(Y3-Y) 2+(Z3-Z) 2]1/2+C(Vt3-Vt 0)S4 = [(X 4-X) 2 +(Y4-Y) 2+(Z4-Z) 2]1/2+C(Vt4-Vt 0)3.GPS 在控制测量中的技术规范3.1 引用标准及作业依据(1) GB6962—86《1:500,1:1000,1:2000 比例尺地形图航空摄影规范》 ;(2) GB7931—87《1:500,1:1000,1:2000 地形图航空摄影测量外业规范》 ;(3) GB7930—87《1:500,1:1000,1:2000 地形图航空摄影测量内业规范》 ;(4) GB15967—1995《1:500,1:1000,1:2000 地形图航空摄影测量数字化测图规范》 ;;(5) CJJ8—99《城市测量规范》 ,下简称《规范》 ;(6) GB/T18314-2009《全球定位系统(GPS)测量规范》 ,下简称《GPS 规范》 ;(7) CJJ73-97《全球定位系统城市测量技术规程》 ,下简称《GPS 规程》 ;(8) CH/T2009-2010《全球定位系统实时动态测量(RTK)技术规范》 ,下简称《RTK 规范》 ;(9) G B12898—91《国家三、四等水准测量规范》 ,下简称《水准规范》 ;(10) FCB 001-2005《福建省 1:500,1:1000,1:2000 基本比例尺数字地形图测绘技术规定》 ,以下简称《福建省技术规定》 ;3.2 GPS 点在城乡控制测量中的布设原则GPS 在城乡控制网的布设中要依据着重控制网布设的总体指导思想进行合理的设计,结合当地城市可预计的技术发展和控制网精度对其的要求,城乡控制网的建设原则应当根据下列条件进行布设。(1)充分利用当地地区的国家级 GPS 网点和 GPS 连续运行站的数据,用来组构成控制网的基础框架结构。6(2)要以框架网为布设依托,将控制网的站点原则上布设交通便利,其步行到点的实践不超过半小时的路程范围内。(3)水准网与 GPS 网的相互结合运用,在地区内均匀的布设一定密度的 GPS 网(其点距离平地应为 7-10Km,而山地标准应为 10-20Km 左右) ,并且能够用二等水准进行联测高程。(4)城市控制网中 GPS 的布设于未来似大地的水准面精化目标应当保持高度的一致性。(5)在城市控制网的建设中应当顾及周边各区、县的基础控制以及其在未来的发展的需要。应当在政府所在地至少布设 3 个 GPS 点,新的选点要选在城镇附近并且交通方便以及预计的使用频率相对较高的地方。(6)在建设和更新中,为了保证新旧控制网能够以最佳的状态相吻合,应当均匀的选择观测条件好并且相对稳定的二等三角点进行联测(应该不少于 15 个) 。选择要主要依据主空网(指的是城市一等网)并兼顾二等和二等补网,这样能达到对各个控制网能够进行公平、正确、综合的评估 [5]。3.3.点位的选取选点工作应遵守以下原则:(1)点位应设在易于安装接受设备,并且视野开阔地方;(2)设置的点位要显著,视场周围高度角 15°以上不应有障碍物,以减少 GPS 信号被遮挡或障碍物吸收;(3)点位应远离大功率无线电发射源(如电视塔、微波站等)其距离不少于 200m;远离高压输电线,其距离不得少于 50m。以避免其产生的电磁场对 GPS 信号的干扰; (4)点位附近不应有强烈干扰卫星信号接收的物体如大面积水体(河流、湖泊、沼泽等) 、钢构房屋,以减弱多路径效应的影响;(5) 点位应保证至少与一个邻近点通视,有利于其它观测手段扩展与联测的地方;(6)地面基础稳定,易于点的保存,点间距离不应小于 200 米;(7)当所选点位需要进行水准联测时,选点人员应实地踏勘水准路线,提出有关建议;(8)当利用旧点时,应对旧点的稳定性、完好性,以及觇标是否安全可用进行检查,符合要求方可利用 [6]。3.4 埋石(1)GPS 点的标石及标志规格如图 3-1图 3-1 标志及标石埋设规格(2)各 GPS 点均应埋设永久性的标石,埋设时坑底填以砂石,捣固夯实或浇灌混凝土底层。埋石规格如图 3-27图 3-2 永久性标石埋设规格(3)GPS 点标石埋设所占土地,应经土地使用者或管理部门同意,依法办理征地手续,并办理测量标志委托管书。3.5 坐标及高程系统平面坐标系:控制测量部分按标书要求分别采用 1954 年北京坐标系、1980 西安坐标系和 2000 国家大地坐标系解算并提供 3 套成果;数字化地形测绘部分则采用 1980 西安坐标系;高斯-克吕格任意带投影,中央子午线经度为 118 度 30 分。高程基准:1985 国家高程基准。4.工程实例4.1 测区概况该测区位于惠安县城市总体规划区域(北纬 24°56′26″-25°04′33″,东经 118°44′15″-118°50′31″) ,主要为县城及其周边,涉及有螺城、螺阳、涂寨、辋川、黄塘、紫山等乡镇。总测绘面积约为 90 平方公里。测区内地势由西北向东南倾斜,地形以平原、台地为主,居民点较为密集,工厂企业较多,交通发达。4.2 已有资料的利用4.2.1 图件资料:总参测绘局出版的 1:5 万地形图和福建省测绘局出版的 1:1 万地形图可供设计和生产作业参考。4.2.2 控制资料: 测区内有福建省基础地理信息中心提供的 C 级 GPS 网点 494P、F018 和 0131 等可作为平面起算。惠安县规划建设局提供的修测区域内控制点应尽量利用其标石。测区内有福建省基础地理信息中心提供的等级水准点Ⅰ杭广南 257、Ⅰ杭广南 260 和Ⅰ杭广南 261等,可作为高程起算。5.外业观测5.1 作业仪器本测区外业观测用的是中海达 HD8200X 一体化智能静态 GPS 接收机,仪器的平面精度为±(5mm) ,垂直精度为±(10mm),作用距离≤50Km,满足城市 GPS 四等测量的技术要求。5.2 D、E 级 GPS 控制测量8(1) GPS 布 网 是 在 已 知 等 级 网 ( 点 ) 的 基 础 上 , 沿 测 区 外 围 及 中 心 采 用 边 连 接 或 混 合 连 接 形 式组 网 。 为 确 保 坐 标 转 换 , 至 少 应 联 测 3 点 以 上 高 级 控 制 点 。( 2) D、 E 级 GPS 点 位 应 选 埋 在 基 础 稳 固 、 土 质 坚 实 的 地 上 , 或 者 较 固 定 的 高 层 建 筑 物 顶 上 ,以 便 长 期 保 存 , 点 位 至 少 应 保 证 有 两 点 相 互 通 视 ; 点 位 埋 设 与 制 作 规 格 按 《 GPS 规 程 》 执 行 ; D 级GPS 点 的 编 号 为 HD001、 HD002……HDn; 要 求 制 作 点 之 记 。 E 级 GPS 点 的 编 号 为HE001、 HE002……HEn; E 级 GPS 点 基 本 位 于 测 图 区 域 内 , 因 此 不 要 求 制 作 点 之 记 。( 3) GPS 点 的 观 测 应 采 用 经 计 量 单 位 检 定 合 格 且 精 度 应 高 于 5mm+2ppm×D 的 四 台 套 以 上 单 频或 双 频 接 收 机 同 步 观 测 一 组 卫 星 , 观 测 方 法 采 用 静 态 测 量 。( 4) 测 区 概 略 定 位 解 的 取 值 为 东 经 118°47′ , 北 纬 25°00′ 。 作 业 前 应 按 要 求 编 制 GPS 卫星 历 预 报 表 , 选 择 最 佳 的 观 测 卫 星 组 以 及 观 测 时 间 段 , 以 确 保 观 测 质 量 。 主 要 技 术 指 标 见 下 表 。表 5-1 GPS 卫 星 测 量 技 术 指 标备 注项等目级卫星高度角有效卫星数强度因子PDOP平均重 复设站数(次)时段长度(min)数据采样率(s)D ≥15° ≥4 ≤8 ≥1.6 ≥45 10-30E ≥15° ≥4 ≤8 ≥1.6 ≥40 10-30双频接收机快速静态观测时间长度可缩短为10min。(5)作业前,应检校光学对点器是否符合要求,确保观测系统的对中整平,必要时也可采用垂线对中。GPS 观测记录格式,作业时段及观测时间安排应严格按《GPS 规程》有关规定执行。每时段观测前后各量取天线高各一次,读至 1mm,两次量测较差不大于 3mm,取平均值作为最后天线高。5.3 四等水准测量( 1) 四 等 水 准 测 量 以 已 知 水 准 网 点 为 基 础 , 沿 主 要 道 路 以 附 合 水 准 路 线 、 水 准 结 点 网 的 形 式 布设 。( 2) 本 测 区 不 进 行 水 准 点 埋 设 , 为 满 足 城 市 规 划 建 设 的 需 要 , 埋 设 在 主 要 道 路 上 的 D、 E 级GPS 点 ( 二 级 导 线 点 ) 应 尽 量 作 为 临 时 水 准 点 施 测 。( 3) 水 准 观 测 使 用 DS3 型 水 准 仪 配 合 三 米 区 格 式 双 面 木 质 标 尺 , 直 读 视 距 , 以 中 丝 测 高 法 进 行单 程 观 测 , 观 测 顺 序 为 后 —后 —前 —前 。( 4) 水 准 观 测 每 测 段 的 测 站 数 必 须 是 偶 数 站 。( 5) 作 业 前 应 对 水 准 仪 及 水 准 标 尺 按 规 定 项 目 检 校 。 作 业 开 始 后 的 第 一 周 内 应 检 验 i 角 一 次 ,i 角 稳 定 后 每 隔 15 天 测 定 一 次 。 i 角 不 得 大 于 20″ 。( 6) 水 准 测 量 成 果 的 重 测 和 取 舍 按 《 水 准 规 范 》 中 6.9 条 款 规 定 执 行 。( 7) 水 准 高 差 应 进 行 尺 长 改 正 及 正 常 水 准 面 不 平 行 改 正 。( 8) 水 准 观 测 的 主 要 技 术 要 求 按 附 表 二 规 定 执 行 。( 9) 观 测 记 录 采 用 以 掌 上 电 脑 ( PDA) 为 记 录 载 体 的 电 子 手 簿 配 合 控 制 网 野 外 手 簿 测 量 软 件Elerce( 福 建 省 地 质 测 绘 院 谢 维 ) 进 行 , 内 业 通 讯 并 打 印 测 站 及 测 段 汇 总。其 相 关 文 件 不 允 许 删除 或 编 辑 。( 10) 内 业 平 差 采 用 由 北 京 清 华 山 维 公 司 提 供 的 智 能 图 文 网 平 差 软 件 NASEW95 进 行 平 差 计 算 ,平 差 结 果 各 项 均 应 打 印 。 平 差 计 算 前 应 对 原 始 观 测 成 果 进 行 200%的 检 查 , 并 确 保 起 算 数 据 准 确 无误 , 方 可 进 行 平 差 计 算 , 成 果 取 位 按 《 规 范 》 规 定 执 行 。9表 5-2 四等水准观测的主要技术要求级别 项 目 四等水准 备 注附合路线长度(km) ≤80支线路线长度(km) ≤15结点间路线长度(km) ≤30最大视距长度(m) ≤100前后视距差(m) ≤5.0前后视距累积差(m) ≤10.0黑红面读数差(mm) ≤3黑红面所测高差之差(mm) ≤5检测间歇点高差之差(mm) ≤5路线或环线闭合差(mm) 平原山地≤±20 L≤±25山区指高程超过1000m 或路线中最大高差超过 400m 的地区。支线往返高差不符值(mm) ≤±20 R测站高差取位(mm) 0.1高差取位(mm) 1检测已测测段高差之差(mm) ≤±30 L备 注 L、R 以 km 为单位,不足 1km 按 1km 计算6.数据处理(1)接收机内存数据文件下载到外存介质时,不得进行任何剔除或删改,不得调用任何对数据实施重新加工组合的操作指令。内业平差计算的各项指标以及成果取位应按照《GPS 规程》相关条款规定执行。( 2) 基 线 处 理 可 采 用 GPS 随 机 软 件 进 行 ; 网 平 差 计 算 应 采 用 武 汉 大 学 测 绘 科 学 与 技 术 学 院 商 业软 件 ‘CosaGps 数 据 处 理 系 统 ’进 行 。( 3) 每 个 时 段 同 步 观 测 数 据 的 检 核 , 按 以 下 规 定 进 行 :a. 计算同一时段观测值的数据剔除率,其值应小于 10%;10b. 计算同步边各时段平差值的中误差与相对中误差,相对中误差计算公式:σ=22)(dba式中:σ—标准差,mm;a—固定误差≤10mm;b—比例误差系数≤10ppm;d—点间距离,km。( 4 ) 同 一 条 边 任 意 两 个 时 段 的 成 果 互 差 , 应 小 于 接 收 机 标 称 精 度 的 2√ 2 倍 。( 5 ) 若 干 个 独 立 观 测 边 组 成 闭 合 环 时 , 各 坐 标 分 量 闭 合 差 应 符 合 下 式 规 定 :Wx≤3 σ;Wy≤3 σ;Wz≤3 σ;nnn式中:n——闭合环中的边数;σ——相应级别规定的精度(按平均边长计算)。( 6) 三 边 同 步 环 , 第 三 边 处 理 结 果 与 前 两 边 代 数 和 , 其 差 值 应 小 于 下 列 数 值 : Wx≤ σ/5;Wy≤ σ/5; Wz≤ σ/5;333W= ≤3σ/522Wzyx式中:σ——相应级别规定的精度(按平均边长计算)。( 7) 原 始 观 测 计 算 数 据 应 予 全 部 打 印 (包 括 剔 除 数 据 ), 以 便 检 查 。(8)当 检 核 发 现 需 补 测 或 重 测 的 边 , 应 尽 量 安 排 一 起 进 行 同 步 观 测 。7.结论
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