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高程测量精度分析研究.doc

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高程 测量 精度 分析研究
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龙岩学院资源工程学院毕业论文题 目: 高程测量精度分析研究 资源工程学院龙岩学院毕业论文(设计)开题报告2012 年 月 日论文(设计)题目:高程测量精度分析研究姓名 年级 08 测绘工程 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:在控制测量,传统的测量方法是水准测量、三角高程测量。其中水准测量是一种直接测高法,测定高差的精度是较高的,但水准测量受地形起伏的限制,外业工作量大,施测速度较慢。三角高程测量是一种间接测高法,它不受地形起伏的限制,且施测速度较快。但精度较低,且每次测量都得量取仪器高,棱镜高。从而影响成果精度。近年来,GPS 定位技术在我国迅速推广.从等级到图根控制,利用GPS定位技术已较好地解决了平面位置.而高程量方面由于受坐标系统不一致、观测误差等的影响,其精度一直被认为不太可靠,仪器的标称精度也较平面定位精度低l倍,导致目前在建立控制网时平面和高程分开建立现象.因此,有必要对GPS高程测量的精度和方法进行深入的探讨,以使其更广泛地应用于测量领域,为我国的工程建设服务。工作内容:1.水准高程测量,三角高程测量,GPS 高程测量的原理,方法。2.三种高程测量过程中可能出现的误差来源及其精度分析。3.实验论证分析分析各种方法的适用条件及范围。总体安排及进度:1、4 月 5 日—-4 月 13 日 收集相关论文材料,在老师的指导下确定题目,并完成开题报告。2、4 月 13 日—4 月 20 日 根本个人情况,可以修改论文题目。确定指导老师。.3、4 月 21 日—-5 月 4 日 整理分析收集的相关论文材料,列出论文提纲,开始着手论文写作。4、5 月 5 日—-5 月 20 日 完成论文内容,形成初稿,上交给指导老师。5、5 月 21 日—6 月 5 日 根据老师的指导对论文进行修改和完善,并最终完成论文正稿。课题预期达到的效果:1.熟练掌握水准高程测量,三角高程测量,GPS 高程测量的原理,方法。2.分析出高程测量过程中可能出现的误差来源及其精度。3.对三种高程测量方法的适用范围进行归纳总结。指导教师意见:签名:I高程测量精度分析研究【摘要】:本文主要介绍和分析了三种高程测量方法:水准高程测量、三角高程测量、GPS 高程测量。通过实验数据结合理论依据,根据测量原理得出各自的计算公式,对各公式进行误差来源分析,应用误差传播定律得出各自的误差方程式,并进行精度分析比较;分析了各种方法内部因素及外界因素各个方面的影响,得出了一些有用的结论。结果表明,当地面点的高程精度要求较高,一般用水准高程测量,其普遍用于建立国家高程控制点及测定高级地形控制点的高程;而对于地面高低起伏较大地区,精度要求不高时,则用三角高程测量,在一定范围内合理利用全站仪三角高程测量,可达三、四等水准测量的要求;虽然近年来,GPS 定位技术在我国迅速推广,而高程量方面由于受坐标系统不一致、观测误差等的影响,其精度一直被认为不太可靠,但在一般地形条件下,使用单频机采取一定的措施亦可在测量工作中发挥较大作用。【关键词】:水准仪,全站仪,GPS,高程测量,精度,误差;目 录【摘要】 ................................................................................................................................................................I1.绪论 .................................................................................................................................................................11.1 选题的目的与意义 .................................................................................................................................11.2 研究现状 .................................................................................................................................................11.3 研究的主要内容 .....................................................................................................................................12.高程测量原理 ....................................................................................................................................................12.1 水准高程测量原理 .................................................................................................................................12.2 三角高程测量原理 .................................................................................................................................22.2.1 全站仪单向三角高程测量的原理 ..............................................................................................32.2.2 全站仪对向三角高程测量的原理 ..............................................................................................32.2.3 全站仪中点法高程测量的原理 ..................................................................................................42.3 GPS 高程测量原理 .................................................................................................................................43.高程测量误差分析 ............................................................................................................................................53.1 水准高程误差来源 .................................................................................................................................53.1.1 i 角的误差分析 ............................................................................................................................53.1.2 角误差的影响 ..........................................................................................................................63.1.3 水准尺的误差 ..............................................................................................................................63.1.4 水准管气泡居中的误差 ..............................................................................................................73.1.5 后前视调平水准管气泡的误差 ..................................................................................................73.1.6 大气折光的影响 .........................................................................................................................73.2 三角高程测量精度的误差分析 .............................................................................................................73.2.1 竖角的测角误差 ..........................................................................................................................73.2.2 边长误差 ......................................................................................................................................83.2.3 地球曲率与大气折射的影响 ......................................................................................................83.2.4 仪器高程和棱镜高程的影响 ......................................................................................................93.2.5 三种三角高程测量的精度分析 ..................................................................................................93.3 GPS 高程测量精度的误差分析 ...........................................................................................................113.3.1 几何水准联测误差 ....................................................................................................................113.3.2GPS 测定大地高的误差 .............................................................................................................113.3.3 坐标转换误差 ...........................................................................................................................113.3.4 拟合计算误差 ............................................................................................................................114.实验案例分析 ..................................................................................................................................................124.1 实验概述 ..............................................................................................................................................124.2 实验方案 ..............................................................................................................................................124.2.1 仪器的选择 ................................................................................................................................124.3 实验数据采集 .......................................................................................................................................124.3.1DSZ2 精密水准仪采集数据 .......................................................................................................124.3.2 莱卡全站仪采集数据 ................................................................................................................124.3.3RTK 采集数据 ............................................................................................................................124.4 实验数据精度分析 ..............................................................................................................................134.4.1 计算闭合差来评定精度 ............................................................................................................134.3.2 通过间接平差方法来评定两种测量结果的精度 ....................................................................134.5 实验结论 ..............................................................................................................................................18参考文献 .............................................................................................................................................................20致谢 .....................................................................................................................................................................20附 录 ...................................................................................................................................................................2111.绪论1.1 选题的目的与意义在控制测量,地形测量及工程测量中常常需要进行高程测量,传统的高程测量方法有水准测量、三角高程测量。水准测量是一种直接测量方法,测定高差的精度比较高,但水准测量受地形起伏的限制,外业工作量大,施测速度较慢。三角高程测量是一种间接测高法,它不受地形起伏的限制,且施测速度较快。在大比例地形图测绘、线型工程、管网工程等工程测量中广泛应用。但三角高程测量的精度较低,施测速度还可以进一步提高。近年来,GPS 定位技术在我国迅速推广.传统的控制测量方法受到极大的挑战,从等级到图根控制,利用 GPS 定位技术已较好地解决了平面位置,精度能达量级上 ,能满足工程测量的要求。而高程测量方面由于受坐标系统不一致、观测误差等的影6910-响,其精度一直被认为不太可靠,仪器的标称精度也较平面定位精度低 l 倍,导致目前在建立控制网时平面和高程分开建立现象,这在很大程度上限制了 GPS 技术的应用 [1].因此,对三种高程测量进行实验性的比较分析与深入探讨,使测量工作者可根据实际工作选择最佳测量方案,为我国的工程建设服务。1.2 研究现状在高程测量中,几何水准测量方法是最古老、耗费最大、但又是最精密的高程测量方法,因而一直运用至今,目前还没有其他方法可以完全取代几何水准测量。而近几十年来人们一直致力于如何提高几何水准测量的作业效率,实现水准测量自动化,内外业一体化。随着数字技术的发展 ,几十年来人们探求的精密水准测量自动化 ,在90年代初有了突破。自1990年徕卡公司第一台数字水准仪问世,实现了水准标尺的精密照准,标尺分划读数和视距的读取、数据储存和处理等数据采集的自动化,从而减轻了水准测量的劳动强度,提高了测量和成果质量 [2]。近年来, 人们对全站仪已有了更深入地认识,对全站仪在高程测量方面的应用已有了大量研究,利用单向三角高程测量法、全站仪对向三角高程测量法、中点高程测量法、对边测量高程测量法、免棱镜高程测量法等方法来减少误差的影响。由于近几年GPS技术的广泛应用,高精度GPS控制测量已经在许多工程中得到应用,大量的实验数据表明,GPS控制网的平面坐标精度是可靠的,能够达到工程测量的要求,但高程方面由于区域性大地水准面的精度、电离层延迟误差、坐标系不一致的影响,其精度一直被认为不可靠 [3]。1.3 研究的主要内容从三种高程测量方法的原理出发,根据误差传播定律,综合考虑各个因素的误差来源及其影响,并对测量精度进行评定分析,得出各方法优缺点、适应条件、及适应范围等,使测量工作者可根据实际工作选择最佳测量方案。具体研究内容如下:1、水准测量,三角高程测量,GPS高程测量的原理、方法及误差分析。 2、用三种不同的方法来测量同一批点的高程,并将实验结果相互对比,得到各种方法的适用条件及范围。3、在实验数据分析处理中,对三种高程测量过程中可能出现的误差来源及其精度分析。2.高程测量原理2.1 水准高程测量原理水准测量的基本方法是;如图1所示,若有一个已知高程的 点,首先测出 点到 点的高程之AB差,简称高差 ,于是 点的高程为:ABh(2-1)BABHh以此计算出 点的高程。2图 2-1 水准测量原理图测出高差 原理如下,图2-1在 、 两点上各竖立一根水准尺,并在 、 两点之间安置水ABhABAB准仪。设水准仪的水平视线截在尺子的位置为 、 ,通过 点作一水平线与 点的铅垂线相交于MN。因为 之长即是 、 两点之间的高差 。CABh由图易知:bahAB (2-2)在实际工作中, 、 的值是用水准仪瞄准水准尺直接读出来的。因为 点是已知高程的点,通ab A常称 为后视读数,而 为前视读数,即 =后视读数- 前视读数aAB高差 本身可正可负。为了避免计算中发生正负符号的错误,在书写高差 的符号时必须注ABh Bh意 下的小字。例如 是表示由已知高程的 点推算至高程的 点的高差。AB B由此可知,水准测量作法的实质是用水准尺量取竖直方向(地面点高程值定义的方向)的长度。如果A、B间间隔比较大,可以在中间多设几个测站点,进行连续测量得出高差,如图2-2所示,AB点之间的高差即为式(2-3)所示。(2-3) nnnAB bababah 1121大地水准面通过 A 点的水准面AHBHAh123 n-2 n-1 n图 2-2 大地水准面图2.2 三角高程测量原理三角高程测量的基本思想是根据由测站点向照准点所观测的垂直角(或天顶距)和他们之间的斜距,计算测站点与照准点之间的高差。这种方法简便灵活,受地形条件的限制较少,它一般是在一定3密度的水准网控制下,用三角高程测量的方法测定三角点的高程。2.2.1 全站仪单向三角高程测量的原理全站仪单向三角高程测量如图 2-3 所示,其中A为已知高程点,B为待测高程点,将全站议安置于A点,量得仪器高为i;将反光棱镜置于B点,量得棱镜高为v。由下图可得A、B两点间的高差计算公式为(2-4)cvishABn其中 ,c 为地球曲率改正数,s 为斜距,k 为大气折光系数,i 为仪器高,v 为2os1Rkc棱镜高,R 为地球半径。图 2-3 三角高程测量原理2.2.2 全站仪对向三角高程测量的原理对向观测又称为往返观测,其观测原理与单向观测相同。将全站仪置于A点,棱镜置于B点,测得A、B两点间的高差 , 称为往测高差;再将全站仪置于B点,棱镜置于A点,测得B、AABh两点间的高差 , 称为返测高差。则往返测高差计算公式分别如式(2-5)和(2-6)所示。BAh往测计算公式:(2-5)2AB1hsinαi-vscoαkR往返 返 返 返 返 返返测计算公式:(2-6)2BA1hsinαi-vscoαk返返 返 返 返 返 返如果观测是在相同气象条件下进行的,特别是在同一时间进行,则可假定大气折光系数对于反向观测基本相同因此 返往 k则(2- AB1hsinαsini-vi2返 返 返 返 返 返 返 返7)因此,在气象条件稳定时,全站仪对向三角高程测量可以不考虑地球曲率及大气折光系数的影响,4与单向观测相比有明显优势。2.2.3 全站仪中点法高程测量的原理如图 2-4 所示,在已知高程点A和待测高程点B上分别安置反光棱镜,在A、B的大致中间位置选择与两点均通视的O点安置全站仪,根据三角高程测量原理,0、A两点的高差, 有:1h(2-8)2111 1hsinα-vscoαkR同理(2-9)2222sii-sck式中:K为O至B点的大气折光系数,i为仪器高,h1 为B点的棱镜高,R为地球半径。根据高程测量原理,A、B两点间的高差h为:(2-10)2212121 12hsinαsiscoαscoα-vkkRR图 2-4 全站仪中点法高程测量原理采用中点法测量的高差主要与测量斜距 S1 S2竖直角 α 1α 2棱镜高 v1v2及大气折光系数和 有关,与仪器高无关,从而克服了仪器高量取精度的影响,有利于提高测量精度。1k2当A、B两点采用同一对中杆且不变换高度,即 [4]。21v则(2-11)2212121 1hsinαsiscoαscoαkkRR2.3 GPS 高程测量原理GPS测量能够精确给出地面点在WGS一84坐标系中三维坐标x、y、z或B、L、H,经系统变换可以得到地面点在局部坐标系中的大地高。由于各GPS点上的高程异常值无法直接获得,目前还无法直接将大地高精确地转换成实用的海拔高。因此,高程异常的确定成为高程转换的关键。GPS观测数据经转换、平差等数学处理后,可得到两点间的基线向量及高精度的大地高差,如果已知一点的大地高,即可求得全网各点的大地高。大地高是以椭球面为基准的高程系统,其定义为由地面点沿通过该点的椭球面法线到椭球面的距离。但目前常用的工程测量和高程放样是以铅垂线和水准面为依据的水准测量来实现的,所以,在实际工程中一般不采用大地高,而是采用正常高系统。正常高即地面点沿垂线方向到似大地水准面的距离,其相互关系式如式(2-12)所示。正常高: 正高: (2-12)H gghH
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