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厦门同安1500地形图数据采集方法的研究.doc

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厦门 1500 地形图 数据 采集 方法 研究
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龙岩学院资源工程学院毕业论文题 目: 厦门同安 1:500 地形图数据采集方法的研究 资源工程学院摘要数字测图技术的进步,实际就是测图方法的进步,而测图方法的不同,主要体现在对野外数据采集方式的不同。本文分析了 1:500 数字测图过程中野外数据采集的方法,比如全站仪法、GPS-RTK 法、摄影测量与遥感法、镜站电子平板法和CORS 技术,并做了几种方法的对比。对比较重要的方法进行了精度的解析,保证方法的可靠性。通过对以上内容的分析研究,希望找到一种更符合实际,应用面更广,更有发展前景的现代化数字测图方法,使测图工作变得更加高效。关键词:数字化测图;数据采集;精度;方法;研究ABSTRACTThe development of digital mapping technology is actually a kind of development in plotting method. The differences in field data acquisition modes are mainly reflected by the different ways of plotting methods.This paper analyzes the ways of field data acquisition modes in the process of 1:500 digital mapping, such as the Total Station, GPS-RTK,Photogrammetric survey and remote sensing, standing mirror plate method, and CORS, and also makes a comparison among them. Making a accuracy analysis for the important method,and to ensure the reliability of the method. I hope to find a digital mapping method which is more truthful, more widely-spread, and more prospective to validate the digital mapping.Keyword:digital mapping;data acquisition;precision;method;accuracy目 录1.绪论………………………………………………………………………………………………11.1 研究背景………………………………………………………………………………11.2 研究的目的意义………………………………………………………………………11.3 本课题的研究内容……………………………………………………………………12.测区概况与资料 …………………………………………………………………… 12.1 测区概况 …………………………………………………………………………12.2 已有资料…………………………………………………………………………13.平面控制测量方法 ………………………………………………………………………………… 23.1 平面坐标系统的选择…………………………………………………………… 23.2 平面控制测量两种方法的对比论证…………………………………………… 24.1:500 地形图野外数据采集方法………………………………………………………………44.1 数字测图概述 ………………………………………………………………………54.2 野外地形数据的采集方法及对比 ………………………………………………… 54.3cors 系统应用实例……………………………………………………………………65.数字化测图中精度的控制方法 ………………………………………………………95.1 全站仪法测点误差来源…………………………………………………………95.2 航测法精度的解析………………………………………………………………106.总结……………………………………………………………………………………11参考文献………………………………………………………………………………………12致谢…………………………………………………………………………………………12附图………………………………………………………………………………………1311 绪论1.1 研究背景随着现代测绘科学技术的迅猛发展,全野外数字地形图的测绘工作在现代机助制图技术的支持下已经逐渐发展成为了高新的制图技术。因此测图方法的改进对于现代化的数字测图工作质量息息相关,测图方法的改进不仅能提高测图的精度,使最终的产品更加符合规范,同时也提高了工作效率,降低了人员的劳动强度,也节省了工程所需的资金,为现代化的测绘工作带来了极大的便利。1.2 研究的目的意义本文旨在对厦门市同安区测区范围内的 1:500 数字化地形图的测绘工作加以分析总结,通过对数字测图方法的探讨,寻找一种精度较高、符合实际且更加实用的测图方法,为满足厦门市 1:1000 数字地形图数据库提供精确、详细的地形图基础数据。也为以后其他工程的数字测图工作提供一些基本方法的参考依据。1.3 本课题研究内容本文结合实际,分析了 1:500 数字化测图工作中所涉及到的平面控制测量两种方法的对比,重点分析研究了野外数据采集的方法,也对其中比较重要的方法的精度控制做了细致分析。2.测区概况与资料2.1 测区概况测区位于厦门市同安区五显镇辖域内。测区总面积不少于 5.6 平方公里,测区有三秀山、四林村、后塘新村、明溪村、竹坝新村等,测区内道路畅通,交通便利,树木较多,植被茂盛,通视条件较差,不利于观测。同安五显镇测区属亚热带海洋性气候,上半年雨量较大,气候潮湿,下半年雨量会相对小很多,但是台风天气比较频繁,对测绘工作带来极大的麻烦。2.2 已有资料(1)测区范围周边有俺头山(GB17) 、蔡厝口(GB11) 、汀溪水库(GB10) 、同安(GB16) 、4 个 B 级GPS 点作为测区平面 E 级 GPS 点的起算依据,点位具有“92 厦门坐标系” 、中央子午线 118°30′、1.5°带高斯平面直角坐标, “1980 西安坐标系” 、中央子午线 117°、3°带高斯平面直角坐标,和 CGCS2000大地空间坐标三套成果。使用时平面坐标表示 X(N)省略千公里和百公里数,Y(E)省略百公里数 [1]。(2)测区范围周边有一等水准点厦门杭广南 280-1、已知点汀溪水库(GB10) 、蔡厝口(GB11) ,用2于本测区高程起算,成果为 1985 国家高程基准。(3)最新测区及周边 1:5000 正射影像图可用于工作计划及引用参考。(4)测区内已有的 D、E 级 GPS 及一级导线点在点位稳固无损的情况下可利用其点位,为防止使用错误,应于点位边标明现点号,并在成果资料应注明原、现点号名。3.平面控制测量方法3.1 平面坐标系统的选择平面坐标采用“92 厦门坐标系” 。该坐标系采用克拉索夫斯基参考椭球体,平面投影为中央子午线118°30′的 1.5°带高斯-克吕格投影,投影面高程为 0 米。平面坐标表示 X(N)坐标省略千公里和百公里数字,Y(E)坐标省略百公里数字 [1]。测区内利用旧 E 级 GPS 及一级导线点的,但须重新观测,统一平差。个别被破坏点而不能满足图根导线点起算的地方,采用 GPS 或一级导线加以补充。3.2 平面控制测量两种方法的对比论证控制地形图需要一套完整的方案,同时也要符合一些原则。分级布设,逐级控制;具有足够的精度;保证必要的密度;应有统一的布网方案、精度指标及作业规格。平面控制测量分为二级布设,可有两种方案,第一,首先布设一级 GPS 网为本测区的首级平面网,再用 RTK 加密图根点。第二,直接用导线网作为测量的首级控制网,然后用全站仪加密图根点。3.2.1 方案一(1)E 级 GPS 测量使用检验好的 D 级 GPS 点,以满足加密图根控制网为前提,布设 E 级 GPS 控制测量网。E 级 GPS 点在测区的选择要均匀,布设采用边连式。表 3-1 E 级 GPS 技术要求 [2](2) GPS 观测①采用 7 台华测 X90 双频 GPS 接收机进行同步观测,观测时采用静态定位模式。仪器标称精度5mm+1ppm,GPS 网相邻点间弦长精度 δ= , δ 为标准差,单位 mm;b 是比例误差系数,22(bd)a项目等级 平均距离(km) a(mm) b(1×10-6) 卫星高度角 有效卫星数 强度因子 PDOP 时段长度(min) 数据采样间隔(s) 最弱边相对中误差E 1 ≤10 ≤5 ≥15° ≥4 ≤6 ≥45 5~30 1/200003单位 ppm;a 是固定误差,单位 mm;d 是相邻点间的距离,单位 km。②作业前,应检验光学对中器是否符合要求。测站要严格对中整平。所有仪器都要检测,采用垂球对中检测光学对点器对中精度,对中精度应小于 2mm。③天线基座对中整平。测量前后各量取天线高度一次。④雷雨季节一定要防止雷击天线。特别是台风天气,雷雨较多,应停止观测。⑤在观测期间,接收机不能移动,尽量避免人和其他物体立在天线旁边。⑥观测时保证接收机工作正常。每天工作结束后要尽早将数据存起来。在内业前应进行点号等数据的检核。所有数据传输完后应将原始数据备份保存,以防数据丢失 [3]。3.2.2 方案二 (1)导线测量全站仪测一级导线做首级控制网。测量时要将棱镜架设在三脚架上从而保证精度的可靠性。使用莱卡全站仪进行图根点的加密。(2)导线网的设计步骤: ①据控制网的服务目的,确定导线中点点位中误差,并据以求出端点的点位中误差和容许闭合差。②定导线总长及等级。在直伸导线中,纵向误差由测距误差引起,故可求来算导线边的测距精度及总长。当导线中点点位误差限值确定时,导线愈长,要求起算数据与本次测量精度愈高,所以确定了导线总长,也就确定了导线等级。横向误差是由测角误差引起,根据横向误差的规定值来求得测角精度。因为是按纵向、横向等影响来配置测角和量边精度的,故测角精度的等级一般是与按导线总长计算的等级相适应。 ③单线网图上选点和线。并据测角量边要求,编制导线施测细则。表 3-2 三级导线网的主要技术指标 [4]表 3-3 三级导线外业测量技术要求:序号 项目 指标1 方位角闭合差 ≤24″× n2 测角中误差 ≤12″3 导线全长绝对闭合差 ≤13cm4 导线全长相对闭合差 ≥1/60005 最弱点点位中误差 ≤5cm43.2.3 平面控制两种方案的论证 (1)GPS 网做首级控制网 测区位于同安区的五显镇,地形多为农田和丘陵,有聚居的村落,测区面积大,GPS 信号较好,只有少部分山区和林地。测区有 D 级 GPS 控制点可以利用。GPS 观测十分方便,需要人员较少,精度较高,符合要求。 (2)导线网做首级控制网 导线网的布设比较随意,受地形影响较小,但是测量速度较慢。由于测区面积较大,视野较好,多为农田和村落民房,同时人员比较充足。由以上的对比,最后决定使用方案一做平面控制。 4.1:500 地形图野外数据采集方法4.1 数字测图概述野外数字测图是建立在数字测图系统上而实现的,数字测图系统是以计算机及其软件为核心在外接输入输出设备的支持下,对地形空间数据进行采集、输入、成图、绘图、输出、管理的测绘系统 [5]。目前数字测图技术发展迅速,为测绘行业的测图工作带来了极大的便利。4.2 野外地形数据的采集方法及对比4.2.1 全站仪法目前野外数据采集主要用的是全站仪。全站仪法也可以分为两种方式测量。第一,将采集的数据存储在全站仪中,同时绘制草图。然后回到室内将数据传输到电脑上,用绘图软件绘图。第二,在采集数据时直接在全站仪中输入地物对应的编码,回到室内之后,利用数字测图软件的自动成图功能实现自动化成图,但是这种情况要求测量人员熟悉编码,不然会降低测图效率,而且跑镜人员和测量人员相距较序号 项目 技术指标1 莱卡全站仪 2″,3mm+2ppmD2 水平角测回数 13 半测回归零差 8″4 一测回 2c 较差 13″5 边长测回数 单程一测回6 气温测量最小读数 0.5℃7 气压测量最小读数 100Pa8 改边垂直角测回数 25远时,难以分清楚地物之间的关系,影响测量效率。在要求不高的情况下依然可以采用此种方法。4.2.2 GPS-RTK 法RTK 是近几年来发展很迅速的数字测图方法。RTK 系统是由基准站,流动站和数据通信设备组成的GPS 测量系统。它的测图原理是利用了 GPS 的相对定位原理。先将基准站和电台设置好,再进行移动站的设置,待系统正常工作后,再进行点校正即可将 WGS84 系统转换到当前所要采用的测量坐标系进行测量。GPS-RTK 具有全天候和高度灵活性的优点。再一个,无需逐级做控制,不必考虑测点间通视以及误差积累。数据采集速度比较快,节省了人力。但除了不需数据后处理外, RTK 也不可避免地传承了 GPS 测量的通病,而且基准站设置及作业半径直接影响其定位精度和作业速度,数据链能否畅通也是 RTK 测图能否成功的关键。4.2.3 航测法航测法其实就是遥感与摄影测量。这是未来发展空间很大的一种测图方法,它是以航摄飞机或者无人飞机等为载体,对既定的地区进行航空摄影,进而获取航空相片的过程。最后将图像输入电脑,用电脑处理,生成数字化的电子地图。这样就使外业的工作变得更加简单。航测法极大的降低了外业的强度,同时缩短成图周期,提高作业效率。可以在保证不降低数学精度的前提下编绘各种专题图,这一点在本文第五章中有详细讲述。另外,对于地形复杂隐蔽性较强,人难以到达的地方更容易保证精度。4.2.4 镜站平板法镜站平板法是建立在 PDA 和 GPS 技术迅速发展的前提下而出现的,尤其是 RTK 技术的不断创新,使得野外数据的采集方法变得更加多样化。此法的工作原理:测站和镜站安装无限传输设备,使之与成图设备相连。其中一人可以手拿 PDA 随镜站而移动,可以更清楚地判定地物类别。必要时可以指挥跑镜员。从 PDA 发出的测量指令通过遥控器传给测站,全站仪操作员测完一个点后通过遥控器将测得的数据发送给绘图员手中的 PDA,这时绘图员将数据存入 PDA,绘出图形。镜站平板法实现了野外实时成图,“所见即所得” 。避免了漏测、错测的发生。成图的准确性得以提高。每种方法都有优缺点,镜站平板法的缺点是过分依赖无线数据通讯技术。目前这种无线数据传输设备还不够完善,最明显的就是体现在测距上,测距越远,效果越差 [6]。4.2.5 CORS 系统CORS 系统是在一个较大的区域内通过均匀布设多个永久性的连续运行 GPS 参考站以构成一个参考站网。各参考站按设定的采样率连续观测,通过数据通信系统实时将观测数据传输给系统控制中心,系统控制中心首先对各个站的数据进行预处理和质量分析,然后对整个数据进行统一解算,估算出网内的各种系统误差改正项(电离层、对流层、卫星轨道误差),获得本区域的误差改正模型,之后,向用户实时发送 GPS 改正数据,用户只需要一台 GPS 接收机,便可得到高精度的可靠的定位结果 [7]。64.2.6 几种方法的对比表 4-1 几种方法的对比作业模式设备配置 人员数 成果精度劳动强度 优点 局限性全站仪法全站仪(电子经纬仪+测距仪)2-3人高 观测员工作繁琐,测站与镜站联系频繁且内容多自动化程度高,内业工作量小仪器来回搬动,外业速度慢GPS-RTK法基准站,移动站1-2人高 人员工作繁琐,要不停的跑动全天候作业,自动化程度高,操作简便信号受环境影响较大,不够稳定航测法 无人机,相机,遥控器2-3人一般 人员工作量较小,不用长距离跑动成图精度高,测量效率高,成本低受天气影响较大,高程精度难以把握镜站平板法全站仪,PDA 2-3人高 工作强度一般 成图精度高,自动化程度高,内业量较小外业速度相对较快CORS 系统 GPS 接收机一台1 人 高 工作量小,观测时间短,节省人力物力财力自动化程度较高,初始化时间段,操作简便,机动性强环境影响较大时 GPS 信号不够稳定通过对以上几种方法的解析,可以看到它们都有其优劣,实地测量选用时应综合考虑各方面因素,根据自身的经济条件以及所处地区的环境条件,选择最恰当的作业模式。当然,每一种数据的采集方法并不是完全对立、不可融合的,用户在必要时可以组合使用,效果更佳。4.3 CORS 系统实例分析下面就厦门同安区 1:500 数字地形测量工程中的应用,列出手簿的一些相关设置,总结分析出 CORS技术在测量应用中的优势。本测区大部分为丘陵和农田,河流也比较多,居民点分散聚居,植被较多且复杂。个别地区通视情况较差,布设图根导线有一定难度,因此考虑使用 CORS—RTK 测量图根点。4.3.1 GPRS-RTK 测量丘陵地区和高山区采用 CORS-RTK 施测图根点,采用在独立收敛的情况下测量两次,然后求平均值的方法,满足精度要求。(1)RTK 作业基本条件满足了下表的要求。表 4-2 rtk 作业基本条件观测窗口状态 截止高度角15°以上的卫星个数PDOP 值7(2)CORS-RTK 每天至少要测一个以上的高等级控制点。通过联测检查平面及高程精度均要满足要求。(3)CORS—RTK 测量时,要用三脚架来固定接收机的天线。图根控制点的坐标要独立测定 2 次后求其平均值。4.3.2 参考点的转换参数利用测区内及周边四等 GPS 点的 25 个平面点和其中 20 个高程点作为校正点,求出校正参数,其校正后的成果见下表:表 4-3 校正结果4.3.3 全站仪检测 RTK 坐标统计表随即抽取第 8 到 33 街坊中的 38 个图根点利用全站仪外业检测,全部符合精度要求。详情如下表:表 4-4 全站仪检测 RTK 坐标统计表良好 ≥6 <4可用 5 ≥4 且≤6不可用 <5 >6`NO 参数 值1 dE 87718.363m2 dN 50835.985m3 旋转 0°08′55.53077″4 比例因子 -5.0195′ppm高程转换公共点个数: 20平均转换精度: 0.013m参数: 0.00001081 -0.00002713-7.092mX 点高程斜度: 0°00′02.22972″Y 点高程斜度: -0°00′05.59596″点号 全站仪外业检测 RTK 坐标反算 较差 Δ序号测站点号后视点号平距 L1/m 高差 H1/m 平距 L2/m 高差 H2/m 平距 cm 高差 cm检测结果
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