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数字测图的方法及精度分析.doc

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龙岩学院资源工程学院毕业论文题 目: 数字测图的方法及精度分析 资源工程学院数字测图的方法及精度分析【摘要】随着我国国民经济的迅速发展,农村城镇化的脚步也随之加快,大比例尺数字地形图在规划、建设以及提供给国土资源等部门作为地籍资料的作用越来越重要,这也使得数字测图在精度方面的要求更加苛刻了。测图必定存在误差,本文利用龙岩市武平县万安镇数字化测图为实例,分析 E 级 GPS 控制测量、图根控制测量、碎部测量的方法,发现误差的来源,对其做出相应的平差办法,得出有益的总结,从而提高数字化测图的精度。 【关键词】E 级 GPS 控制测量;图根控制测量;误差分析;精度目录1.前言 .................................................................................................................................................................. 11.1 课题研究的背景 .................................................................................................................................. 11. 2 研究的目的和意义 ................................................................................................................................12.控制测量 ............................................................................................................................................................12.1 GPS控制测量的方法及误差分析 .........................................................................................................12.1.1 GPS控制测量方法 .....................................................................................................................12.1.2 GPS控制测量的误差分析 .........................................................................................................22.2 图根控制测量的方法及误差分析 ........................................................................................................32.2.1 图根控制测量的方法 ................................................................................................................32.2.2图根控制测量的误差分析 .........................................................................................................33.武平县万安镇 1:500数字测图 ........................................................................................................................53.1 测区概况 ................................................................................................................................................53.2 数字测图的实施 ....................................................................................................................................53.3 利用 RTK采集碎部点的误差分析 ........................................................................................................53.4 野外数据采集的误差来源分析 ............................................................................................................63.4.1 水平角观测误差分析 ................................................................................................................63.4.2 垂直角观测误差分析 ................................................................................................................73.4.3测距观测误差分析 .....................................................................................................................73.5 野外数据采集的精度分析 ....................................................................................................................73.5.1 平面位置精度分析 ....................................................................................................................73.5.2 高程精度分析 ............................................................................................................................94. 误差分析总结 ..................................................................................................................................................9致谢语 ....................................................................................................................................................................9参考文献 ..............................................................................................................................................................1011. 前言1.1 课题研究的背景随着经济社会的高速发展,农村城镇化的脚步加快,国家对土地利用日益重视。跟踪了解农用地、建设用地变化、土地变更调查等情况,使得大比例尺数字地形图在国土资源部门的土地管理工作上和宏观调控上起到了重要的作用。规划、建设需要有一张表达正确却且精度高数字地形图作为依据,数字测图的误差不能避免,但我们可以通过研究总结出办法去提高精度。本人所在的实习单位江西省地矿测绘院受龙岩市武平县国土资源部门委托对万安镇进行 1:500 比例尺地形图测绘,实习期间利用这个机会对大比例尺数字测图方法及精度做全面详细的技术分析,总结提高精度办法。 1.2研究的目的和意义大比例尺数字地图是道路建设、建筑物建设以及规划设计等必要的基础图形资料。有了数字地形图,设计人员才能根据图形所表达的地形情况做出合理的设计,所以测图精度将直接影响到设计人员的设计及施工时的质量。2. 控制测量2.1 GPS控制测量的方法及误差分析2.1.1 GPS控制测量的方法1、本次 E级 GPS点观测采用 4台中海达 GPS V30 GNSS RTK,静态标称精度为 2.5mm+1ppm·D 双频 GPS 接收机,以静态测量模式同步观测卫星。2、在测量前对 GPS卫星星历进行分析,选取最好的时间段进行测量并编制成表,参照测区交通情况、地形、网形大小、精度的大小、GPS 网设计、RTK 的数量、卫星预报表等,填写 GPS外业观测手簿。3、 观测的基本技术要求,如表 2-1所示:表 2-1 观测技术要求卫星截止高度角同时观测有效卫星总数时段中任一卫星有效观测时间(min)观测时段数时段长度(min)采样间隔(s)卫星观测值象限分布 PDOP≥15° ≥4 ≥15 ≥1.6 ≥40 15 (25+20)%-25% ≤64、 设站要求(1)仪器架设不宜距离地面太近,架设高度保持在 1m以上。(2)在刮风天气架设仪器应固定脚架,防止倒地。(3)复查点名并记入测量手簿中。查看 RTK指示灯,正常后方可进行测量。(4)在作业期间,严禁 10m以内使用手机和对讲机。(5)在仪器高量取时,要分别在脚架的三个角之间各量取一次天线高,取均值作为仪器高。5、GPS 外业操作步骤如下:(1)安装仪器,对中、整平、量仪器高。(2)开机,将 RTK设为静态模式。2(3)测量人员填写 GPS外业观测手簿。(4)在观测了四十分钟后,作业组长通知关机,并关闭 GPS接收机电源,在观测手簿中填写相关信息(例关机时间) 。(5)收仪器,如果该站为不动站则不收仪器,等待下次开机。经过精确解算最终得出坐标成果如表 2-2所示:表 2-2 坐标成果WGS84 大地经纬度 大地高 福建省 C级网精化模型1980投影直角坐标116:40 投影点名Lat. Lon. H(m) 水准高程(m) X(m) Y(m)JD01 025:08:57.17759N 116:05:16.24961E 308.4478 307.505 2782712.725 441520.2847JD02 025:08:47.70001N 116:05:21.47859E 307.9259 306.974 2782420.455 441665.4929JD03 025:08:47.77254N 116:05:43.11771E 301.9964 301.032 2782420.104 442271.5966JD04 025:08:37.69707N 116:05:58.22131E 293.3747 292.388 2782108.278 442693.3325JD05 025:08:06.80464N 116:05:54.11464E 284.876 283.896 2781158.148 442574.3005JD06 025:07:53.40959N 116:05:49.80695E 285.5433 284.572 2780746.469 442451.8934JD07 025:07:43.39385N 116:05:34.44461E 288.9657 288.000 2780440.091 442020.2424JD08 025:07:45.98893N 116:05:21.08617E 293.2612 292.311 2780521.543 441646.3706JD09 025:08:01.19189N 116:05:02.95660E 314.0156 313.074 2780991.55 441140.5249JD10 025:08:12.51523N 116:05:26.53141E 294.403 293.446 2781337.152 441802.39442.1.2 GPS控制测量的误差分析GPS测量是通过RTK接收卫星传送的测距信号和导航电文通过解算确定地面点的空间位置。测量中误差主要由GPS卫星、卫星信号的传播过程和地面接收设备引起的 [1]。(1)与卫星有关的误差卫星星历误差:由于有多种摄动力(例:日、月引力,太阳光压)可以对运行中的卫星产生影响,使得卫星运行轨迹复杂,因而地面监测站很难确定这些摄动力的影响,使得星历预报是产生较大的误差。本次观测中采用 4台 RTK的静态相对定位来减小此项误差。卫星钟差:卫星钟差是理想的 GPS标准时间与 GPS卫星上的原子钟之间会有偏差或漂移,并伴随着时间的变化而变化。而在 GPS定位中需要以精确测时的观测量为依据。伪码测距和载波相位测量产生误差主要是因为卫星钟差,当卫星钟差总量达到 1ms时,所产生的等效距离误差是不容忽视的,1ms可以产生达 300km左右的误差。不过地面控制系统会根据 GPS标准时和前一段时间的跟踪资料推算出误差改正的一些数值,并通过卫星导航电文提供给用户,用来消除此项误差 [2]。 相对论效应误差:由于接收机是在地面而卫星是处在宇宙中,两者所处的环境不同,使得卫星钟和接收钟之间产生相对钟误差的现象。将其归入与卫星有关的误差不完全准确。但是由于相对论效应应主要取决重力位和卫星运动速度,并且是以卫星钟的误差这一形式出现的。所以我们将其归入在此类误差。(2)与接收机有关的误差GPS 接收机它的记时方法是采用高精度的石英钟,其稳定性可达到 的水平。如果卫星钟和接910收机石英钟的同步差为 1us 时,此时就可能引起 300m左右的距离误差 [3]。因此在 GPS控制测量中减3少 GPS 接收机和卫星钟不同步产生误差是非常重要。目前消除此项误差可采用下列方法加以解决:第一种,把观测站的位置参数和每个观测时刻的接收机时钟当作一个独立的未知数一起送到处理中心进行处理。第二种,将任意观测时刻的接收机种差认为是相关联的,并表示为时间多项式,在观测量的平差计算过程中求解出多项式的系数。第三,在卫星间通过求一次差的方法来消除接收机的时钟差。(3)与信号传播有关的误差电离层折射:由于电离层中含有大量的正离子和自由电子,当卫星传送给 RTK的信号通过时,这个信号的传播路径会发生弯曲,其传播速度也会变化,最后使得卫星到接收机的实际距离产生误差。当卫星处于 RTK正上方时,两者间的距离最近,此时电离层误差带来的影响最小,根据资料表明误差不足 5m。在白天 12 点左右,太阳辐射最为强烈,电离层中的自由电子和正离子浓度最大,所以电离层误差最大,这时它对信号的影响可达 150m左右。因此,为了减小电离层折射对信号的影响可采用双频接收机和利用电离层改正模式加以修正。对流层折射:GPS 信号通过对流层时由于对流层大气密度和辐射影响,使信号传播路径同电离层折射一样发生弯曲,从而使测量距离和实际距离不同产生偏差。它与湿度、温度、大气压力和地面气候变化息息相关,由于这些因素的通常一直在变化,所以对流层折射比电离层折射更复杂 [4]。消除误差可以采用下列办法:第一种,利用对流层模型加以改正。它的气象参数在测站上利用相应设备直接测定。第二种,引入描述对流层影响的附加带估参数,在数据处理中一并求得。第三种,利用同步观测求差。第四种,利用水汽辐射计直接测定信号传播的影响。多路径误差:在通常情况下测站周围都会存在具有反射能力的反射物,这些反射物对来自卫星的信号反射和直接来自卫星的信号产生干涉,从而使得真值和观测值产生偏离。在本次测量中我们采用在天线底安装金属网,可以除去一部分反射信号或重新选择合适的站址,减少多路径误差。2.2 图根控制测量的方法及误差分析2.2.1 图根控制测量的方法 根据万安镇地形,选择导线测量的方法加密控制点。在 E级 GPS点基础上采用一级图根导线控制测量进行加密,并在控制测量阶段一次完成,确保地物点整体数学精度。由于万安镇地形复杂、部分地区房屋密集度大、地表起伏较大,且需要布设的控制点密度大点数多,若高程测量用水准仪,不但难度较大,而且会大大的拖延工期,所以控制点的高程采用三角高程测量。采取三联脚架法按方向观测法采集数据,操作步骤如下:①打开仪器,对中整平量取仪器高。②前、后视人员摆好棱镜基座并量取仪器高,通过对讲机汇报给观测人员。③观测人员通过盘左、盘右精确的观测前、后视的棱镜中心并记录数据。2.2.2 图根控制测量的误差分析本测区根据设计书要求采取一级图根导线在 E级 GPS网基础上布设的控制网。导线误差主要受起始数据、对中、照准、测角、测边五个方面误差影响。此次在图根控制测量任务中我们采用三联脚架的方法,利用棱镜基座对中整平前、后视,能有效减弱误差,下述为随机选择的部分附合导线平差结果:序号 —闭合差— 权倒数 —限差— -- * 2 0.01290 13.00 0.01266观测值中误差(m) = [0.001743], 闭合差信息如下--------序号 是 :闭合导线JN034 JT229 JT228 JT227 JT226 JT225 JT224 JT216 JT217JT219 JT220 JT221 JT222 JN034fx=-0.0048 fy=-0.0014fd= 0.0050 [s]= 545 [ 1/108442 ]4最大误差边=JT224--JT216 最大误差方向=JT219--JT220序号 —闭合差— 权倒数 —限差— -- 35 -0.00305 11.00 0.01196观测值中误差(m) = [0.003613], 闭合差信息如下--------序号 是 :闭合导线JT633 JT632 JT631 JT624 JT623 JD04 JD03 JT637 JT636JT635 JT634 JT633fx=-0.0202 fy= 0.0039fd= 0.0205 [s]= 1283 [ 1/62460 ]最大误差边=JT631--JT624 最大误差方向=JT635--JT634序号 —闭合差— 权倒数 —限差— -- 64 -0.00175 15.00 0.01330观测值中误差(m) = [0.012087], 闭合差信息如下--------序号 是 :闭合导线JT603 JT604 JT605 JT606 JT183 JT184 JN027 JT185 JT186JD07 JT297 JT298 JT299 JT600 JT602 JT603fx=-0.0064 fy=-0.0160fd= 0.0173 [s]= 1044 [ 1/60496 ]最大误差边=JT604--JT605 最大误差方向=JT185--JT186由平差结果可得利用三联脚架方法基本上可以使导线全长相对闭合差≤1/14000,符合一级图根导线的精度要求。根据实测经验可得由于十字丝没对中棱镜中心产生的测角误差会对点位精度产生较大影响。随着全站仪制作技术的提高对于一级图根导线这种导线边长较短的来说,测边中系统误差的影响会小于偶然误差。由于测边中误差是在一级图根导线测量中是一个累加的过程,所以偶然误差在导线边数增加时,其误差大小也随之增加,当导线长度增加时系统误差也会随之增长。在一级图根导线测量中测角中误差同测边中误差一样测角中误差也是一个累加的过程,随着导线测站数的增加,测角误差点位精度的影响迅速增大。所以对于导线来说测角精度是非常关键的 [5]。下面是对提高导线测量精度的几点意见:①在导线测量前要选用精度最高的仪器,并对仪器进行检校。②在天气不好的情况下不应作业例如:大雾、雨天、大风等。③测量人员应严格按照技术规范要求,认真仔细做好每一步。④在选点时选点人员应准确估计控制网边长,长度在平均边长的(1±30%) 的范围内选择最为合适。仪器高和觇标高精确至 0.001m。⑤本次控制测量的部分控制点布设在省道边上,受来往大型车辆震动影响,脚架容易发生移动,故⑥当有大型车辆通过后应检查整平和对中情况,确保不受影响。三角高程测量精度受全站仪测距误差、竖直角观测误差、镜高与仪器高量取误差影响。下面是提高精度的一些办法:①仪器要严格仔细整平,打开双轴补偿消除整平误差带来的影响。②采用三联脚架法,前、后视棱镜基座也应严格对中整平准确量取高。③棱镜基座使用前要先检验是否与全站仪配套。④采用对向观测,以消除大气折光和地球曲率对控制点高程的影响。5⑤在棱镜高和仪器高量取时,应严格按照仪器上的刻画线量取并从脚架的三个角中间各量取一次,取平均值作为最后的棱镜高和仪器高。3.武平县万安镇 1:500数字测图3.1 测区建概况本测区位于福建省龙岩市武平县万安镇,武平地处山区,植被较为茂盛,地形起伏较大。镇上交通条件较为良好,基本为水泥路。部分地区房屋密集度大,通视效果极差,给测图带来了很多麻烦。3.2 数字测图的实施本次数字测图的碎部测量方法采用极坐标法,具体操作步骤如下:①在测站上安置好全站仪,对中, 整平,量取仪器高。②开机,建立以当天日期为文件名的文件,然后设站,瞄准后视定向。③照准部瞄准所需采集的碎部点,按测坐标键测出碎部点坐标并记录。3.3 利用 RTK采集碎部点的误差分析在此次测区中除房子外的地貌(例:山、路、坎)利用中海达 GPS V30 GNSS RTK进行碎部点采集,虽然 RTK的利用提高了测量的工作效率,但其定位原理是利用以 CORS站为基准以支点形式分布的散点,属于 GPS定位原理中的动态定位,没有静态 GPS测量中的异步环、同步环及符合线路等约束条件,因而其测量的碎部点精度无法直接衡量。为了探求此次 RTK定位精度,我们采用在已知精度合格的控制点上进行测量,将所得数据与控制点数据对比,从而分析其精度高低。(1)此次试验选择 JD01、JD03、JD05、JD07、JD09 五个控制点。(2)动态 RTK测量①实验设备:中海达 GPS V30 GNSS RTK 数量:1 ②动态标称平面精度:10mm+1ppm·D;高程:20mm+1ppm·D。③利用三脚架代替碳素杆进行测量,精确对中、整平及量取仪器高后开机套用相关参数,采取在固定解状态下采集十次坐标数据,取平均值作为最终数据。(3)试验测量数据成果本次试验采取的五个控制点精度高且点位平均分布在整个测区范围。控制点坐标和试验数据比较如表 2-3:表 2-3 控制点坐标和试验数据比较表RTK坐标 控制点坐标 坐标较差点名X(m) Y(m) H(m) X(m) Y(m) H(m) △X(mm)△Y(mm)△H(mm)JD01 2782712.729 441520.293 307.520 2782712.725 441520.284 307.505 4 9 15JD03 2782420.111 442271.582 301.037 2782420.104 442271.596 301.032 7 -14 5JD05 2781158.14 442574.314 283.881 2781158.148 442574.300 283.896 -8 14 -15JD07 2780440.097 442020.248 288.18 2780440.091 442020.242 288.000 6 6 18JD09 2780991.57 441140.521 313.085 2780991.55 441140.525 313.074 4 -4 11(4)结果分析6本测区的技术设计书要求地貌点位中误差为±5cm,而此次试验坐标较差最大值为 18mm,符合精度要求,所以利用 RTK进行地貌碎部点测量时只要操作规范并在固定解状态下采集数据其精度完全可靠。在地貌测量时我们不可能用三脚架进行数据采集,通常使用手持碳素杆进行作业,那么这样就会存在偏心误差,其误差大小一般不超过±0.01m,加上试验所得平面最大误差,所得结果也在误差范围之内。(5)注意事项① 在利用 RTK 测量前要先在已知坐标且精度高的控制点上校核,比对是否正确。② 测量所用的碳素杆上的圆水准气泡要经过验证,确保气泡居中后过方可使用。③ 数据采集时必须在固定解状态下采集,且采集速度不可过快,待手簿上显示的误差稳定再采集。3.4 野外数据采集的误差来源分析在野外利用全站仪进行数据采集是大比例数字测图中的主要步骤,其精度直接影响成果的质量。测图过程中误差无处不在,这些误差来源可能出现在测图人员、仪器以及外界条件,我们无法完全消除这些误差,但是可以通过分析其来源做出相应的处理办法使误差大小保证在允许范围之内。3.4.1 水平角观测误差分析在测量过程中水平角观测的误差主要有:望远镜照准误差、读数误差、仪器误差、目标偏心误差、测站偏心误差及外界条件的影响等。(1)望远镜照准误差 sM由于观测目标有远有进,在调动望远镜调焦螺旋改变放大倍率时会产生望远镜照准误差,取放大倍率 30,则: =±(60″/V)=±60/30=±2″ [6]。s(2)读数误差 r本次测量采用的拓普康全站仪的读数系统采用液晶显示,在照准需要采集的碎部点后多次重复显示读数差一般不会超过 5″。(3)仪器误差 iM仪器误差主要是垂直轴误差,因全站仪平时使用不规范,常会导致竖直轴偏移,故在使用前因对竖轴进行检测合格后方可使用。一般合格的全站仪垂直轴误差不超过±1.5″。(4)目标偏心误差 0在外业作业中,碎部点数据采集常采用手持式碳素对中杆,在通常情况下不能做到完全没有误差,故因此产生误差,其误差大小一般不超过±0.01m,若设测距长度为 s则 =±0.01ρ/s(ρ=206 0M265″)。(5)测站偏心误差 Mp测站点仪器在对中时光学中心没有完全对准地面点中心所产生的误差,在一般情况下其误差不会超过±3 mm。设测距边长为 D,者引起的测站偏心误差为: =±O.003ρ/D。p(6)外界条件的影响 v温度变化使视准轴产生偏移,据资料说明,温度变化 1℃,所测角度与实际角度的差值变化范围7在 0.27″~0.85″之间,故取: =±0.5″。vM综合上面几个方面的误差,半测回方向中误差为公式(3-1):M1 (3-1)2220SripvM由此推算出半测回测角中误差为公式(3-2):M M1 (3-2)3.4.2 垂直角观测误差分析野外数据采集时,影响全站仪垂直角观测精度的主要误差来源有:仪器自动补偿误差、照准误差、读数误差、外界条件影响 [7]。其中后三项的误差与水平角观测的误差相同,即: =±2″, =±5″, =±0.5″ srv全站仪垂直度盘在照准目标时的读数由倾斜传感器通过液体补偿器提供正确数据,全站仪管水准器在任意方向气泡基本处于中间的情况下,全站仪内置的补偿器可以将倾斜误差精度调整到±1″内范围,故可取仪器自动补偿器误差为: =±1″ bM根据上述分析,水平角观测误差分析中的照准误差、读数误差、外界条件影响和仪器自动补偿器误差这四项误差的影响,则垂直角半测回观测值中误差为: ±5.5″a3.4.3 测距观测误差分析距离观测误差主要来源于仪器误差、对中杆偏心误等。① 仪器误差 DM仪器误差可取其标准精度值D=±(5mm + 5ppm·D)。② 对中杆偏心误差 p对中杆偏心误差主要是由于竖立棱镜时不够铅垂,此可产生约10 mm左右的误差。综合考虑上述影响,测距中误差为公式(3-3):=± (3-3)sM2DP3.5 野外数据采集的精度分析3.5.1 平面位置精度分析野外数据采集采用极坐标法,如图 1-1所示:
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