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GPS-RTK和全站仪在龙岩学院大比例尺测图中的联合应用.doc

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GPSRTK 全站仪 龙岩 学院 比例尺 中的 联合 应用
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1龙岩学院资源工程学院毕业论文题 目: GPS-RTK 和全站仪在龙岩学院大比例尺测图中的联合应用 GPS-RTK 和全站仪在龙岩学院大比例尺测图中的联合应用【摘要】 随着科学技术的进步,发展 和测量仪器的更新换代,GPS-RTK 和全站仪在城市大比例尺测图中的广泛应用;全站仪、GPS-RTK 在数字化地形测量中配合使用操作,并且可以方便、快速、准确地将测量数据转换成成图软件所需要的数据格式,极大地提高了内业的工作效率,在实际工作中取得了明显的经济效益。【关键字】 GPS-RTK;全站仪;地形测量2目录1.引言: ................................................................................................................................................................32.全站仪的介绍 ....................................................................................................................................................32.1 全站仪的发展简史 .................................................................................................................................33.全站仪的使用和工作原理 ................................................................................................................................33.1 全站仪的使用方法和范围 .....................................................................................................................33.2 全站仪的使用注意事项与检验 .............................................................................................................33.3 全站仪在碎步测量中的工作原理 .........................................................................................................34.GPS 的介绍 ........................................................................................................................................................34.1 GPS 的系统组成及工作原理 .................................................................................................................34.1.1 GPS 的系统组成 ..........................................................................................................................34.1.2 GPS 定位原理 ..............................................................................................................................44.2 GPS-RTK 在野外地形测图采集数据的原理 ........................................................................................45.全站仪和 GPS-RTK 在地形测量中的使用 .................................................................................................45.1 控制测量 .................................................................................................................................................45.2 数字化测图比例尺 [12] ............................................................................................................................45.3 全站仪与 GPS-RTK 在野外作业中配合使用 .......................................................................................536.数字化校园实例 ................................................................................................................................................56.1 工程简介 ................................................................................................................................................56.2 气候环境 .................................................................................................................................................56.3 工程设计 ................................................................................................................................................56.4 坐标系统和作业依据 [14] .......................................................................................................................56.5 控制导线的测量 ....................................................................................................................................56.6 工程实测 ................................................................................................................................................76.7 全站仪和 GPS-RTK 动态数据的处理 ................................................................................................107.结束语 ..............................................................................................................................................................118.致谢信 ..............................................................................................................................................................11参考文献 .............................................................................................................................................................121.引言80 年代以来,GPS-RTK 和全站仪测量技术发展很快;近几年来,又有重大的突破;测量仪器精度不断提高,误差更小,稳定性强,操作越来越方便,简单;为满足城市建设和发展的需要,数字化地形图作为空间数据基础,同时为我国城市可持续发展、城市社会和公众服务等诸多领域中起到重要的作用;现代数字测图所需求的是全天候、全自动、全方位的测量体系 [1],全站仪和 GPS-RTK 实时动态测量技术已经成功并且广泛应用于诸多实地工程测量领域;特别是全站仪和 GPS-RTK 实时动态测量在城市大比例尺的地形测量中的配合应用,两者在测量过程中可以优劣互补,相比传统的地面地形测图,节约大量时间、人力物力,更是大大提高了地形测量的工作效率;本文通过实例进一步介绍全站仪、GPS-RTK 在地形测量中的联合测图中的应用 [2]。2.全站仪的介绍2.1 全站仪的发展简史(1).19 世纪游标经纬仪(2).20 世纪光学经纬仪逐渐取代游标经纬仪(3).20 世纪 40 年代末,光电测距仪和激光测距仪相继问世(4).1968 年西德 OPTONT 研制了 Red Elda14 全站型电子速测仪4(5).之后国外全站型电子速测仪逐渐进入国内市场。(6).进入 21 世纪后,全站仪逐渐走向普及,国产品牌逐步成熟3.全站仪的使用和工作原理3.1 全站仪的使用方法和范围全站仪,即全站型电子速测仪具有角度、距离(包括斜距、平距、高差) 、交会定点、导线、三维坐标、和放样测量等多种用途 [3];现代社会上全站仪已经广泛应用在地形测量、桥梁测量、矿山测量、隧道测量等工程中。3.2 全站仪的使用注意事项与检验随着全站仪的日益普及,加上全站仪本身是一种高精度的仪器,如何检测其质量尤为重要。为了评定全站仪的质量,保证其测距,测角的精度,必须对全站仪进行检验,检定周期为 1 年。3.3 全站仪在碎步测量中的工作原理全站仪在数字化测图时,采集野外碎部点时,在测站点照准后视点定向之后便可开始采集野外碎部点了,将望远镜对准野外的特征点,然后利用全站仪的传感器选择有棱镜或者无棱镜的方式进行打点,这时全站仪会利用数据处理系统自动计算碎部点的坐标,然后会自动将碎部点的坐标数据读入仪器的存储器中,仪器还可以根据具体地物属性输入该地物在软件中相应的代码,便于内业成图处理;野外数据采集完毕后,将全站仪得到的数据转换成南方 CASS 软件所需要的点文件格式,最后导入计算机进行数据处理成图。这便是全站仪在采集野外碎部点的相应采集原理和内业成图工作。4.GPS 的介绍4.1 GPS 的系统组成及工作原理4.1.1 GPS 的系统组成GPS 系统主要由三部分组成:空间星座,地面监测,用户设备部分组成;空间卫星星座由24颗(3颗备用)卫星组成;地面监控部分由分布在全球5个地面站组成;用户设备由 GPS 接收机硬件和数据处理软件以及微处理机和终端设备组成,GPS 用户的要求不同,GPS 接收机也有许多不同的类型。4.1.2 GPS 定位原理GPS 的定位包括 GPS 绝对定位和 GPS 相对定位 [4];GPS 绝对定位是以地球质心为参考点,确定接收机天线在 WGS-84 坐标系中的绝对位置,以 GPS 卫星和用户接收机天线之间的距离观测量为基准,根据已知的卫星瞬时坐标来确定用户接收机天线所处的位置;绝对定位根据用户接收机天线所处的状态不同,可以分为动态绝对定位和静态绝对定位;GPS 相对定位也叫差分 GPS 定位是目前 GPS 测量中定位精度最高的定位方法,它广泛应用于大地测量,精密工程测量。地球动力学的研究及精密导航中 [5]。4.2 GPS-RTK 在野外地形测图采集数据的原理将电磁波信号发射台从地面点转移到卫星上,组成一个卫星导航定位系统,利用无线电测距交会的原理,便可由三个以上地面已知点(控制点)交会出卫星的位置,反之利用三颗以上卫星的已知空间位置又可交会出地面未知点(用户接收机)的位置 [6] GPS-RTK 测量时有一个基准站和一个移动站,基准站一般都摆设在已知点上是不动的,而移动站是用来采集野外数据用的 [7]。基准站和移动站分别都有设有 GPS 接收机;GPS 信号从卫星发出,分别传送到移动站和基准站;而且实际上受到大气影响会产生很多误差(由于电磁波在真空的中的传播速度是固定的,然后它在空气中传播速度会受到温度、密度等因素的影响而比实际要慢些) ,而这些误差实际上是无法精确测定(因为温度和大气压强都是实时变化的) ,因此基准站和移动站的实际准确位置都无法测定 [8];但是由于卫星离地球的距离相对于基准站和移动站之间的距离是非常大的,所以基准5站和移动站之间的距离可以忽略不计,因此可以认为信号从卫星传到基准站跟从卫星传到移动站的路径相同,误差也就相同,所以把这两个作差这个误差常数就可以抵消,就可以得到移动站到基准站的一个距离向量。而基准站坐标已知,那么移动站的坐标就是基准站坐标加上这个坐标差;而基准站和移动站之间通过电台信号或 GPRS 等数据链进行数据传输,实时解算这个坐标差值,这就是 GPS-RTK 测量过程中的基本原理 [9]。5.全站仪和 GPS-RTK 在地形测量中的使用5.1 控制测量第一,控制测量是在所要测的测区范围内根据具体的精度要求建立所需要的的控制网如三角网、导线网等以方便各个局部的地形测量的工作独立的进行;第二,布设控制点,布设控制点的时候必须保证该控制点不易受到外界的破坏,易识别,并做好数据的记录;第三,进行测量,根据已知的控制点对布设的控制点进行夹角测量,距离测量,记录好点号,高差,仪器高等数据作为原始数据,控制好各项限差;第四,对原始数据的处理,根据野外所测的原始数据,算出每个控制点的夹角,控制点之间的距离,控制点的高程等;第五,导线平差,根据已知点的坐标和控制点之间的距离,采用坐标正算得出各个控制点的坐标。现在的外业原则是:先整体再局部,先控制再碎部,先高级再低级,逐渐递进的原则 [10]。使所测地区的地形图能够构成一张完整的控制网,并且精度相对均匀 [11]。5.2 数字化测图比例尺 [12]图 5-1 常用测图比例尺5.3 全站仪与 GPS-RTK 在野外作业中配合使用根据全站仪和 GPS-RTK 的本身特点,在实际测量中两者优劣互补,配合使用,从而大大提高作业效率 [13]。首先,在大比例尺数字化测图中有高大建筑物、树木等遮挡物导致信号较差时,就可以采用全站仪测量,因为全站仪不需要接受卫星信号,全站仪在数字化地形测图测量中的精度相对较高,使用灵活;但是全站仪需要通视,在有障碍物遮挡视线的地方就可以采用 GPS-RTK 技术进行测量, GPS-RTK技术不要求通视,只要能稳定接收到卫星信号且手簿显示固定解时就可以进行测量;GPS-RTK 具有全天候作业、不受常规的多个技术条件限制。其次,在测区内因为控制点的损坏无法进行定向时,可以采用 GPS-RTK 技术进行测量,因为不需要定向,只要连接相关网络、蓝牙和输入当地的七参数据或者在已知点上进行校核,但是必须保证在限差范围之内,这样就可以直接采集数据,在之后内业处理发现需要一些补点、重测中,就可以采用 GPS-RTK,因为只要一个人单独就可以完成的,从而大大节约人力物力。最后,RTK 精度可达到厘米级,跟全站仪的精度相当,二者联合测图可以大大提高大比例尺城市测图的精度,从而全站仪与 GPS-RTK 的联合测图方法能够很好地被很多工程测量采用。6.数字化校园实例6.1 工程简介为龙岩学院的规划建设,丰富校园的设施建设,对龙岩学院及周边村进行 1:500 的大比例尺地6面数字化测图;近几年学校规模的不断扩大,因此为了更好的规划校园建设,完善校园的硬件设施,根据精度要求对龙岩学院及周边村进行大比例尺测图。6.2 气候环境龙岩学院位于福建省龙岩市新罗区东肖镇,新罗区平均海拔 685 多米,龙岩市新罗区属于亚热带季风气候地区,平均气温摄氏 18-22 度,平均降水量为 1700-2000 毫米。 6.3 工程设计现根据招标文件项目和任务目的,根据本项工程的总体要求,以及测区实际情况编写本技术设计书,以指导在生产、检验和后期服务等各个环节的过程,做到精心组织、规范管理、严格把关,确保工程期限和产品质量满足要求。很据要求布设整个学校的控制导线,控制点保持通视,无阻挡;学校内有 D64、K4、K5 已知点用来导线测量,碎步测量定向用;按精度要求,布设整个学校的控制导线网 B1-B27 绕学校一周;并在各个选好的已知点上做好标记,并且保证不易被人为损坏,做好记录;遇到一些存在测量障碍的必要的地理要素,配合着 GPS-RTK 的使用可以很好的进行测图,如果有大树或者高大建筑物的挡着信号可以进行用全站仪引支导线来增加测站点进行测量,确保测区的地形地貌的详细丰富,从而得到一幅完整的地形图;数据采集完毕后将数据导出然后采用南方 CASS 成图软件对测量数据进行成图标注。6.4 坐标系统和作业依据 [14](1)平面坐标系统:1980 西安坐标系(2)《国家基本比例尺地图图式第一部分:1:500 1:1000 1:2000 地形图》 , GB/T20257.1-2007(3)《城市测量规范》 ,CJJ/T8-2001(4)《全球定位系统(GPS)测量规范》 ,GB/T18314-2009(5)《国家三、四等水准测量规范》 ,GB/T12898-2009(6)《测绘技术设计规定》 ,CH/T1004-20056.5 控制导线的测量根据校内已有的 D64、K4、K5 控制点坐标,根据精度等级的要求,利用全站仪在已知点进行控制导线测量得到各控制点如表 6-1;表 6-1 龙岩学院控制点坐标控制点名 Y X 高程B1 501804.639 69849.955 382.27B2 501733.000 69848.431 379.36B3 501650.945 69899.590 375.79B4 501562.362 69962.128 371.38B5 501457.827 70017.544 366.53B6 501371.939 70036.550 365.87B7 501296.869 69919.686 368.29B8 501266.397 69799.869 371.66B9 501269.152 69723.280 374.31B10 501337.524 69715.938 375.48B11 501495.038 69715.299 375.87B12 501479.123 69627.365 383.82B13 501551.612 69602.024 384.42B14 501547,561 69547.282 387.98B15 501554.935 69492.795 390.587B16 501617,735 69479.598 392.40B17 501707.476 69467.506 392.85B18 501839.314 69463.735 399.40B19 501945.364 69464.134 400.74B20 502075.613 69470.114 401.59B21 502077.852 69559.945 396.38B22 502124.700 69639.022 396.49B23 502123.077 69738.844 396.77B24 502108.049 69849.416 391.62B25 502091.887 69927.030 388.46B26 502075.786 69976.207 385.65B27 501995.029 69931.742 384.97内业处理—利用“南方 CASS”成图软件进行绘图,打开“南方 CASS”成图软件,进行展野外点位,选择打开相应的.dat 格式的点文件就可得到到如下图 6-1。图 6-1 龙岩学院控制点展开图把控制导线上的控制点在南方 CASS 环境下打开并采用多段线连线得到如下图 6-2 的黄色导线网8图 6-2 龙岩学院控制导线图6.6 工程实测根据控制导线和控制点展开对周边地形测图的工作,在满足精度要求在对建筑物大部分采用全站仪进行测量,这样既满足了生产所需要的测量精度,又避免了 GPS-RTK 在有高大建筑物,树木繁多的地方受到的信号干扰或者影响:如图 6-3图 6-3 莲圣村局部地形图而在操场障碍物和遮挡物比较少的地方基本都是使用 GPS-RTK 进行数据采集,能更好的、更快的进行野外数据采集,而且只需要一个人便能完成野外数据采集的所有内容,活动灵活,操作简便,大大提高了测量的效率,数据格式如表 6-2:9表 6-2 龙岩学院东区田径场 RTK 数据野外点名 Y X Ztj001 00000000 501957.144 2769815.221 385.906tj002 00000000 501957.107 2769782.593 385.981tj003 00000000 501957.111 2769757.596 385.991tj004 00000000 501957.120 2769728.739 385.984tj005 00000000 501957.456 2769723.632 385.992tj006 00000000 501958.348 2769719.483 385.984tj007 00000000 501959.563 2769715.761 385.982tj008 00000000 501962.367 2769710.167 385.988tj009 00000000 501965.741 2769705.489 385.988tj010 00000000 501968.824 2769702.285 385.999tj011 00000000 501973.537 2769698.589 385.990tj012 00000000 501975.949 2769697.146 386.000tj013 00000000 501980.611 2769694.931 385.978tj014 00000000 501986.357 2769693.275 385.973tj015 00000000 501990.141 2769692.741 385.978tj016 00000000 501993.781 2769692.575 385.988tj017 00000000 501998.174 2769692.840 385.993tj018 00000000 502004.789 2769694.305 386.012tj019 00000000 502007.860 2769695.414 386.006tj020 00000000 502010.172 2769696.545 386.019tj021 00000000 502015.132 2769699.504 385.994tj022 00000000 502017.885 2769701.776 385.995tj023 00000000 502022.945 2769707.287 386.002tj024 00000000 502025.874 2769711.915 386.000tj025 00000000 502028.154 2769716.963 386.010tj026 00000000 502029.222 2769720.896 386.017tj027 00000000 502029.720 2769723.151 386.009tj028 00000000 502030.224 2769726.942 385.993tj029 00000000 502030.183 2769728.999 385.982tj030 00000000 502030.150 2769748.651 386.001tj031 00000000 502030.137 2769765.409 385.991tj032 00000000 502030.202 2769802.140 385.989tj033 00000000 502030.135 2769813.469 386.007tj034 00000000 502030.089 2769816.514 385.986tj035 00000000 502029.804 2769818.906 385.991tj036 00000000 502028.637 2769824.235 385.996tj037 00000000 502026.555 2769829.444 385.984tj038 00000000 502023.855 2769834.136 385.967tj039 00000000 502020.752 2769838.081 385.956tj040 00000000 502017.296 2769841.439 385.948GPS-RTK 实时动态的野外获得测量数据在南方 CASS 环境下展开的高程点和高程,如图 6-4:10图 6-4 龙岩学院东区田径场图在内业成图的时候发现某个地方漏测,不影响信号的也可以采用 GPS-RTK 进行补点;方便,效率快。如果信号不允许的,采用全站仪引支导线法进行补测。6.7 全站仪和 GPS-RTK 动态数据的处理全站仪可以直接利用数据线与计算机相连接,然后选取我们所需的格式,利用相应数据传输软件进行数据传输,我们一般用南方 CASS 成图软件进行数据传输,也有很多其他的软件可以进行数据传输。由于很多测量人员在利用全站仪采集数据的时候不喜欢直接利用坐标测量进行数据采集,而是采用利用控制点与目标地物的空间相对位置(包括角度和距离)的关系。也就是我们常说的采用边角测量的方法,利用边角测量的方法,从全站仪中传输到计算机最原始的数据格式是.DAT, 然后利用计算软件,将.DAT 格式的控制点文件套入计算,便可得到各个目标地物实际的.DAT 格式的坐标文件,这时便可以直接在南方 CASS 中进行展点和绘制了。而利用全站仪直接利用坐标测量目标地物的文件则直接是以.DAT 格式的文件传出,直接可以在南方 CASS 成图软件中进行站点绘制。值得一提的是,在野外采集数据时,测量人员一般都是先在仪器中输入目标地物在南方 CASS 中的代码,赋予每个点都有属性,这样在软件中展点后,可以进行简码识别,更直观的可以看出目标地物的具体属性。利用 RTK 进行野外数据采集,可以通过数据线或者是存储卡进行数据传输,这个时候就需要在计算机上安装 RTK 的数据传输驱动软件才能利用数据线或者是存储卡进行数据传输,在测量过程中同样可以输入目标地物的代码属性,然后传输出来的文件也是.DAT 格式出现,直接可以在南方 CASS 中站野外点位并且进行简码识别,然后就可以绘制了,这样同样在绘制过程中就不需要绘制草图了 [15]。根据实地的地物特征,要素属性在南方 CASS 软件中采用对应的工具对测区的地物地貌进行连接描绘,地形图更加生动更加具体;如图 6-5。
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