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议CORS技术在安溪县数字测图控制测量的应用研究.doc

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CORS 技术 安溪县 数字 控制 测量 应用 研究
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目录1 序言.......................................................................... 22 CORS 技术...................................................................... 22.1 CORS 定义.................................................................. 22.2 CORS 的工作原理............................................................ 22.3 CORS 的系统组成............................................................ 32.4 应用 CORS 实现控制测量的优势................................................ 33 在实际中的运用................................................................. 43.1 测区概况................................................................... 43.2 作业需求................................................................... 43.3 作业精度................................................................... 43.5 已有资料................................................................... 43.6 控制点的选取和埋设......................................................... 53.7 外业数据采集............................................................... 63.8 内业处理................................................................... 74 与静态 GPS 控制测量相对比...................................................... 94.1 作业时间................................................................... 94.2 网型布置................................................................... 94.3 解算难易度................................................................. 94.4 精度对比................................................................... 94.5 小结....................................................................... 105 实际操作中遇到的一些问题及解决技巧........................................... 105.1 手机信号的限制........................................................... 105.2 受卫星状况限制........................................................... 105.3 外界环境影响............................................................. 105.4 接收机信号延迟问题....................................................... 106 总结......................................................................... 117 致谢语....................................................................... 128 参考文献..................................................................... 1321 引言控制测量是指在数字测图作业中,为确保所测地形图能相互拼接成一个整体,依据测图所需精度,测定一系列控制点,建立起测量控制网,作为各种测量的基础,包含平面控制测量和高程控制测量 [1]。按照常规的做法是遵循从整体到局部、分级布网的原则,即先布设能控制整个测区的首级网,然后再布设一、二级导线控制网,最后布设应用于碎部测量的一、二级图根控制。控制测量经历了从三角测量到导线测量的过程。常规控制测量如三角测量、导线测量具有一些局限:①要求点间通视,费工费时;②测量成果的精度需经内业处理后获得。GPS 用于控制测量时无需点间通视,但仍无法实时获得测量成果的精度,不适合实时定位 [2]。RTK 实时地给出用户所在位置的厘米级甚至更高的三维坐标信息和精度指标,近年来得到一定的发展,但是由于受信号等本身局限性的影响,往往只能在少数宽阔区域应用。CORS 在很大程度上得到完善,具有无以伦比的优越性。2 CORS 技术2.1 CORS 定义连续运行参考站系统(Continuous Operational Reference System,简称 CORS 系统)可以定义为在研究区域范围内,建立由若干个连续运行参考站、数据通信链路、数据中心和用户终端构成的局域网络,综合应用 GNSS 定位技术、计算机技术、数据通信和互联网(LAN/WAN)技术进行实时差分改正信息解算,实时地向不同类型、不同需求、不同层次的用户提供经过检验的不同类型的 GPS 观测值(载波相位,伪距),各种改正数、状态信息,以及其他有关 GPS 服务项目的系统 [3]。它是目前 GPS测量技术发展的一个方向,是网络 RTK 技术和 GPS 主板技术的发展的产物,它的产生弥补了一些传统的 RTK 的不足,促进了 GPS 在测量和其他领域的应用。2.2 CORS 的工作原理CORS 基本工作原理是利用 GPS 导航定位技术,在一个城市、一个地区或一个国家,根据需求按一定距离建立常年连续运行的一个或若干个固定 GPS 参考站,利用计算机、数据通信和互联网络(LAN/WAN)技术将各个参考站与数据中心组成网络,有数据中心从参考站采集数据,利用参考站网络软件进行处理,然后向各种用户自动的发布不同类型的 GPS 原始数据、各种类型 RTK 改正数据等。用户只需要一台 GPS 接收机,进行野外作业时,即可进行 mm 级、cm 级、dm 级、m 级的,准实时、实时的,快速定位、事后定位或导航定位。CORS 目前主要的几种网络 RTK 技术有虚拟参考站(VRS )技术、主辅站技术(iMAx)、区域改正参数(FKP )技术和综合误差内插法技术等 [4]。现以 VRS 的工作流程作为 CORS 技术的工作流程介绍如下 ,如图 2-1(1)各个参考站通过 Internet 连续不断地向数据中心传输 GPS 卫星观测数据;(2)数据中心实时在线解算网内各基线的载波相位整周模糊度值,并建立误差模型;(3) 流动站将单点定位或 DGPS 确定的概略位置坐标(NMEA0183 格式) ,通过无线移动数据链路(如 GSM/GPRS、CDMA)传送给数据中心,数据中心在流动站附近位置创建一个虚拟参考站(VRS) ,通过内插得到 VRS 各误差源影响的改正值,并以 RTCM 格式通过 NTRIP 协议发给流动站用户;(4) 流动站与 VRS 构成短基线。流动站接收数据中心发送的虚拟参考站差分改正信息或者虚拟观测值,进行差分解算得到用户厘米级的定位成果 [5]。VRS 技术特点如下:(1)系统分别提供精确的电离层和对流层修正模型;(2)为确定虚拟参考站(VRS)位置和优化区域改正模型; (3)采用应用广泛的无线 Internet 网络如:GPRS/CDMA 等发布数据;(4)VRS 数据通过标准 RTCM 电文向用户播发改正数;3图 2-1 CORS(VRS)工作示意图2.3 CORS 系统组成CORS 系统由参考站子系统、数据处理中心子系统、数据通信子系统和用户应用子系统四部分组成。各个参考站点和数据中心之间有网络连接,数据处理中心从参考站点采集数据,利用参考站网软件进行处理,然后向各种用户自动提供相关服务。图 2-2 CORS 系统组成示意图2.4 应用 CORS 实现控制测量的优势(1)提到传统测量总是离不开大量野外测量标志,长期以来对测量标志的管理,需消耗大量的人力、物力和财力。然而运用 CROS 来实现控制测量的方法,颠覆了传统控制测量作业模式,用户只要携带一台 GPS 接收机,通过网络建立与 CORS 系统之间的联系,就可以控制测量,无需进行大量的野外联测。对测量标志管理也只要放在几个 CORS 系统站点上;(2)CORS 为城市测绘工作提供了一个统一的基准,解决了不同行业间因控制测量坐标系统的差异而产生的问题,服务范围得到了极大扩展;4(3)CORS 采用连续基站,可以全天候进行控制测量;用户不需架设参考站,真正实现单机作业,减少了费用;(4)CORS 拥有完善的数据监控系统,消除或削弱各种系统误差的影响,确保了控制测量的精度和可靠性;使用固定可靠的数据链通讯方式,减少了噪声干扰;提供远程 Internet 服务,实现了数据的共享,加快了控制测量成果的服务进程;(5)CORS 可以根据需要实时布设控制点,避免了传统的分级布设,大大提高了布点的灵活度 .3 在实际中的运用3.1 测区概况测区安溪县位于福建省泉州市辖县,坐落在福建省中部偏南,晋江西溪上游,北纬 24°51′-25°26′,东经 117°34′-118°18′。测区面积约 10km2,其中房屋约占百分之四十,测区内包括蓬莱镇、龙门镇、官桥镇等的部分村庄。测区内道路多为村庄路,弯弯曲曲,交通情况一般。房屋多沿路而建,但是房屋后面多为高坎,比较难测,还有沿溪而建的房屋后面也较为难测,沿省道两旁的房屋前面规则整齐,房屋后面参差不齐。房屋也不尽相同,测区属于农村,还有很多老木房子,十分不规则,相对比较困难。房屋沿路通视比较好,而房屋后面通视十分不好。测区内地形大部分以茶山、茶叶地为主其,坎子多,高差大,但因为测区内大部分为茶山,手机和卫星的信号都比较好,便于在FJCORS 下利用 RTK 做控制。3.2 作业需求以下仪器都经过严格检验,符合标准后,才投入生产(1)华测 RTKX90GPS 接收机 6 台套;(2)莱卡 TCR402 与 TCR406 全站仪各一台;(3)小功率汽油发电机一台、切割机一台、冲击钻一台;(4)笔记本电脑 6 台;(5)HP 打印机一台;(6)技术员 11 人,实习生 1 人,检查员 1 人,技术指导 1 人,共计 14 人。3.3 作业依据(1) 《全球定位系统(GPS)测量规范》 (GB/T 18314-2001) ;(2) 《国家三、四等水准测量规范》 (GB12898-91 ) ;(3) 《城市测量规范》 (CJJ8-99) (简称“规范” ) ;(4) 《数字测绘产品检查验收规定和质量评定》 (GB/T18316-2001) ;(5) 《测绘产品检查验收规定》 (CH1002-95 ) ;(6) 《测绘产品质量评定标准》 (CH1003-95 ) ;(7) 《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》 (FCB 001-2005)(8) 《1:500,1:1000,1:2000 地形图图式 》 ,以下简称《图式》 (GB/T20257.1-2007)3.4 作业精度规定观测时间在 30 秒以上、高度角≤13°、PDOP 值<6、卫星数≥6。控制网要求平均边长大于400m 小于 1000m,最弱边相对中误差小于 1 /20000,最大距离相对中误差 1/30000,异步环闭合差允许 90.45PPM,点位中误差最大为± 2cm [6]。3.5 已有资料(1)平面坐标系统:1980 西安坐标系,中央子午线 L0=117°,采用泉州市国土资源局 2005 年施测的高精度三维控制网进行发展加密。(2)委托方提供的高等级控制点水准测量成5果数据和泉州市似大地水准面精化成果,成果为 1985 国家高程基准,可用于本测区高程起算。(3)1:5000 1:10000 地形图、影像图可用于工作计划及引用参考。3.6 控制点的选取和埋设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,周围不应有障碍物,防止 GPS 信号被遮挡或被障碍物吸收;(3) 点位应尽量避开大功率无线电发射源(如手机信号塔、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 信号产生干扰; (4) 点位应远离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,保证其它观测手段能够顺利进行;(6) 点位需选在地基稳定,易于保存,点间距离不应小于 400 米;(7) 当所选控制点点位需要进行水准观测时,选点人员应对水准路线进行实地堪踏,并提出注意事项;(8) 当选点附近有旧点时,尽量使用旧点位,但必须对觇标是否安全可用进行检查,符合要求方可利用。(9)在水泥路面上埋设时,用切割机切割成 20cm×20cm 的正方形边框,边槽深 0.5 cm,宽0.5cm,中心用冲击钻钻孔,埋入标志,并用混凝土固紧;在沥青路面上埋设时,先将沥青面凿成20cm×20cm 的正方形,深度以凿到路基碎石为准,清去杂土,灌入混凝土并埋入标志;在土质地面埋设标石时,标石规格为 20cm×20cm×40cm 的混凝土标石(可以是预制的混凝土标石,也可以现场浇注)[7]。如图 3-1 201.8SD510图 3-1 控制点样式示意图图 3-2 部分控制点网图3.7 外业数据采集(1)检查仪器、天线及电源的情况,确认无误后方可开机观测;6(2)对中、整平、量仪器高;(3)华测Recon手薄连接CORS ;a、开始——设置——连接设置——添加Internet连接;b、下拉框选用蓝牙——搜索蓝牙——选择蓝牙手机蓝牙——配对;c、接入点#777——用户名(gtchy1@fjcors.vpdn.fj)——密码(******) ;d、完成——点住新建的连接——连接;(4)将手簿和GPS主机用蓝牙连接在一起,方法如下:打开RTKCE(测地通),选择配置——手簿端口配置,将使用蓝牙打钩,选择配置蓝牙,选择眼睛的图案 搜索主机蓝牙,搜索完成之后点击主机编号,选择绑定,确定——确定即可。(5)点击文件——新建任务——任务名称——选择坐标系统——接受——保存(6)选择坐标参数运行测地通——配置——坐标系管理——修改中央子午线和投影高度(用户根据自己需求,选择需要的坐标系,核对半长轴、扁率,根据当地情况,更改中央子午线和投影高度,再或者新建坐标系,输入相应的坐标参数) 。确定之后,出现下图对话框,点击【确定】(7)已知点数据的输入打开测地通,键入——点——输入已知点坐标——保存,继续输入已知点坐标,结束后点击【取消】(8)选择配置——移动站参数——移动站选项:按如下设置(第一次设置之后再次开机就会默认设置):选择配置——内置电台和GPRS,按如下设置(第一次设置之后再次开机就会默认设置):选择完内容之后,点设置,将内容写入接收机。选择配置——移动站参数——内置VRS移动站,将源列表,用户名,密码输入:7当GPRS状态显示“准备CORS登陆”的时候点设置,过一段时间会弹出一个对话框“成功登录VRS网络,请启动移动站接收机” ,点确定,此时GPRS状态会显示CORS登陆成功。选择测量——启动移动站接收机,约10秒钟左右仪器就会由单点定位到固定。9)开始观测,每个点必须观测30秒以上,观测三次取平均值。3.8 内业处理(1)坐标转换。采用均匀分布在GPS控制点周围的四个已知点(A、B、C 、D )来进行坐标法校正。具体方法是在测区内选取A 、B、C三个已知点,RTK 移动站不设任何校正参数连接城市参考站对A、B 、 C三点进行 RTK测量,当获得固定解时,记录三点的原始坐标,然后在相应RTK应用软件中,利用A、B 、C 三点的原始坐标和已知坐标计算校正参数,然后再利用D点作为检核。(2)成果输出(单位:m)点名 X 坐标 Y 坐标 H 高程X 精度Y 精度H 高程精度 RMSPDOP值卫星数采集时间 2011 年 09月XF1 2763906.449 470961.041 83.106 0.007 0.006 0.01 0.009 2.075 902 日 08 时 54 分 24秒XF2 2763935.919 471336.797 68.392 0.007 0.006 0.009 0.009 2.212 802 日 09 时 11 分 53秒BT2 2760069.602 468404.746 203.176 0.01 0.011 0.015 0.014 2.223 702 日 09 时 46 分 52秒BT1 2759752.691 468526.864 231.717 0.01 0.01 0.014 0.013 2.583 702 日 10 时 25 分 45秒SL1 2756798.442 468811.945 542.712 0.011 0.014 0.018 0.017 7.597 602 日 10 时 56 分 44秒SL2 2757288.942 468509.21 520.046 0.008 0.007 0.011 0.01 2.449 802 日 11 时 12 分 08秒LS1 2762309.262 472083.874 62.556 0.008 0.009 0.011 0.011 3.102 702 日 11 时 58 分 38秒LS2 2762634.647 472645.344 53.721 0.01 0.015 0.018 0.017 1.994 902 日 12 时 20 分 23秒8ZS2 2757619.143 471353.372 439.729 0.006 0.005 0.009 0.008 2.031 902 日 15 时 48 分 32秒ZS1 2757712.79 471831.194 445.25 0.007 0.006 0.009 0.009 2.509 902 日 16 时 01 分 11秒YL2 2766365.749 476406.113 27.589 0.005 0.006 0.008 0.008 1.753 1003 日 08 时 07 分 44秒YL1 2765930.523 476437.353 31.025 0.007 0.005 0.009 0.009 2.419 803 日 08 时 29 分 08秒FF1 2771283.44 479838.896 122.039 0.007 0.006 0.009 0.009 1.938 903 日 09 时 02 分 27秒FF2 2770808.995 479552.012 90.285 0.006 0.008 0.01 0.01 2.105 703 日 09 时 31 分 05秒JK1 2772423.368 479169.66 222.931 0.007 0.008 0.011 0.01 1.726 803 日 09 时 51 分 34秒JK2 2772717.365 479599.771 290.271 0.007 0.007 0.01 0.01 1.864 903 日 10 时 07 分 39秒HA2 2770867.077 482516.728 128.19 0.008 0.007 0.011 0.011 2.673 703 日 10 时 48 分 39秒HA1 2771190.426 482601.033 158.253 0.016 0.014 0.021 0.02 2.503 803 日 11 时 10 分 15秒图3-3 均值后的部分测量成果初始参数泉州安溪县 1:1000 数字地形图测绘GPS 控制坐标成果表坐标系:西安 80 坐标系 测量方式:GPS 测量单位:福建省国土测绘院高程系:1985 国家高程基准 中央子午线 118.5 度 测量时间:2011 年 9 月点名 点号 等级 X(m) Y(m) H(m) 标石类型 备 注西峰 1 XF1 E 2763906.452 470961.043 83.11025 埋石 拟合高程西峰 2 XF2 E 2763935.92 471336.7965 68.37525 埋石 拟合高程坂头 1 BT1 E 2759752.69 468526.866 231.7255 埋石 拟合高程坂头 2 BT2 E 2760069.604 468404.7468 203.185 埋石 拟合高程仕林 1 SL1 E 2756798.443 468811.9503 542.7025 埋石 拟合高程仕林 2 SL2 E 2757288.948 468509.201 520.0505 埋石 拟合高程良山 1 LS1 E 2762309.263 472083.8768 62.559 埋石 拟合高程良山 2 LS2 E 2762634.651 472645.3445 53.7205 埋石 拟合高程紫山 1 ZS1 E 2757712.794 471831.1945 445.2498 埋石 拟合高程紫山 2 ZS2 E 2757619.139 471353.3708 439.7333 埋石 拟合高程芸林 1 YL1 E 2765930.527 476437.355 31.0275 埋石 拟合高程芸林 2 YL2 E 2766365.748 476406.113 27.58975 埋石 拟合高程丰富 1 FF1 E 2771283.443 479838.8988 122.0458 埋石 拟合高程丰富 2 FF2 E 2770808.994 479552.008 90.29275 埋石 拟合高程蕉坑 1 JK1 E 2772423.369 479169.661 222.9293 埋石 拟合高程蕉坑 2 JK2 E 2772717.364 479599.773 290.27 埋石 拟合高程后垵 1 HA1 E 2771190.428 482601.0355 158.2555 埋石 拟合高程9后垵 2 HA2 E 2770867.08 482516.7255 128.195 埋石 拟合高程图3-4 部分测量成果表(处理后)4 与静态GPS控制测量相对比4.1 作业时间静态GPS用于控制测量接收机必须同时开机切同步观测时间必须大于45min,如果中有一台接收机收到外界因素的影响(电池没电、脚架被碰、被风吹倒等) ,就需重新开始;CORS 用于控制测量只需单机作业观测3min(每次观测1min,观测三次,取均值)。4.2 网型布置静态GPS的网型必须要有足够的基线,每摆一次重复站个数必须大于等于2。CORS 只要满足选点要求,有基站信号覆盖,在满足实际需求的情况下,对网型要求不是很大。4.3 解算难易度静态GPS的解算要经过繁琐的基线处理、约束平差(精度达不到要求的话还要继续进行基线处理) ;CORS只要利用四参数或七参数进行坐标的转换就行。4.4 精度对比通过图3-5(部分静态GPS成果)与图3-3(均值后的部分测量成果初始参数)的对比可以看出,在控制精度要求在厘米级的情况下CORS和静态GPS的精度相近。点名 X(m) Y(m) H(m) dh(m) dx(m) dy(m) rms(m)FD1 2796202.132 441198.630 789.934 0.011 0.013 0.016 0.021FD2 2796362.884 441296.626 787.792 0.011 0.014 0.018 0.022HX1 2796749.143 439735.930 717.379 0.014 0.009 0.012 0.015HX2 2796951.283 439205.328 668.806 0.012 0.014 0.017 0.022QL1 2798963.894 441087.343 681.788 0.009 0.012 0.015 0.019QL2 2798603.212 441285.511 650.726 0.009 0.017 0.017 0.024SY1 2799964.918 441600.964 569.203 0.008 0.013 0.016 0.021SY2 2800148.130 441662.617 569.702 0.008 0.019 0.020 0.027YP1 2808985.875 445212.249 681.728 0.008 0.011 0.014 0.017YP2 2808543.970 445256.750 694.225 0.008 0.006 0.008 0.010YX1 2795608.938 440861.531 833.799 0.010 0.014 0.017 0.023YX2 2795392.676 441017.134 819.444 0.010 0.012 0.015 0.019图3-5 部分静态GPS成果较差空间(cm)Dx/点数 所占比例%Dy/点数 所占比例%Dh/点数 所占比例%0.0~2.0 12 60 14 70 10 502.0~3.0 4 20 2 10 4 203.0~4.0 2 10 2 10 3 154.0~5.0 2 10 2 10 2 10>5.0 — — — — 1 5图3-6 随机抽CORS控制点与静态GPS控制点各20个相对比结果4.5 小结10综上所述,可以得出在精度要求不是特别高(cm)的情况下,可以用CORS 代替静态GPS ,既可以节约成本,也可以提高作业效率。5 实际操作中遇到的一些问题及解决技巧5.1 手机信号的限制在GPRS信号覆盖盲区或信号质量较差区域,没有手机信号,我们就无法作业,对于这种情况,我们可以架设中继站(就是一部负责接收并转发无线电信号的电台) ,其作用是将信号进行再生、放大处理后,再转发给下一个中继站,以确保传输信号的质量,所以架设时不需要进行对中整平、也无卫星要求。在GPRS信号的测区附近,输入实时测区的大概坐标 (经纬度),中继站将自动把坐标传输到CORS服务器,CORS服务器就会以上传坐标作为参考,创建一个虚拟基准站坐标,将差分数据通过GPRS模块转换到电台模块,发射出数字电台信号供移动站接收。5.2 受卫星状况限制我国CORS基本上用的是美国卫星,所以卫星系统位置对美国是最佳的,世界上一些国家在某些时间段卫星所覆盖率较差,很容易产生假值。另外,在山谷深处及林区密集的地方,多高建筑区,有卫星信号的时间较短,使一天中可作业时间有限。因而采用CORS RTK测量的成果产生假值问题。对于这种情况我们可以通过合理选择作业时间来改善(多次观测实践,找出实测地区的卫星信号强弱时段)5.3 外界环境影响中午,阳光照射强烈,受大气遮光,电离层干扰大,可用卫星数少,经常不能满足6颗卫星的需求,初始化时间长有时甚至不能初始化,无法进行测量。在实测地区我们通过对数据的采集,发现在同样的条件和同样的地点上进行测量,上午11点之前和下午3点之后,测量结果准确、快速,但一到中午时分,就很难进行测量。所以要通过合理选择作业时段来改善外界环境的影响。 5.4 接收机信号延迟问题目前针对这一问题还没有具体有效的解决办法,有待软件开发商的下一步完善。由于该技术属于较新型技术,因而需要我们在今后的实际测量中总结经验,找出不足及解决方法,从而进一步提高CORS用于控制测量的生产效率。6 总结
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