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GPS在地籍测量中的应用.doc

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GPS 测量 中的 应用
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龙岩学院毕业论文(设计)题目: GPS 在地籍测量中的应用 二 0 一六年六月三日GPS 在地籍测量中的应用【摘要】 全球定位系统(Globa Positionting System ,简称 GPS) ,泛指运用卫星技术,实时提供全球地理坐标的系统。GPS 系统由空间技术、通讯技术、计算机技术综合集成,是一套能够进行全天候、全方位测量定位的设备。GPS 凭借其高度的灵活性和精准度,在土地测绘领域应用中取得良好的效果。现代地籍测量与传统地籍测量有着极大的不同,现代地籍测量的主要作业内容分为三部分,分别为地籍平面控制测量、地籍细部测量以及土地利用变更调查与监测,而随着 GPS 技术的改进和完善,GPS 已逐渐发展成为地籍测量工作中的主要技术方法。【关键词】GPS;地籍测量;应用1目录1 引言 ...................................................................................................................................................................31.1 研究的目的与意义 ..............................................................................................................................31.2 论文的主要研究内容 .........................................................................................................................32 GPS 软件简介 ................................................................................................................................................32.1 GPS 系统简介 ......................................................................................................................................32.2 GPS 的发展概况 ..................................................................................................................................33.工程概况 .........................................................................................................................................................43.1 测区概况 ..............................................................................................................................................43.2 已有资料及利用 ..................................................................................................................................53.3 引用准则及作业依据 ..........................................................................................................................53.4 成果数学基础 ......................................................................................................................................54.GPS 在地籍测量中的应用 ..............................................................................................................................54.1 布网设计原则 ......................................................................................................................................54.2 选点与标石埋设 ..................................................................................................................................64.3 GPS 网观测 ..........................................................................................................................................724.4 GPS 数据处理 ......................................................................................................................................74.5 消除或减弱误差的常用手段 ...........................................................................................................105.使用 GPS 进行测量时的注意事项 ...............................................................................................................116.总结 ...............................................................................................................................................................11参考文献 ...........................................................................................................................................................12致谢语 ...............................................................................................................................................................141 引言1.1 研究的目的与意义地籍测量在土地管理工作中占据着极其重要的作用,在土地管理部门及其它国民经济建设部门的要求需要下,应以地籍调查为作业依据,以测量技术为作业手段,将各类土地的信息如坐落位置、形状大小、权属界址点坐标、宗地面积等精确测量出来,然而在实际情况中,采用常规测量大多耗时耗力,在效率低的同时,数据的精度也无法满足测量的要求。在这种情况下,就需要一种精度高效率高的测量手段,而作为一项先进的全球定位系统,GPS 根据其高度的定位灵活性和超越常规测量技术的精度,现已逐步取代了最初的常规大地测量和工程测量 [1],成为测量学科中的革命性变化,在地籍测量方面也同样发挥着不可缺少的作用。因此,本文旨在通过查阅资料结合实际来阐述 GPS 的操作与优势,以及其在地籍测量中的布网要求,数据处理,误差分析等方面。1.2 论文的主要研究内容(1)本文旨在通过对 GPS 定位的基本原理的介绍,阐述其在地籍测量中的应用,并对使用 GPS 技术的数据处理进行初步的分析。(2)通过论文的阐述得到一些结论,并对 GPS 技术的发展状况进行展望。32 GPS 软件简介2.1GPS 系统简介GPS 是全球定位系统的简称,是美国研究制造出来的,应用于全球军事战略的卫星导航系统。GPS系统于 70 年代开始发展,它利用在空间飞行的卫星不间断地向地面广播发送某种频率,并加载一些特殊定位信息的无线电信号来实现定位测量的定位系统 [2]。通过这项技术,可以进行如控制点加密、工程放样、图根点采集、中线高程的采集等测量任务 [3]。下面为关于 GPS 构成系统的具体介绍: 整个 GPS 定位系统总共有 3 个组成部分:空间星座部分;地面的监控部分;用户使用的接收机部分。卫星星座部分:空间的卫星在理论上是有一定寿命的,一般来说,卫星的使用寿命设计在 7.5 年左右,所以空间中的卫星数量在不同时期是不同的,目前能够正常工作的卫星大概有二十九颗。而在这之中,必须要保证有二十四颗卫星平均分布在六个轨道面上,即每个轨道上有四颗卫星运行 [4] ,并且,在轨道面与赤道之间需要存在五十五度的夹角,这样的设计才能够保证不管在地面上什么区域,在什么时间点里都能接收到不少于四颗的卫星来满足定位的需求。地面的监控部分:用来持续接收各类卫星信息数据,卫星的运行状况就是依据这些信息进行确定,再借由注入站对卫星进行调整,以此来确保卫星的正常运行。用户设备部分:目前常用的测量型号主要有单频机,双频机以及双频 RTK 的接收机。单频 GPS 能够接收和处理的只有卫星发来的 L1 上的信号,而双频接收机能够对 L1 和 L2 上的信号进行接收和处理。RTK 在 GPS 接收机上配备了数据链,使之能够实时解算出相对的坐标数据,达到实时定位的目的。此外,有些导航型 GPS 应用采用的是单机绝对定位原理,精度在几米到几十米不等。而部分导航型GPS 也可以接收到沿海的差分台站发射出的差分信号,进行差分后能够使精度保证在一米的范围以内。2.2GPS 系统的发展概况GPS 系统于 1973 年开始筹建,整个系统的创建和研究能够大致分为三个阶段:1974 年到 1978 年的方案论证阶段,1979 年到 1987 年的系统论证阶段,以及 1988 年到 1993 年的生产试验阶段。其于 1978 年发射头一颗试验卫星(BlockⅠ) ,直至 1988 年共发射了 11 颗 BlockⅠ型卫星,在经过近十年的研究和试验,最终确实了 GPS 系统所具备的良好的特性及作用,因此,第一颗工作卫星(Block Ⅱ)在 1989 年 2 月正式发射进入道,到 1993 年 7 月为止,进入运行轨道可正常工作的 BlockⅠ试验卫星和 BlockⅡ工作卫星共达到了 24 颗,至此系统已具备初步工作能力 IOC(Initial Operational Capability) 。至 1995 年 4 月,不将试验型卫星计算在内,已有 24 颗 BlockⅡ工作卫星进入了预定轨道并能保证正常工作,至此,美国空军空间部在 1995 年 4 月 27 日正式宣布全球定位系统 GPS 已具有完全的工作能力FOC(Full Operational Capability) 。而我国测绘系统则在 1988 年便引进了 GPS 技术,参照了外国的测量技术经验,并探讨出适宜本国的测绘特性的 GPS 测绘作业的规范形式、工作的步骤和流程、作业技术和方法 [5] 。3 工程概况3.1 测区概况坎市镇位于闽西西南部,是永丰新区的中心位置,毗邻龙岩市中心城区,原归属永定县,面积 67 平方公里,是一个经济发达且交通便利的具有历史文化的名镇4坎市镇的东边与抚市、龙潭相连,西处与堂堡与许佳毗邻,南接湖雷、溪口,北方向则与高陂工业园相邻。测区位于坎市镇的中心地带,四至坐落范围:西达莆永高速,北、东至龙梅铁路,南至永定河,呈不规则状,总面积约 8.0 平方公里,涉及村庄有坎市街社区、新罗、浮山等村,测区以居民地为主,老街房屋密集,人流量较大,给测绘带来一定不便,但其境内道路畅通,交通便利,通视条件良好,比较便于观测。该测区的海拔高低从 260 米至 400 米,位于亚热带季风气候区域,常年天气温和湿润,阳光充足且多有雨水,而作业期间恰逢雨季,工作带来一定影响。测区困难类别为Ⅱ类区,测区范围图如图 3-1 所示。图 3-1 测区范围图3.2 已有资料及利用(1)平面控制测区范围内外有 C 级 GPS 控制点 C12、501P,D 级 GPS 控制点 D1106(坎市),平面采用龙岩地方坐标系(投影面为 350 米的 1980 西安坐标系) ,高斯克吕格投影,中央子午线经度为 117 度,分带模式为 3 度带。经现场勘察,点位标石状况完好,可做为测区首级控制的起算数据。(2)高程控制测区附近有福建省地理信息中心提供的国家二等水准点,Ⅱ龙茶 4-1、Ⅱ龙茶 9-1 可作为本项目高程控制测量起算基础,水准点成果属“1985 国家高程基准” 。以上水准点经现场踏勘点位标石完好,可作为本项目四等水准高程起算数据。(3)地图资料测区已有的卫星影像图,可用于测区工作计划及参照图件。3.3 引用准则及作业依据工程引用的标准及依据如表 3-1 所示。5表 3-1 工程引用标准及作业依据序号 标准名称 标准代号1 《全球定位系统(GPS)测量规范》 GB/T 18314-20092 《城市测量规范》(简称《规范》) CJJ/T8-20113 《1:500、1:1000、1:2000 地形图图示》(简称图示) GB/T7929-19954 《全球定位系统实时动态测量(RTK)技术规范》 CH/T 2009-20105 《国家三、四等水准测量规范》 GB/T 12898-20096 《测绘成果质量检查与验收》 GB/T 24356-20097 经批准的本项目《技术设计书》3.4 成果数学基础(1)平面坐标系统工程平面坐标系统采用龙岩地方坐标系(以 A047 为原点进行改化,采用的投影高程面为 352 米的“1980 西安坐标系” ) ,中央子午线经度为 117°,3°分带。(2)高程系统这里采用的高程系统是“1985 国家高程基准” ,基本等高距为 1 米。4 GPS 在地籍测量中的应用4.1 布网设计原则利用测区周围已有的 C 级 GPS 点作为起算点, 以满足加密图根控制网起算需要为原则,布设一级GPS 控制网点。一级 GPS 网点应均匀布设于测区,以边(网)连式连接网形,平差采用整体平差。GPS点应保证至少有一组(2 点)以上方向互相通视,以满足图根导线布设的要求。关于一级 GPS 点的编号,这里采用的是线分类法,首先把字母作为编号的首位,后面再加上四位数字,共由三节组成,分别按顺序排列的等级、年代、序号,例Ⅰ1401、Ⅰ1402……。当需要使用已存在的旧点时,不应擅自更改点名,并对此加以说明。控制点布置图如图 4-1 所示。图 4-1 控制点布置图64.2 选点与标石埋设在实地勘察选点时,根据规范和设计书的要求严格实行,一般地区点位尽可能选在交通便利,易于长久保存,容易寻找发现,地质状况较好,作业时安全系数高的位置上;在城区内选择利于保存,视野相对空阔,能够安全作业的广场、操场、公共建筑场地等处。GPS 点的埋设要求:a、埋设地点为水泥路面时,用切割机在地面上弄出 20cm×20cm 的正方形边框,边槽的深度为 0.5 cm,宽度为 0.5 cm,在中心用冲击钻凿出孔,在其中埋入标志,并用混凝土进行固定,控制点埋设时,标石的顶部不得高出地面 2cm。b、埋设地点为沥青路面时,先在沥青面上凿出 20cm×20cm 的正方形,深度应当抵达到路基碎石为止,随后清除掉杂土,灌入混凝土并埋入标石。c、在岩石面上埋设时,使用的标石规格为 20cm×30cm×15cm 的混凝土标石,采用浇灌岩标的方法; d、在房顶表面浇注房标时,标石规格选择 20cm×30cm×15cm 的混凝土标石,在进行浇注前应先将与屋顶的接触面打毛,再钉入三到四颗水泥钉,清洗干净后,使标石的底面与房顶接触稳固,需要注意的是,不能在隔热层上直接浇灌房标;e、埋设地点为土质地面时,选择使用的标石规格为 20cm×40cm×40cm 的混凝土型标石,混凝土做的标石既可以在测设现场当即浇注,也可以提前进行制作。f、在进行控制点的埋设时,应将不锈钢的标志面设置在标石面上方,用于保证进行水准联测时,标尺能够自由的转动。同时应在标石面上刻注点号和年月,其样式如图 4-2 所示。GPS510侧 面 图正 面 图 测 绘 大察勘岩 龙 队市Ⅰ 42.图 4-2 控制点样式图g、在选点埋石完成后应当绘制出相应的点之记,点之记样需要符合《规范》的要求。4.3GPS 网观测(1)在充分考虑观测要求与调度安排情况下,采用不少于 4 台套南方灵锐 S86 双频以上接收机进行观测,采用的观测方式是静态定位模式。接收机标称精度 5mm+1ppm,GPS 网相邻点间的弦长精度为 δ=δ-标准差,mm;b-比例误差系数,ppm;a -固定误差,mm;d-相邻点间的距离,km。(2)在每个待测点上,必须在强度因子(PDOP)小于相应规范值的观测窗口中开始观测作业,观测途中应密切关注 PDOP 值,而观测窗口必须拥有至少四颗的同步可见卫星数,至于卫星的截止高度角应该处于 15°。(3)在正式开始作业之前,应先对光学对点器进行检验校对,确定其是否在要求范围内,而保证系统的对中整平是达到良好测量的前提,因此,测站应严格进行对中整平。所有观测仪器均应进行检测,对中精度应小于 2 毫米。(4)观测点号的输入和记录,采用点号直接输入,如Ⅰ1401 输入记录为 0001。(5)观测时测量人员需要按照提前制定的工作计划来规划时间进行作业。天线的基座应按照规范要求对中置平;定向的标志必须朝着正北的方向;在观测开始前和观测结束后,都要对天线的高度进行一次量取,且较差应不大于三毫米,取中数使用。(6)根据同步观测点之间的距离以及观测条件等情况,应对外业观测时段的长度做适当调整,但每段7时长不得低于 45 分钟。(7)观测前应编制 GPS 观测工作计划,并严格按照工作计划组织实施。(8)在出发前,应对电池剩余电量、接收机的内存或磁盘容量进行检查,避免出现测量过程中出现电量不足等情况;(9)在观测期间,接收机应保持静止,即避免出现震动或移动等状况,且需要测量人员在旁看护,以防止无关人员和物体靠近天线;(10)一次测量结束后,应填写测量手簿,依据为作业时的程序,填写手簿需做到认真记录每项,内容要清晰明了,不得在填写完毕后再进行补充和追加;(11)在接收机工作期间,不能在接收机附近使用对讲机;若遇上雷雨天气应该立即关机停止测量;(12)在观测过程中,应当保证接收机的正常工作,记录的数据也要求无误,在结束每天的工作之后,应立即将记录在接收机里的数据传到计算机内,对其进行各类检核,包括检查点号、时段号、天线高度输入及单位是否存在错误。传输完全部数据后需将原始数据进行备份,用来防止数据遗失。4.4GPS 数据处理对采集回来的数据,先进行基线解算,当全部基线的同步环、异步环、重复边长等情况满足规范要求下进行 GPS 网的平差计算, 一般需要把基线向量的解算成果转化为用户所需要的国家坐标或地方坐标。根据外业所得的数据,将其完整导入到计算机上,本次数据采用南方测绘 Gnss 数据处理软件进行计算,可直接对基线的解算条件和解算类型进行设置,且能对独立的同步环、异步环以及重复基线进行搜索,可使输出的平差成果精度更加完善详细。得到的同步环情况如表 4-1 所示,异步环情况如表 4-2 所示,基线及其改正如表 4-3 所示,平差后 wg84 坐标和点位精度如表 4-4 所示。表 4-1 同步环情况(部分)环号 环 总 长 相对误差 △Xmm △Ymm △Zmm △边长 mm 分量限差 闭合限差1 6640.166 1.2Ppm 6.255 -4.496 -1.380 7.826 5.17 8.95 3 19726.157 0.6Ppm 4.650 -10.833 -3.898 12.416 11.90 20.62 4 11329.511 0.3Ppm -0.029 -1.968 -2.461 3.151 7.40 12.82 5 8687.767 0.8Ppm -4.408 5.751 1.076 7.325 6.10 10.56 7 12295.760 0.9Ppm -6.081 8.327 3.214 10.801 7.90 13.68 9 6009.855 1.1Ppm -4.276 4.940 1.908 6.806 4.90 8.49 13 7646.853 0.2Ppm -1.382 -0.977 0.668 1.819 5.61 9.72 17 6479.343 1.1Ppm -2.197 3.891 5.141 6.812 5.10 8.83 24 6479.317 1.9Ppm -0.116 -9.293 -8.347 12.492 5.10 8.83 27 7183.355 0.5Ppm 1.663 -2.400 1.581 3.320 5.40 9.36 30 22583.660 0.7Ppm -6.664 10.668 8.128 14.976 13.49 23.37 31 8907.547 0.3Ppm 1.930 -0.869 -0.942 2.316 6.20 10.74 38 8907.541 0.9Ppm 4.147 -6.897 -1.608 8.206 6.20 10.74 839 9833.083 0.2Ppm 0.097 -0.487 1.628 1.702 6.65 11.52 42 12389.060 0.5Ppm 2.433 -5.200 -2.945 6.452 7.95 13.77 46 14393.541 0.8Ppm 1.453 -9.685 -6.862 11.958 9.00 15.59 49 6134.177 0.6Ppm -2.943 1.172 2.285 3.906 4.95 8.58 51 8148.033 0.5Ppm -0.467 -2.546 -3.120 4.054 5.84 10.12 52 7422.757 2.9Ppm -12.436 16.947 4.766 21.554 5.51 9.54 54 8865.098 0.1Ppm -0.698 0.952 -0.397 1.246 6.18 10.70 55 16294.458 0.1Ppm 1.324 -1.534 -0.214 2.038 10.03 17.36表 4-2 异步环情况(部分)环号 环 总 长 相对误差 △Xmm △Ymm △Zmm △边长 mm 分量限差 闭合限差2 6640.171 0.9Ppm 1.857 -4.602 -3.572 6.114 51.67 89.49 6 8687.768 1.6Ppm -3.353 12.968 3.081 13.744 60.96 105.58 8 12295.756 0.8Ppm 5.457 1.454 -8.358 10.087 78.99 136.82 10 6009.857 0.9Ppm -1.296 -3.560 -3.801 5.366 49.03 84.92 11 7646.848 0.8Ppm -5.780 -1.083 -1.524 6.075 56.12 97.20 12 7646.836 2.0Ppm -10.220 -7.679 8.073 15.119 56.12 97.20 14 7646.840 1.8Ppm -5.822 -7.573 10.265 14.022 56.12 97.20 15 21867.435 1.0Ppm 2.608 20.868 -5.155 21.653 130.92 226.76 16 21867.423 0.7Ppm -1.832 14.272 4.443 15.059 130.92 226.76 18 6479.331 2.5Ppm -6.638 -2.705 14.738 16.389 50.98 88.31 19 6479.331 2.8Ppm -7.368 15.401 -6.723 18.349 50.98 88.31 20 6479.319 2.3Ppm -11.809 8.806 2.875 15.008 50.98 88.31 21 6479.342 2.8Ppm 9.495 -14.208 -6.080 18.138 50.98 88.31 22 6479.329 3.3Ppm 5.055 -20.803 3.517 21.696 50.98 88.31 23 6479.330 2.9Ppm 4.324 -2.697 -17.944 18.654 50.98 88.31 25 7183.353 0.9Ppm 2.717 4.817 3.586 6.591 54.04 93.60 26 7183.341 1.9Ppm -1.723 -1.779 13.183 13.413 54.04 93.60 28 7183.342 2.0Ppm -2.778 -8.995 11.178 14.614 54.04 93.60 29 22583.673 0.8Ppm -2.224 17.264 -1.469 17.468 134.91 233.67 32 8907.535 1.3Ppm -2.511 -7.464 8.655 11.702 62.01 107.40 33 8907.550 2.7Ppm 9.003 0.017 -22.132 23.893 62.01 107.40 34 8907.537 1.7Ppm 4.563 -6.579 -12.534 14.873 62.01 107.40 35 8907.551 1.1Ppm 1.513 -1.186 9.985 10.168 62.01 107.40 36 8907.539 2.4Ppm -2.927 -7.782 19.582 21.274 62.01 107.40 37 8907.554 1.6Ppm 8.587 -0.301 -11.205 14.120 62.01 107.40 40 9833.071 1.4Ppm -4.343 -7.083 11.225 13.965 66.51 115.19 41 12389.072 1.2Ppm 6.873 1.396 -12.542 14.370 79.48 137.66 表 4-3 基线及其改正(部分)基线名 基线△X 基线△Y △X 改正 mm △Y 改正 mm 改正限差 中误差914223591--14273591 1739.6310 -269.4526 -0.0007 -0.4108 53.35 0.013614273592--14263592 762.6742 1283.8657 -0.0547 -5.8029 45.95 0.010914263593—14273593 -762.6697 -1283.8591 -4.3855 -0.7927 45.95 0.015014223591--14233591 -84.3731 -723.7568 -1.2874 -2.3376 38.45 0.012514233591—14273591 1823.9978 454.3088 7.5418 -2.5689 43.46 0.009014273592--14233592 -1824.0022 -454.3089 -3.1436 2.6752 43.46 0.008314263592—14233592 -2586.6778 -1738.1755 -1.7073 9.4553 56.98 0.012514263593--Y0153593 -9103.8575 -3622.2713 -4.1262 -6.7563 153.45 0.017214273591--Y0153592 -8341.1859 -2338.4265 -1.5725 8.3085 145.83 0.013914213591--14223591 2249.3445 84.9600 -0.0299 0.8181 51.18 0.017314213591--14273591 3988.9755 -184.4906 -0.0598 -1.5605 89.54 0.013414213591--14233591 2164.9719 -638.7943 -1.7839 -4.0659 64.15 0.014214283592--14263592 -1188.3566 -40.7485 5.1006 -9.3342 39.86 0.018514263593--14283593 1188.3514 40.7600 0.0705 -2.1763 39.86 0.019414283592--14273592 -1951.0329 -1324.6102 7.3527 -7.4221 46.97 0.012314273593--14283593 1951.0213 1324.6283 4.3400 -10.6763 46.97
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