GPS在山区高程测量中的应用.pdf

中国知网 吉林省土木建筑学会2010年学术年会论文 1 GPS外业高程测量 1．1测区地理概况 外业地点选在了长春市净月大顶山，其西邻 长春税务经济管理学院， 北接吉林农大试验田， 半山腰被松树林覆盖，再附近有部分的农田。 地 势平坦，主要为砂土，地质条件好，而且有轻轨和 120路公交车通过，交通便利。 现在很多大的项 目都已在此启动，如由香港和记黄埔地产公司投 资2．5亿美元的御翠园项目，由印尼慕利亚集团 与深圳益田房地产公司合作投资35亿元人民币 的五星级酒店、CBD及高级商业地产项目等，其 都看中了这里的优越的地理位置和地理条件，建 成后的这里将会很美好。 1．2 GPS用于大顶山高程测量的外业实施 1．2．1选点 选点工作开始前，收集和了解有关测区的地 理情况和原有的测量控制点分布及标型、确保标 石完好。 GPS测量测站点之间不要求一定通视，图形 结构也比较灵活，因此，点位选择比较方便。但考 虑GPS测量的特殊性，并顾及后续测量，选点时 应着重考虑 1每点最好与某一点通视，以便后续测量工 作的使用。 2点周围高度角15以上不要有障碍物，以 免信号被遮挡或吸收。 （3）点位要远离大功率无线电发射源、高压 电线等，以免电磁场对信号的干扰。 （4）点位应选在视野开阔、交通方便、有利扩 展、易于保存的地方，以便观测和日后使用。 （5）选点结束后，按要求埋设标石，并填写点 之记。 根据实际的地形情况，共选取13个控制点。 （1） 选取依据 GPS测量的技术设计主要依据1999年建设 部发布的行业标准 城市测量规范，1997年建 设部发布的行业标准全球定位系统城市测量技 术规程［3］及工程测量合同有关要求制定的。 （2） 精度 根据测区情况， 选择二级GPS网作为测区 首级控制网。 要求平均边长小于1km，最弱边相 对中误差小于1／10000，GPS接收机标称精度的 固定误差a≤15mm，比例误差系数b≤2010－6。 （3） 基准和网形 如图1所示， 控制网共13个点。 采用3台 GPS接收机观测，网形布设成边连式。 GPS 在山区高程测量中的应用 以净月大顶山为例 郑智勇陆海凤 （吉林建筑工程学院勘测公司，长春130021） 摘要 本文介绍了GPS在大顶山的外业高程数据采集过程和二、四等水准联测、GPS处理软件 对数据的处理过程，以及利用平面拟合方法，对整网进行了高程拟合计算。 关键词GPS；二、四等水准测量；平面拟合方法 55-- 中国知网 吉林省土木建筑学会2010年学术年会论文 （4） 观测计划 根据GPS卫星的可见预报图和几何图形强度 （空间位置因子PDOP）， 选择最佳观测时段多于 4颗，且分布均匀，PDOP值小于6），并编排作业 调度表。 图1控制网设计图（卫星图） 1．2．2观测 根据GPS作业调度表的安排进行观测，采 取静态相对定位， 卫星高度角15， 时段长度 45min，采样间隔10s。 在3个点上同时安置3台 接收机天线（对中、整平、定向），量取天线高，测 量气象数据，开机观察，当各项指标达到要求时， 按接收机的提示输入相关数据，则接收机自动记 录，观测者填写测量手簿（如表2－2）（天线对中 误差不应大于3mm， 基座圆水准气泡必须居中， 观测前后在天线互为120方向上量取天线斜高， 互差应小于5mm。 开机后把测站相关信息输入 GPS接收机并做外业观测记录） 1．3数据预处理 为了统一数据文件格式，剔除粗差，找出整 周跳变点并修复观测值;对观测值进行各种模型 改正， 所以要用南方GPS数据处理软件进行测 量数据预处理。 过程如下。 1．3．1数据传输 打开软件菜单栏中工具选项中的南方接收 机数据下载，将数据传输到计算机上（如图2） 1．3．2数据分流 在进行数据传输的同时，利用数据处理软件 将原始记录中的各项观测数据进行分类整理，剔 除无效观测值和冗余信息。 自动生成四个数据文 件，分别是观测值文件、星历参数文件、电离层参 数和UTC参数文件、测站信息文件。 1．3．3数据整理 打开数据处理软件， 导入坐标数据文件，即 可显示出大顶山选定的GPS点位图。 由于测量 中数据文件名输入有误，同一点在不同的同步观 测环不重合，误差相差很大，待重新命名了观测 数据文件名后，才显示出正确的控制点点位。 测区的GPS网经过全部的基线解算后，分 流出了各种专用的信息文件， 包括各测站的数 据，观测数据文件，基线简表，闭合环和重复基 线。 通过预处理所获得的标准化数据文件，为平 差计算做准备。 2水准联测 为了求得GPS网点正常高， 应进行水准测 量的高程联测，高程联测采用四等、二等水准测 量方法进行， 联测的GPS控制点应均匀分布于 网中。 图3四等水准路线 2．1四等水准测量 从12点开始测量的，将水准尺立在12号点 上作为后视， 选取适当地点将水准仪安置， 并在路线的前进方向上选取和12点到仪器的距 离大概相等的位置上安置水准尺，作为前视。 仪 器对中，整平后开始测量，采用″后后前前″的观测 程序。 以后的各站也都按照上述进行的。图2数据传输 56-- 中国知网 吉林省土木建筑学会2010年学术年会论文 四等水准测量的成果计算检核过程如下 2．1．1高差闭合差的计算 从12号点到1号点的支导线 fh＝Σh＝Σh往＋Σh返 ＝19．997－20．042＝－0．045m2－1 fh容＝12n 姨 ＝1280 姨 ＝107mm2－2 从4号点到9号点的支导线 fh＝Σh＝Σh往＋Σh返 ＝－55．956＋55．952＝－0．004m2－3 fh容＝12n 姨 ＝1227 姨 ＝62mm2－4 fh＜fh容,符合图根水准测量精度要求。 2．1．2高差闭合差调整 高差的调整是按与测站数成正反比反符号 分配到各测站高差中。 第i测段高差改正数Vi按下式计算 Vi＝－ fh L Li Vi＝－ fh n ni2－5 式中L路线总长； Li第i段路线长； n路线总测站数； ni第i段测站数。 各测段改正后高差为 hi＇＝hi＋vi2－6 2．1．3计算各点高程 用每段改正后的高差，由已知点12点开始逐 点算出各点的高程。 再用平差后的4号点的高 程，依次计算出另一支水准路线的高程。 2．2二等水准测量 二等水准测量结果计算过程如下 二等水准测量也是由12号点开始测量，进 行往返观测，具体施测路线二等水准测量外业工 作结束， 同四等水准测量相同， 经检查无误后， 即可进行水准测量的成果计算。 2．2．1高差闭合差的计算 fh＝Σh＝Σh往－Σh返 ＝－3．452＋3．442＝－0．010mm2－7 2．2．2高差闭合差的计算 fh容＝2n 姨 ＝226 姨 ＝11mm fh＜fh容,符合二等水准测量精度要求。 2．2．3高差调整 同四等水准测量相同，二等水准测量高差的 调整仍是按与测站数成正反比反符号分配到各 测站高差中。 算出各支水准高差闭合差，如果其 在容许值范围内时，再对闭合差进行调整，求出 改正后的高差，最后求出各定点的高程。 GPS及二、四等水准联测完成后，我们应进 行内业的数据处理。 3 GPS高程的数据处理 3．1大顶山测量数据由南方测绘GPS数据处理 图4二等水准测量路线图 图5已知坐标录入 57-- 中国知网 吉林省土木建筑学会2010年学术年会论文 根据矩形计算关系可求得 A＝X－1ζ ＝ 43．322057825 0．00002105 0．0000614 6 6 66 6 6 6 66 66 即ζi＝43．322057825－0．00002105xi＋0．00006146yi 通过上式可计算出控制网中其他点的高程 异常（简要写4个点），拟合结果见表1。 如果公共点的数目大于3个时， 这里增加 13、6号点,则可列出相应的误差方程 vi＝ a1＋ a2xi＋ a3yi－ ζi i＝1,2,3,,n（3－2） 写成矩阵形式有V＝Ax－ ζ 当公共点的数目为5个时 V＝ V1 V2 V3 V4 V5 6 6 6 6 6 6 66 6 6 6 6 6 6 6 66 6 A＝ a1 a2 a3 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 X＝ 1 49783．43280026．046 1 50000．00080000．000 1 49997．90880320．949 1 50006．54880560．472 1 50339．18280524．37 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 68 ζ＝ 48．701 48．708 48．724 48．691 48．66 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 64 根据最小二乘原理可求得 A＝XTX－1XTζ＝ －75．79032045 0．00310275 0．0000059 6 6 66 6 6 6 66 67 即vi＝－75．79032045＋0．00310275xi－0．00000597 yi－ ζi,将各点的x,y,ζ代入上式，则可得各点的 软件解算过程如下。 （1） 新建数据文件。 （2） 导入GPS数据。 （3） 增加观测文件。 （4） 全部基线解算。 （5） 根据解算简表中的数据，由上述方法计 算出各GPS控制点的坐标。 同理，计算出各点坐 标。 通过测量数据的预处理，以及平差结果的计 算，可得到相应数据文件，进行高程拟合。 3．2 GPS高程的曲面拟合 3．2．1平面拟合法 设某公共点的高程异常值ζ与该点的平面 坐标有关系式 ζ＝a0＋a1xi＋a2y2（3－1） 式中（x,y） 为点的平面坐标；a0，a1，a2为模型参 数。 取12，11，10号点进行拟合计算，则式中 A ＝ a1 a2 a3 6 6 66 6 6 6 66 6 X ＝ 1 49783．43280026．046 1 50000．00080000．000 1 49997．90880320．94 6 6 66 6 6 6 66 69 ζ＝ 48．701 48．708 48．72 6 6 66 6 6 6 66 64 表1拟合结果 点号H84Hr准高程异常拟合后高程 12248．701200．00048．701200．00 11252．381203．67348．708203．673 10236．694187．97048．724187．970 13245．296196．60548．553196．743 58-- 中国知网 吉林省土木建筑学会2010年学术年会论文 表2拟合结果 误差v结果如表2。 当有了多余观测量得出改正数时， 发现平 面拟合法的精度有了一定的提高。 4结论 通过GPS在山区控制测量中的应用，得到如 下体会。 （1）GPS控制网选点灵活，布网方便，基本不 受通视、网形的限制，特别是在地形复杂、通视困 难的测区，更显其优越性。 但由于测区条件较差， 边长较短（平均边长不到300m），基线相对精度 较低，个别边长相对精度大于1／10 000。 因此， 当精度要求较高时，应避免短边，无法避免时，要 谨慎观测。 （2）GPS接收机观测基本实现了自动化、智 能化，且观测时间在不断减少，大大降低了作业 强度，观测质量主要受观测时卫星的空间分布和 卫星信号的质量影响。 但由于各别点的选定受地 形条件限制，造成树木遮挡，影响对卫星的观测 及信号的质量，经重测后通过。 因此，应严格按有 关要求选点，择最佳时段观测，并注意手机、步话 机等设备的使用。 （3）GPS测量的数据传输和处理采用随机软 件完成，只要保证接收卫星信号的质量和已知数 据的数量、精度，即可方便地求出符合精度要求 的控制点三维坐标。 要保证控制点高程的精度， 必须联测足够的已知高程点。 GPS除了用于导航、定位、测量外，由于GPS 系统的空间卫星上载有的精确时钟可以发布时 间和频率信息，因此，以空间卫星上的精确时钟 为基础，在地面监测站的监控下，传送精确时间 和频率是GPS的另一重要应用， 应用该功能可 进行精确时间或频率控制，可为许多工程实验服 务。 此外，据国外资料显示，还可利用GPS获得 气象数据，为某些试验和工程应用。 全球定位系统GPS是近年来开发的最具有 开创意义的高新技术之一，其全球性、全能性、全 天候性的导航定位、定时、测速优势必然会在诸 多领域中得到越来越广泛的应用。 在发达国家， GPS技术已经开始应用于山区高程之中。 目前， GPS技术在我国山区高程中的应用还刚刚起步， 相信随着我国经济的发展，GPS技术应用研究的 逐步深入，其在山区高程中的应用也会更加广泛 和深入，并发挥更大的作用。 [参考文献] ［1］ 徐绍铨，张华海，杨志强，王泽民．GPS测量原理及应 用．武汉武汉大学出版社2005修订版 ［2］ 张勤，李家权．GPS测量原理及应用．北京科学出版 社,2005 ［3］ 李天文．GPS原理及应用．北京科学出版社出版,2004 ［4］ 李明峰,冯宝红,刘三枝． GPS定位技术及其应用．北 京国防工业出版社 点号H84Hr改正后高程异常改正后的高程 12248．701200．00048．701200．00 11252．381203．67348．708203．673 10236．694187．97048．724187．970 13245．296196．60548．691196．605 6279．367230．70348．694230．673 7297．249248．60548．682248．567 8270．420221．77548．722221．698 59--