荊江河道GPS與全站儀邊長及方向改化

陳 于，胡友健，陳 剛，潘 雄

（中國地質大學（武漢）信息工程學院測繪工程系，湖北武漢430074）

荊江河道GPS與全站儀邊長及方向改化

陳 于，胡友健，陳 剛，潘 雄

（中國地質大學（武漢）信息工程學院測繪工程系，湖北武漢430074）

在區域范圍較大的工程測量中，需對方向和邊長觀測值作歸化改正和投影改正，但這一點常被許多測繪工作者忽略，因而造成不能對工程測量的結果加以正確的處理，甚至懷疑觀測精度不夠，還需加以復測，這給工程的進度造成了不良影響。以在荊江河段河道演變監測控制測量中對方向和邊長觀測值作歸化改正和投影改正為例,闡述了邊長及方向歸化改正的具體方法及改化過程，通過改化計算，同時也說明全站儀導線邊長測量成果經改化后能滿足后續工程勘測精度的要求。

GPS；全站儀測距；邊長和方向改化計算

平面控制網的觀測成果（長度、方向值）都需歸算到大地水準面并投影到高斯平面上。因此，當附和導線與國家控制點連測進行檢核時，也應將導線的測量成果改化到大地水準面和高斯平面上去，以統一數據和比較，當導線處于高程較高和位于投影帶的邊緣時更需如此。特別是當導線里程比較長時，對導線精度的影響非常明顯[1、2]，也就是說長線路測量中導線改化是非常必要的。

長江荊江段河道長350多km，根據荊江河道演變監測及研究項目測量布控實施方案，于2006年10月開始布點，至08年已全面完工，累計完成D級GPS點280個、一級導線點1405個、并對10538個斷面控制樁進行了制作、運輸、埋設及測量，同時完成四等水準測量 702.5 km。至此，葛洲壩至城陵礬段長江兩岸的平面和高程控制網已全部建立，為荊江河道演變監測及研究工作打下了堅實的基礎。

在荊江河段河道演變監測中利用Trimble5700與南方測繪GPS共8臺接收機進行控制測量，點位布設為5 km左右兩對通視GPS點，長江南與長江北各一對，形成沿長江長約350 km的點位控制網，范圍為（29° 47'17.93296"N，112 ° 18'41.62649"E）∽（29 ° 54'54.73051"N，113°11'51.70490"E）,并利用TGO軟件進行坐標解算。之后在5 km的江南或江北4個GPS點之間使用 Leica TPS300全站儀測距增加導線點進行導線控制測量。最后，在此基礎上進行地形測量，提供基礎地形資料數據。

1 G P S控制網基線解算平差處理結果

因長江荊江河段河道長350多km，橫跨兩個投影帶，故需分別在中央子午線111°和114°分別進行基線解算，并通過約束平差得到各GPS控制點的坐標。為方便敘述，本文針對荊江段選取其中的某一段（如圖 1）進行研究，先 GPS解算，并將解算的四點即JGPSL11、JGPSL12、JGPSL13、JGPSL14作為導線測量起算已知點，將其作為附合導線測量的已知方向和檢核計算，計算全站儀測量角度、距離的改化值并解算各導線點坐標。

圖1 長江荊江段部分基線點形成的控制網點圖（矩形框為研究區域）

采用 1954北京坐標系作為最終成果（如表 1所示）。投影參數如下：投影基準：Molodensky（三參數）大地水準面模型方法：EGM 96（Global）；橢球長半軸：6378245.000000；橢球扁率：1/298.30；高程投影面：0 m；中心緯度：000'00"N；中心經度：11400'00"E；縱軸加常數：0；橫軸加常數：500000（東向加）；比例尺：1.000000。這樣可以得到其中附合導線4個GPS點的坐標，為簡化計算，取坐標尾數，4點坐標分別為：JGPSL12（71125.458，6384.577），JGPSL11（70711.020，6372.411），JGPSL13（75953.977，5760.162），JGPSL14（76454.010，5735.021）。

2 四等導線測量與距離改化

2.1 四等導線測量

附和導線網包括4個起算點(四等GPS點)、17個導線點。導線測量采用 Leica TPS300全站儀（測角精度2″，測距精度2 mm+2×10-6）。采用三聯腳架法進行觀測，全站儀采用觀測、自動記錄，手動記錄結合，觀測6個測回。

2.2 全站儀測距

為了在各控制點中加密些導線點，采用全站儀測距測角進行導線測量，觀測附和導線方式進行，這種方式在5 km長的距離內，所測各邊長需進行距離改化，并重新計算各導線點地坐標。在控制點JGPSL11、JGPSL12、JGPSL13、JGPSL14間加測附和導線，距離測量采用全站儀與水平角觀測同步進行。在觀測前量取氣溫、氣壓，溫度量至0.2℃，氣壓量至50Pa或0.5mm Hg。觀測開始前，先將氣溫、氣壓等參數輸入儀器內，由儀器對邊長自動進行氣象改正。全站儀導線測距與測角的記錄結果見圖2。

加號“+”前為兩導線點間距離，加號后為改化距離。

圖2 全站儀閉合導線觀測測距與方位角測量結果及其距離改化量與附和導線平差誤差橢圓圖

2.3 邊長改化到高斯平面上的改正

設橢球體上有兩點 P1，P2及其大地線 S，在高斯投影面上的投影為P1′，P2′及s。s是一條曲線，而連接P1′P2′兩點的直線為D。如前述由S化至D所加的改正稱為距離改正S，長度比 m的計算公式：,將橢球面上大地線長度S描寫在高斯投影面上，變為平面長度 D。距離改化公式為：,ym取大地線投影后始末兩點橫坐標平均值，即。同理，根據長度比可得到更精密的距離改化公式：，該公式計算精度達到0.001 m。

3 距離和方向改化計算實例

用全站儀觀測的閉合導線距離在距離改化之前是不能使5 km長的導線與GPS觀測控制點在1954坐標系下高斯投影面上閉合的，因而必須進行距離改化。

3.1 平差解算后的點位精度

將所有的距離改化值加入之后，經科傻軟件Cosaw in平差解算后的坐標和點位精度，見圖1、表1。

表1 平差解算和引起的點位誤差表

圖1為在其中一GPS控制點（JGPSL13）上架設全站儀以另一GPS控制點（JGPSL14）為定向點為導線測量的起始點，經全站儀測角和量邊至另一對GPS控制點（JGPSL12和GPSL11）的觀測成果圖，后在科傻軟件Cosaw in按附合導線平差處理所得到的誤差橢圓圖。為了更詳細表示邊長改化值，在距離后加入了帶有“+”的改化距離。

從表1可看出，在加入距離改化值后，經聯合平差解算，引起的最大點位改正達到24.6mm。可見，當導線里程比較長時，對導線精度的影響非常明顯，對長線路測量中導線改化是非常必要的。

3.2 平面閉合差計算結果分析

經在科傻軟件Cosaw in針對導線角度，距離進行平差解算，可得到平面閉合差計算結果如下：角度閉合差：18.7 s，X坐標閉合差:0.0076 m，Y坐標閉合差：-0.0238 m。

總長度：6.1306 km，導線全長相對閉合差精度K為1：245102。可滿足四等導線控制測量成果精度要求。

4 結 語

GPS和全站儀聯合作業時，通常要對全站儀測得的距離進行改化，以與GPS測量所得距離投影到高斯平面上的距離一致。若使用 GPS或全站儀單獨作業，則不涉及到距離改化的問題。在中央子午線附近，距離改化值很小，而離子午線越遠，距離改化值越大。若想不進行距離改化，可適當的把投影帶寬縮小，在提供坐標成果時，要特別的進行說明，以保證數據的準確性和可靠性。

[1] 劉景和，張貴文，谷云峰，等.公路測量與導線改化[J].黑龍江交通科技,1999,1:47-48

[2] 張正祿.工程測量學[M].武漢：武漢大學出版社,2005

[3] 孔祥元,梅是義.控制測量學（下冊）[M].武漢：武漢測繪科技大學出版社,1998

[4] 汪建鴿，楊建華.公路測量中邊長改化及Gauss投影坐標換算[J].中南公路工程，2000,12:1-2

[5] 王彩霞,薛建成.GPS在公路測量中應注意的問題[J].交通標準化,2003,08:42-45

[6] 徐廣明.高斯投影及其換帶、歸化在高等級公路控制測量中的應用[J].水運工程,2005,07:

[7] 胡毓鉅.地圖投影[M].北京:測繪出版社,1981

Research on Distance and Direction Correction of GPS and Total Station M easurements in the Jingzhou Section of Yangtse River

CHEN Yu,HU Youjian,CHEN Gang,PAN Xiong
（Depart ment of Surve yin gand Map ping Inf or mati on,Faculty of In for mati on Engi nee ring，China Uni versity of Geosci ences,Wu han 430074,China）

This paper illustrates the course of distance and direction correction of GPS and Total Station measurements in the evolvement monitoring of Jingzhou section of Yangtse River.Thiscan be often ignored in the engineering survey, and thus some data can't beh and led correctly, and this may cause person to doubt observation precision is not enough, or need to be re-measurement,which gives the progress of the project a negative impact.This paper illustrates the specific methods and process correction of distance and direction, and after the correction computation,the outcome can meet the requirements of precision engineering.This shows that it is necessary to do distance and direction correction in long distance range.

GPS;coordinates computing;distance measurement;distance correction

2010-03-23

項目來源：國家自然科學基金資助項目 (40974002)；中央高校基本科研業務費專項資金資助項目（CUG090110)。

P228.42

B

1672-4623(2010)02-0049-03

陳于，博士，講師，研究方向為3S技術集成與應用，國土資源遙感。