GPS在數字化地形測量中的應用

丁 婷，楊 彬

(河北九華勘查測繪有限責任公司，河北保定071051)

一、GPS簡介

GPS通常采用測距的方法來提供各種數據。除此之外，還可采用多普勒定位與測速法、載波相位法和干涉法定位。GPS衛星定位測量的基本原理是:利用GPS接收機在某一時刻同時接收3顆或以上的GPS衛星信號，用戶利用這些信息測量出測站點至3顆或以上GPS衛星的距離，并計算出該時刻GPS衛星的三維坐標，根據距離交會原理解算出測站點的三維坐標。然而，由于衛星和接收機的時鐘誤差，因此，GPS衛星定位測量應至少對4顆衛星進行觀測來進行定位計算。如圖1所示可確定4個距離觀測方程。

圖1 對4顆衛星進行觀測

式中:i=1、2、3、4;C 為 GPS 信號的傳播速度;(Xi，Yi，Zi)為衛星的軌道坐標;ti為各個衛星的時鐘差;ρi為各個衛星到測站點接收機天線的距離。

二、數字化地形測量概述

隨著測繪技術的飛速發展，GPS+全站儀+計算機的全數字化地形測量模式逐步成熟并基本普及，這種模式正在替代而且必將完全替代傳統的大平板儀地形測量，成為地形測量的主流模式;另一方面，地形測量模式的更新又將對測繪單位儀器設備、人員素質、管理方式、作業組織等產生一系列的影響。

數字化地形測量的生產工序可概括為兩個環節:一是控制測量與計算機輔助平差計算;二是碎部數據采集與軟件編圖成圖。兩個環節間以數據傳輸為紐帶，即可平行施工又可順序施工，與傳統地形測量相比，壓縮了大量的中間生產環節。

三、GPS數據處理

GPS數據處理要從原始的觀測值出發得到最終的測量定位成果，其數據處理過程大致分為GPS測量數據的基線向量解算、GPS基線向量網平差以及GPS網平差或與地面網聯合平差等幾個階段。數據處理的基本流程:數據采集、數據傳輸、預處理、基線解算、GPS網平差。

1.GPS網技術設計

GPS技術分為外業施測和內業數據處理兩部分工作。外業施測是內業工作的數據來源，也是整個GPS技術工作的基礎。如何作好GPS野外作業，對確保GPS外業觀測數據質量，提高整個GPS技術的成果精度，顯得尤為重要。

(1)GPS測量精度標準及分類

對于各類GPS網的精度設計主要取決于網的用途。用于地殼形變及國家基本大地測量的GPS網可參照《規范》中的A、B級精度分級，見表1;用于城市或工程的GPS網可根據相鄰點的平均距離和精度參照《規程》中的二、三、四等和一、二級精度分級，見表2。在具體布設中，可以分級布設，也可以越級布設。

各等級GPS相鄰點間的弦長精度用下式表示

式中，σ為GPS基線向量的弦長中誤差(mm);a為GPS接收機標稱精度中的固定誤差;b為GPS接收機標稱精度中的比例誤差系數;d為GPS網中相鄰點間的距離。

表1 GPS測量精度分級(一)

表2 GPS測量精度分級(二)

(2)GPS點的密度標準

各種不同的任務要求和服務對象，對GPS點的分布要求也不同?，F行規范對GPS網中兩相鄰點間的距離、各等級GPS網相鄰點的平均距離視其需要也做出規定，見表3。

表3 GPS網中相鄰點間距 km

2.外業數據采集

利用RTK進行數字化測圖的基本步驟是先控制測量，然后利用RTK測量圖根點，再利用全站儀測量碎步點，再進行數字化成圖?；蛘呤窍瓤刂茰y量，然后直接利用RTK測量碎部點，再進行數字化成圖。作業過程主要包括外業數據采集和內業數據處理，外業數據采集包括控制測量和碎部測量兩部分，內業主要包括GPS數據處理和數字化地圖編輯。

四、實例分析

1.測區概況

朱砂沖在井岡山茨坪東南，海拔600 km，距茨坪約15 km，為井岡山五大哨口之一，是通往遂川縣的交通要沖。右側是峭壁聳立，左面是萬丈深谷，地勢險峻。在峭壁山路口，有一半側小亭，柱梁貼崖而立。

測區為朱砂沖的一個廠房，廠址區位于井岡山北76 km處，中心地理坐標已確定，在測區內以一個四等GPS點為起算點。

為了對該測區10 km2進行1∶500的地形圖測量，布設了一級控制網。

2.GPS網控制測量

根據工程測量設計及規范要求進行較高精度的測量;本次平面控制采用采用Trimble雙頻GPS接收機衛星定位測量方法聯測國家高等級控制點，沿測區布設一級GPS控制網進行首級控制。

利用GPS建立一級控制點，每時段采集數據前，作業員量取天線高，記錄此時段的接收衛星數、故障情況;一個時段觀測過程中無關閉接收機重新啟動、進行接收機初始化、改變數據采集間隔、改變天線位置;觀測員在作業期間未擅自離開測站，并應防止儀器受震動和被移動，防止人和其他物體靠近儀器、以免遮擋衛星信號;觀測時無人在接收機旁使用手機和對講機，避免了干擾衛星信號;在觀測過程中應保證接收機正常工作，數據記錄正確，觀測結束后，在GPS手簿中輸入這些點的WGS-84坐標和地方坐標，手簿內置軟件會自動計算控制點的坐標轉換參數。為了提高精度，將天線設置在對點器上，設置好天線高、基準站點坐標、坐標轉換參數、預設精度指標等參數，觀測控制網和數據如下。

平差后得該控制網平差成果表，見表4。

表4 1985國家基準高程

朱砂沖廠房控制網如圖2所示。

圖2 控制網

用GPS RTK布設圖根點，根據《工程測量規范》圖根點的精度相對于鄰近等級控制點的點位中誤差不應大于圖上0.1 mm;高程的中誤差，不應大于測圖基本等高距的1/10;用實時GPS RTK來布設圖根點，并結合表4可以得出，RTK的測量精度完全能夠達到一級導線網的測量。在RTK精度檢查完畢后，再開始測量圖根點，測得部分圖根控制點坐標成果，見表5。

表5 圖根點控制成果表

3.1∶500地形圖碎部測量

由于測區范圍較大，工期短，在野外數據采集時用采用萊卡TCR302全站儀和Trimble雙頻GPS接收機同時對測區進行野外數據采集。

使用全站儀及GPS RTK在野外采集數據十分快捷方便。在數據采集以前要作好點矯正、建立文件等準備工作，架設好基準站以后要檢測流動站測點是否準確，然后就可以開始進行碎部點的測量采集了。在碎部點的采集過程中應盡量保證采點均勻，重復點盡量減少，否則會影響DTM的建立，不利于成圖。在野外工作時，要及時將特殊地物等特征點的位置作記錄，并畫好草圖，方便以后電子地圖的勾勒。此外，在使用GPS—RTK作業時一定要注意衛星數目不小于4顆。

4.內業數據處理與成圖

成圖過程:首先將RTK數據用傳輸軟件保存到電腦上，用轉換軟件將其轉化DAT文件。下一步展野外高程點，將點展入CASS7.0軟件，可以將一些重復或者沒有用的點刪除，然后建立DTM，(考慮有圖面建立DTM會有數據丟失，一般由文件建立)完成后可以將不合理的三角形過濾刪除，就可以繪制等高線成圖了，其中擬合步長應比較小，一般為2米。其中地物可以在展點以后勾勒，也可以將原來的地物圖用插入圖塊命令加入。對不正確的線用APPLOAD—GAILINE命令修改比較方便，再標注高程注記，最后加入圖框，完成以后把一些不需要的線刪除，一副圖就完成了。

5.精度分析

此次朱砂沖廠房GPS測量地形圖的精度分析采用的是南方測繪GPS數據處理軟件，將朱砂沖廠房控制點導入南方測繪GPS數據處理軟件，所得GPS網平差結果如下。

GPS網平差結果:環閉合差中包括所有基線的解算;閉合環最大節點數3;閉合環總數17;同步環總數7;異步環總數10。

使用環閉合差中為剔除不參與平差的基線(包括自動剔除和人工剔除)后的基線組成的環的情況。

控制網限差情況:網平均邊長 1574 m，限差1.0 km。相鄰點最小距離為平均距離的1/2～1/3，最大邊長限差一般是網平均邊長限差的2～3倍，網最大邊長2 270.4 m，網最小邊長191.1 m，邊長不滿足要求。

同步環全長相對閉合差限差15.00×10-6;同步環坐標分量相對閉合差限差9.00×10-6;閉合環最大節點數3;閉合環總數9;同步環總數4;異步環總數5。

五、結束語

GPS的出現是對傳統測量方法的一次重大的變革，徹底改變了以往的測量作業模式，以其高精度、高效率、全天候的優點被廣泛應用到測量生產單位中。在實際測量過程中它有很多優秀的方面，但同時也有些技術限制，只有了解其劣勢所在，才能避其利害，把有利于實際生產的技術帶到工程應用中來。

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