GPS技術在安慶市城市控制測量中的應用

楊新成

(安慶市勘察測繪院)

?

GPS技術在安慶市城市控制測量中的應用

楊新成

(安慶市勘察測繪院)

安慶市城市測量控制網改造采用現代大地測量方法, 利用D級GPS控制網作為測區首級控制網，以二等水準點作為首級高程控制點, 布設7個點構成骨架網。按照GPS網的可靠性指標、精度指標、效率指標進行優化設計，并進行GPS二、三、四等水準聯測，通過一定數量和分布均勻的GPS水準點進行高程擬合，其精度完全符合1∶500大比例尺測圖和城市規劃測量的精度要求，可供類似工程參考。

GPS控制網水準聯測優化設計高程擬合

安慶市平面控制網覆蓋面積約1 200km2，其控制網改造的主要任務是在1978年安慶市三角網的基礎上進行城市測量控制網改造，為城市建設提供基礎測繪資料，為“數字安慶”建設提供準確的數據，建立覆蓋老城區、東部新城區、開發區、宜秀區等區域的D級GPS控制網和城市2020年總體規劃區的水準控制網。

1　測區概況

安慶市地形西高東低，屬于丘陵地區，東部地勢平坦，僅1座煙墩山，平均高程約13m，鄰近樅陽縣有下樅陽北山(海拔137m)；北部有花山尖(海拔320m)、小龍山脈、大龍山脈；西部有紗帽山(海拔224m)、月山鎮大黃山、洪鎮興安嶺、螞蚱尖、石鏡鄉黃土山等，最高海拔達446m；南鄰長江。測區屬于亞熱帶沿江季風性濕潤氣候，四季分明，年平均氣溫14.5～16.6 ℃，年平均降水量1 300～1 500mm，無霜期約248d。測區交通便利，有206國道、318國道、228省道貫穿。

2　GPS控制網測量

2.1GPS控制網設計

測區內已有的安徽省C級GPS網控制點成果和1978年主城獨立網成果，點位位置如圖1所示。由于安慶市測繪基準仍使用1978年的主城獨立三角網成果，盡管已有2007年的安徽省C級GPS網成果，但為確保城市測量基準的一致性，仍需歸算至1978年安慶市測繪基準。因此，在控制網改造過程中，沿用1978年安慶市獨立三角網起算點(鳳凰山(總參Ⅱ等補網點)、牛頭山(總參Ⅱ等補網點))。由于該2個起算均位于測區西南側，距已知最遠點(R637)約30km，為確保控制網精度的均勻性，加測了同步環，即井頭山—R685—R670—R927—鳳凰山(GD21)和環R685—R670—R927—R637—R636，以該7個點為骨架點組成的環與內部環進行整體平差。經比較，在不增加上述兩環處理結果、增加上述兩環處理結果的2種情形下，點位差異最大的為R637點，ΔX為4mm，ΔY為10mm，ΔH為 1mm。

2.2GPS網外業觀測

采用4臺GPS雙頻接收機和1臺單頻接收機進行靜態測量，其中2臺為南方靈銳S82(靜態基線±(3mm+1×10-6D(D為所測距離，m))，高程 ±(5mm+2×10-6D))和2臺諾瓦泰smart6100IS(靜態基線±(5mm+1×10-6D))，高程±(10mm+1×10-6D))；1臺單頻接收機為諾瓦泰smart3100IS(靜態基線±(5mm+1×10-6D，高程±(10mm+2×10-6D))。D級GPS測量技術要求：衛星截止高度角15°，觀測有效衛星數≥4，觀測時段數≥1.6，時段長度≥45min，采樣間隔10～30s。根據測區情況，進行衛星可見性預報，制定觀測計劃，嚴格按D級GPS測量技術要求進行施測，骨架點的觀測時段長度大于120min，其他GPS點的觀測時段長度大于60min，其點位的幾何圖形強度因子PDOP≤6，有效觀測衛星數≥6，采樣間隔15s，骨架點的觀測重復設站率為2.8，其他GPS點的觀測重復設站率為2.3[1-3]。

圖1　GPS控制點布設

2.3GPS觀測數據處理2.3.1靜態數據質量檢查

當日觀測完畢后，及時將數據下載至計算機中，首先將諾瓦泰接收機的數據在隨機平差軟件中進行數據處理，編輯點名和儀器高；然后將諾瓦泰數據轉存為RENIX數據格式，應用南方GPS平差數據處理軟件對所有GPS靜態數據進行質量檢查，以數據剔除率5%為標準，10%為限差，檢查有效觀測衛星數是否為6顆以上，數據利用率是否達到90%，剔除含粗差的觀測值，并及時將GPS靜態數據轉為RENIX數據，存入RENIX數據文件夾，及時將文件備份，確保觀測數據不丟失。

2.3.2基線解算

基線解算采用南方GPS數據處理軟件、雙差固定解進行解算。基線解算參數為方差比≥3，中誤差≤0.02。D級GPS控制網共有基線249條，通過基線解算，基線最大中誤差30mm，基線為JJ02—GD19(雙頻機同步觀測)，基線邊長為8 350.633m，標準限差84.10mm，最小中誤差3mm，中誤差為9mm的有34條基線，占13.65%，3～9mm(包括3mm)的有103條，占41.37%，9～19mm的有105條，占42.17%，20～30mm的有7條，占2.81%。

2.3.3同步環精度統計

D級GPS控制網共有236個同步環(3個點組成1個環)，同步環相對閉合差最大1.5 ×10-6，共有3個環：①環GD14—GD21—GD17，平均邊長 5 556.278m，允許誤差508×10-6；②環GD13—R669—GD19，平均邊長2 836.055m，允許誤差270×10-6；③環GD30—GD31—GD19，平均邊長 7 506.699m，允許誤差681×10-6。最小同步環相對閉合差為0，同步環相對閉合差≤1×10-6的有216個，占91.5%，(1～1.5)×10-6的有20個，占8.5%。同步環坐標分量閉合差及環線全長閉合差見表1。

表1　同步環坐標分量閉合差及環線全長閉合差

注：最大值均在骨架點構成的環JTSH—R927—R685中，平均邊長30 234.218m。

2.3.4異步環精度統計

D級GPS控制網共有392個異步環，最大異步環相對閉合差5.7×10-6，環GD40—GD33—GD37的平均邊長4 235.885m。最小異步環相對閉合差0.1×10-6，異步環相對閉合差≤1×10-6的有238個，占60.7%，(1～2)×10-6的有108個，占27.6%，(2～3)×10-6的有34個，占8.7%，(3～5.7)×10-6的有12個，占3.0%。異步環坐標分量閉合差及環線全長閉合差見表2。

表2　異步環坐標分量閉合差及環線全長閉合差

2.3.5重復基線精度統計

D級GPS控制網共有52條重復基線，重復基線較差最大值33mm，基線為GD11—R686，基線邊長11 810.687m，復測基線較差允許值為335.2mm，復測基線較差最小值為0。

2.4GPS控制網平差

2.4.1三維自由網平差

D級GPS控制網利用南方測繪GPS數據處理軟件在WGS-84坐標系下進行三維無約束平差。最弱邊為GD38—GD35，相對中誤差1/250 298，基線邊長1 741.603m,最弱點為GD44，最優點為GD48。基線相對中誤差≤1/150萬的有100條，占40%， 1/80萬～1/150萬的有96條，占39%，1/25萬～ 1/80萬的有53條，占21%。三維自由網平差WGS-84坐標點位X、Y、Z的誤差分別為5.487、8.186、5.898mm。

2.4.2二維約束平差

根據D級GPS控制網優化設計，利用總參Ⅱ等補網點鳳凰山(GD21)、井頭山點作為整網平差起算點，在1954北京坐標系下進行二維約束平差，整網平差后單位權中誤差為0.815mm。二維約束平差基線相對中誤差≤1/150萬的有132條，占67%； 1/80萬～1/150萬的有54條，占27.4%；1/40萬～1/80萬的有11條，占5.6%。二維約束平差點位中誤差≥2mm的有1個，占2%；2～3mm的有38個，占77.6%；3～4mm的有10個，占20.4%。

2.5高程擬合

測區布設有二、三、四等水準控制網，省C級GPS控制網均有高程數據(1985國家高程基準，精度為四等)。根據高程系統的轉換關系(1956黃海高程基準=1985國家高程基準+0.02 9m)，將省測繪局1985國家高程基準轉換成1956黃海高程基準。利用14個分布均勻的GPS/水準點作為起算點，選取11個點作為檢核點，采用二次曲面擬合方法進行高程擬合。高程擬合的內、外符合精度分別為12.956、26.967mm，擬合高程與已知高程之差最大為36mm，最小為7mm。

3　水準測量

3.1水準測量概述

城市控制網改造項目布設有二、三、四等水準控制網，采用1956黃海高程基準，水準測量按照《城市測量規范》(CJJ/08—1999)進行施測，聯測GPS點17個，二等水準點9個，二等水準閉合環長104km，三等水準點10個，附合水準路線長19.8km，四等水準點22個，水準環2個，路線長分別為11.6、5.9km。

3.2外業觀測質量檢核

(1)二等水準測量。同一測段均計算往返測不符值Δ和測段長度Ls，Δ≤±4 Ls，該工程中最大Δ值為±5.5mm(ZYX—GE05)，長2.4km，Δ≤±4 Ls=±6.2mm。

(2)三、四等水準測量。三等水準同一測段均計算往返測不符值Δ和測段長度Ls，Δ≤±12 Ls，該工程中最大Δ值為±8.5mm(IV27—GD33)，長3.68km，Δ≤±12 Ls=±23.0mm。

3.3水準平差計算

水準網平差在清華山維NASEW2003軟件中進行。

(1)二等水準平差。控制網中已知點1個，待定點86個，直高174個，固定點為皖水乙II上。二等水準平差后，最大點位誤差0.004 38m，最大點間誤差0.001 50m。經計算，單向閉合差往測為 -28.8mm，返測為25.8mm，均精度要求(±40.58mm)。

(2)三等水準平差。三等水準控制網中待定點10個，直高22個，固定點2個(為GD36和機場小學)。三等水準平差后，最大點位誤差0.003 06m，最大點間誤差0.002 41m。經計算，附合差為 ±0.85mm，符合精度要求(±53.4mm)。

(3)四等水準平差。四等水準有2條線路：線路一為附合于QP02、WJ00點單一線路，待定點7個，直高8個；線路二為附合于IV003、D22、WJ03等三點的結點網，待定點13個，直高15個。線路一平差后，最大點位誤差0.001 96m，最大點間誤差0.001 78m；線路二平差后，最大點位誤差0.011 77m，最大點間誤差0.008 87m。按水準路線長度計算，線路一的附合差限差為±49mm，線路二的附合差限差為±67.8mm(IV003—D22路段，11.5km)和±32.9mm(D22—WJ03路段，2.7km)。

4　結　論

(1)GPS控制網改正項目基準系統應與原有控制網基準系統保持一致。

(2)注重GPS控制網的優化設計，為提高GPS控制網的可靠性，應適當增加觀測期數，增加多余觀測和獨立基線數，保證一定的重復設站率。各GPS控制點至少與3條以上基線獨立相連，短基線邊之間進行同步觀測，網中最小異步環的邊數不大于6條。

(3)為提高整個網的精度，應選定一定數量的GPS控制點構成骨架網。

(4)GPS高程擬合宜選用一定密度且分布均勻的GPS/水準點作為起算點，綜合考慮已知控制點的精度、內符合精度、外符合精度以及位置點精度，確定最優觀測方案。安慶市測量控制網改造項目的高程擬合精度可滿足1∶500大比例尺地形圖測繪的圖根點高程精度要求。

(5)水準觀測時應及時檢核各項觀測限差，避免不必要的返工，提高觀測效率。安慶市測量控制網改造項目利用GPS定位技術、精密水準儀等設備進行施測，D級GPS控制網、水準網成果精度較高，可滿足1∶500大比例尺地形圖測繪的需要，為城市規劃、“數字安慶”建設提供了基礎測繪資料，經濟效益和社會效益顯著。

[1]徐邵銓，張華海.GPS測量原理及應用[M].武漢：武漢大學出版社，1998.

[2]周建鄭.GPS測量定位技術[M].北京：化學工業出版社，2004,

[3]中華人民共和國國家測繪局.GB/T18314—2001全球定位系統(GPS)測量規范[S].北京：中國標準出版社，2001.

2015-11-18)

楊新成(1974—)，男，工程師，246001 安徽省安慶市戲校南路61號。