GPS在數(shù)字化地形測(cè)量中的應(yīng)用

丁 婷，楊 彬

(河北九華勘查測(cè)繪有限責(zé)任公司，河北保定071051)

一、GPS簡介

GPS通常采用測(cè)距的方法來提供各種數(shù)據(jù)。除此之外，還可采用多普勒定位與測(cè)速法、載波相位法和干涉法定位。GPS衛(wèi)星定位測(cè)量的基本原理是:利用GPS接收機(jī)在某一時(shí)刻同時(shí)接收3顆或以上的GPS衛(wèi)星信號(hào)，用戶利用這些信息測(cè)量出測(cè)站點(diǎn)至3顆或以上GPS衛(wèi)星的距離，并計(jì)算出該時(shí)刻GPS衛(wèi)星的三維坐標(biāo)，根據(jù)距離交會(huì)原理解算出測(cè)站點(diǎn)的三維坐標(biāo)。然而，由于衛(wèi)星和接收機(jī)的時(shí)鐘誤差，因此，GPS衛(wèi)星定位測(cè)量應(yīng)至少對(duì)4顆衛(wèi)星進(jìn)行觀測(cè)來進(jìn)行定位計(jì)算。如圖1所示可確定4個(gè)距離觀測(cè)方程。

圖1 對(duì)4顆衛(wèi)星進(jìn)行觀測(cè)

式中:i=1、2、3、4;C 為 GPS 信號(hào)的傳播速度;(Xi，Yi，Zi)為衛(wèi)星的軌道坐標(biāo);ti為各個(gè)衛(wèi)星的時(shí)鐘差;ρi為各個(gè)衛(wèi)星到測(cè)站點(diǎn)接收機(jī)天線的距離。

二、數(shù)字化地形測(cè)量概述

隨著測(cè)繪技術(shù)的飛速發(fā)展，GPS+全站儀+計(jì)算機(jī)的全數(shù)字化地形測(cè)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(tǒng)的大平板儀地形測(cè)量，成為地形測(cè)量的主流模式;另一方面，地形測(cè)量模式的更新又將對(duì)測(cè)繪單位儀器設(shè)備、人員素質(zhì)、管理方式、作業(yè)組織等產(chǎn)生一系列的影響。

數(shù)字化地形測(cè)量的生產(chǎn)工序可概括為兩個(gè)環(huán)節(jié):一是控制測(cè)量與計(jì)算機(jī)輔助平差計(jì)算;二是碎部數(shù)據(jù)采集與軟件編圖成圖。兩個(gè)環(huán)節(jié)間以數(shù)據(jù)傳輸為紐帶，即可平行施工又可順序施工，與傳統(tǒng)地形測(cè)量相比，壓縮了大量的中間生產(chǎn)環(huán)節(jié)。

三、GPS數(shù)據(jù)處理

GPS數(shù)據(jù)處理要從原始的觀測(cè)值出發(fā)得到最終的測(cè)量定位成果，其數(shù)據(jù)處理過程大致分為GPS測(cè)量數(shù)據(jù)的基線向量解算、GPS基線向量網(wǎng)平差以及GPS網(wǎng)平差或與地面網(wǎng)聯(lián)合平差等幾個(gè)階段。數(shù)據(jù)處理的基本流程:數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、預(yù)處理、基線解算、GPS網(wǎng)平差。

1.GPS網(wǎng)技術(shù)設(shè)計(jì)

GPS技術(shù)分為外業(yè)施測(cè)和內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理兩部分工作。外業(yè)施測(cè)是內(nèi)業(yè)工作的數(shù)據(jù)來源，也是整個(gè)GPS技術(shù)工作的基礎(chǔ)。如何作好GPS野外作業(yè)，對(duì)確保GPS外業(yè)觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量，提高整個(gè)GPS技術(shù)的成果精度，顯得尤為重要。

(1)GPS測(cè)量精度標(biāo)準(zhǔn)及分類

對(duì)于各類GPS網(wǎng)的精度設(shè)計(jì)主要取決于網(wǎng)的用途。用于地殼形變及國家基本大地測(cè)量的GPS網(wǎng)可參照《規(guī)范》中的A、B級(jí)精度分級(jí)，見表1;用于城市或工程的GPS網(wǎng)可根據(jù)相鄰點(diǎn)的平均距離和精度參照《規(guī)程》中的二、三、四等和一、二級(jí)精度分級(jí)，見表2。在具體布設(shè)中，可以分級(jí)布設(shè)，也可以越級(jí)布設(shè)。

各等級(jí)GPS相鄰點(diǎn)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(jī)標(biāo)稱精度中的固定誤差;b為GPS接收機(jī)標(biāo)稱精度中的比例誤差系數(shù);d為GPS網(wǎng)中相鄰點(diǎn)間的距離。

表1 GPS測(cè)量精度分級(jí)(一)

表2 GPS測(cè)量精度分級(jí)(二)

(2)GPS點(diǎn)的密度標(biāo)準(zhǔn)

各種不同的任務(wù)要求和服務(wù)對(duì)象，對(duì)GPS點(diǎn)的分布要求也不同?，F(xiàn)行規(guī)范對(duì)GPS網(wǎng)中兩相鄰點(diǎn)間的距離、各等級(jí)GPS網(wǎng)相鄰點(diǎn)的平均距離視其需要也做出規(guī)定，見表3。

表3 GPS網(wǎng)中相鄰點(diǎn)間距 km

2.外業(yè)數(shù)據(jù)采集

利用RTK進(jìn)行數(shù)字化測(cè)圖的基本步驟是先控制測(cè)量，然后利用RTK測(cè)量圖根點(diǎn)，再利用全站儀測(cè)量碎步點(diǎn)，再進(jìn)行數(shù)字化成圖。或者是先控制測(cè)量，然后直接利用RTK測(cè)量碎部點(diǎn)，再進(jìn)行數(shù)字化成圖。作業(yè)過程主要包括外業(yè)數(shù)據(jù)采集和內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理，外業(yè)數(shù)據(jù)采集包括控制測(cè)量和碎部測(cè)量兩部分，內(nèi)業(yè)主要包括GPS數(shù)據(jù)處理和數(shù)字化地圖編輯。

四、實(shí)例分析

1.測(cè)區(qū)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(cè)是峭壁聳立，左面是萬丈深谷，地勢(shì)險(xiǎn)峻。在峭壁山路口，有一半側(cè)小亭，柱梁貼崖而立。

測(cè)區(qū)為朱砂沖的一個(gè)廠房，廠址區(qū)位于井岡山北76 km處，中心地理坐標(biāo)已確定，在測(cè)區(qū)內(nèi)以一個(gè)四等GPS點(diǎn)為起算點(diǎn)。

為了對(duì)該測(cè)區(qū)10 km2進(jìn)行1∶500的地形圖測(cè)量，布設(shè)了一級(jí)控制網(wǎng)。

2.GPS網(wǎng)控制測(cè)量

根據(jù)工程測(cè)量設(shè)計(jì)及規(guī)范要求進(jìn)行較高精度的測(cè)量;本次平面控制采用采用Trimble雙頻GPS接收機(jī)衛(wèi)星定位測(cè)量方法聯(lián)測(cè)國家高等級(jí)控制點(diǎn)，沿測(cè)區(qū)布設(shè)一級(jí)GPS控制網(wǎng)進(jìn)行首級(jí)控制。

利用GPS建立一級(jí)控制點(diǎn)，每時(shí)段采集數(shù)據(jù)前，作業(yè)員量取天線高，記錄此時(shí)段的接收衛(wèi)星數(shù)、故障情況;一個(gè)時(shí)段觀測(cè)過程中無關(guān)閉接收機(jī)重新啟動(dòng)、進(jìn)行接收機(jī)初始化、改變數(shù)據(jù)采集間隔、改變天線位置;觀測(cè)員在作業(yè)期間未擅自離開測(cè)站，并應(yīng)防止儀器受震動(dòng)和被移動(dòng)，防止人和其他物體靠近儀器、以免遮擋衛(wèi)星信號(hào);觀測(cè)時(shí)無人在接收機(jī)旁使用手機(jī)和對(duì)講機(jī)，避免了干擾衛(wèi)星信號(hào);在觀測(cè)過程中應(yīng)保證接收機(jī)正常工作，數(shù)據(jù)記錄正確，觀測(cè)結(jié)束后，在GPS手簿中輸入這些點(diǎn)的WGS-84坐標(biāo)和地方坐標(biāo)，手簿內(nèi)置軟件會(huì)自動(dòng)計(jì)算控制點(diǎn)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)。為了提高精度，將天線設(shè)置在對(duì)點(diǎn)器上，設(shè)置好天線高、基準(zhǔn)站點(diǎn)坐標(biāo)、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)、預(yù)設(shè)精度指標(biāo)等參數(shù)，觀測(cè)控制網(wǎng)和數(shù)據(jù)如下。

平差后得該控制網(wǎng)平差成果表，見表4。

表4 1985國家基準(zhǔn)高程

朱砂沖廠房控制網(wǎng)如圖2所示。

圖2 控制網(wǎng)

用GPS RTK布設(shè)圖根點(diǎn)，根據(jù)《工程測(cè)量規(guī)范》圖根點(diǎn)的精度相對(duì)于鄰近等級(jí)控制點(diǎn)的點(diǎn)位中誤差不應(yīng)大于圖上0.1 mm;高程的中誤差，不應(yīng)大于測(cè)圖基本等高距的1/10;用實(shí)時(shí)GPS RTK來布設(shè)圖根點(diǎn)，并結(jié)合表4可以得出，RTK的測(cè)量精度完全能夠達(dá)到一級(jí)導(dǎo)線網(wǎng)的測(cè)量。在RTK精度檢查完畢后，再開始測(cè)量圖根點(diǎn)，測(cè)得部分圖根控制點(diǎn)坐標(biāo)成果，見表5。

表5 圖根點(diǎn)控制成果表

3.1∶500地形圖碎部測(cè)量

由于測(cè)區(qū)范圍較大，工期短，在野外數(shù)據(jù)采集時(shí)用采用萊卡TCR302全站儀和Trimble雙頻GPS接收機(jī)同時(shí)對(duì)測(cè)區(qū)進(jìn)行野外數(shù)據(jù)采集。

使用全站儀及GPS RTK在野外采集數(shù)據(jù)十分快捷方便。在數(shù)據(jù)采集以前要作好點(diǎn)矯正、建立文件等準(zhǔn)備工作，架設(shè)好基準(zhǔn)站以后要檢測(cè)流動(dòng)站測(cè)點(diǎn)是否準(zhǔn)確，然后就可以開始進(jìn)行碎部點(diǎn)的測(cè)量采集了。在碎部點(diǎn)的采集過程中應(yīng)盡量保證采點(diǎn)均勻，重復(fù)點(diǎn)盡量減少，否則會(huì)影響DTM的建立，不利于成圖。在野外工作時(shí)，要及時(shí)將特殊地物等特征點(diǎn)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(yè)時(shí)一定要注意衛(wèi)星數(shù)目不小于4顆。

4.內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理與成圖

成圖過程:首先將RTK數(shù)據(jù)用傳輸軟件保存到電腦上，用轉(zhuǎn)換軟件將其轉(zhuǎn)化DAT文件。下一步展野外高程點(diǎn)，將點(diǎn)展入CASS7.0軟件，可以將一些重復(fù)或者沒有用的點(diǎn)刪除，然后建立DTM，(考慮有圖面建立DTM會(huì)有數(shù)據(jù)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(yīng)比較小，一般為2米。其中地物可以在展點(diǎn)以后勾勒，也可以將原來的地物圖用插入圖塊命令加入。對(duì)不正確的線用APPLOAD—GAILINE命令修改比較方便，再標(biāo)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(cè)量地形圖的精度分析采用的是南方測(cè)繪GPS數(shù)據(jù)處理軟件，將朱砂沖廠房控制點(diǎn)導(dǎo)入南方測(cè)繪GPS數(shù)據(jù)處理軟件，所得GPS網(wǎng)平差結(jié)果如下。

GPS網(wǎng)平差結(jié)果:環(huán)閉合差中包括所有基線的解算;閉合環(huán)最大節(jié)點(diǎn)數(shù)3;閉合環(huán)總數(shù)17;同步環(huán)總數(shù)7;異步環(huán)總數(shù)10。

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

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

同步環(huán)全長相對(duì)閉合差限差15.00×10-6;同步環(huán)坐標(biāo)分量相對(duì)閉合差限差9.00×10-6;閉合環(huán)最大節(jié)點(diǎn)數(shù)3;閉合環(huán)總數(shù)9;同步環(huán)總數(shù)4;異步環(huán)總數(shù)5。

五、結(jié)束語

GPS的出現(xiàn)是對(duì)傳統(tǒng)測(cè)量方法的一次重大的變革，徹底改變了以往的測(cè)量作業(yè)模式，以其高精度、高效率、全天候的優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用到測(cè)量生產(chǎn)單位中。在實(shí)際測(cè)量過程中它有很多優(yōu)秀的方面，但同時(shí)也有些技術(shù)限制，只有了解其劣勢(shì)所在，才能避其利害，把有利于實(shí)際生產(chǎn)的技術(shù)帶到工程應(yīng)用中來。

［1］徐紹銓，張華海，楊志強(qiáng)，等.GPS測(cè)量原理及應(yīng)用［M］.武漢:武漢大學(xué)出版社，2003.

［2］周忠謨，易杰軍.GPS衛(wèi)星測(cè)量原理與應(yīng)用［M］.北京:測(cè)繪出版社，1992.

［3］李震章，代洪君.工程測(cè)量中GPS測(cè)量技術(shù)的優(yōu)、缺點(diǎn)［R］.黑龍江:黑龍江地理信息工程院，2007.

［4］孟煌.GPS實(shí)時(shí)RTK測(cè)量技術(shù)及其應(yīng)用［J］.華南熱帶農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2006(4):71-76.

［5］潘正風(fēng)，楊正堯.數(shù)字測(cè)圖原理與方法［M］.武漢 :武漢大學(xué)出版社，2002.

［6］張淑菡.GPS控制網(wǎng)技術(shù)設(shè)計(jì)［J］.河北建筑工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2008，26(4):161-167.