GPS在城市地籍測(cè)量中的應(yīng)用

郝東宏 郝東偉

【摘 要】簡(jiǎn)述了全球定位系統(tǒng)GPS的基本結(jié)構(gòu)和測(cè)量原理，總結(jié)了GPS用于城市地籍測(cè)量和城市測(cè)量控制網(wǎng)所具有的特點(diǎn)，介紹了GPS在地籍測(cè)量中的應(yīng)用實(shí)例。

【關(guān)鍵詞】GPS 地籍測(cè)量 測(cè)量控制網(wǎng) 精度

中圖分類號(hào)：G4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.3969/j.issn.1672-0407.2014.11.191

全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System，簡(jiǎn)稱GPS）是美國(guó)從20世紀(jì)70年代開始研制的用于軍事部門的新一代衛(wèi)星導(dǎo)航與定位系統(tǒng)，歷時(shí)20年，耗資200多億美元，分三階段研制，陸續(xù)投入使用，并于1994年全面建成。GPS是以衛(wèi)星為基礎(chǔ)的無線電衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，它具有全能性、全球性、全天候、連續(xù)性和實(shí)時(shí)性的精密三維導(dǎo)航與定位功能，而且具有良好的抗干擾性和保密性。因此，GPS技術(shù)率先在大地測(cè)量、工程測(cè)量、航空攝影測(cè)量、海洋測(cè)量、城市測(cè)量等測(cè)繪領(lǐng)域得到了應(yīng)用，并在軍事、交通、通信、資源、管理等領(lǐng)域展開了研究并得到廣泛應(yīng)用。

1 GPS簡(jiǎn)介

1.1 GPS構(gòu)成

GPS主要由空間衛(wèi)星星座、地面監(jiān)控站及用戶設(shè)備三部分構(gòu)成。

（1）GPS空間衛(wèi)星星座由21顆工作衛(wèi)星和3顆在軌備用衛(wèi)）星組成。24顆衛(wèi)星均勻分布在6個(gè)軌道平面內(nèi)，軌道平面的傾角為55°，衛(wèi)星的平均高度為20 200 km，運(yùn)行周期為11 h 58 min。衛(wèi)星用L波段的兩個(gè)無線電載波向廣大用戶連續(xù)不斷地發(fā)送導(dǎo)航定位信號(hào)，導(dǎo)航定位信號(hào)中含有衛(wèi)星的位置信息，使衛(wèi)星成為一個(gè)動(dòng)態(tài)的已知點(diǎn)。在地球的任何地點(diǎn)、任何時(shí)刻，在高度角15°以上，平均可同時(shí)觀測(cè)到6顆衛(wèi)星，最多可達(dá)到9顆。

（2）GPS地面監(jiān)控站主要由分布在全球的一個(gè)主控站、三個(gè)注入站和五個(gè)監(jiān)測(cè)站組成。主控站根據(jù)各監(jiān) 測(cè)站對(duì)GPS衛(wèi)星的觀測(cè)數(shù)據(jù)，計(jì)算各衛(wèi)星的軌道參數(shù)、鐘差參數(shù)等，并將這些數(shù)據(jù)編制成導(dǎo)航電文，傳送到注入站，再由注入站將主控站發(fā)來的導(dǎo)航電文注入到相應(yīng)衛(wèi)星的存儲(chǔ)器中。

（3）GPS用戶設(shè)備由GPS接收機(jī)、數(shù)據(jù)處理軟件及其終端設(shè)備（如計(jì)算機(jī)）等組成。GPS接收機(jī)可捕獲到按一定衛(wèi)星高度截止角所選擇的待測(cè)衛(wèi)星的信號(hào)，跟蹤衛(wèi)星的運(yùn)行，并對(duì)信號(hào)進(jìn)行交換、放大和處理，再通過計(jì)算機(jī)和相應(yīng)軟件，經(jīng)基線解算、網(wǎng)平差，求出GPS接收機(jī)中心（測(cè)站點(diǎn)）的三維坐標(biāo)。

1.2 GPS的工作原理

GPS系統(tǒng)是一種采用后方距離交會(huì)法的衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)。在需要測(cè)量的位置架設(shè)GPS接收機(jī)，在某一時(shí)刻同時(shí)接收了4顆以上的GPS衛(wèi)星所發(fā)出的導(dǎo)航電文，通過一系列數(shù)據(jù)處理和計(jì)算可求得該時(shí)刻GPS接收機(jī)至GPS衛(wèi)星的距離，同樣通過接收衛(wèi)星星歷可獲得該時(shí)刻這些衛(wèi)星在空間的位置（三維坐標(biāo)）。從而用距離交會(huì)的方法求得測(cè)量點(diǎn)的三維坐標(biāo)（X，Y，Z）。

1.3 GPS測(cè)量的特點(diǎn)

相對(duì)于常規(guī)測(cè)量來說，GPS測(cè)量主要有以下特點(diǎn)：①測(cè)量精度高。GPS觀測(cè)的精度明顯高于一般常規(guī)測(cè)量，在小于50 km的基線上，其相對(duì)定位精度可達(dá)1×10-6，在大于1 000 km的基線上可達(dá)1×10-8。②測(cè)站間無需通視。GPS測(cè)量不需要測(cè)站間相互通視，可根據(jù)實(shí)際需要確定點(diǎn)位，使得選點(diǎn)工作更加靈活方便。③觀測(cè)時(shí)間短。隨著GPS測(cè)量技術(shù)的不斷完善，軟件的不斷更新，在進(jìn)行GPS測(cè)量時(shí)，靜態(tài)相對(duì)定位每站僅需20 min左右，動(dòng)態(tài)相對(duì)定位僅需幾秒鐘。④儀器操作簡(jiǎn)便。目前GPS接收機(jī)自動(dòng)化程度越來越高，操作智能化，觀測(cè)人員只需對(duì)中、整平、量取天線高及開機(jī)后設(shè)定參數(shù)，接收機(jī)即可進(jìn)行自動(dòng)觀測(cè)和記錄。⑤全天候作業(yè)。GPS衛(wèi)星數(shù)目多，且分布均勻，可保證在任何時(shí)間、任何地點(diǎn)連續(xù)進(jìn)行觀測(cè)，一般不受天氣狀況的影響。⑥提供三維坐標(biāo)。GPS測(cè)量可同時(shí)精確測(cè)定測(cè)站點(diǎn)的三維坐標(biāo)，其高程精度已可滿足四等水準(zhǔn)測(cè)量的要求。

2 GPS測(cè)量技術(shù)設(shè)計(jì)

GPS測(cè)量技術(shù)設(shè)計(jì)是進(jìn)行GPS定位的最基本性工作，它的依據(jù)國(guó)家有關(guān)規(guī)范及GPS網(wǎng)的用途、用戶的要求等對(duì)測(cè)量工作的網(wǎng)形、精度及基準(zhǔn)等的具體設(shè)計(jì)。

2.1 GPS網(wǎng)技術(shù)設(shè)計(jì)的依據(jù)

GPS網(wǎng)技術(shù)設(shè)計(jì)的依據(jù)是GPS測(cè)量規(guī)范和測(cè)控任務(wù)書。

2.1.1 GPS測(cè)量規(guī)范

GPS測(cè)量規(guī)范是國(guó)家測(cè)繪管理部門或行業(yè)部門制定的技術(shù)法規(guī)。

2.1.2 測(cè)量任務(wù)書

測(cè)量任務(wù)書或測(cè)量施工單位上級(jí)主管部門或合同甲方下達(dá)的技術(shù)要求文件。這種技術(shù)文件是指令性的，它規(guī)定了測(cè)量任務(wù)的范圍、目的、精度和密度要求，提交成果資料的項(xiàng)目和時(shí)間，完成的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)等。在GPS方案設(shè)計(jì)時(shí)，一般首先依據(jù)任務(wù)書提出的GPS網(wǎng)的精度、密度和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，再結(jié)合規(guī)范規(guī)定并現(xiàn)場(chǎng)踏勘具體確定各點(diǎn)的連接方法，各點(diǎn)設(shè)站觀測(cè)的次數(shù)、時(shí)間長(zhǎng)短等部網(wǎng)觀測(cè)方案。

2.2 GPS網(wǎng)的精度、密度設(shè)計(jì)

2.2.1 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。用于城市地籍測(cè)量的GPS控制網(wǎng)可根據(jù)相鄰點(diǎn)的平均距離和精度參照《規(guī)范》中的二、三、四等和一、二、級(jí)見表1

2.2.2GPS測(cè)量控制網(wǎng)布設(shè)

在實(shí)際工作中，精度標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定要根據(jù)用戶的實(shí)際需要及人力、物力、財(cái)力情況合理設(shè)計(jì)，也可參照本部門已有的生產(chǎn)規(guī)程和作業(yè)經(jīng)驗(yàn)適當(dāng)掌握。在具體布設(shè)中，可以分級(jí)布設(shè)，也可以越級(jí)布設(shè)，或布設(shè)同級(jí)全面網(wǎng)。在實(shí)際布網(wǎng)設(shè)計(jì)時(shí)還要注意以下幾點(diǎn)：① GPS網(wǎng)的點(diǎn)與點(diǎn)之間盡管不要求通視，但是考慮到利用常規(guī)測(cè)量加密的需要，每點(diǎn)應(yīng)有一個(gè)以上的通視方向。② 為了顧客及原城市測(cè)繪成果資料以及各種大比例尺地形圖的沿用，應(yīng)采用原有城市坐標(biāo)系統(tǒng)。對(duì)凡GPS網(wǎng)點(diǎn)要求的舊點(diǎn)，應(yīng)充分利用其標(biāo)石。③ GPS網(wǎng)必須由非同步獨(dú)立觀測(cè)邊構(gòu)成若干個(gè)閉合環(huán)或復(fù)合線路。

3 應(yīng)用實(shí)例

簡(jiǎn)介了本地區(qū)GPS四等平面控制網(wǎng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案與施測(cè)結(jié)果，并得出使用GPS建網(wǎng)比使用全站儀建網(wǎng)具有效率高、費(fèi)用省的結(jié)論。

3.1測(cè)區(qū)概況

海城市為比較發(fā)達(dá)的地區(qū)，海城河緩延曲折從城市中間穿過。河岸多為含沙泥，間有風(fēng)化、半風(fēng)化巖石。兩岸大量種植玉米、黃豆、及各種經(jīng)濟(jì)果林，植被茂盛，通視不良。資料表明，測(cè)區(qū)Ⅱ等以上國(guó)家控制點(diǎn)大部份已遭毀壞，僅存Ⅱ等以上控制點(diǎn)兩點(diǎn)，Ⅰ級(jí)控制點(diǎn)一點(diǎn)，而且現(xiàn)存控制點(diǎn)的分布并不理想。其中“老尖嶺”位于河道中段偏下游北岸4公里開外的土嶺頂上?！叭脦X”位于河道中段南岸1公里開外的山嶺上。其中“三棵嶺”為Ⅱ等國(guó)家控制點(diǎn)，“老尖嶺”為Ⅱ等國(guó)家控制點(diǎn)。另一個(gè)Ⅰ級(jí)控點(diǎn)位于河道下游南岸邊的仔站山頂上如圖1所示：

3.2控制網(wǎng)的優(yōu)化布設(shè)

根據(jù)任務(wù)要求，四等和一級(jí)導(dǎo)線控制網(wǎng)均沿河岸布設(shè)。很明顯，一級(jí)導(dǎo)線網(wǎng)沿河布設(shè)成附合導(dǎo)線最為經(jīng)濟(jì)合理，而且能保證精度，關(guān)鍵在于四等網(wǎng)的布設(shè)，首先考慮一級(jí)網(wǎng)對(duì)四等網(wǎng)的要求。一級(jí)導(dǎo)線總長(zhǎng)限制在10公里以內(nèi)。因此，對(duì)于四等點(diǎn)來說，沿河布設(shè)間隔不能超過10公里。其次，考慮附合導(dǎo)線與起算邊至少有一頭需測(cè)連接角（一級(jí)導(dǎo)線邊長(zhǎng)較短，數(shù)量較多，擬采用全站儀施測(cè)）。故沿河四等點(diǎn)的邊長(zhǎng)也不能太長(zhǎng)，否則觀測(cè)連接角時(shí)通視將成問題。經(jīng)以上分析，四等控制網(wǎng)的網(wǎng)形設(shè)計(jì)按測(cè)邊網(wǎng)進(jìn)行，布設(shè)時(shí)有如下3種方案：①各短邊與S1-S2（Ⅱ等己知邊）組成獨(dú)立的大地四邊形；②各短邊與兩個(gè)Ⅲ等點(diǎn)S1、S2組成一大一小的兩個(gè)三邊形，各三邊形之間聯(lián)測(cè)一條邊；③前兩種方案的結(jié)合。

第一種方案中，控制網(wǎng)圖形強(qiáng)度好，有利于精度條件的滿足。但由于各短邊被分成若干個(gè)獨(dú)立網(wǎng)，各網(wǎng)間缺少聯(lián)系，不利于整個(gè)四等網(wǎng)各控制點(diǎn)之間點(diǎn)位精度的一致。容易造成一級(jí)附合導(dǎo)線網(wǎng)出現(xiàn)較大的方位角閉合差和坐標(biāo)閉合差。

第二種方案中，整個(gè)控制網(wǎng)連成一體，點(diǎn)位精度均勻。但因?yàn)槎踢吪c已知邊之間缺少一條加強(qiáng)邊，使得每一條短邊產(chǎn)生一個(gè)圖形極差的三邊形，嚴(yán)重影響了整體精度的提高。

第三種方案則優(yōu)于前兩種方案。

控制網(wǎng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)采用計(jì)算機(jī)輔助分析計(jì)算。按照S86T型GPS接收機(jī)靜態(tài)測(cè)距 精度±2.5mm+1ppm作為估算依據(jù)。計(jì)算測(cè)邊網(wǎng)各控制點(diǎn)點(diǎn)位誤差。三種網(wǎng)形估算的精度如表1：

從以上估算的結(jié)果來看，三種網(wǎng)形的點(diǎn)位誤差均滿足設(shè)計(jì)精度要求。第三種方案估算明顯較高，第二種方案稍差。而第一種方案并沒有出現(xiàn)前面分析的精度明顯不均勻的情況，原因在于圖形較好。該方案比第三方案測(cè)站數(shù)少，而比第二方案設(shè)站集中，綜合各種因素，決定按第一種方案，多形布設(shè)測(cè)量。

3.3外業(yè)觀測(cè)

外業(yè)采用S86T型GPS接收機(jī)測(cè)量（該機(jī)為廣州南方測(cè)繪儀器公司生產(chǎn)，主機(jī)采用美國(guó)天寶公司接收板，該主板擁有先進(jìn)的PAC與VISION技術(shù)，能夠利用信號(hào)的特性建模來識(shí)別多路徑反射影響，配合南方獨(dú)有的四饋點(diǎn)接收天線、嚴(yán)格的電子屏蔽和特殊的內(nèi)部構(gòu)造設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)對(duì)多路徑干擾的抑制。再加上主板采用的長(zhǎng)距離解算模型，可以達(dá)到超長(zhǎng)的作業(yè)效果。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器為主機(jī)自帶內(nèi)存128M。技術(shù)指標(biāo)為220通道，靜態(tài)測(cè)距平面精度為：±2.5mm+1ppm，靜態(tài)測(cè)距高程精度為：± 5mm+1ppm），打開主機(jī)電源，注意觀察監(jiān)控窗口中的信息，包括空間位置精度因子HDOP或PDOP、各通道的信噪比和跟蹤狀態(tài)（模式）。各種觀測(cè)指標(biāo)符合條件后，按F2鍵進(jìn)入數(shù)據(jù)采集狀態(tài)，輸入測(cè)站名、當(dāng)天同步觀測(cè)時(shí)段（注意不能重復(fù)，否則覆蓋上個(gè)時(shí)段數(shù)據(jù)）和天線高度，進(jìn)入采集狀態(tài)。數(shù)據(jù)采集完畢時(shí)，關(guān)閉主機(jī)電源，整理現(xiàn)場(chǎng)記錄，撤站。

3.4觀測(cè)數(shù)據(jù)的后處理

3.4.1觀測(cè)數(shù)據(jù)的傳輸

把觀測(cè)數(shù)據(jù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)上處理。將主機(jī)與微機(jī)聯(lián)接好，建立工程項(xiàng)目任務(wù)（子目錄）后，打開主機(jī)，進(jìn)入文件管理界面，將外業(yè)采集的數(shù)據(jù)拷貝到電腦中。并將數(shù)據(jù)導(dǎo)入到南方GNSS數(shù)據(jù)解算軟件中。

3.4.2基線向量處理

GPS接收機(jī)所接收的信息（觀測(cè)量）為偽距、載波相位差及星歷數(shù)據(jù)。要得到兩測(cè)站間的基線向量（相當(dāng)于兩站天線間的直線距離），必須對(duì)GPS接收機(jī)信息進(jìn)行計(jì)算處理?；€解算的過程如下：首先作三差解算，求未知數(shù)的初始值；接著進(jìn)行周跳修復(fù)，求取雙差浮動(dòng)解；尋找整周固定未知數(shù)（模糊度）并進(jìn)行探查修復(fù)；最后求出雙差固定解（若未找到可靠模糊度，則求出雙差浮動(dòng)解）。由于受GPS接收機(jī)本身的限制，存在衛(wèi)星與接收機(jī)之間的時(shí)鐘誤差和衛(wèi)星軌道誤差。另外，衛(wèi)星信號(hào)的傳播也受到電離層、對(duì)流層及多路徑等環(huán)境影響，致使觀測(cè)的質(zhì)量降低。因此，在基線向量解算時(shí)，需要對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)有針對(duì)性地進(jìn)行取舍，以滿足具體條件下基線向量解算成果的質(zhì)量。如修改歷元間隔、起始?xì)v元、歷元總數(shù)、衛(wèi)星高度角、方差因子、有效歷元等。

基線向量處理是GPS數(shù)據(jù)當(dāng)中重要的一環(huán)，基線向量成果的好壞直接影響后續(xù)網(wǎng)平差成果質(zhì)量，需要認(rèn)真對(duì)待。南方測(cè)繪儀器公司的基線解算軟件具有較強(qiáng)的解算能力，界面也相當(dāng)友好，GPS四等平面控制網(wǎng)基線解算成果如表2：

3.4.3網(wǎng)平差處理

基線向量解算后即可進(jìn)行網(wǎng)平差處理。首先對(duì)基線進(jìn)行組網(wǎng)，即選擇參加平差的基線向量，然后定義坐標(biāo)系統(tǒng)，輸入中央經(jīng)線值，輸入已知固定點(diǎn)坐標(biāo)，選定起算基準(zhǔn)點(diǎn)，運(yùn)行平差程序。程序提供了自由網(wǎng)平差、三維約束平差、二維約束平差和高程擬合幾種功能?？紤]GPS對(duì)高程的觀測(cè)精度尚不能滿足四等以上技術(shù)要求，我們選擇了二維約束平差，運(yùn)行程序結(jié)果如表3：

3.4.4GPS與常規(guī)導(dǎo)線布測(cè)方法功能比較

GPS定位系統(tǒng)采用微波建立與衛(wèi)星的空間關(guān)系，從而達(dá)到測(cè)距目的，因而不受通視及氣象因素的影響。觀測(cè)距離可達(dá)30km甚至更遠(yuǎn)，與全站儀相比，GPS的這些優(yōu)勢(shì)可免去大量的中間地面觀測(cè)。以本次測(cè)量為例，由于測(cè)區(qū)已知控制點(diǎn)少，以全站儀沿河布置60km一級(jí)導(dǎo)線并與已知點(diǎn)構(gòu)成足夠的導(dǎo)線網(wǎng)，中間至少需多測(cè)近100km長(zhǎng)導(dǎo)線，多花時(shí)間20天。經(jīng)初步估算，本次測(cè)量中GPS與全站儀相比，效率高2～3倍，費(fèi)用僅占全站儀的1/5左右。

4 結(jié)束語

城市地籍測(cè)繪是城市各項(xiàng)社會(huì)和經(jīng)濟(jì)建設(shè)的基礎(chǔ)，而整個(gè)城市控制網(wǎng)就是最根本的保障。原上世紀(jì)七十年代以前國(guó)家建立了覆蓋全國(guó)的大地控制，但是由于年代久遠(yuǎn)，保存下來的控制點(diǎn)已不多，近幾年來經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，更將城市測(cè)繪推入高速發(fā)展時(shí)期，因而建立新的城市控制網(wǎng)就是必須的工作。在城市控制網(wǎng)建立采用GPS定位方法，可以減少大量的人力物力，并可以提高效率，大幅提高測(cè)量精度。通過GPS在測(cè)量中的應(yīng)用，得到如下體會(huì)。①GPS控制網(wǎng)選點(diǎn)靈活，布網(wǎng)方便，基本不受通視、網(wǎng)形的限制，特別是在地形復(fù)雜、通視困難的測(cè)區(qū)，更顯其優(yōu)越性。但由于測(cè)區(qū)條件較差，邊長(zhǎng)較短（平均邊長(zhǎng)不到300 m），基線相對(duì)精度較低，個(gè)別邊長(zhǎng)相對(duì)精度大于1/10 000。因此，當(dāng)精度要求較高時(shí)，應(yīng)避免短邊，無法避免時(shí)，要謹(jǐn)慎觀測(cè)。②GPS接收機(jī)觀測(cè)基本實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化、智能化，且觀測(cè)時(shí)間在不斷減少，大大降低了作業(yè)強(qiáng)度，觀測(cè)質(zhì)量主要受觀測(cè)時(shí)衛(wèi)星的空間分布和衛(wèi)星信號(hào)的質(zhì)量影響。但由于各別點(diǎn)的選定受地形條件限制，造成樹木遮擋，影響對(duì)衛(wèi)星的觀測(cè)及信號(hào)的質(zhì)量，經(jīng)重測(cè)后通過。因此，應(yīng)嚴(yán)格按有關(guān)要求選點(diǎn)，擇最佳時(shí)段觀測(cè)，并注意手機(jī)、步話機(jī)等設(shè)備的使用。③GPS測(cè)量的數(shù)據(jù)傳輸和處理采用隨機(jī)軟件完成，只要保證接收衛(wèi)星信號(hào)的質(zhì)量和已知數(shù)據(jù)的數(shù)量、精度，即可方便地求出符合精度要求的控制點(diǎn)三維坐標(biāo)。但由于聯(lián)測(cè)已知高程點(diǎn)較少（僅聯(lián)測(cè)5個(gè)），致使的控制點(diǎn)高程精度較低。因此，要保證控制點(diǎn)高程的精度，必須聯(lián)測(cè)足夠的已知高程點(diǎn)。

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