淺談GPS控制測量在農(nóng)村地籍測量中的應(yīng)用

曾程文許南海 張席由

（1.江西核工業(yè)測繪院江西南昌 330001；2.瑞金市國土資源局江西瑞金 342500）

淺談GPS控制測量在農(nóng)村地籍測量中的應(yīng)用

曾程文1許南海2張席由1

（1.江西核工業(yè)測繪院江西南昌 330001；2.瑞金市國土資源局江西瑞金 342500）

本文結(jié)合江西省全南縣農(nóng)村地籍調(diào)查項目中首級GPS控制網(wǎng)的布設(shè)，以及GPS網(wǎng)的內(nèi)外業(yè)數(shù)據(jù)處理的原理，總結(jié)出在大范圍內(nèi)布設(shè)首級GPS控制網(wǎng)的方法、數(shù)據(jù)評定及其應(yīng)用方向。

地籍調(diào)查；首級GPS；控制網(wǎng)；數(shù)據(jù)處理

0 引言

建立一個覆蓋全縣調(diào)查范圍的首級GPS控制網(wǎng)，對全面、準(zhǔn)確查清農(nóng)村集體土地所有權(quán)、集體建設(shè)用地和宅基地使用權(quán)等的權(quán)屬、界址、面積、用途和位置，形成權(quán)屬合法、界址清楚、面積準(zhǔn)確、地類（用途）明確、圖數(shù)實地一致的農(nóng)村地籍調(diào)查成果顯得尤為重要。

1 測區(qū)概況及已有資料情況

1.1 測區(qū)概況

全南縣地處江西省最南端，東經(jīng)114°10′-114° 50′，北緯24°30′-25°10′。東鄰龍南縣，南毗廣東翁源縣、連平縣，西接廣東始興縣，北接廣東南雄市，東北連信豐縣。60%的邊界與廣東接壤，素有“江西南大門”之稱。全縣總面積1534.64平方公里，轄9個鄉(xiāng)(鎮(zhèn))，整個縣呈東北—西南長條走向。

1.2 已有資料的收集及分析情況

我們收集全南縣及周邊縣市國家及地方各等級點成果資料，作為控制點解算及坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)的起算數(shù)據(jù)。通過分析發(fā)現(xiàn)已有C級GPS點分布不均勻，經(jīng)現(xiàn)場踏勘，V551控制點已損毀，不能滿足所有鄉(xiāng)鎮(zhèn)加密一級GPS網(wǎng)及圖根控制測量的需要，所以計劃在已有C級GPS點的基礎(chǔ)上，在沒有控制點分布的區(qū)域布設(shè)D級GPS點。如圖1所示，紅色表示已有C級GPS控制點分布位置，黃色表示新增D級GPS控制點分布位置。

2 D級GPS控制網(wǎng)的布設(shè)

2.1 布網(wǎng)方案

根據(jù)現(xiàn)有控制點分布情況，結(jié)合全南縣地形地貌，在全縣沒有C級GPS控制點覆蓋的5個鄉(xiāng)鎮(zhèn)布設(shè)5個D級GPS點?？紤]到點位分布廣，基線較長，交通不便等因素影響，為保證整個網(wǎng)形精度的可靠性，我們采用同步圖形擴展式（網(wǎng)模式）的布網(wǎng)形式，可以對基線進行較長時間、多時段的觀測，從而能較好的消弱軌道誤差、大氣折射和多路徑效應(yīng)等因素的影響。如圖1所示，整個GPS控制網(wǎng)由12個點組成，分布于各個鄉(xiāng)鎮(zhèn)。

圖1 首級GPS控制點分布圖

2.2 控制點的選埋

1.選點

控制點選點需符合下列要求：1）點位的基礎(chǔ)堅實穩(wěn)定，易于長期保存，并有利于安全作業(yè)。2）點位視野開闊，視場內(nèi)障礙物的角度不超過15°。3）點位遠離大功率無線電發(fā)射源，其距離不小于200米，并離開高壓輸電線50米以上。4）點位應(yīng)選擇在交通便利，并且有利于擴展和聯(lián)測的地點。

2.埋石

GNSS控制點采用埋設(shè)預(yù)制水泥標(biāo)石。預(yù)制標(biāo)石尺寸為：上表面20×20cm，高60cm。如圖2、圖3所示。

圖2 GPS控制點標(biāo)志

圖3 D級GPS點埋設(shè)

3.控制點編號

為方便測繪成果的統(tǒng)一管理和使用，本項目D級GPS點的編號按GD001開始順序編號，其中GD代表D級GPS點，001為順序號。

3 控制點的觀測及基線數(shù)據(jù)處理

3.1 外業(yè)觀測

GPS測量選用四臺中海達HD8200GD單頻接收機（儀器標(biāo)稱精度為：平面±(10mm+1ppm×D)）采用網(wǎng)連式觀測作業(yè)方式進行靜態(tài)數(shù)據(jù)采集，同步觀測時間不小于60分鐘。觀測前根據(jù)測區(qū)地形和交通狀況、GPS設(shè)計的基線最短觀測時間、衛(wèi)星星歷預(yù)報等因素綜合考慮，編制觀測計劃調(diào)度表，同時依照實際作業(yè)的進展情況，及時作出必要的調(diào)整。觀測時嚴(yán)格按照規(guī)范要求執(zhí)行。

3.2 基線數(shù)據(jù)處理及分析

對于每天的原始觀測數(shù)據(jù)都及時進行基線解算，并檢查外業(yè)記錄和輸入的點號、天線高等是否有誤?；€處理時采用軟件缺省值，絕大部分基線在缺省模式下自動解算?；€最終結(jié)果采用雙差固定解。

1．基線清理

外業(yè)觀測過程中，由于GPS接收機較多，會自然同步產(chǎn)生許多基線，即許多相距較遠的點連接而成的基線，這些長基線往往同步觀測時間短，屬于不必要的，對控制網(wǎng)質(zhì)量也無多大益處，為節(jié)省計算時間，應(yīng)在基線解算前將其清除。

2．基線解算

在基線解算過程中，發(fā)現(xiàn)少數(shù)衛(wèi)星的觀測時間太短，導(dǎo)致這些衛(wèi)星的整周未知數(shù)無法確定，就要剔除觀測時間太短的衛(wèi)星，不允許此數(shù)據(jù)參與解算。另外，在觀測很短時間就消失的衛(wèi)星要剔除，如下圖4所示，基線A095-DG001衛(wèi)星03、13號在觀測很短時間就消失了衛(wèi)星，衛(wèi)星17、20、32號觀測時間太短，將此衛(wèi)星數(shù)據(jù)剔除，不參與計算。

圖4 基線解算示意圖

系統(tǒng)缺省預(yù)置的截止高度角是15度，增大截止高度角，對求解整周未知數(shù)與提高成果精度有益，因為所有相位的噪聲隨衛(wèi)星的高度角增大而降低。如果能滿足具有良好的GDOP值、衛(wèi)星數(shù)≥4，選擇25度截止高度角最理想。如圖5所示:基線A095—V544，在軟件缺省預(yù)置的截止高度角是15度，基線解算不能通過，將截止角設(shè)置成25度，再重解基線。

圖5 靜態(tài)基線處理設(shè)置

3.超限基線的處理

基線解算完成后，首先要檢查環(huán)閉合差（同步或異步環(huán)），對于閉合差大的環(huán)，應(yīng)該進行處理。一般按相對精度≤1/20000估算，相對閉合差應(yīng)小于50ppm。所以大余50ppm的環(huán)應(yīng)進行處理。閉合環(huán)超限處理是一項繁瑣、耗時的工作，也是GPS控制網(wǎng)數(shù)據(jù)處理的主要內(nèi)容。主要的技巧和方法可歸納為以下7項。

（1）超限基線處理過程中一些基線要重新解算，解算后會影響到相關(guān)環(huán)閉合差，所以處理需要反復(fù)進行。作為一般原則，首先處理相對閉合差較大的環(huán)，然后處理閉合差較小的環(huán)。

（2）整理歸納超限閉合環(huán)，分析是否涉及到一條共同基線，例如幾組超限閉合環(huán)（GD002-GD007-A095）、（GD002-V554-A095）、(GD002-V554-A095)、(GD002-GD009-A095)...(GD002-GD009-A095)就涉及到共同基線A095-GD002，這條基線有問題的可能性就較大。

（3）處理時首先分析可能有問題的基線是否有必要，如果是連接兩個不相鄰的點，并且涉及到環(huán)甚多，則可以直接將不合格的基線刪除。

（4）如果一個閉合差超限的環(huán)，相關(guān)基線均不能簡單刪除（刪除后影響圖形結(jié)構(gòu)，減少了重要環(huán)路），應(yīng)該改變基線解算參數(shù)，重新計算相關(guān)基線。方法是在網(wǎng)圖上選中重解基線，重新設(shè)置高度角，歷元間隔等設(shè)置，點擊“選定基線處理設(shè)置”→“處理選定基線”。

（5）如果反復(fù)修改設(shè)置重解基線后，仍不能減小環(huán)閉合差，則可將閉合差超限環(huán)中的基線，分別于周邊的基線組成閉合差，檢查其閉合差。如果僅涉及到其中一條基線的環(huán)閉合差超限，則可以將這條基線刪除。

（6）檢查環(huán)閉合差時，可能會出現(xiàn)兩個相同頂點的環(huán)，閉合差一個超限，一個不超限，這是因為某一條基線存在重復(fù)基線，這時可以刪除超限環(huán)中的重復(fù)基線。

（7）基線解算的精度指標(biāo)rms和ratio是基線解算質(zhì)量的參考指標(biāo)，前者是中誤差，后者是方差比（ratio=rmsmax/rmsmin），rms越小，表明基線解算質(zhì)量越高，ratio越大，表明整周未知數(shù)解算約可靠，所以重解基線要關(guān)注這兩項指標(biāo)，但這兩項指標(biāo)只作參考，最重要的指標(biāo)還是閉合差。

4 數(shù)據(jù)分析評定

整個D級GPS控制網(wǎng)由12個點組成，全網(wǎng)共觀測基線48條，參與計算的基線33條，平均設(shè)站數(shù)2，平均重復(fù)設(shè)站率100%，可靠性高。

為評價D級GPS控制網(wǎng)的基線觀測和處理結(jié)果的質(zhì)量，對測區(qū)內(nèi)19個同步環(huán)閉合差、20個異步環(huán)閉合差及6條重復(fù)基線較差進行了檢核。各異步環(huán)坐標(biāo)分量閉合差全長閉合差重復(fù)基線較差：式中n為異步環(huán)邊數(shù)，σ為標(biāo)準(zhǔn)差，a為固定誤差取值10mm，b為比例誤差系數(shù)，取值為5ppm，d為相鄰點之間（或環(huán)）平均距離，環(huán)閉合差限差：對不合格的測站數(shù)據(jù)及時進行補測，以保證外業(yè)數(shù)據(jù)真實可靠。

表120 個異步環(huán)閉合差評定

環(huán)閉合差最大值環(huán)為：A095-GD001-GD002，基線長為3675.2米

表219 個同步環(huán)閉合差評定

環(huán)閉合差最大值為:A095-GD001-GD008，應(yīng)為環(huán)線長度

表36 條復(fù)測基線較差評定

復(fù)測基線較差最大值為：GD008-GD009，基線長為3526.4米

從表1至表3及D級GPS網(wǎng)計算手簿中可以看出，基線解算質(zhì)量優(yōu)良，結(jié)果較理想。同步環(huán)全長相對閉合差，異步環(huán)坐標(biāo)分量閉合差、全長閉合差，重復(fù)基線長度較差均在限差允許值之內(nèi)，符合《衛(wèi)星定位城市測量技術(shù)規(guī)范》CJJ/T-2010要求。均可作為基本觀測量參與GPS網(wǎng)平差計算。

5 GPS網(wǎng)平差及結(jié)果分析

1.GPS網(wǎng)平差計算使用HDS2003數(shù)據(jù)處理軟件包進行，以非同步觀測的GPS基線向量作為觀測值，并根據(jù)起算點坐標(biāo)，采用二維嚴(yán)密平差方法進行平差計算。

2.網(wǎng)平差

（1）無約束平差:先在WGS-84地心坐標(biāo)系中進行最小約束平差，平差控制參數(shù)的選擇全部采用缺省值，以檢測外業(yè)觀測成果的內(nèi)部精度和一致性。

在平差過程記錄文件中，我們可以發(fā)現(xiàn)本次平差按比例因子加權(quán)后，經(jīng)迭代運算成功，說明不存在明顯粗差，經(jīng)X2統(tǒng)計檢驗通過。同時所有觀測值都經(jīng)τ檢驗合格，基線向量改正數(shù)V△x、V△y、V△z均≤3σ，未出現(xiàn)異常，因此本網(wǎng)具有較高的內(nèi)部符合精度，觀測值中不含有明顯粗差。

其中：基線向量改正數(shù)的絕對值最大的為GD001-GD009，基線長為3.8千米。

符合《衛(wèi)星定位城市測量技術(shù)規(guī)范》CJJ/T-2010要求。

（2）約束平差:把當(dāng)前在WGS-84的基線向量歸化到2000國家大地坐標(biāo)系橢球和1980西安橢球上，通過高斯正形投影方式，經(jīng)坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)平移得到中央子午線為114°30′的平面直角坐標(biāo)成果，最終得出2000國家大地坐標(biāo)系和1980西安坐標(biāo)系的坐標(biāo)成果。經(jīng)三維約束平差后，基線向量改正數(shù)與剔除粗差后的無約束平差結(jié)果的同名基線相應(yīng)改正數(shù)的較差dV△x、dV△y均≤2σ。

(3）從表4統(tǒng)計結(jié)果來看，本次平差具有很高的可靠性，平差成果精度優(yōu)良，坐標(biāo)成果可靠，各項精度指標(biāo)符合規(guī)范要求。

表4 GPS控制網(wǎng)平差后最弱點邊中誤差統(tǒng)計表

6 控制點成果在農(nóng)村地籍測量工作中的應(yīng)用

農(nóng)村地籍測量工作，點多面廣，任務(wù)重，為按時按質(zhì)完成全南縣地籍測量工作，充分考慮到JXCORS系統(tǒng)的優(yōu)勢，為提高工作效率，將JXCORS系統(tǒng)運用到農(nóng)村地籍測量工作上。

此次布設(shè)的全南縣首級GPS控制點點位分布均勻，且能控制整個縣域范圍，可將2000國家大地坐標(biāo)系和1980西安坐標(biāo)系兩套坐標(biāo)成果進行轉(zhuǎn)換參數(shù)的求解。求解結(jié)果如下圖6所示。

將7參數(shù)計算結(jié)果輸入到儀器，通過對其他高等級點的檢核，該轉(zhuǎn)換參數(shù)精度能夠滿足規(guī)范要求。

圖6 兩套坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換參數(shù)

7 經(jīng)驗及體會

1.大范圍GPS首級控制網(wǎng)精度要求高，在布點時應(yīng)認真考慮到線路走向、點位分布、控制點密度、長期保存等因素，精心設(shè)計。

2.網(wǎng)的布設(shè)形式的選擇對GPS網(wǎng)觀測的質(zhì)量及效率有很大的影響，本次選用網(wǎng)模式的布網(wǎng)形式，每次觀測都可以形成一個同步圖形，整個GPS網(wǎng)由這些同步圖形構(gòu)成。在作業(yè)過程中，所有接收機的地位是對等的，沒有主次之分，具有擴展速度快、圖形強度高，且作業(yè)方法簡單。

3.在基線解算過程中，由于基線長短不同，解算模式有區(qū)別，比如超過20km的基線不結(jié)算整周未知數(shù)，若將觀測時間長短不同、基線距離不同的所有觀測數(shù)據(jù)混為一組解算，會出現(xiàn)大量的短基線也不能解算出整周未知數(shù)的異?，F(xiàn)象。因觀測時間的長短對基線的解算精度有影響，可根據(jù)觀測時間的長短不同，對GPS成果的精度要求不同，采取分組解算。

4.在數(shù)據(jù)檢驗中，當(dāng)重復(fù)基線、同步環(huán)、異步環(huán)基線超限時，應(yīng)舍棄基線后重新構(gòu)成異步環(huán)，所含異步環(huán)基線數(shù)、閉合差要符合規(guī)范要求，否則應(yīng)進行重測。舍棄和重測的基線應(yīng)作出分析，并記錄在數(shù)據(jù)檢驗報告中。

5.在轉(zhuǎn)換參數(shù)的求解時，應(yīng)充分考慮起算點分布情況，要能夠控制整個測區(qū)范圍，在求解的過程中，不能采用現(xiàn)場點校正的方法進行。結(jié)合本項目，通過計算得出12個控制點的2000國家大地坐標(biāo)和1980西安坐標(biāo)系的兩套成果，采用軟件室內(nèi)求解轉(zhuǎn)換參數(shù)。

［1］江西省加快推進農(nóng)村集體土地確權(quán)登記發(fā)證工作領(lǐng)導(dǎo)小組辦公室.江西省農(nóng)村地籍調(diào)查技術(shù)規(guī)定［S］.2012.7.

［2］李征航，黃勁松.GPS測量與數(shù)據(jù)處理［M］.武漢大學(xué)出版社2010.9.

［3］CJJ/T73-2010.衛(wèi)星定位城市測量技術(shù)規(guī)范［S］.2010.3.15.

［4］GB／T_18314-2009.全球定位系統(tǒng)(GPS)測量規(guī)范［S］. 2009.2.6.

［5］韋茂楊，雷雨.JXCORS網(wǎng)絡(luò)RTK測量應(yīng)注意的幾個事項［J］.江西測繪，2011（3）：59-60.

［6］中海達測繪儀器有限公司.HDS2003數(shù)據(jù)處理軟件使用手冊［S］.2004.6.