工程測繪中GPS測量技術(shù)的應(yīng)用淺析

梁克冰 魏增明

內(nèi)蒙古自治區(qū)煤田地質(zhì)局勘測隊(duì) 010010

摘要：GPS測量技術(shù)的精確度非常高，能夠準(zhǔn)確測繪工程項(xiàng)目，為工程建設(shè)提供數(shù)據(jù)支持，GPS測量屬于測繪技術(shù)，包含了諸多科學(xué)技術(shù)，可以最大化的適應(yīng)工程測繪的需求，當(dāng)前，GPS測量技術(shù)在工程測繪中處于不斷發(fā)展的階段，在實(shí)踐中充分吸收測量的經(jīng)驗(yàn)，晚上精密測量的過程，GPS測量技術(shù)為工程建設(shè)提供了全面的測繪技術(shù)，提高了工程測繪的質(zhì)量，文章結(jié)合案例對GPS測量技術(shù)在工程中的應(yīng)用進(jìn)行分析。

關(guān)鍵詞：GPS測量；基線，計(jì)算

引言

GPS定位技術(shù)具有精準(zhǔn)度高、自動(dòng)化程度高、潛力大的特點(diǎn)，因此倍受各國測量工作者的青睞。研制初期，GPS定位僅具備靜態(tài)相對定位的作業(yè)模式，即待定點(diǎn)安裝≥2臺的GPS 接收機(jī)，如此對某組衛(wèi)星進(jìn)行≥1～2h 的連續(xù)同步觀測，隨后再對觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行后處理，并獲取待定點(diǎn)間的基線向量。實(shí)踐表明，若采用廣播星歷，那么靜態(tài)定位所獲取的基線解精度可達(dá)5mm（雙頻）/10mm（單頻）+2*10-6D。隨著研究的深入，快速靜態(tài)定位逐步成為短基線測量作業(yè)的新突破，如此實(shí)現(xiàn)GPS 測量效率的提高。實(shí)踐表明，在<10km 的短邊范圍內(nèi)，兩組GPS 測量系統(tǒng)（雙頻）對4～5顆衛(wèi)星正常接收5min 所獲取的基線解精度可達(dá)5 ～10mm+1*10-6D，而此數(shù)據(jù)能夠與靜態(tài)定位≥1～2h 的結(jié)果相媲美。鑒于此，GPS 全站儀（RTK 或者RTK GPS）應(yīng)運(yùn)而生。與常規(guī)測量技術(shù)相比，GPS 測量技術(shù)具有下列特點(diǎn)：測站間無需通視；定位精度高；觀測時(shí)間短；提供三維坐標(biāo)；操作簡便；全天候作業(yè)等。

1.工程案例分析

某三等GPS網(wǎng)共有40 點(diǎn)，其中有8個(gè)二等GPS 點(diǎn)作為起算點(diǎn)，設(shè)計(jì)了24 個(gè)時(shí)段，平均重復(fù)設(shè)站率為2.4（應(yīng)≥2.0）。GPS 網(wǎng)形布置如圖1。

圖1 三等GPS 網(wǎng)形布置圖 圖2 三等GPS 網(wǎng)形布置圖（部分）

2.外業(yè)測量

外業(yè)測量采用了四臺瑞士生產(chǎn)的雙頻Leica vivaGS15 GPS 接收機(jī)，靜態(tài)標(biāo)稱精度為3mm+0.5ppm。《工程測量規(guī)范》GB 50026-2007 規(guī)定，三等GPS測量一個(gè)時(shí)段的長度是20～60分鐘，本次時(shí)段長度一般取50分鐘。本次為了試驗(yàn)研究，將1～9時(shí)段的1號機(jī)的時(shí)段長度隨機(jī)取為14～51分鐘，其他機(jī)子的時(shí)段長度仍為50 分鐘。1號機(jī)各時(shí)段的有效觀測時(shí)間見表1。

表1、1號機(jī)各時(shí)段長度統(tǒng)計(jì)表

時(shí)段號 1 2 3 4 5 9 8 6 7

1號機(jī)觀測時(shí)間（分鐘） 50′ 51′ 49′ 38′ 26′ 22′ 38′ 24′ 14′

1～9時(shí)段網(wǎng)圖見圖2，施測順序按時(shí)段號依次是1-2-3-4-5-9-8-6-7。

3.基線向量解算

圖3 圖4

基線向量的解算采用GPS接收機(jī)附帶的解算軟件Leica Geo Office 7.0.1.0 完成。通常采用的是雙差固定解，解算的基線向量是否合格，主要以三項(xiàng)指標(biāo)來考核，即：復(fù)測基線長度較差最大值是否小于規(guī)范允許的限差；每個(gè)時(shí)段觀測的同步環(huán)坐標(biāo)分量相對閉合差、環(huán)線全長相對閉合差是否在規(guī)范允許的限差內(nèi)；異步環(huán)坐標(biāo)分量閉合差、全長閉合差是否在規(guī)范允許的限差內(nèi)。對于超限的基線需剔除或重新解算。

一次性將1～9 時(shí)段觀測數(shù)據(jù)全部導(dǎo)入項(xiàng)目中，各時(shí)段的衛(wèi)星信號情況見圖3。

在基線處理時(shí)發(fā)現(xiàn)，在解算第一個(gè)時(shí)段（1 時(shí)段）時(shí)就出現(xiàn)了基線網(wǎng)形跑位，并且出現(xiàn)了點(diǎn)位重疊的現(xiàn)象。見圖4。經(jīng)過檢查，1時(shí)段解算沒有問題，衛(wèi)星信號、同步環(huán)閉合差、殘差均合格。后來依次成功解算出2、3、4、5、9、8、6時(shí)段，均無法解決上述圖形跑位和點(diǎn)位錯(cuò)位重疊問題。在解算最后一個(gè)時(shí)段7 時(shí)段時(shí)，發(fā)現(xiàn)只能解算出5條基線，并出現(xiàn)明顯跑位網(wǎng)形。很明顯，問題出在7 時(shí)段，但刪除7時(shí)段所有數(shù)據(jù)后，并不能解決上述跑位問題。后來全部重來，刪除全部數(shù)據(jù)，重新導(dǎo)入除7 時(shí)段外的其他8個(gè)時(shí)段的觀測數(shù)據(jù)，8個(gè)時(shí)段最終全部解算成功。

剩余的15個(gè)時(shí)段，將其中邊長較短的4個(gè)時(shí)段長度調(diào)整為40分鐘，其余時(shí)段長度仍為50 分鐘。最終24個(gè)時(shí)段的144 條基線全部都解算合格，共有16 條重復(fù)基線，最大重復(fù)基線較差為5mm，同步環(huán)閉合差、異步環(huán)閉合差、重復(fù)基線較差等各項(xiàng)精度統(tǒng)計(jì)均優(yōu)于規(guī)范要求。

4.三維無約束平差計(jì)算

三維無約束平差是在WGS84 坐標(biāo)系下，以控制網(wǎng)所在區(qū)域的中央子午線和某一點(diǎn)為固定點(diǎn)作依據(jù)，取用所有計(jì)算合格的基線進(jìn)行的無約束平差。三維無約束解算的結(jié)果是否合格，主要以基線向量改正數(shù)、點(diǎn)位誤差、點(diǎn)間相對中誤差等三項(xiàng)指標(biāo)來考核。

本GPS 網(wǎng)最后舍去一條重復(fù)基線，取用了143 條基線參與三維網(wǎng)平差。

平差結(jié)果：F-檢驗(yàn)值為0.20（臨界值0.96）；約束平差后最弱邊相對中誤差為1/10.4萬（允許1/7萬）。

其中59條基線的殘差在0mm～3mm 區(qū)間，比例42%；72條基線殘差在3.1mm～6mm 區(qū)間，比例為50%；12條基線殘差在6.1mm～9.2mm 區(qū)間，比例為8%?？梢姡敬稳菺PS測量內(nèi)精度良好。

5.二維約束平差計(jì)算

主要是取用三維無約束平差檢驗(yàn)合格后的所有基線，根據(jù)采用的起算基準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行GPS 網(wǎng)的縮放、平移、旋轉(zhuǎn)等約束平差。平差解算的結(jié)果是否合格，主要以兩項(xiàng)指標(biāo)來考核，即：三維無約束平差與二維約束平差中同名基線改正數(shù)較差是否在規(guī)范允許的范圍內(nèi)；點(diǎn)間相對中誤差是否滿足規(guī)范要求。

6.結(jié)束語

經(jīng)過本次GPS測量實(shí)踐，總結(jié)幾點(diǎn)如下：①三等GPS 網(wǎng)時(shí)段長度大于22分鐘的數(shù)據(jù)都能成功解算出來，且觀測時(shí)間在信號較差的時(shí)候；時(shí)長14分鐘的不能解算；全網(wǎng)整體精度合格。這驗(yàn)證了工程測量規(guī)范以20分鐘為時(shí)長下限是合適的，單純依靠延長觀測時(shí)間不能明顯提高網(wǎng)的可靠性，增加觀測期數(shù)是提高網(wǎng)的可靠性的最佳方法，在GPS測量項(xiàng)目中應(yīng)根據(jù)項(xiàng)目實(shí)際情況合理、靈活的設(shè)計(jì)時(shí)段長度。②靜態(tài)觀測時(shí)段長度過短的觀測數(shù)據(jù)（比如三等GPS時(shí)段長度小于20分鐘的）不宜導(dǎo)入分配，宜直接剔除。③嚴(yán)格按照規(guī)范要求合理布設(shè)GPS 點(diǎn)位，保證衛(wèi)星信號接收良好，注意基線邊長的均勻性，會使GPS測量的外業(yè)觀測和內(nèi)業(yè)解算更為順利。

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