淺析山地城市的GPS地形測量技術(shù)

摘 要：我國幅員遼闊且南北東西走向較長，山區(qū)面積占有量較大，使得部分城市建筑于山地之上，為了進一步促進社山地資源的有效利用并促進山地城市的發(fā)展，本文以GPS地形測量技術(shù)作為主要研究對象，通過對山地城市和GPS的概念進行界定，在結(jié)合GPS在山地城市測量過程中優(yōu)點的基礎(chǔ)上，對GPS技術(shù)在山地城市中的相關(guān)應(yīng)用展開了深入研究。

關(guān)鍵詞：山地城市；GPS；地形測量技術(shù)；外業(yè)觀測；數(shù)據(jù)處理；

文章編號：1674-3520（2015）-12-00-02

一、GPS簡述

（一）GPS概述及工作原理

通過借助GPS定位衛(wèi)星，從而在全球范圍內(nèi)實現(xiàn)的定位、導(dǎo)航系統(tǒng)則為全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)，即GPS。對GPS進行分析可知，其是由美國國防部研制并開發(fā)的一類具有全天候、全時段以及高精度的衛(wèi)星定位、導(dǎo)航系統(tǒng)，其不僅能夠為世界范圍內(nèi)各個用戶提供兼具低成本和高精度的三維位置信息，還能夠為用戶提供相關(guān)個體或物體的速度信息，有效提高了社會的的信息化水平。

GPS的基本原理如下：通過對已知位置的衛(wèi)星到用戶接收機間的距離進行測定，而后，將多顆衛(wèi)星的數(shù)據(jù)進行綜合，便可獲得用戶接收機的具體位置，而為了實現(xiàn)這一功能，可以星載時鐘中所記錄的時間為依據(jù)，在衛(wèi)星星歷當(dāng)中查找到衛(wèi)星的具體位置；用戶與衛(wèi)星之間的距離可通過對衛(wèi)星信號傳至用戶方經(jīng)歷的時間進行記錄，而后，再將其與光速相乘獲得。在GPS衛(wèi)星處于正常工作狀態(tài)時，會持續(xù)利用由二進制碼元構(gòu)成的偽隨機碼向用戶發(fā)射導(dǎo)航電文，當(dāng)用戶接收到導(dǎo)航電文后，便會提取出某一時刻的衛(wèi)星時間，同時，將此時間信息通自身的始終進行對比，從而獲取衛(wèi)星同用戶之間的距離，而后，通過借助導(dǎo)航電文中所包含的衛(wèi)星星歷信息將衛(wèi)星在發(fā)射點問時的位置進行推算出來，此時，便可獲取用戶在大地坐標(biāo)當(dāng)中的位置、速度等各類信息。

（二）GPS在山地城市地形測量中的優(yōu)點

GPS在山地城市地形測量中應(yīng)用的優(yōu)點如下：1、可操作性強，山地地形測量過程中應(yīng)用GPS技術(shù)，無需較多的人員參與，由于其具有操作簡便的特點，故在人員較少時候，可同樣實現(xiàn)測量作業(yè)；2、測量范圍較廣，由于GPS覆蓋面積較廣，由此導(dǎo)致了其技術(shù)測量的范圍也較大，故可以實際測量需求對控制網(wǎng)進行布設(shè)，進一步簡化加密的級別，并省略掉聯(lián)合檢測的過渡點；3、測量精度較高，就現(xiàn)階段而言，國產(chǎn)儀器測量的精度大都能夠達到1×10-6mm——2×10-6mm，而國外儀器的測量精度則高達0.1×10-6mm，因此，可建立同常規(guī)測量精度更高的控制網(wǎng)；4、通視要求低，不同的聯(lián)測點之間對于通視的要求較低，且無需建造高規(guī)標(biāo)；5、地形觀測的自動化程度較高，GPS控制網(wǎng)的外業(yè)觀測大都以電鈕操為主，而業(yè)內(nèi)觀測則以計算機對數(shù)據(jù)進行處理，不僅有效節(jié)省了作業(yè)的時間，而且有效提高了作業(yè)效率。

二、GPS控制網(wǎng)的布設(shè)

（一）工程概況

該項目地處北京市房山區(qū)，總面積約為850畝，成圖比例尺為1：2000。該測區(qū)位于丘陵地帶，地形條件復(fù)雜，測區(qū)的四周主要是山體，山上以荒草和灌木為主。測區(qū)中間是建筑物密集區(qū)（村民居住區(qū)）。關(guān)于該工程概況具體如下圖1所示：

圖1 測區(qū)地形圖

所運用的設(shè)備儀器：1、中緯Zenith20系列RTK（1+2）一套；2、中緯全站儀（型號：ZT80MR+）一臺；3、其他需要的儀器，可配置。對該土地勘測的定界工程進行地形測量，測區(qū)地形表現(xiàn)為叢林茂密、灌木較多且山高坡陡，地形的平均坡度為20°～30°之間，不僅在通行方面具有較大困難，而且視野也較小，從而對常規(guī)控制產(chǎn)生了較大困難，為了確保此土地勘測定界工程的工期和質(zhì)量，本文選取GPS地形測量技術(shù)，控制網(wǎng)的具體布設(shè)如下。

（二）控制網(wǎng)布設(shè)

由上文可知，此工程實質(zhì)上是山地城市公路帶狀土地的勘測定界工程，因此，為確定實際界定土地的使用范圍，并滿足征收土地和對界址點位置進行測量的需要，要求GPS的各網(wǎng)點應(yīng)緊隨公路布設(shè)，此外，還需要在對公路用地范圍進行充分考慮的前提下，進行點位的均勻布置，各個測點要求至少可以同一個與其相鄰的GPS網(wǎng)點相同視。本工程的GPS控制網(wǎng)共鋪設(shè)有E級GPS點共17個，如圖1所示，由圖1可知，已知聯(lián)測點3個，基線的平均值穩(wěn)定在270m。仍需說明的是，網(wǎng)中聯(lián)測的3個已知點實際上就是業(yè)主（用戶）所提供的D級GPS點，以黃海高程系為此GPS點的高程參考依據(jù)。

圖2 GPS控制網(wǎng)布設(shè)圖

三、GPS控制網(wǎng)外業(yè)觀測

（一）儀器設(shè)備與觀測的技術(shù)指標(biāo)

觀測儀器方面選取3臺南方9600北極星單頻接收機，將靜態(tài)定位的測量精度控制在±5mm+1ppm.D。本工程所觀測的技術(shù)指標(biāo)如下：1、有效觀測衛(wèi)星的數(shù)量要至少應(yīng)為4顆，且觀測的時段T不應(yīng)小于60min；2、在觀測時段中，應(yīng)確保任意衛(wèi)星的有效觀測時間應(yīng)超過20min，在觀測過程中，應(yīng)始終保持衛(wèi)星發(fā)高度截止角>15；3、GDOP，即衛(wèi)星幾何圖形因子的值以及PDOP，即精度因子的值均不應(yīng)超過6；4、在數(shù)據(jù)采集方面，采集的方式為L1采集，且采集的時間間隔應(yīng)設(shè)定為15s。

（二）觀測時間的選擇

通過對衛(wèi)星星歷預(yù)報進行分析可知，在工程所在地上午9時20分之前，能夠接收到4顆及以上的健康衛(wèi)星信號，且所接收的衛(wèi)星信號的圖像強度因子和幾何圖形因子的值均小于6。因此，為了確保操作人員能夠在最佳時間內(nèi)利用衛(wèi)星信號對工程地形進行觀測，將每天的作業(yè)時間安排在清晨5時20分到上午的9時20分之間，從而確保GPS網(wǎng)對地形測量的精度。

（三）檢測注意事項

對GPS進行分析可知，其技術(shù)信號強度易受到障礙物的影響，因此，對于山地城市而言，其地形測區(qū)的勘選點除了要將交通、地面基礎(chǔ)設(shè)施等因素進行充分考慮外，還應(yīng)注意勘選點周邊+15°上方空中障礙物的具體情況，從而避免因周圍存在能夠強烈反射無線信號的障礙物和無線電發(fā)射源對GPS信號傳遞的阻礙。此外，在整個觀測過程中，地形測量的相關(guān)工作人員應(yīng)該嚴(yán)格遵照相關(guān)指令行事，除了確保上述觀測時衛(wèi)星數(shù)目不少于4顆外和觀測時間不少于60min外，還需要在觀測的同時，填寫測量手薄，且從測量開始一直到結(jié)束，工作人員均不應(yīng)離開觀測點，從而對測量的信息以及測量各個環(huán)節(jié)衛(wèi)星的狀態(tài)進行隨時檢查，以達到避免因主機長時間受太陽照射或信號被遮擋而產(chǎn)生的觀測結(jié)果誤差的目的。

四、數(shù)據(jù)處理與審核

在每天的外業(yè)觀測工作結(jié)束后，將所采集到的各類數(shù)據(jù)傳輸至計算機，而后，對數(shù)據(jù)進行基線向量的處理，為GPS外業(yè)觀測數(shù)據(jù)的高質(zhì)量提供良好的保障，與此同時，也對所采集的數(shù)據(jù)質(zhì)量進行了良好的檢驗。需要說明的是，數(shù)據(jù)處理工作應(yīng)選取隨機的GPS外業(yè)觀測數(shù)據(jù)處理軟件進行，以自動處理后所輸出的基線向量指標(biāo)為依托，便能夠得知基線數(shù)據(jù)的解算情況。在作業(yè)時，某天發(fā)現(xiàn)了同步環(huán)4、5、6閉合差超限，在分析外業(yè)數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)處理流程后，發(fā)現(xiàn)是觀測點的位置選擇不當(dāng)導(dǎo)致的這一問題，即4號觀測點選在了5號觀測點山脊的北面，而5號觀測點則選在了6號觀測點的山脊北面，這使得同步環(huán)個觀測點所觀測到的衛(wèi)星位置與時間數(shù)據(jù)難以同步，需要對個別的觀測電位進行調(diào)整方可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的精確測量和計算。可通過增加高度截止角和變更歷元間隔的方法提高基線向量的解算精度，具體過程如下。

（一）增大高度截止角

對GPS觀測系統(tǒng)進行分析可知，其默認(rèn)的高度截止角為15°，考慮到噪聲是隨衛(wèi)星高度截止角的增加而降低的，故增加高度截止角能夠提高數(shù)據(jù)觀測的精度并有利于整周未知觀測數(shù)據(jù)的解算，此時，不僅要求較多的衛(wèi)星參與到計算中來，而且還要確保衛(wèi)星幾何圖因子GDOP的值小于6。

（二）變更歷元間隔

對GPS機進行分析可知，由于其同外界干擾所產(chǎn)生的整周跳變，像樹葉阻斷微信信號傳遞等能夠使衛(wèi)星信號以及基準(zhǔn)信號發(fā)生混頻，從而產(chǎn)生差頻信號，故此時應(yīng)對歷元間隔進行變更，從而提高基線向量的解算精度。值得注意的是，變更歷元間隔的數(shù)值越大，則實際需要觀測的時間就越長，因此，在進行歷元間隔變更時，應(yīng)根據(jù)實際需要，對其間隔數(shù)值進行合理控制。此外，為了確保整體質(zhì)量，還應(yīng)將部分含有粗差的基線進行剔除，并查找出產(chǎn)生粗差基線的原因，同時，重新選取合理的方法對其進行重新測量，從而達到提高觀測數(shù)據(jù)精度和準(zhǔn)確性的目的。

五、GPS控制網(wǎng)及成果評價

網(wǎng)平差的控制應(yīng)以GPS的隨機軟件為主，將WGS-84大地坐標(biāo)系作為標(biāo)準(zhǔn)坐標(biāo)系，利用GPS隨機軟件進行網(wǎng)平差，當(dāng)測定GPS網(wǎng)自由平差內(nèi)部已達到了觀測的精度要求以后，進入到約束網(wǎng)平差的計算環(huán)節(jié)，從而得到約束網(wǎng)平差結(jié)果。最后，進行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，即將各GPS點的打底坐標(biāo)WGS-84轉(zhuǎn)為1980年北京37帶的大地坐標(biāo)。還需說明的是，在進行網(wǎng)平差的計算時，應(yīng)使用Ⅲ-1，并以圖1中的某學(xué)校作為起算的主要依據(jù)，展開觀測數(shù)據(jù)的三維約束平差工作，同時，通過利用無名嶺的地形觀測結(jié)果作為約束平差的校驗依據(jù)。在進行平差后，17個觀測點中，最弱點5號的典韋中誤差在上下7mm處浮動，最弱勢相對精度為1：284000，通過將無名山嶺的地形觀測的已知成果同本次網(wǎng)平差的結(jié)果進行對比，進而得出X=0.010，Y=0.01，由此可見利用GPS地形測量技術(shù)能夠簡稱具有較高精度的地形控制網(wǎng)。

本次GPS地形測量的控制網(wǎng)選取的是日本拓?fù)淇沟?01全站儀，701全站儀以Ⅰ級導(dǎo)線的精度為依據(jù)，進行GPS的外業(yè)檢測，表1給出了本次外業(yè)檢測的具體結(jié)果，由表1可知，GPS控制網(wǎng)對山地城市附近地形的測量具有較高的精度，且可靠性較強，能夠較好地滿足山地城市地形測量的各類要求。

表1 GPS外業(yè)檢測的統(tǒng)計結(jié)果

結(jié)論：本文通過對山地城市的概念進行界定，在結(jié)合GPS技術(shù)工作原理及其在測量城市地形中相關(guān)優(yōu)點的基礎(chǔ)上，結(jié)合具體工程，對GPS控制網(wǎng)的布設(shè)進行設(shè)計，在此基礎(chǔ)上，從儀器設(shè)備的選擇與觀測的技術(shù)指標(biāo)方面對GPS控制網(wǎng)的外業(yè)觀測流程展開了系統(tǒng)的探析。在數(shù)據(jù)處理和審核方面，通過增大高度截止角和變更歷元間隔等方法基線向量的結(jié)算精度，并以大地坐標(biāo)系為標(biāo)準(zhǔn)坐標(biāo)系，分別選取了數(shù)學(xué)3次播值樣條函數(shù)模式對GPS網(wǎng)點的正常高度進行擬合，和選取701全站儀進行外業(yè)檢測。研究結(jié)果表明，GPS地形測量技術(shù)對山地城市地形的測量具有較高的精度和可靠性，能夠較好地滿足山地城市地形的測量需求。

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