GPS技術(shù)在大地測(cè)量工程應(yīng)用分析

馬振龍

廣東省測(cè)繪技術(shù)公司 廣東 廣州 510075

引言

近些年，由于相關(guān)科研人員的不斷努力，我國(guó)大地測(cè)量工作有了很大的進(jìn)展。GPS技術(shù)在大地測(cè)量中的應(yīng)用改變了傳統(tǒng)的測(cè)量方式，為其提供了有力的工作支持。大地測(cè)量也從原來(lái)的地面測(cè)量發(fā)展到了空中。同時(shí)隨著衛(wèi)星定位系統(tǒng)的誕生，大地測(cè)量也開(kāi)始慢慢拋棄原有的簡(jiǎn)陋的測(cè)量技術(shù)，而逐漸開(kāi)始開(kāi)發(fā)和使用這一全新的技術(shù)來(lái)進(jìn)行測(cè)量工作。大地測(cè)量的主要目的是對(duì)地球的形狀以及地球隨時(shí)間變化而變化的規(guī)律，是一門對(duì)精確度要求非常嚴(yán)格的學(xué)科。GPS又稱全球定位系統(tǒng)，具有操作簡(jiǎn)單、精確度高、高效簡(jiǎn)潔的特點(diǎn)。GPS技術(shù)在大地測(cè)量中的應(yīng)用改變了傳統(tǒng)的測(cè)量方式，為其提供了有力的工作支持。本文從GPS技術(shù)出發(fā)，對(duì)GPS技術(shù)的測(cè)量原理、特點(diǎn)進(jìn)行了闡述，并對(duì)GPS技術(shù)在大地測(cè)量中的應(yīng)用策略進(jìn)行了分析。

1 GPS技術(shù)的測(cè)量原理

GPS主要使用原理是：對(duì)于位置已知的空間目標(biāo)，在利用GPS技術(shù)進(jìn)行測(cè)量時(shí)，主要是通過(guò)衛(wèi)星進(jìn)行觀察形成后方交會(huì)，繼而通過(guò)接收數(shù)據(jù)來(lái)計(jì)算目標(biāo)點(diǎn)的經(jīng)緯坐標(biāo)；如果有多臺(tái)接收機(jī)同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)的接收，就會(huì)形成很多個(gè)三角網(wǎng)形參與平差解算，繼而計(jì)算出經(jīng)緯坐標(biāo)。在測(cè)量過(guò)程中，一般選用4臺(tái)以上的GPS接收機(jī)作為一套設(shè)備，再選兩臺(tái)分為一組布設(shè)GPS點(diǎn)。GPS定位技術(shù)以其精度高、速度快、費(fèi)用省、操作簡(jiǎn)便等優(yōu)良特性被廣泛應(yīng)用于大地控制測(cè)量中?？梢哉f(shuō)GPS定位技術(shù)已經(jīng)完全取代了用常規(guī)測(cè)角、測(cè)距手段建立大地控制網(wǎng)。

大地測(cè)量是一種基于測(cè)繪系統(tǒng)和基準(zhǔn)的技術(shù)，測(cè)量?jī)?nèi)容包括重力場(chǎng)、地球形態(tài)、時(shí)空變化及位置定位等。在大地測(cè)量過(guò)程中，多數(shù)因素都會(huì)影響測(cè)量結(jié)果的可靠性和準(zhǔn)確性。其中測(cè)量地區(qū)的地形和地勢(shì)對(duì)于測(cè)量結(jié)果的可靠性和準(zhǔn)確性造成較大影響，因此在測(cè)量時(shí)需要注重以下問(wèn)題：①室外與開(kāi)闊區(qū)域地形測(cè)量時(shí)可以應(yīng)用GPS技術(shù)，部分樹(shù)林、金屬物和建筑物遮蓋衛(wèi)星信號(hào)，若出現(xiàn)上述問(wèn)題，就會(huì)導(dǎo)致接收機(jī)不能通過(guò)衛(wèi)星訊息對(duì)具體位置坐標(biāo)進(jìn)行計(jì)算。②在強(qiáng)波環(huán)境下不能應(yīng)用GPS技術(shù)，由于磁力波會(huì)遮蓋衛(wèi)星信息，因此會(huì)導(dǎo)致接收機(jī)不能獲取到足夠的衛(wèi)星信息，對(duì)具體位置坐標(biāo)進(jìn)行計(jì)算，特別是針對(duì)高壓電塔下方。由于大地測(cè)量技術(shù)所涉及的范圍比較大，因此必須借助于人力完成所有測(cè)量工作。正是由于借助人力測(cè)量，因此會(huì)產(chǎn)生大量的測(cè)量任務(wù)，還會(huì)降低測(cè)量工作的效率。采用人力開(kāi)展測(cè)量工作，無(wú)法保證測(cè)量精度和結(jié)果準(zhǔn)確性，因此必須在大地測(cè)量技術(shù)中應(yīng)用GPS技術(shù)。但是上述工作僅僅通過(guò)人力完成，不能提升測(cè)量質(zhì)量。如今我國(guó)科技快速發(fā)展，大地測(cè)量工作的維度不再局限于地面，現(xiàn)已發(fā)展到空中測(cè)量領(lǐng)域[1]。

2 GPS技術(shù)在大地測(cè)量中的優(yōu)勢(shì)

2.1 GPS技術(shù)測(cè)量的精準(zhǔn)性

GPS定位系統(tǒng)最重要的特點(diǎn)就是精準(zhǔn)性，且其可以根據(jù)不同的測(cè)量精度、不同的作業(yè)方式進(jìn)行調(diào)整。在大地測(cè)量控制網(wǎng)中，各個(gè)測(cè)量點(diǎn)都可以直接從GPS發(fā)出的訊號(hào)中獲得三維定位的準(zhǔn)確信息。在控制網(wǎng)中每個(gè)網(wǎng)點(diǎn)之間不會(huì)出現(xiàn)積累誤差或逐點(diǎn)計(jì)算的情況。

2.2 儀器操作簡(jiǎn)單方便

現(xiàn)如今，隨著科技的不斷發(fā)展，GPS接收機(jī)也在做著相應(yīng)的改進(jìn)，一般在測(cè)量時(shí)，觀測(cè)員只需放好儀器，連接電線，量取天線的高度，觀測(cè)儀器的工作狀態(tài)即可。其他的所有的工作都可由GPS測(cè)量?jī)x器自動(dòng)完成，如衛(wèi)星的發(fā)現(xiàn)、跟蹤、測(cè)量和記錄等等。等所有數(shù)據(jù)全部測(cè)量完之后工作人員只需要收拾好測(cè)量工具，保存好所得數(shù)據(jù)便可完成一次數(shù)據(jù)采集的任務(wù)。

2.3 在設(shè)計(jì)布點(diǎn)時(shí)更加靈活方便

與之前的光學(xué)經(jīng)緯儀和鋼尺而言，光電測(cè)距儀和全距儀已經(jīng)能準(zhǔn)確方便地測(cè)出兩點(diǎn)之間的距離。但只適用于表面廣闊、沒(méi)有任何遮擋物的地區(qū)，在森林及山區(qū)則不能用此儀器測(cè)量。GPS定位系統(tǒng)則對(duì)被測(cè)量地區(qū)的表面沒(méi)有要求，不要求測(cè)站之間互相通視，因而不再需要建造覘標(biāo)，只需要測(cè)量地區(qū)上空寬闊，且GPS定位的精準(zhǔn)性與被測(cè)的幾何圖形沒(méi)有關(guān)聯(lián)。因此在大地測(cè)量中GPS技術(shù)的應(yīng)用更具有優(yōu)越性。

2.4 對(duì)環(huán)境有很強(qiáng)的適應(yīng)性

GPS定位系統(tǒng)幾乎可以適應(yīng)任何外界環(huán)境，對(duì)環(huán)境的要求較小。無(wú)論是高山、大海、平原甚至沙漠深處、叢林等惡劣環(huán)境下都可以體現(xiàn)出其精準(zhǔn)的測(cè)量，適應(yīng)性非常強(qiáng)。這相對(duì)于傳統(tǒng)的大地測(cè)量方法而言GPS更能在任何時(shí)間、任何環(huán)境下對(duì)地球進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量[2]。

2.5 觀測(cè)時(shí)間短且作業(yè)所需的費(fèi)用低

GPS系統(tǒng)為一條基線進(jìn)行精密相對(duì)定位，大概需要1～3h便可以完成。如果基線長(zhǎng)度并不是很長(zhǎng)的話，GPS系統(tǒng)便可以在幾分鐘之內(nèi)完成對(duì)其的快速定位。而且因?yàn)镚PS進(jìn)行測(cè)量時(shí)并不需要通過(guò)建立占標(biāo)來(lái)進(jìn)行工作，因此，在普通的大地測(cè)量任務(wù)中，GPS系統(tǒng)只需要整個(gè)測(cè)量任務(wù)經(jīng)費(fèi)的1/3經(jīng)費(fèi)便完成工作。

3 GPS技術(shù)在大地測(cè)量中的應(yīng)用

3.1 GPS在公路放線放樣中的應(yīng)用

公路、隧道、橋梁測(cè)量都屬于大地測(cè)量，在進(jìn)行公路、隧道、橋梁測(cè)量過(guò)程中，主要采用GPS技術(shù)，該技術(shù)主要通過(guò)對(duì)線路放線放樣進(jìn)行測(cè)量，并用計(jì)算機(jī)進(jìn)行線路測(cè)量，并將所得數(shù)據(jù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)會(huì)自行分析數(shù)據(jù)，得出相應(yīng)的放線數(shù)據(jù)，很快判斷出具體測(cè)量數(shù)據(jù)，在進(jìn)行橫斷面測(cè)量過(guò)程中，首先需要斷面成型，同時(shí)按照放線步驟進(jìn)行實(shí)施，便可以得出相應(yīng)數(shù)據(jù)。

3.2 GPS在大地測(cè)量的選點(diǎn)、觀測(cè)、竣工測(cè)量中的應(yīng)用

例如人為原因、環(huán)境因素、地質(zhì)狀況等等，但是通過(guò)GPS技術(shù)使用，減少了這些問(wèn)題發(fā)生，因?yàn)镚PS技術(shù)只要保證上空視野開(kāi)闊即可，就能通過(guò)經(jīng)緯度進(jìn)行數(shù)據(jù)分析收集，按照信息科學(xué)技術(shù)進(jìn)行分析，其中GPS技術(shù)有著準(zhǔn)確性高、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、方便操作優(yōu)點(diǎn)，所以可以避免出現(xiàn)各種大地測(cè)量帶來(lái)問(wèn)題。

3.3 GPS技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)大地測(cè)量網(wǎng)絡(luò)有效性的檢測(cè)和補(bǔ)充

以往的大地測(cè)量技術(shù)不再適應(yīng)現(xiàn)代化發(fā)展，所以GPS技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)大地測(cè)量網(wǎng)絡(luò)有效性的檢測(cè)和補(bǔ)充，利用該技術(shù)可以補(bǔ)充網(wǎng)絡(luò)測(cè)量，針對(duì)重要位置進(jìn)行檢查，判斷出檢測(cè)位置是否正確，并形成較大的測(cè)量網(wǎng)絡(luò)，為后期發(fā)展帶來(lái)堅(jiān)實(shí)的的后盾。與此同時(shí)需要針對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行加密，保證其測(cè)量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠，而且也要增加GPS測(cè)量網(wǎng)點(diǎn)，目的是將原有網(wǎng)絡(luò)與GPS技術(shù)相互融合發(fā)展，提供很好的環(huán)境。

3.4 GPS技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位

GPS能夠?qū)崟r(shí)進(jìn)行動(dòng)態(tài)定位觀測(cè)，這項(xiàng)技術(shù)要求標(biāo)準(zhǔn)高，技術(shù)條件要達(dá)到測(cè)繪需要，GPS測(cè)繪需要對(duì)某已知點(diǎn)當(dāng)做基準(zhǔn)站，在這個(gè)位置安放GPS接收機(jī)，這樣，就能夠通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)衛(wèi)星進(jìn)行搜索，然后借助無(wú)線電設(shè)備對(duì)各種信息進(jìn)行收集與整理，所傳輸?shù)男畔⒕蜁?huì)鏈接測(cè)量站，流動(dòng)站及基準(zhǔn)站數(shù)值和自身觀察測(cè)量所得值，能夠全面精確的確定物象所在的三維坐標(biāo)[3]。

4 GPS輔助空中三角測(cè)量在低空航測(cè)大比例尺地形測(cè)圖中技術(shù)分析

4.1 GPS輔助低空航攝系統(tǒng)的工作原理

圖1為自行制造的GPS輔助低空航攝系統(tǒng)的工作原理圖。（見(jiàn)文末）

圖1 GPS輔助低空航空攝影系統(tǒng)工作原理

4.2 GPS輔助空中三角測(cè)量的技術(shù)

根據(jù)低空攝影測(cè)量的特點(diǎn)，著重就GPS輔助空中三角測(cè)量影像連接點(diǎn)、GPS攝站坐標(biāo)的獲取及其系統(tǒng)誤差的補(bǔ)償方法進(jìn)行了研究。

針對(duì)低空航攝影像旋偏角大、重疊度不規(guī)則的特點(diǎn)，采用SIFT特征匹配與金字塔影像匹配相結(jié)合的轉(zhuǎn)點(diǎn)策略，自動(dòng)提取測(cè)圖航線間的影像連接點(diǎn)；采用POS輔助影像匹配策略，首先對(duì)構(gòu)架航線實(shí)施單航線GPS輔助光束法區(qū)域網(wǎng)平差，獲得每張影像的6個(gè)外方位元素，然后用其輔助完成構(gòu)架航線與測(cè)圖航線間的自動(dòng)轉(zhuǎn)點(diǎn)。這有效提高了攝影測(cè)量加密影像連接點(diǎn)的量測(cè)效率和可靠性。

針對(duì)低空航攝平臺(tái)受氣流影響、姿態(tài)變化大的特點(diǎn)，將機(jī)載定位雙頻GPS接收天線安裝在航攝儀的正上方，采用17h后的IGS星歷進(jìn)行GPS精密單點(diǎn)定位，對(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)單的UTM投影后得到攝站平面坐標(biāo)（X，Y），攝站Z坐標(biāo)直接采用GPS大地高，并將所獲得的GPS攝站三維坐標(biāo)直接與像點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行聯(lián)合平差，很好地回避了常規(guī)GPS輔助空中三角測(cè)量必須將GPS動(dòng)態(tài)定位結(jié)果轉(zhuǎn)換至測(cè)圖坐標(biāo)系才能用于攝影測(cè)量區(qū)域網(wǎng)平差的煩瑣變換過(guò)程，大大簡(jiǎn)化了定位GPS攝站的技術(shù)難度。

針對(duì)獲取的影像連接點(diǎn)和GPS攝站坐標(biāo)的系統(tǒng)誤差，在GPS輔助光束法區(qū)域網(wǎng)平差中采用相應(yīng)的系統(tǒng)誤差補(bǔ)償模型。對(duì)像點(diǎn)坐標(biāo)觀測(cè)值主要是根據(jù)CCD成像特點(diǎn)，可選用改進(jìn)的Ebner和Brown像點(diǎn)坐標(biāo)系統(tǒng)誤差補(bǔ)償模型；對(duì)GPS攝站坐標(biāo)主要采用逐條航線引入線性漂移誤差改正模型，對(duì)攝站Z坐標(biāo)顧及大地水準(zhǔn)面異常而加入平移量改正。通過(guò)在GPS輔助光束法平差迭代過(guò)程中自適應(yīng)地選擇附加參數(shù)而達(dá)到消除原始觀測(cè)值系統(tǒng)誤差的目的，較好地保證了攝影測(cè)量加密的精度[4]。

5 結(jié)束語(yǔ)

GPS因其可以在野外連續(xù)不間斷作業(yè)，且操作方便移動(dòng)性好，已經(jīng)全面取代以前大地測(cè)繪中的測(cè)繪手段成為新的測(cè)繪方式。GPS在日常的經(jīng)濟(jì)建設(shè)和人民生活中也有著廣泛的應(yīng)用，GPS技術(shù)在大地測(cè)量中的應(yīng)用是一項(xiàng)長(zhǎng)期的工程，需要長(zhǎng)期對(duì)GPS技術(shù)在大地測(cè)量中的應(yīng)用進(jìn)行探索，充分發(fā)揮GPS技術(shù)的優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)，從而促進(jìn)大地測(cè)量高效快速的發(fā)展。