Gps在平面控制測量中的應(yīng)用

1、Gps在平面控制測量中的應(yīng)用作者:日期:GPSft公路控制測量中的應(yīng)用 劉曉峰孫立雙鄭洪濤 （大連市交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院）摘 要本文結(jié)合工程實(shí)踐，介紹 GPS（衛(wèi)星全球定位系統(tǒng)）在公路控制測量中的應(yīng)用，對控制網(wǎng)布設(shè)過程中存在的一些問題進(jìn)行了探討 .關(guān)鍵詞控制測量，GPS靜態(tài)，動態(tài)公路勘測規(guī)范定義公路控制測量分為平面控制測量和高程控制測量.平面控制測量的目的是測繪路線帶狀地形圖，以及現(xiàn)場控制路線走向，其測量方法可分為GPS （衛(wèi)星全球定位系統(tǒng)）測量、三角測量、三邊測量、導(dǎo)線測量等方法；高程控制測量采用水準(zhǔn)測量， 其目的是在公路沿線布設(shè)高程精度比較高的水準(zhǔn)點(diǎn)，可采用水準(zhǔn)測量、光電測距三角測量等方法。

2、下面結(jié)合工程實(shí)踐，對應(yīng)用 GPS （衛(wèi)星全球定位系統(tǒng)）進(jìn)行平面控制測量和高程控制 測量加以論述和分析。1平面控制測量GPS測量分為靜態(tài)定位和動態(tài)定位兩種測量方法，靜態(tài)測量的原理是采用載波相位測量差分法：在接收機(jī)間求一次差；在接收機(jī)和衛(wèi)星間求二次差；在接收機(jī)、衛(wèi)星和觀測歷元間 求三次差，解算出待測基線長度的精確解；動態(tài)測量與靜態(tài)測量原理相同，但可以達(dá)到實(shí)時 定位，其定位精度可達(dá)厘米級。公路全球定位系統(tǒng)（GPS）測量規(guī)范對應(yīng)用 GPS定位技術(shù)布設(shè)平面控制網(wǎng)及其觀測技術(shù)指標(biāo)都有詳細(xì)規(guī)定，工程測量依據(jù)此規(guī)范執(zhí)行。我院98年引進(jìn)ASHTECH公司的Z 12型號GPS測量設(shè)備，該套設(shè)備包括三臺接收機(jī) （一

3、臺參考站、兩臺流動站）、兩部手簿（手持計(jì)算機(jī)）以及相關(guān)的基線解算、網(wǎng)平差、坐 標(biāo)轉(zhuǎn)換等軟件.引進(jìn)該設(shè)備后，我院投入技術(shù)力量進(jìn)行了消化和吸收，在平面控制網(wǎng)的布設(shè) 和路線中樁放樣、 數(shù)據(jù)采集等方面加以推廣和使用。我院現(xiàn)承接一個公路工程項(xiàng)目，該項(xiàng)目路線設(shè)計(jì)長度 30km,路線平面控制網(wǎng)采用整體到局部分等級進(jìn)行布設(shè)。路線所在測區(qū)屬平 原微丘區(qū)，沿線經(jīng)過市區(qū)，通視條件不理想，因此考慮應(yīng)用GPS定位技術(shù)布設(shè)平面控制網(wǎng)過去首級控制網(wǎng)和加密控制測量均采用GPS靜態(tài)測量技術(shù)，觀測方法無論是邊連式還是點(diǎn)連式，觀測時段較多，影響外業(yè)勘測效率。結(jié)合該工程具體情況以及GPS靜態(tài)定位和動態(tài)定位技術(shù)，我們嘗試對公路平面控制

4、網(wǎng)和高程控制網(wǎng)采用GPS靜態(tài)測量和動態(tài)測量相結(jié)合的辦法.靜態(tài)測量根據(jù)公路全球定位系統(tǒng)（GPS）測量規(guī)范規(guī)定、測區(qū)內(nèi)國家三角點(diǎn)的分布情況以及沿線地形、地貌等特征，全線共布設(shè) 9個GPS首級控制點(diǎn)，其相鄰距離為 510km。 其中100、700、200、800、900、600號點(diǎn)是具有四等水準(zhǔn)測量高程的聯(lián)測水準(zhǔn)點(diǎn)，300、400、500號點(diǎn)是聯(lián)測的國家三角點(diǎn)（300、400號點(diǎn)是國家二級三角點(diǎn)， 500號點(diǎn)是軍 控點(diǎn)），首級平面控制網(wǎng)布置圖如下：圖一外業(yè)觀測前，通過下載衛(wèi)星星歷文件，編制GPS衛(wèi)星可見f預(yù)報表，選取最佳觀測時間。實(shí)地觀測時，每個測量時段觀測時間為90分鐘，有效衛(wèi)星觀測總數(shù)均在6顆以

5、上。首級平面控制網(wǎng)共觀測 9個時段，兩天觀測完畢。內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理采用 Ashtech公司提供的基線解算和網(wǎng)平差軟件，對觀測基線和同步閉合環(huán)進(jìn)行解算和檢驗(yàn)，基線解算均為差分固定解，同步閉合環(huán)檢驗(yàn)結(jié)果如下：表觀測 時段觀測 點(diǎn)名X分量閉合差WxY分量閉合差WyZ分量閉合差Wz同步環(huán)閉合差W1100200126621003145320025272843005001119145100200500512561002003114147200700800267982008007841196001299表中基線解算精度以及同步閉合環(huán)精度計(jì)算公式參照公路全球定位系統(tǒng)（GPS）測量規(guī)范規(guī)定:0-a2 bd 2Wx

6、、n/5Wy . n/5Wz ，n/5 222-W Wx Wy Wz . 3n/5 一基線標(biāo)準(zhǔn)差（mm） a 固定誤差（mm）取a 5 b 比例誤差（mm）取b 1 d 相鄰點(diǎn)間的距離（km） n 同步環(huán)中的邊數(shù)W 一同步環(huán)坐標(biāo)分量閉合差（mm）分析計(jì)算結(jié)果，發(fā)現(xiàn) 3、4、6觀測時段同步環(huán)閉合差均超限，在勘測時間緊的情況下， 選擇了對解算的基線進(jìn)行篩選和比較，從而提高異步環(huán)的閉合精度。重新解算的異步環(huán)閉合差檢驗(yàn)結(jié)果如下：表二閉合環(huán) 名稱點(diǎn)名X分量 閉合差WxY分量 閉合差WyZ分量 閉合差Wz異步環(huán) 閉合差WA700100400200 500600800700131222W28B1003004

7、0020050060080070010017182032表中異步環(huán)閉合精度參照如下公式：Vx 3、nVy 3 . nVz 3 ,n 222-V . Wx Wy Wz3, 3n一基線標(biāo)準(zhǔn)差（mm） n 異步環(huán)中的邊數(shù) V 一異步環(huán)坐標(biāo)分量閉合差（mm）計(jì)算表明，篩選后的基線組成的異步環(huán)閉合精度較高，完全滿足公路測量規(guī)范要求，確定GPS靜態(tài)觀測數(shù)據(jù)有效。1.2動態(tài)測量GPS靜態(tài)控制網(wǎng)平差過程中，采用北京五四大地坐標(biāo)進(jìn)行自由平差，平差后得到首級控制點(diǎn)的五四大地坐標(biāo)，經(jīng)過高斯投影轉(zhuǎn)換得到平面直角坐標(biāo)；然后再采用WGS84大地坐標(biāo)進(jìn)行控制網(wǎng)平差，得到控制點(diǎn)的WGS84大地坐標(biāo)。通過控制點(diǎn)的 WGS84大

8、地坐標(biāo)與北京五四高斯投影平面直角坐標(biāo)，計(jì)算坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)，輸入手簿，準(zhǔn)備工作完成， 即可進(jìn)行外業(yè)動態(tài)測量。實(shí)際外業(yè)測量過程中，預(yù)先下載星歷文件，預(yù)測外業(yè)工作時間的衛(wèi)星總數(shù)和幾何圖形強(qiáng) 度因子等衛(wèi)星基本技術(shù)指標(biāo)。進(jìn)入測區(qū)后，選取水準(zhǔn)高程較高的首級控制點(diǎn)作為參考站，連接發(fā)射電臺、接收機(jī)、天線、功放、電瓶等測量設(shè)備，確認(rèn)無誤后，打開接收機(jī)，利用手簿設(shè)置參考站 WGS84大地坐標(biāo)和天線高度，隨后進(jìn)行控制點(diǎn)加密測量；選好加密 控制點(diǎn)，連接測量設(shè)備，打開手簿，設(shè)置流動站，通過參考站與流動站電臺之間的數(shù)據(jù) 傳輸，得到參考站的 WGS84大地坐標(biāo)，輸入?yún)⒖颊炯傲鲃诱镜奶炀€高度，通過控制點(diǎn)的WGS84大地坐標(biāo)和高

9、斯平面坐標(biāo)計(jì)算坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)，隨后開始進(jìn)行動態(tài)測量，每一個加密控制點(diǎn)的測量，都需重新初始化手簿，采集數(shù)據(jù)六次，在衛(wèi)星狀況良好的情況下，采集一次數(shù)據(jù)，十幾秒鐘即可達(dá)到顯示精度 1cm以下，存儲數(shù)據(jù)，準(zhǔn)備進(jìn)行下一次數(shù)據(jù)采集。全線共布設(shè)加密控制點(diǎn) 54個，兩天全部測量完畢。外業(yè)測量過程中，對沿線已有的城 市規(guī)劃一級導(dǎo)線點(diǎn)進(jìn)行了動態(tài)定位測量，經(jīng)過內(nèi)業(yè)計(jì)算，動態(tài)點(diǎn)位結(jié)果與城市規(guī)劃一級導(dǎo)線點(diǎn)比較結(jié)果如下：表二起終點(diǎn)一級導(dǎo)線距離(m)動態(tài)定位距離(m)二者差值(mm)相對比值96899690349。 803349.810749995969096931154.3831154.374913512196939694

10、415.402415.4042210789969496971100.5211100o 532119819696979698396.615396。 62375436496989699390.817390。 8161476192969996101601.649601.6454166440比較表中數(shù)據(jù)可以得出，動態(tài)定位結(jié)果滿足工程測量要求，說明GPS動態(tài)定位測量應(yīng)用到平面控制測量中是可行的。2高程控制測量靜態(tài)測量GPS靜態(tài)測量控制網(wǎng)平差后得到的高程數(shù)據(jù)是大地高程，與正常高程之間存在高程異常，因此首級控制網(wǎng)需進(jìn)行水準(zhǔn)聯(lián)測，擬合測區(qū)的似大地水準(zhǔn)面形狀，計(jì)算測區(qū)中其余未進(jìn)行水準(zhǔn)聯(lián)測的 GPS控制點(diǎn)的高程異

11、常值，進(jìn)而求得待測點(diǎn)的正常高程。其計(jì)算方法有解析內(nèi)插、參數(shù)回歸、濾波推法等方法，實(shí)際測量中，我們采用六參數(shù)擬合法確定正常高程，計(jì)算公式如下： 22i ao ai Bi a2 Li a3 Bia4 Li a5 Bi LiBi Bi BLi Li L 一 nBBi / ni 1一 nL Li / n i 1B 一大地緯度L 一大地經(jīng)度 i 高程異常計(jì)算出待測點(diǎn)的高程異常值，通過公式Hr H j j即可計(jì)算得到待測點(diǎn)的正常高程值。2.1.2 首級控制網(wǎng)中包含六個水準(zhǔn)聯(lián)測點(diǎn)，對其余待測水準(zhǔn)點(diǎn)與 200、800號點(diǎn)進(jìn)行GPS靜態(tài)聯(lián)測，控制網(wǎng)平差后得到待測點(diǎn)的大地坐標(biāo)及大地高程，根據(jù)以上計(jì)算公式，計(jì)算出待

12、測點(diǎn)的水準(zhǔn)高程，與待測點(diǎn)的已知水準(zhǔn)高程進(jìn)行比較，結(jié)果見下表：表四點(diǎn)名已知水準(zhǔn)局程(m)靜態(tài)擬合高程(m)二者差值(m)BM0242。 28942.2870.002BM0336.55636.5450.011BM0419。 59719。 598-0.001BM0516。 79116.7780.013BM106。4586。460-0.002I 961016。5616.5650。004從表中數(shù)據(jù)可以看出，GPS靜態(tài)測量擬合得到的待測點(diǎn)正常高程精度較高，與已知待測點(diǎn)的高程值擬合效果較好，其精度可達(dá)到厘米級，這與測區(qū)屬平原微丘區(qū)、高程異常值變化小以及水準(zhǔn)高程控制點(diǎn)分布合理有直接關(guān)系。因此根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果，

13、 對于該工程可以認(rèn)為GPS靜態(tài)測量能夠代替水準(zhǔn)測量。2.2動態(tài)測量平面控制網(wǎng)加密過程中，計(jì)算坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)既包含平面控制，同時也含有水準(zhǔn)高程控制。動態(tài)數(shù)據(jù)采集可以實(shí)時得到待測點(diǎn)的三維坐標(biāo)，其測量高程與已知水準(zhǔn)高程比較如下：表五點(diǎn)名已知水準(zhǔn) 高程(m)動態(tài)測量 高程(m)二者 差值(m)點(diǎn)名已知水準(zhǔn) 高程 (m)動態(tài)測量 高程(m)二者差值(m)I 96938。0388.037-0。 001BM0419。 59719。 593-0。004I 96947。8477.8760。029BM0614.29014。 3420.052I 96976.0686。0920.024BM078.2808。3260.0

14、46I 96986。5366.5700.034BM106。4586.5150。057I 96997。0337.0550。022BM117。4767.467-0.009961016.5616。5880.027BM1616。 47716。 460-0。017BM0146.24446。 2830.039BM179.7709。7630O測量數(shù)據(jù)表明，GPS動態(tài)定位測量水準(zhǔn)高程， 擬合效果不理想，且與已知水準(zhǔn)高程偏差值無一定規(guī)律，一般在 5cm以內(nèi)，可滿足中樁放樣、地形數(shù)據(jù)采集的定位精度3討論采用GPS靜態(tài)定位技術(shù)布設(shè)首級平面控制網(wǎng)，在公路工程中已被廣泛應(yīng)用，實(shí)踐證明， 此種控制網(wǎng)布設(shè)方式，極大地提高了

15、勘測精度和勘測效率。應(yīng)用GPS靜態(tài)定位技術(shù)，對平面控制網(wǎng)進(jìn)行加密，雖然提高了測量精度， 但同時增加了觀測時間，因此工程測量中多選擇全站儀加密平面控制網(wǎng)。通過對以上測量數(shù)據(jù)白分析，結(jié)合該項(xiàng)工程，表明采用GPS動態(tài)定位技術(shù)加密平面控制網(wǎng)是可行的，但是在具體應(yīng)用過程中，也存在著一些問題：第一，應(yīng)用GPS動態(tài)定位技術(shù)進(jìn)行平面控制網(wǎng)加密的方法尚處在摸索過程中，公路 勘測規(guī)范對 GPS動態(tài)測量技術(shù)的應(yīng)用沒有相應(yīng)規(guī)定，因此，實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)結(jié)合工程具體 情況進(jìn)行比較和選擇；第二應(yīng)用GPS動態(tài)定位技術(shù)測量過程中，發(fā)現(xiàn)待測點(diǎn)的平面坐標(biāo)精度優(yōu)于高程精度； 在不同觀測時段，待測點(diǎn)的水準(zhǔn)高程測量結(jié)果之間存在差異，其差值一般在5cm以內(nèi)；變換參考站，對同一點(diǎn)進(jìn)行觀測，得到的平面坐標(biāo)存在差異，因二者差值較小，在相鄰較遠(yuǎn)的兩個加密控制點(diǎn)之間可以認(rèn)為是容許的.以上具體應(yīng)用問題，經(jīng)分析屬于理論模型的誤差，實(shí)際測量中這種差異是無法消除的；第三，應(yīng)用GPS靜態(tài)定位技術(shù)加密水準(zhǔn)點(diǎn)，測區(qū)內(nèi)的水準(zhǔn)高程控制點(diǎn)分布應(yīng)合理，應(yīng) 能夠反映測區(qū)的高程異常水平，并且需要對至少六個已知水準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行控制網(wǎng)坐標(biāo)聯(lián)測。因此 應(yīng)用GPS靜態(tài)定位技術(shù)擬合水準(zhǔn)高程，可以作為檢驗(yàn)其它待測