GPS課件第十章GPS應用

第十章GPS應用中國礦業(yè)大學環(huán)境與測繪學院全球衛(wèi)星定位導航系統(tǒng)的應用10.1GPS在大地控制測量中的應用

10.1.1概述GPS定位技術(shù)以其精度高、速度快、費用省、操作簡便等優(yōu)良特性被廣泛應用于大地控制測量中。時至今日，可以說GPS定位技術(shù)已完全取代了常規(guī)測角、測距手段建立大地控制網(wǎng)。我們一般將應用GPS衛(wèi)星定位技術(shù)建立的控制網(wǎng)叫GPS網(wǎng)。歸納起來大致可以將GPS網(wǎng)分為兩大類：一類是全球或全國性的高精度GPS網(wǎng)，這類GPS網(wǎng)中相鄰點的距離在數(shù)千公里至上萬公里，其中主要任務是作為全球高精度坐標框架或全國高精度坐標框架，為全球性地球動力學和空間科學方面的科學研究工作服務，或用以研究地區(qū)性的板塊運動或地殼形變規(guī)律等問題。另一類是區(qū)域性的GPS網(wǎng)，包括城市或礦區(qū)GPS網(wǎng)，GPS工程網(wǎng)等，這這類網(wǎng)中的相鄰點間的距離為幾公里至幾十公里，其主要任務是直接為國民經(jīng)濟建設服務。GPS測量外業(yè)觀測GPS測量外業(yè)觀測10.1.2全球或全國性的高精度GPS網(wǎng)1、GPSA級網(wǎng)的建立作為大地測量的科研任務是研究地球的形狀及其隨時間的變化，因此建立全球覆蓋的坐標系統(tǒng)之一的高精度大地控制網(wǎng)是大地測量工作者多年來一直夢寐以求的。直到空間技術(shù)和射電天文技術(shù)高度發(fā)達，才得以建立跨洲際的全球大地網(wǎng)，但由于VLBI、SLR技術(shù)的設備昂貴且非常笨重，因此在全球也只有少數(shù)高精度大地點，直到GPS技術(shù)逐步完善的今天才使全球覆蓋的高精度GPS網(wǎng)得以實現(xiàn)，從而建立起了高精度的（在1~2cm）全球統(tǒng)一的動態(tài)坐標框架，為大地測量的科學研究及相關(guān)地學研究打下了堅實的基礎。1991在全球范圍內(nèi)建立一個IGS（國際GPS地球動力學服務）觀測網(wǎng)，并于1992年6-9月間實施了第一期會戰(zhàn)聯(lián)測，我國多家單位合作，在全國范圍內(nèi)組織了一次盛況空前“中國’92GPS會戰(zhàn)”，目的是在全國范圍內(nèi)確定精確的地心坐標，建立起我國新一代的地心參考框架及其與國家坐標系的轉(zhuǎn)換參數(shù)；以優(yōu)于10-8量級的相對精度確定站間基線向量，布設成國家A級網(wǎng)，作為國家高精度衛(wèi)星大地網(wǎng)的骨架，并奠定地殼運動及地球動力學研究的基礎。建成后的國家A級網(wǎng)共由28個點組成，經(jīng)過精細的數(shù)據(jù)處理，平差后在ITRF91地心參考框架中的點位精度優(yōu)于0.1m，邊長相對精度一般優(yōu)于1×10-8,隨后在1993年和1995年又兩次對A級網(wǎng)點進行了GPS復測，其點位精度已提高到厘米級，邊長相對精度達3×10-9.2、GPSB級網(wǎng)的建立做為我國高精度坐標框架的補充以及為滿足國家建設的需要，在國家A級網(wǎng)的基礎上建立了國家B級網(wǎng)（又稱國家高精度GPS網(wǎng)）。布測工作從1991年開始，經(jīng)過5年努力完成外業(yè)工作，內(nèi)業(yè)計算已基本完成，不日將公布使用。全網(wǎng)基本均勻布點，覆蓋全國，共布測818個點左右，總獨立基線數(shù)2200多條，平均邊長在我國東部地區(qū)為50km，中部地區(qū)為100km，西部地區(qū)為150km，經(jīng)整體平差后，點位地心坐標精度達±0.1m，GPS基線邊長相對中誤差可達2.0×10-8,高程分量相對中誤差為3.0×10-8。新布成的國家A、B級網(wǎng)已成為我國現(xiàn)代大地測量和基礎測繪的基本框架，將在國民經(jīng)濟建設中發(fā)揮越來越重要的作用。國家A、B級網(wǎng)以其特有的高精度把我國傳統(tǒng)天文大地網(wǎng)進行了全面改善和加強，從而克服了傳統(tǒng)天文大地網(wǎng)的精度不均勻，系統(tǒng)誤差較大等傳統(tǒng)測量手段不可避免的缺點。通過求定A、B級GPS網(wǎng)與天文大地網(wǎng)之間的轉(zhuǎn)換參數(shù)，建立起了地心參考框架和我國國家坐標的數(shù)學轉(zhuǎn)換關(guān)系，從而使國家大地點的服務應用領域更寬廣。利用A、B級GPS網(wǎng)的高精度三維大地坐標，并結(jié)合高精度水準聯(lián)測，從而大大提高了確定我國大地水準面的精度，特別是克服我國西部大地水準面存在較大系統(tǒng)誤差的缺陷。10.1.3區(qū)域性GPS大地控制網(wǎng)

所謂區(qū)域GPS網(wǎng)是指國家C、D、E級GPS網(wǎng)或?qū)楣こ添椖坎紲y的工程GPS網(wǎng)。這類網(wǎng)的的特點是控制區(qū)域有限（或一個市或一個地區(qū)），邊長短（一般從幾百米到20km），觀測時間短（從快速靜態(tài)定位的幾分鐘至一兩個小時）。由于GPS定位的高精度、快速度、省費用等優(yōu)點，建立區(qū)域大地控制網(wǎng)的手段我國已基本被GPS技術(shù)所取代。就其作用而言分為建立新的地面控制網(wǎng)；檢核和改善已有地面網(wǎng)；對已有的地面網(wǎng)進行加密；擬合區(qū)域大地水準面。

1.建立新的地面控制網(wǎng)盡管我國在70年代以前已布設了覆蓋全國的大地控制網(wǎng)，但由于人為的破壞，現(xiàn)存控制點已不多，當在某個區(qū)域需要建立大地控制網(wǎng)時，首選方法就是用GPS技術(shù)來建網(wǎng)。

2.檢核和改善已有地面網(wǎng)對于現(xiàn)有的地面控制網(wǎng)由于經(jīng)典觀測手段的限制，精度指標和點位分布都不能滿足國民經(jīng)濟發(fā)展的需要，但是考慮到歷史的繼承性，最經(jīng)濟、有效的方法就是利用高精度GPS技術(shù)對原有老網(wǎng)進行全面發(fā)行合理布設GPS網(wǎng)點，并晝與老網(wǎng)重合，再把GPS數(shù)據(jù)和經(jīng)典控制網(wǎng)一并聯(lián)合平差處理，從而達到對老的檢核和改善的目的。3.對老網(wǎng)進行加密

對于已有的地面控制網(wǎng)，除了本身點位密度不夠以外，人為的破壞也相當嚴重，為了滿足基本建設的急需，采用GPS技術(shù)對重點地區(qū)進行控制點加密是一種行之有效的手段。布設加密網(wǎng)時要盡量和本區(qū)域的高等級控制點重合，以便較好地把新網(wǎng)同老網(wǎng)匹配好，從而避免控制點誤差的傳遞。4.擬合區(qū)域大地水準面GPS技術(shù)用于建立大地控制網(wǎng)，在確定平面位置的同時，能夠以很高的精度確定控制點間的相對大地高差，如何充分利用這種高差信息是近幾年許多學者熱烈討論的一個話題。由于地形圖測繪和工程建設者依據(jù)水準高程，因此必須把GPS測得的大地高差以某種方式轉(zhuǎn)化成水準高差，才便于工程建設使用。通常的方法是：采用一定密度及合理分布的GPS水準高聯(lián)測點（即GPS點上聯(lián)測水準高程），用數(shù)學手段擬合區(qū)域大地水準面。利用區(qū)域地球重力場模型來改化GPS大地高為水準高。10.2GPS在精密工程測量及變形監(jiān)測中的應用

精密工程測量和變形監(jiān)測，是以毫米級乃至亞毫米級精密為目的的工程測量工作。隨著GPS系統(tǒng)的不斷完善，軟件性能不斷改進，目前GPS已可用于精密工程測量和工程變形監(jiān)測。10.2.1GPS用于建立精密工程控制網(wǎng)的可行性目前我國精密工程控制網(wǎng)，一般都用ME5000測距儀和T3精密光學經(jīng)緯儀來施測。為研究用GPS來建立精密工程控制網(wǎng)的可行性，武漢測繪科技大學在某山區(qū)水利工程布設了如圖10-1所示的精密工程控制網(wǎng)。

該網(wǎng)由5個點組成，每點都建立水泥墩，設有強制對中裝置。試驗網(wǎng)最長邊為1313.5m，最短邊長為359.5m，平均為701.3m。試驗時先用ME5000測邊，用T3測角，然后用GPS施測。接收機采用TurboRogueSNR-8000，時段長為2小時，用GAMIT軟件、精密星歷解算，起算點WGS-84坐標通過與武漢測繪科技大學跟蹤站聯(lián)測求出。經(jīng)平差計算，求出全網(wǎng)各邊的長及點位坐標，結(jié)果見表10-1和表10-2。由表10-1可看出，GPS測出的邊長與ME5000測出的同一條邊長較差中誤差為±0.34mm，其中較差ΔS有正有負，無系統(tǒng)性差異。從表10-2可看出，GPS測出20點位坐標與用ME5000和T3求出的點位坐標較差中誤差為±0.29mm,其中較差δ有正、有負，也無系統(tǒng)性差異，從而可認為，完全可用GPS來建立精密工程控制網(wǎng)。表10-1GPS網(wǎng)與邊角網(wǎng)邊長比較表邊名SGPSSME5000ΔS2-3466244.1466244.3-0.22-4652860.9652861.4-0.54-5642664.7642664.3+0.42-5748678.5748678.8-0.31-51313474.21313470.5-0.31-41178112.51178112.4+0.13-5359343.8359344.0-0.21-2582651.0582650.7+0.33-4359894.2359893.7+0.5表10-2GPS網(wǎng)與邊角網(wǎng)點位坐標比較表點號平面坐標GPS(m)平面坐標ME5000+T3(m)差值σ（mm）4x=1417.2750x=812.93881417.2747812.9388+0.30.03x=1092.8954y=968.828910.92.8957968.8289-0.30.02x=1189.8049y=1424.89041189.80441424.8908+0.5-0.41x=1337.9964y=1988.38081337.99671988.3807-0.3+0.15x=774.7064y=801.8232774.7066801.8229-0.2+0.3長江水利委員會綜合勘測局，也進行了由10個點18條邊組成的GPS測量與高精度大地測量對比試驗，GPS施測時采用SOKK1AGSS1A單頻接收機，使用廣播星歷和隨機軟件，結(jié)果為：mx=±m(xù)m。my=±2.4mm，mH=6.5mm。這說明單頻GPS接收機也可用于水利工程施工控制網(wǎng)的建立。10.2.2GPS用于工程變形監(jiān)測的可行性10.2.3隔河巖水庫大壩外觀變形GPS自動化監(jiān)測系統(tǒng)

隔河巖水庫位于湖北省長陽縣境內(nèi)，是清江中游的一個水利水電工程——隔河巖水電站。隔河巖水電站的大壩為三圓心變截面重力拱壩，壩長653m，壩高151m。隔河巖大壩外觀變形GPS自動化監(jiān)測系統(tǒng)于1998年3月投入運行，系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)處理三大部分組成。

隔河巖大壩外觀變形GPS自動化監(jiān)測系統(tǒng)德國的一個車輛導航系統(tǒng)德國的一個車輛導航系統(tǒng)用該車輛導航系統(tǒng)重新生成的道路圖GPS在地球動力學及地震研究中的應用GPS在地球動力學中的應用，主要是用GPS來監(jiān)測全球和區(qū)域板塊運動，監(jiān)測區(qū)域和局部地殼運動，從而進行地球成因及動力機制的研究。武漢測繪科技大學，利用云南滇西兩期GPS監(jiān)測資料，反演紅河斷裂帶低下斷層活動模式，對1996年云南麗江地震作了較為準確地中期預報，其位置誤差為27km，震源深度誤差為0～6km，震級完全準確。揭示了用GPS監(jiān)測資料做中期地震預報可能性。GPS地殼形變觀測GPS地殼形變觀測太陽能電池GPS在氣象中的應用GPS的一個重要的應用領域就是氣象學研究。利用GPS理論和技術(shù)來遙測地球大氣，進行氣象學的理論和方法研究，如測定大氣溫度及水汽含量，監(jiān)測氣候變化等，叫GPS氣象學（GPS/MET）。GPS氣象學的研究始于80年代后期，最先在美國起步，在美國取得理想的試驗結(jié)果后，在其他國家如日本也逐步開始GPS在氣象中的應用。GPS在氣象中的應用根據(jù)GPS/MET觀測站的空間分布來分類，可以分為兩大類：※地基GPS氣象學※空基GPS氣象學GPS/MET探測數(shù)據(jù)具有覆蓋范圍廣（全球）、高垂直分辨率、高精度和高長期穩(wěn)定的特點。對它的研究將給天氣預報、氣候和全球變化監(jiān)測等領域產(chǎn)生深刻的影響。GPS探風系統(tǒng)GPS氣象觀測儀器GPS氣象觀測儀器GPS在其他領域中的應用G