《測量學(xué)》課程簡介

實用標(biāo)準(zhǔn)文案第十五章 “3S”技術(shù)簡介本章摘要：本章簡單介紹 GPS全球定位系統(tǒng)的組成， GPS測量坐標(biāo)系、GPS定位原理、GPS測量的實施、實時 GPS的應(yīng)用、GIS地理信息系統(tǒng)、 RS遙感技術(shù)及“3S”集成技術(shù)的應(yīng)用?！?S”是中國科學(xué)家按照 GPS、GIS、RS字尾均為 S，而這三者關(guān)系日趨緊密結(jié)合構(gòu)成的一個對地觀測、處理、分析、制圖系統(tǒng)。國外地學(xué)科學(xué)家也認(rèn)為 GPS、GIS、RS的結(jié)合與集成是從整體上解決空間對地觀測的理想手段。GPS是授時與測距導(dǎo)航系統(tǒng)/全球定位系統(tǒng)（NavigationSystemTimingandRanging/GlobalPositioningSystem）的簡稱；GIS是地理信息系統(tǒng)或地學(xué)信息系統(tǒng)（GeographicInformationSystem）的簡稱；RS是遙感（RemoteSensing ）的簡稱?！?S”技術(shù)通常指 GPS、GIS、RS三者的集成技術(shù)。全球定位系統(tǒng)（ GPS）是利用衛(wèi)星發(fā)射的無線電信號進行導(dǎo)航定位，具有全球性、全天候、高精度、快速實時的三維導(dǎo)航、定位、測速和授時功能，以及良好的保密性和抗干擾性。地理信息系統(tǒng)（ GIS）是指與所研究對象的空間地理分布有關(guān)的信息。它是表示地表物體及環(huán)境固有的數(shù)量、質(zhì)量、分布特征、屬性、規(guī)律和相互聯(lián)系的數(shù)字、文字、音像和圖形等的總稱。遙感技術(shù)（RS）是利用光譜學(xué)、光電子學(xué)和電子技術(shù)從高空或遠(yuǎn)距離平臺上，利用電磁波的探測儀器， 獲得接收物體輻射及反射的電磁波信息， 經(jīng)信息處理，測定被測物體的性質(zhì)、形狀位置和動態(tài)變化?！?5-1 GPS全球定位系統(tǒng)的組成摘要內(nèi)容：介紹GPS全球定位系統(tǒng)的空間星座部分、地面監(jiān)控部分、用戶設(shè)備部分。精彩文檔實用標(biāo)準(zhǔn)文案講課重點：GPS全球定位系統(tǒng)的用戶設(shè)備部分。講課難點：GPS全球定位系統(tǒng)的用戶設(shè)備部分。講授重點內(nèi)容提要：一、空間星座部分1.GPS衛(wèi)星星座布設(shè)方案保證在世界任何地方、任何時間，都可進行實時三維定位。（說明：GPS衛(wèi)星星座由 24顆衛(wèi)星組成，其中有21顆工作衛(wèi)星，3顆備用衛(wèi)星。工作衛(wèi)星分布在 6個近似圓形軌道面內(nèi)，每個軌道上有 4顆衛(wèi)星。衛(wèi)星軌道面相對地球赤道面的傾角為 55o。各軌道面升交點赤經(jīng)相差 60o。軌道平均高度為 20200km 。衛(wèi)星運行周期為 11小時58分。衛(wèi)星同時在地平線以上的情況至少有 4顆，最多可達11顆。）2.GPS衛(wèi)星功能1）接收并存儲由地面監(jiān)控站發(fā)來的導(dǎo)航信息；2）接收并執(zhí)行主控站發(fā)出的控制命令，如調(diào)整衛(wèi)星姿態(tài)，啟用備用衛(wèi)星等；3）向用戶連續(xù)發(fā)送衛(wèi)星導(dǎo)航定位所需信息，如衛(wèi)星軌道參數(shù)、衛(wèi)星健康狀態(tài)及衛(wèi)星信號發(fā)射時間標(biāo)準(zhǔn)等。二、地面監(jiān)控部分地面監(jiān)控部分是由分布在美國本土和三大洋的美軍基地上的五個地面站組成。按功能可分為監(jiān)測站、主控站和注入站三種。地面監(jiān)控系統(tǒng)的整個系統(tǒng)是由主控站控制，地面站之間由現(xiàn)代化通信系統(tǒng)聯(lián)系。三、用戶設(shè)備部分主要任務(wù)捕獲衛(wèi)星信號，跟蹤并鎖定衛(wèi)星信號（ GPS衛(wèi)星是以廣播方式發(fā)送定位信息。 ）精彩文檔實用標(biāo)準(zhǔn)文案分類1）按用途導(dǎo)航型接收機、測地型接收機、授時型接收機、姿態(tài)測量型接收機。2）按接收機通道數(shù)多通道GPS接收機、序貫通道接收機、多路復(fù)用通道接收機。3.設(shè)備用戶設(shè)備是指用戶 GPS接收機。GPS接收機是一種被動式無線電定位設(shè)備，在全球任何地方只要能接收到 4顆以上GPS衛(wèi)星的信號，實現(xiàn) 三維定位、測速、測時。GPS接收機組成： GPS接收機天線、 GPS接收主機和電源三部分組成。其主要功能是接收 GPS衛(wèi)星信號并經(jīng)過信號放大、變頻、鎖相處理，測定出 GPS信號從衛(wèi)星到接收機天線間的傳播時間，解釋導(dǎo)航電文，實時計算 GPS天線所在位置（三維坐標(biāo)）及運行速度。在精密定位測量工作中， 一般均采用大地型雙頻接收機或單頻接收機。 用于精密定位測量工作的 GPS接收機，其觀測數(shù)據(jù)必需進行后處理，因此必須配有功能完善的后處理軟件，才能求得所需測站點的三維坐標(biāo)?！?5-2 GPS坐標(biāo)系統(tǒng)摘要內(nèi)容：介紹GPS全球定位系統(tǒng)的坐標(biāo)系。講課重點：WGS-84 坐標(biāo)系、三維坐標(biāo)系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)換模型。講課難點：三維坐標(biāo)系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)換模型。講授重點內(nèi)容提要：一、WGS-84 坐標(biāo)系精彩文檔實用標(biāo)準(zhǔn)文案幾何定義：WGS-84 世界大地坐標(biāo)系就是以國際時間局 1984 年第一次公布的瞬時地極（BIH1984.0）作為基準(zhǔn)，建立的地球瞬時坐標(biāo)系，嚴(yán)格來講屬準(zhǔn)協(xié)議地球坐標(biāo)系。物理定義：它擁有自己的重力場模型和重力計算公式，可以算出相對于 WGS-84橢球的大地水準(zhǔn)面差距。（說明：由于GPS是全球性的定位導(dǎo)航系統(tǒng)，其坐標(biāo)系統(tǒng)必須是全球性的。它是通過國際協(xié)議確定的，通常稱為協(xié)議地球坐標(biāo)（Coventional TerrestrialSystem-CTS）。GPS測量中所使用的協(xié)議地球坐標(biāo)系統(tǒng)稱為 WGS-84 坐標(biāo)系（WorldGeodeticsystem ）。幾何定義是：原點是地球質(zhì)心， Z軸指向BIH1984.0 定義的協(xié)議地球極（CTP）方向，X軸指向BIH1984.0 的零子午面和 CTP赤道的交點， Y軸與Z軸、X軸構(gòu)成右手坐標(biāo)系。 CTP是協(xié)議地球極（ ConventionalTerrestrialPole ）的簡稱；由于極移現(xiàn)象的存在， 地極的位置在地極平面坐標(biāo)系中是一個連續(xù)的變量， 其瞬時坐標(biāo)（XP，YP）由國際時間局（ BureauInternationaldeI ′Heure 簡稱BIH）定期向用戶公布。）二、GPS坐標(biāo)轉(zhuǎn)換1.GPS坐標(biāo)轉(zhuǎn)換意義在城市、礦山等區(qū)域性的測量工作中，需要將 GPS測量成果，換算到用戶所采用的區(qū)域性坐標(biāo)系統(tǒng)；或者為了改善已有的經(jīng)典地面控制網(wǎng)，確定 GPS網(wǎng)與經(jīng)典地面網(wǎng)之間的轉(zhuǎn)換參數(shù)，需要進行兩網(wǎng)的聯(lián)合平差。2.三維坐標(biāo)系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)換模型（1）轉(zhuǎn)換模型用于基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換的模型，主要有布爾沙—沃爾夫（ Bursa-Wolf ）模型、維斯（Veis）模型和莫洛金斯基—巴代卡斯（ Molodensky-Badekas ）模型。這些模型，雖表達形精彩文檔實用標(biāo)準(zhǔn)文案式略有差異，但它們都是等價的。（說明：由于GPS網(wǎng)和地面網(wǎng)所取坐標(biāo)系的基準(zhǔn)不同（即原點位置、坐標(biāo)軸定向和尺度的差異），以及觀測誤差的影響，兩網(wǎng)同名點的坐標(biāo)值將是不同的。 ）（2）大地坐標(biāo)、 GPS坐標(biāo)經(jīng)典地面網(wǎng)三維坐標(biāo)， 通常都是在參心坐標(biāo)系中， 以大地坐標(biāo)的形式表示的，設(shè)為（B,L,H）T，其中BT為大地緯度，LT為大地經(jīng)度，HT為大地高。GPS網(wǎng)三維坐標(biāo)，一般是在協(xié)議地球坐標(biāo)系中，以空間直角坐標(biāo)或大地坐標(biāo)的 形式給出的，設(shè)為（ X,Y,Z）s或（B,L,H）s。（3）網(wǎng)的三維聯(lián)合平差網(wǎng)的三維聯(lián)合平差， 原則上可以在空間直角坐標(biāo)系統(tǒng)中進行， 也可以在三維大地坐標(biāo)系統(tǒng)中進行。通常以在空間直角坐標(biāo)系統(tǒng)中進行為宜。 將地面網(wǎng)的已知大地坐標(biāo)， 按以一定系式轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的空間直角坐標(biāo)。一般包括兩類參數(shù)： 基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換參數(shù)（通過這些參數(shù)， 將兩個具有不同基準(zhǔn)的坐標(biāo)系統(tǒng)化為一致）；網(wǎng)的配合參數(shù)（因為網(wǎng)的定向和尺度，除與網(wǎng)的基準(zhǔn)有關(guān)外，還可能含有系統(tǒng)性觀測誤差的影響， 為此，尚應(yīng)引入相應(yīng)的參數(shù)， 以使兩網(wǎng)通過聯(lián)合處理達到最佳的配合。）§15-3 GPS定位原理摘要內(nèi)容：介紹GPS全球定位原理。講課重點：GPS定位方法。講課難點：相對定位。講授重點內(nèi)容提要：GPS定位方法精彩文檔實用標(biāo)準(zhǔn)文案GPS定位方法主要有 偽距法定位、載波相位測量定位 和GPS差分定位。對于待定點位，根據(jù)其運動狀態(tài)可分為 靜態(tài)定位和動態(tài)定位。（說明：靜態(tài)定位是指用GPS測定相對于地球不運動的點位， GPS接收機安置在該點上接收數(shù)分鐘甚至更長時間， 以確定其三維坐標(biāo)， 又稱為絕對定位；動態(tài)定位是確定運動物體的三維坐標(biāo)。若將兩臺或兩臺以上 GPS接收機分別安置在固定不變的待定點上，通過同步接收衛(wèi)星信息號，確定待測點間的相對位置，稱為 相對定位。）2.偽距測量偽距測量就是測定衛(wèi)星到接收機的距離，即由衛(wèi)星發(fā)射的測距碼信號到達 GPS接收機的傳播時間乘以光速所得的距離。（說明：衛(wèi)星時鐘產(chǎn)生一定結(jié)構(gòu)偽隨機碼， 與衛(wèi)星星歷數(shù)據(jù)碼模二相加后， 調(diào)制在載波上向地面發(fā)送， 經(jīng)過τ時間的延遲到達接收機天線； 接收機在自己的時鐘控制下產(chǎn)生一組結(jié)構(gòu)與衛(wèi)星偽隨機碼一樣的測距碼， 稱為復(fù)制碼，并通過延時器使其延遲時間 τ`。將衛(wèi)星傳來的測距碼和接收機內(nèi)產(chǎn)生的復(fù)制碼送入相關(guān)器進行相關(guān)處理。 ）標(biāo)準(zhǔn)時改正因素： 衛(wèi)星鐘的改正數(shù)、 接收機鐘的改正數(shù)、 電離層折射改正與對流層折射改正。這樣在任何一個觀測瞬間用戶至少要同時測定四顆衛(wèi)星的距離， 以便解算出四個未知數(shù)。3.相對定位GPS相對定位，也叫差分 GPS定位。（說明：相對定位的最基本情況是用兩臺 GPS接收機，分別安置在 基線的兩端，并同步觀測相同的GPS衛(wèi)星，以確定基線端點在協(xié)議地球坐標(biāo)系中的相對位置或基線向量。（1）是精度最高的一種定位方法，它廣泛地應(yīng)用于大地測量、精密工程測量、地球動力學(xué)的研究和精密導(dǎo)航。 這種方法一般可推廣到多臺接收機安置在若干條基線的端點，通過同步觀測 GPS衛(wèi)星，以確定多條基線向量的情況。 （2）因為在兩個觀測站精彩文檔實用標(biāo)準(zhǔn)文案或多個觀測站同步觀測相同衛(wèi)星的情況下， 衛(wèi)星的軌道誤差、 衛(wèi)星鐘差、接收機鐘差以及電離層和對流層的折射誤差等， 對觀測量的影響具有一定的相關(guān)性， 所以利用這些觀測量的不同組合， 進行相對定位，便可有效地消除或減弱上述誤差的影響， 從而提高相對定位的精度。（3）靜態(tài)相對定位，即設(shè)置在基線端點的接收機是固定不動的，這樣便可能通過連續(xù)觀測，取得充分的多余觀測數(shù)據(jù)，以改善定位的精度。靜態(tài)相對定位，一般均采用載波相位觀測值（或測相偽距）為基本觀測量。實踐表明，對中等長度的基線（100km～500km），其相對定位精度可達10-6～10-7，甚至更好些。（4）動態(tài)相對定位，是用一臺接收機設(shè)在基準(zhǔn)站上固定不動，另一臺接收機要設(shè)在運動載體上，兩臺接收機同步觀測相同的衛(wèi)星，以確定運動點相對基準(zhǔn)點的實時位置。動態(tài)相對定位根據(jù)觀測量不同通常可分為以測碼偽距和以測相偽距為觀測量的動態(tài)相對定位；根據(jù)數(shù)據(jù)處理方法，通常分為實時處理和測后處理。）載波相位測量載波相位測量 是測定GPS衛(wèi)星載波信號到接收機天線之間的相位延遲。對衛(wèi)星載波與接收機基準(zhǔn)信號進行相位測量， 即可得到衛(wèi)星到接收機天線間用載波相位表達的距離觀測值（說明：（1）GPS衛(wèi)星載波上調(diào)制了測距碼和導(dǎo)航電文，所以， GPS接收機接收到衛(wèi)星信號后，要將調(diào)制在載波上的測距碼和衛(wèi)星電文去掉， 重新獲得載波，這一工作稱為重建載波。 GPS接收機將衛(wèi)星重建載波與接收機內(nèi)由振蕩器產(chǎn)生的本振信號通過相位計比相，即可得到相位差。 （2）用載波相位測量進行相對定位一般是用兩臺 GPS接收機，分別安置在測線兩端 （該測線稱為基線），固定不動，同步接收 GPS衛(wèi)星信號。利用相同衛(wèi)星的相位觀測值進行解算，求定基線端點在 WGS-84 坐標(biāo)系中的相對位置或基線向量。（3）載波相位相對定位普遍采用將相位觀測值進行線性組合的方法。其具體方法有三種，即單差法、雙差法和三差法。 ）精彩文檔實用標(biāo)準(zhǔn)文案5.載波相位差分定位技術(shù)（ RTK技術(shù)）RTK技術(shù)是建立在實時處理兩個測站的載波相位基礎(chǔ)上， 能實時提供觀測點的三維坐標(biāo)，并達到厘米級的高精度觀測成果?！?5-5 GPS測量的實施摘要內(nèi)容：介紹在城市與工程控制網(wǎng)中采用 GPS定位的方法和工作程序。講課重點：GPS測量的觀測工作。講課難點：GPS測量的網(wǎng)形設(shè)計。講授重點內(nèi)容提要：一、GPS測量內(nèi)容GPS測量的實施過程與常規(guī)測量的一樣，包括方案設(shè)計、外業(yè)測量和內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理三部分。二、GPS控制網(wǎng)精度標(biāo)準(zhǔn)精度要求GPS網(wǎng)的技術(shù)設(shè)計是進行 GPS測量的基礎(chǔ)。它應(yīng)根據(jù)用戶提交的任務(wù)書或測量合同所規(guī)定的測量任務(wù)進行設(shè)計。其內(nèi)容包括測區(qū)范圍、 測量精度、提交成果方式、完成時間等。設(shè)計的技術(shù)依據(jù)是國家測繪局頒發(fā)的《全球定位系統(tǒng)（ GPS）測量規(guī)范》及建設(shè)部頒發(fā)的《全球定位系統(tǒng)城市測量技術(shù)規(guī)程》 。2.GPS測量精度指標(biāo)GPS網(wǎng)的精度指標(biāo)，通常是以網(wǎng)中相鄰點之間距離誤差mD=a+b×10-6來表示。不同用途的GPS網(wǎng)的精度是不一樣的，GPS控制網(wǎng)分為A、B、C、D、E五個等級。三、網(wǎng)形設(shè)計1.GPS網(wǎng)的設(shè)計主要考慮問題精彩文檔實用標(biāo)準(zhǔn)文案1）可靠性設(shè)計由于無線電定位受外界環(huán)境影響大，所以在圖形設(shè)計時應(yīng)重點考慮成果的準(zhǔn)確可靠，并應(yīng)考慮有可靠的檢驗方法。 GPS網(wǎng)一般應(yīng)通過獨立觀測邊構(gòu)成閉合圖形，以增加檢查條件，提高網(wǎng)的可靠性。布設(shè)通常有點連式、邊連式、網(wǎng)連式及邊點混合連式等四種方式。①點連式是指相鄰?fù)綀D形 （多臺儀器同步觀測衛(wèi)星獲得由基線的閉合圖形） 僅由一個公共點連接，這樣構(gòu)成的圖形檢查條件太少，一般很少使用。②邊連式是指同步圖形之間由一條公共邊連接。（說明：這種方案的連接邊較多， 非同步圖形的觀測基線可組成異步觀測環(huán) （稱為異步環(huán)），異步環(huán)常用于觀測成果的質(zhì)量檢查。所以邊連式比點連式可靠。 ）③網(wǎng)連接是指相鄰?fù)綀D形之間有兩個以上公共點相連接。（說明：這種方法需要 4臺以上的儀器。這種方法的幾何強度和可靠性更高，但是花費的時間和經(jīng)費也更多，常用于高精度控制網(wǎng)。 ）④邊點混合連接（說明：是指將點連接和邊連接有機結(jié)合起來，組成 GPS網(wǎng)。這種網(wǎng)的布設(shè)特點是周圍的圖形盡量以邊連接方式， 在圖形內(nèi)部形成多個異步環(huán)。 利用異步環(huán)閉合差進行檢驗，保證測量可靠性。 ）另外：在低等級 GPS測量或碎部測量時可用星形布設(shè)。這種方式常用于快速靜態(tài)測量，優(yōu)點是測量速度快，但是沒有檢核條件。為了保證質(zhì)量，可選兩個點作基準(zhǔn)點。（2）平面控制坐標(biāo)聯(lián)系設(shè)計精彩文檔實用標(biāo)準(zhǔn)文案為了求定 GPS網(wǎng)坐標(biāo)與原有地面控制網(wǎng)坐標(biāo)之間的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)，要求至少有三個GPS控制網(wǎng)點與地面控制網(wǎng)點重合。（3）高程控制坐標(biāo)聯(lián)系設(shè)計為了利用 GPS進行高程測量，在測區(qū)內(nèi) GPS點位盡可能與水準(zhǔn)點重合， 或者進行等級水準(zhǔn)聯(lián)測。（4）通視、選點、建標(biāo)志設(shè)計GPS點盡量選在視野開闊、交通方便的地點，并要遠(yuǎn)離高壓線、變電所及微波輻射干擾源。GPS點雖然不需要通視，但是為了便于用經(jīng)典方法聯(lián)測和擴展，要求控制點至少與一個其他控制點通視，或者在控制點附近 300m 外布設(shè)一個通視良好的方位點，以便建立聯(lián)測方向。選點時除了應(yīng)遠(yuǎn)離產(chǎn)生磁場源的地方和保證觀測站在視場內(nèi)周圍障礙物的高度角應(yīng)小于10~15°外，其它要求及建立標(biāo)志同常規(guī)控制測量。四、GPS測量的觀測工作外業(yè)觀測計劃設(shè)計（1）編制GPS衛(wèi)星可見性預(yù)報圖利用衛(wèi)星預(yù)報軟件，輸入測區(qū)中心點概略坐標(biāo)、作業(yè)時間、衛(wèi)星截止高度角≥15°等，利用不超過 20天的星歷文件即可編制衛(wèi)星預(yù)報圖。2）編制作業(yè)調(diào)度表應(yīng)根據(jù)儀器數(shù)量、交通工具狀況、測區(qū)交通環(huán)境及衛(wèi)星預(yù)報狀況制定作業(yè)調(diào)度表。作業(yè)表應(yīng)包括：①觀測時段（測站上開始接收衛(wèi)星信號到停止觀測， 連續(xù)工作的時間段），注明開、關(guān)機時間；②測站號、測站名；③接收機號、作業(yè)員；④車輛調(diào)度表。野外觀測精彩文檔實用標(biāo)準(zhǔn)文案（1）安置天線天線安置是 GPS精密測量的重要保證。要仔細(xì)對中、整平，量取儀器高。儀器高要用鋼尺在互為 120°方向量三次，互差小于 3mm，取平均值后輸入 GPS接收機。（2）安置GPS接收機GPS接收機應(yīng)安置在距天線不遠(yuǎn)的安全處，連接天線及電源電纜，并確保無誤。（3）按順序操作按規(guī)定時間打開 GPS接收機，輸入測站名、衛(wèi)星截止高度角、衛(wèi)星信號采樣間隔等。（說明：一般情況下， GPS接收機只需 3分鐘即可鎖定衛(wèi)星進行定位。若儀器長期不用，超過3個月，儀器內(nèi)的星歷過期， 儀器要重新捕獲衛(wèi)星， 這就需要 12.5分鐘。GPS接收機自動化程度很高，儀器一旦跟蹤衛(wèi)星進行定位，接收機自動將觀測到的衛(wèi)星星歷、導(dǎo)航文件以及測站輸入信息以文件形式存入接收機內(nèi)。 作業(yè)員只需要定期查看接收機工作狀況， 發(fā)現(xiàn)故障及時排除， 并做好記錄。接收機正常工作過程中不要隨意開關(guān)電源、更改設(shè)置參數(shù)、關(guān)閉文件等。 ）（4）GPS接收機記錄的數(shù)據(jù)GPS衛(wèi)星星歷和衛(wèi)星鐘差參數(shù)；②觀測歷元的時刻和偽距觀測值及載波相位觀測值；③GPS絕對定位結(jié)果；④測站信息。3.觀測數(shù)據(jù)下載及數(shù)據(jù)預(yù)處理觀測成果的外業(yè)檢核是確保外業(yè)觀測質(zhì)量和實現(xiàn)定位精度的重要環(huán)節(jié)。 所以外業(yè)觀測數(shù)據(jù)在測區(qū)時就要及時進行嚴(yán)格檢查， 對外業(yè)預(yù)處理成果， 按規(guī)范要求嚴(yán)格檢查、 分析，根據(jù)情況進行必要的重測和補測。4.內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理一般采用軟件處理， 主要工作內(nèi)容有基線解算、 觀測成果檢核及 GPS精彩文檔實用標(biāo)準(zhǔn)文案網(wǎng)平差，內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理完畢后應(yīng)寫 GPS測量技術(shù)報告并提交有關(guān)資料?！?5-6 實時GPS的應(yīng)用摘要內(nèi)容：介紹GPS實時定位差分的原理及應(yīng)用。講課重點：實時GPS測量的應(yīng)用。講課難點：實時GPS測量的應(yīng)用。講授重點內(nèi)容提要：一、實時 GPS的測量原理GPS實時差分定位的原理是在已有精確地心坐標(biāo)的點上安放 GPS接收機（稱為基準(zhǔn)站），利用已知的地心坐標(biāo)和星歷計算 GPS觀測值的校正值， 并通過無線電通信設(shè)備（稱為數(shù)據(jù)鏈）將校正值發(fā)送給運動中的 GPS接收機（稱為流動站）。流動站利用校正值對自己的 GPS觀測值進行修正，以消除上述誤差，從而提高實時定位精度。GPS實時差分定位系統(tǒng)由基準(zhǔn)站、流動站和無線電通信鏈三部分組成。基準(zhǔn)站：接收GPS衛(wèi)星信號并實時向流動提供差分修正信號。流動站：接收GPS衛(wèi)星信號和基準(zhǔn)站發(fā)送的差分修正信號， 對GPS衛(wèi)星信號進行修正，并進行實時定位。二、實時 GPS測量特點GPS動態(tài)差分定位方法有 位置差分、偽距差分、載波相位實時差分 及廣域差分，各自分別具有不同特點。位置差分是將基準(zhǔn)站 GPS接收機偽距單點定位得到的坐標(biāo)值與已知坐標(biāo)作差分，無線電傳送的是坐標(biāo)修正值，流動站用坐標(biāo)修正值對其坐標(biāo)進行修正。位置差分精度可達 5～10m。但是位置差分要求流動站接收機單點定位所用的衛(wèi)星精彩文檔實用標(biāo)準(zhǔn)文案與基準(zhǔn)站求修正值時所用的衛(wèi)星完全一致。若有一顆衛(wèi)星不一樣就可能產(chǎn)生 45m以上的誤差。偽距差分（RTD）利用基準(zhǔn)站已知坐標(biāo)和衛(wèi)星星歷， 求衛(wèi)星到基準(zhǔn)站的幾何距離作為距離精確值， 將此值與基準(zhǔn)站所測的偽距值求差作為差分修正值， 通過數(shù)據(jù)鏈傳給流動站。 流動站接收差分信號后，對所接收的每顆衛(wèi)星的偽距觀測值進行修正，然后再進行單點定位。由于偽距差分是對每顆衛(wèi)星的偽距觀測值進行修正， 所以不要求基準(zhǔn)站和流動站接收的衛(wèi)星完全一致，只要有 4顆以上相同衛(wèi)星即可。其左分精度取決于差分衛(wèi)星個數(shù)、衛(wèi)星空中分布狀況及差分修正值延遲時間。 偽距差分精度為 3～10m?；鶞?zhǔn)站距流動站距離可達 200～300km。近年來又發(fā)展利用相位觀測值精化偽距值， 以提高差分精度，稱為相位平滑偽距差分，其差分精度可達到 1m。載波相位實時差分（RTK）由于載波相位觀測值精度高，若通過數(shù)據(jù)鏈將基準(zhǔn)站載波相位觀測值傳到流動站，在流動站進行實時載波相位數(shù)據(jù)處理， 其定位精度可達到 1～2cm。RTK差分距離不可太遠(yuǎn)，目前最遠(yuǎn)可到 30km。另外流動站是否能進行 RTK差分，取決于數(shù)據(jù)通信可靠性和流動站載波相位觀測值是否失鎖。 目前在城市測量中因受周圍環(huán)境影響， 實時動態(tài)RTK還很難使用，但在空曠地區(qū)、海上應(yīng)用較多。廣域差分廣域差分是利用大范圍內(nèi)建立的衛(wèi)星跟蹤網(wǎng)跟蹤衛(wèi)星信號。 利用跟蹤網(wǎng)已知坐標(biāo)和原子鐘，求每顆衛(wèi)星的星歷改正值、 衛(wèi)星鐘改正值及電離層改正參數(shù)， 并通過無線電臺向用戶流動站發(fā)送。 流動站接收這些修正信息， 并對觀測值進行修正。 差分修正后的精度可達到 1～3m。差分范圍可達到 1000km。精彩文檔實用標(biāo)準(zhǔn)文案三、實時 GPS測量的應(yīng)用由以上各種 GPS實時差分定位的特點可知位置差分、偽距差分及廣域差分的精度為中級，只能滿足部分精度要求不太高的測量工作， 如水下地形測量、 資源調(diào)查勘察及工程勘察等工作中，實時動態(tài) RTK定位技術(shù)即基于載波相位觀測值的實時動態(tài)定位技術(shù)，能夠?qū)崟r地提供觀測點在指定坐標(biāo)系中的三維定位成果，并達到厘米級的高精度。所以實時動態(tài)（ RTK）廣泛用于工程測量中。根據(jù)用戶的要求，目前實時動態(tài)定位值采用的作業(yè)模式主要有：快速靜態(tài)測量這種測量模式要求 GPS接收機在每一用戶站上，靜止地進行觀測，在觀測過程中連同接收到的基準(zhǔn)站的同步觀測數(shù)據(jù)， 實時地解算整周未知數(shù)和用戶站的三維坐標(biāo)。 如果解算結(jié)果的變化趨于穩(wěn)定，且其精度已滿足設(shè)計的要求，便可適時的結(jié)束觀測工作。采用這種模式作業(yè)時，用戶站的接收機在流動過程中，可以不必保持對 GPS衛(wèi)星的連續(xù)跟蹤，其定位精度可達 1~2cm 。這種方法可用于城市、礦山等區(qū)域性的控制測量，工程測量和地籍測量等。準(zhǔn)動態(tài)測量同一般的準(zhǔn)動態(tài)測量一樣， 這種測量模式通常要求流動的接收機在觀測工作開始之前，首先在某一起始點上靜止地進行觀測， 以便使用快速解算整周未知數(shù)的方法實時地進行初化工作。初始化后，流動的接收機在每一觀測站上， 只需靜止觀測數(shù)歷元，并連同基準(zhǔn)站的同步觀測數(shù)據(jù)， 實時地解算流動站的三維坐標(biāo)。 目前，其定位的精度可達厘米級。這種方法要求接收機在觀測過程中， 保持對所測量衛(wèi)星的連續(xù)跟蹤。 一旦發(fā)生失鎖，便需重新進行初始化的工作。準(zhǔn)動態(tài)實時測量模式， 通常主要應(yīng)用于地籍測量、 碎部測量、路線測量和工程放樣等。精彩文檔實用標(biāo)準(zhǔn)文案動態(tài)測量動態(tài)測量模式一般需首先在某一起始點上靜止地觀測數(shù)分鐘，以便進行初始化工作。之后，運動的接收機按預(yù)定的采樣時間間隔自動地進行觀測， 并連同基準(zhǔn)站的同步觀測數(shù)據(jù)，實時地確定采樣點的空間位置。（說明：目前，其定位的精度可達厘米級。 這種測量模式仍要求在觀測過程中， 保持對觀測衛(wèi)星的連續(xù)跟蹤。一旦發(fā)生失鎖，則需重新進行初始化。這時，對陸上的運動目標(biāo)來說，可以在衛(wèi)星失鎖的觀測點上，靜止地觀測數(shù)分鐘，以便重新初始化， 或者利用動態(tài)初始化（ AROF）技術(shù)，重新初始化，而對海上和空中的運動目標(biāo)來說，則只有應(yīng)用AROF技術(shù)，重新完成初始化的工作。實時動態(tài)測量模式主要應(yīng)用于航空攝影測量和航空物探中采樣點的實時定位， 航道測量，道路中線測量，以及運動目標(biāo)的精密導(dǎo)航等。目前，實時動態(tài)測量系統(tǒng)已在約 20km 的范圍內(nèi)，得到了成功的應(yīng)用。相信，隨著數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備性能和可靠性的不斷完善和提高， 數(shù)據(jù)處理軟件功能的增強， 它的應(yīng)用范圍將會不斷地擴大。 ）§15-7 GIS與RS技術(shù)簡介摘要內(nèi)容：介紹地理信息系統(tǒng)（ GIS）與遙感技術(shù)（ RS）。講課重點：地理信息系統(tǒng)（ GIS）、RS技術(shù)的應(yīng)用。講課難點：地理信息系統(tǒng)（ GIS）的概念、RS技術(shù)的概念。講授重點內(nèi)容提要：一、GIS技術(shù)地理信息系統(tǒng)（ GIS）通常以圖形數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 為特征分為兩大類型：矢量結(jié)構(gòu)和柵格結(jié)構(gòu)。一般來說柵格結(jié)構(gòu)容易與遙感數(shù)據(jù)結(jié)合，建立 GIS和RS集成化系統(tǒng)；而矢量數(shù)據(jù)需要通過矢量至柵格的轉(zhuǎn)換，才能與遙感數(shù)據(jù)集成使用。精彩文檔實用標(biāo)準(zhǔn)文案矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)從幾何上說，空間目標(biāo)可劃分為點、 線、面、體四種基本類型。 在圖面上的點、線、面實體，可以用采樣點 X、Y坐標(biāo)表達。在地理信息系統(tǒng)中， 除了記錄空間目標(biāo)的幾何位置數(shù)據(jù)外， 還要考慮與這個目標(biāo)有關(guān)的屬性信息以及空間目標(biāo)之間的相互關(guān)系，以滿足空間查詢和空間分析的需要。矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的一個突出和最具特色的優(yōu)點是能夠完全顯示地表達結(jié)點、 弧段、面塊之間所有關(guān)聯(lián)關(guān)系。柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來自遙感、攝影測量和掃描的數(shù)據(jù)是柵格形式，格網(wǎng)數(shù)字地面模型是柵格形式。在GIS中，有許多種基于柵格的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，這些節(jié)省存貯空間，有些則操作效率高。類型：柵格矩陣；行程編碼；四叉樹編碼3.矢量柵格一體化數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)雖然柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)有許多優(yōu)點， 但柵格結(jié)構(gòu)精度低， 并難以建立網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。 這些缺點正好可以用矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)加以克服，所以現(xiàn)在許多 GIS軟件中，既含有柵格結(jié)構(gòu)又保持矢量結(jié)構(gòu)， 以形成一種混合數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。 它不是矢量與柵格結(jié)構(gòu)的簡單混合， 而是一種既有矢量特點又有柵格性質(zhì)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。（說明：由這種方式建立的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)既有矢量的特點， 精度較高，容易建立拓?fù)潢P(guān)系，又有柵格的性質(zhì)，容易進行空間疊置分析和易于與遙感影像數(shù)據(jù)結(jié)合。 ）4.GIS數(shù)據(jù)模型是描述數(shù)據(jù)內(nèi)容和數(shù)據(jù)之間聯(lián)系的工具，它是衡量數(shù)據(jù)庫能力強弱的主要標(biāo)志之一。數(shù)據(jù)庫設(shè)計的核心問題之一是設(shè)計一個好的數(shù)據(jù)模型。目前常用的數(shù)據(jù)模型有層次模型、網(wǎng)絡(luò)模型、關(guān)系模型以及面向目標(biāo)模型。精彩文檔實用標(biāo)準(zhǔn)文案（說明：數(shù)據(jù)源是 GIS的瓶頸問題，解決 GIS數(shù)據(jù)源的手段，一類是基于柵格結(jié)構(gòu)的RS數(shù)據(jù)源，包括對航片、地圖的掃描所獲得的數(shù)據(jù)源；另一類是基于矢量結(jié)構(gòu)的大地測量數(shù)據(jù)，如經(jīng)緯儀、 慣性測量系統(tǒng)、DGPS、TSS（全站儀測定系統(tǒng)）等野外直接測量獲得的數(shù)據(jù)， 包括對地形圖的手扶跟蹤數(shù)字化。 前者數(shù)據(jù)現(xiàn)實性好， 但數(shù)據(jù)精度和空間分辨往往不能令人滿意。 后者是用戶關(guān)心和便于使用的， 實際上這些數(shù)據(jù)有很大的局限性。）二、RS技術(shù)1.發(fā)展階段遙感技術(shù)（RS）作為一種空間探測技術(shù)至今已經(jīng)歷了地面遙感、航空遙感和航天遙感三個階段。2.遙感器遙感器從第一代的航空攝影機， 第二代的多光譜攝影機、 掃描儀，很快發(fā)展到第三代的固體掃描儀（ CCD）；遙感器的運載工具，從飛機很快發(fā)展到衛(wèi)星、宇宙飛船和傳輸從圖像的直接傳輸發(fā)展到非圖像的無線電傳輸；而圖像像元也從地面 80m×80m 很快發(fā)展到 40m×40m，30m×30m，20m×20m，10m×10m，6m×6m，1m×1m。3.系統(tǒng)組成RS系統(tǒng)通常由空間信息采集系統(tǒng)、地面接收和預(yù)處理系統(tǒng)、地面實況調(diào)查系統(tǒng)和信息分析系統(tǒng)構(gòu)成。數(shù)字圖像處理的過程RS數(shù)字圖像處理的過程就是幾何、輻射校正、 信息定量化、信息復(fù)合、 圖像增強、信息特征提取、圖像分類等一系列圖像處理和技術(shù)研究， 為各類型區(qū)的遙感綜合調(diào)查提供了大量的優(yōu)質(zhì)圖像， 并在定量化、智能化，以及和RS與GIS的集成等方面開展研究。（說明：RS圖像的實質(zhì)是一張電磁波輻射的能量平面分布圖，包括圖像所表現(xiàn)出精彩文檔實用標(biāo)準(zhǔn)文案的灰度或彩色；圖像的空間位置； 電磁波長；獲取圖像的時間等。一幅掃描圖像是由時間t決定的諸多像元（探測器的瞬時視場）組成的。一幅可觀察的圖像是一個二維光強度的函數(shù)，它既反映了圖像灰度的大小，也反映了圖像灰度的分布。 由此可見，所謂光學(xué)圖像就是人眼可觀察的圖像， 其基本特點是：它的灰度（或彩色）在像幅幾何空間（二維）和圖像灰度空間（第三維）上的分布都是連續(xù)的無間斷的。 RS信息源主要來源于地物對太陽輻射的反射作用，識別地物主要依據(jù)于 RS量測地物灰展值的差異，實踐中出現(xiàn)“同物異譜”和“同譜異物”是可能的。 ）§15-8 “3S”集成技術(shù)與應(yīng)用簡介摘要內(nèi)容：介紹“3S”技術(shù)中，RS與GIS的集成、RS與GPS的集成、GPS與GIS的集成、“3S”集成。講課重點：“3S”技術(shù)的應(yīng)用。講課難點：“3S”技術(shù)的的概念。講授重點內(nèi)容提要：一、“3S”“3S”不是GPS、GIS、RS的簡單組合，而是將其通過數(shù)據(jù)接口嚴(yán)格地、緊密地、系統(tǒng)地集成起來，使其成為一個大系統(tǒng)。RS與GPS、RS與GIS、GIS與GPS的兩兩集成有許多研究與應(yīng)用成果。（說明：“3S”系統(tǒng)是一個集多種功能和特點的對地觀測手段（主要是 RS、DPS、GPS和其它大地測量儀器、 專業(yè)傳感器）于一體，向GIS和RS數(shù)字圖像處理系統(tǒng)提供具有足夠數(shù)量、精度、可靠性、完備性的空間數(shù)據(jù)，通過空間分析、預(yù)測、決策確保地學(xué)問題優(yōu)化、系統(tǒng)地解決。 “3S”是高度自動化、實時化、智能化的對地觀測系統(tǒng)，這種系統(tǒng)，不僅具有自動、實時地采集、處理和更新數(shù)據(jù)的功能， 而且能夠智能化地分析精彩文檔實用標(biāo)準(zhǔn)文案和運用數(shù)據(jù)，為多種應(yīng)用提供科學(xué)的決策咨詢，并回答用戶可能提供的各種復(fù)雜問題。“3S”系統(tǒng)在土地、地質(zhì)、采礦、石油、軍事、土建、管線、道路、環(huán)境、水利、林業(yè)等多種領(lǐng)域的開發(fā)、調(diào)查、評價、監(jiān)測、預(yù)測中發(fā)揮基礎(chǔ)和信息提供的作用；為決策科學(xué)化提供依據(jù)和保障。）二、RS與GIS的集成1.RS為GIS的提供信息源比較理想的是將 RS的分類圖像數(shù)據(jù)直接順利地進入 GIS中，經(jīng)過柵~矢轉(zhuǎn)化形成空間矢量結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，滿足 GIS的多種應(yīng)用和需求。（說明：利用攝影測量像片或 RS衛(wèi)星，經(jīng)糾正、處理，形成正射影像圖，進一步目視判讀之后，可編制出多種專題用圖， 這些圖件經(jīng)過掃描或手扶跟蹤數(shù)字化之后成為數(shù)字電子地圖，進入到 GIS中，實現(xiàn)多重信息的綜合分析，派生出新的圖形和圖件。例如；公路選線中根據(jù)地形圖、 土壤圖、地質(zhì)水文圖和選線的約束條件模型派生出最佳路線圖。）2.GIS為RS提供空間數(shù)據(jù)管理和分析的技術(shù)手段為解決 “同物異譜”和“同譜異物”，從單純的 RS數(shù)字圖像處理，解決難度較大，若將GIS與RS結(jié)合起來，此類問題就易于解決。（說明：如 GIS將地形劃分為陽坡、陰坡、半陰半陽坡及高山、中山、低山，配合RS進行地表植被分類，就能獲得很好的效果。）3.RS與GIS的三種結(jié)合方式GIS與RS有三種結(jié)合方式：分開但平行的結(jié)合；無縫的結(jié)合；整體結(jié)合。（說明：（1）RS的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)為柵格數(shù)據(jù)