GPS在城市規(guī)劃控制測量中的應用研究

PAGEPAGE12題目：GPS在城市規(guī)劃控制測量中的應用研究專業(yè)：測繪工程【摘要】：隨著測繪技術的不斷發(fā)展，空間大地測量技術越來越受重視，其中GPS定位技術在測量各個領域得到了廣泛的應用。原來的經典測量方法受其空間性和時限性限制，而GPS測量技術正是突破了經典測量中的種種限制，達到全天候采集和不受空間通視條件等限制，作業(yè)效率大幅度提高，特別在城市控制測量中，由于建筑物密集等干擾因素，常規(guī)測量方法費時且精度有限，GPS更是得到充分應用。本文通過對某地區(qū)規(guī)劃控制網中的應用，系統(tǒng)的闡述了GPS在城鄉(xiāng)規(guī)劃控制測量中的應用過程。

【關鍵詞】：GPS；城市規(guī)劃；控制測量；控制網目錄1.引言 42.GPS簡介 42.1GPS系統(tǒng)的組成部分 42.2GPS系統(tǒng)的技術優(yōu)勢 42.2.1.測站之間無需通視 42．2.2.定位精度高 42.2.3.觀測時間短 42.2.4.提供三維坐標 42.2.5.操作簡便 42.2.6.全天候作業(yè) 52.3GPS的定位原理 53.GPS在控制測量中的技術規(guī)范 53.1引用標準及作業(yè)依據(jù) 53.2GPS點在城鄉(xiāng)控制測量中的布設原則 53.3.點位的選取 63.4埋石 63.5坐標及高程系統(tǒng) 74.工程實例 74.1測區(qū)概況 74.2已有資料的利用 74.2.1圖件資料: 74.2.2控制資料: 75.外業(yè)觀測 75.1作業(yè)儀器 75.2D、E級GPS控制測量 85.3四等水準測量 86.數(shù)據(jù)處理 97.結論 118.致謝 12 1.引言GPS是英文GlobalPositioningSystem(全球定位系統(tǒng))的簡稱，是20世紀70年代由美國陸?？杖娐?lián)合研制的新一代空間衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)。起初其主要目的是為陸、海、空三大領域提供實時、全天候和全球性的導航服務，并用于情報收集、核爆監(jiān)測和應急通訊等一些軍事目的。經過20余年的研究實驗，耗資數(shù)百億美元，到1994年3月，全球覆蓋率高達98％的24顆GPS衛(wèi)星星座己布設完成。GPS是以衛(wèi)星為基礎的無線電衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)，它具有全能性、全球性、全天候、連續(xù)性和實時性的精密三維導航與定位功能，而且具有良好的抗干擾性和保密性。因此，作為較早采用GPS技術的領域，在測量中它最初主要用于高精度大地測量和控制測量建立?，F(xiàn)在它除了繼續(xù)在這些領域發(fā)揮著重要作用外，還在測量領域的其它方面得到充分的應用，如用于各種類型的施工放樣、測圖、變形觀測、航空攝影測量、海測和地理信息系統(tǒng)中地理數(shù)據(jù)的采集等，尤其是在各種類型的測量控制網的建立這一方面，GPS定位技術已基本上取代了常規(guī)測量手段成為了主要的技術手段[2]。2.GPS簡介2.1GPS系統(tǒng)的組成部分目前GPS全球定位系統(tǒng)，主要由兩大部分組成．即空間衛(wèi)星群和地面監(jiān)控系統(tǒng)。作為測量用戶還必須有衛(wèi)星接收設備，空間衛(wèi)星群GPS的空間衛(wèi)星群由24顆高約20萬公里的GPS衛(wèi)星群組成，并均勻分布在6個軌道面上，各平面之間交角為60°，軌道和地球赤道的傾角為55°衛(wèi)星的軌道運行周期為11小時58分，這樣可以保證在任何時間和任何地點地平線以上可以接收4到11顆GPS衛(wèi)星發(fā)送出的信號。GPS接收機、數(shù)據(jù)處理軟件及相應的用戶設備是GPS的用戶重要的組成部分，如計算機、氣象儀器等就是其重要組成部分，其最主要目的是接收GPS衛(wèi)星發(fā)出的信號，并且利用收集來的信號進行導航定位等。隨著現(xiàn)代的科學技術的發(fā)展，高精度的技術指標和體積小重量輕便于攜帶的GPS定位裝置給工程測量帶來了極大的方便[1]。2.2GPS系統(tǒng)的技術優(yōu)勢2.2.1.測站之間無需通視測量站之間的相互通視一直被認為是測量學的難題，而通過GPS這一特點的應用使得選點更加靈活方便。但測量站的上空必須是開闊的，從而可以使接收GPS衛(wèi)星信號不受到過多干擾。2．2.2.定位精度高大量的實驗表明，目前在小于50Km的基線上，其相對定位精度可達1×10-6～2×10-6，而在100～500Km的基線上可達10-6～10-7，隨著觀測技術與數(shù)據(jù)處理軟件及方法的不斷改善，其定位精度還將進一步的提高。在大于1000Km的距離相對定位精度達到或由于1×10-82.2.3.觀測時間短目前，利用經典的靜態(tài)定位方法，測量一條基線的相對定位所需要的觀測時間，根據(jù)要求精度的不同，一般約為1～3h。為了進一步的縮短觀測時間，提高作業(yè)速度，利用短基線(不超過20Km)快速相對定位法，其觀測時間僅需數(shù)分鐘。2.2.4.提供三維坐標GPS測量中，在精確測定觀測站平面位置的同時，亦可確定觀測站的大地高程。GPS測量的這一特點，不僅為研究大地水準面的形狀和確定地面點的高程開辟了新途徑，同時也為其在航空物探、航空攝影測量及精密導航中的應用，提供了重要的高程數(shù)據(jù)。2.2.5.操作簡便由于GPS測量的自動化程度非常高，因此目前GPS接收機已逐步趨向小型化和操作傻瓜化，而觀測人員則只需將天線對中并且整平、量取天線高度，打開電源就可以進行自動觀測，現(xiàn)在三維坐標的獲取就是利用數(shù)據(jù)處理軟件對數(shù)據(jù)進行處理測得的。2.2.6.全天候作業(yè)GPS測量工作，可以在任何地任何時間連續(xù)地進行，一般不受天氣狀況的影響。因此，GPS定位技術的發(fā)展是對經典測量技術的一次重大突破[10]。2.3GPS的定位原理圖2-1GPS的定位原理圖GPS定位的基本原理是根據(jù)高速運動的衛(wèi)星瞬間位置作為已知的起算數(shù)據(jù)，采用空間距離后方交會的方法，確定待測點的位置。如上圖所示，假設t時刻在地面待測點上安置GPS接收機，可以測定GPS信號到達接收機的時間△t，再加上接收機所接收到的衛(wèi)星星歷等其它數(shù)據(jù)可以確定以下四個方程式，從而得到該點在WGS一84坐標系的精確的三維坐標[2]。S1=[（X1－X）2+(Y1－Y)2+(Z1－Z)2]1/2+C(Vt1－Vt0)S2=[（X2－X）2+(Y2－Y)2+(Z2－Z)2]1/2+C(Vt2－Vt0)S3=[（X3－X）2+(Y3－Y)2+(Z3－Z)2]1/2+C(Vt3－Vt0)S4=[（X4－X）2+(Y4－Y)2+(Z4－Z)2]1/2+C(Vt4－Vt0)3.GPS在控制測量中的技術規(guī)范3.1引用標準及作業(yè)依據(jù)（1）GB6962—86《1：500，1：1000，1：2000比例尺地形圖航空攝影規(guī)范》；（2）GB7931—87《1：500，1：1000，1：2000地形圖航空攝影測量外業(yè)規(guī)范》；（3）GB7930—87《1：500，1：1000，1：2000地形圖航空攝影測量內業(yè)規(guī)范》；（4）GB15967—1995《1：500，1：1000，1：2000地形圖航空攝影測量數(shù)字化測圖規(guī)范》；；（5）CJJ8—99《城市測量規(guī)范》，下簡稱《規(guī)范》；（6）GB/T18314-2009《全球定位系統(tǒng)（GPS）測量規(guī)范》，下簡稱《GPS規(guī)范》；（7）CJJ73-97《全球定位系統(tǒng)城市測量技術規(guī)程》，下簡稱《GPS規(guī)程》；（8）CH/T2009-2010《全球定位系統(tǒng)實時動態(tài)測量（RTK）技術規(guī)范》，下簡稱《RTK規(guī)范》；（9）GB12898—91《國家三、四等水準測量規(guī)范》，下簡稱《水準規(guī)范》；（10）FCB001-2005《福建省1:500，1:1000，1:2000基本比例尺數(shù)字地形圖測繪技術規(guī)定》，以下簡稱《福建省技術規(guī)定》；3.2GPS點在城鄉(xiāng)控制測量中的布設原則GPS在城鄉(xiāng)控制網的布設中要依據(jù)著重控制網布設的總體指導思想進行合理的設計，結合當?shù)爻鞘锌深A計的技術發(fā)展和控制網精度對其的要求，城鄉(xiāng)控制網的建設原則應當根據(jù)下列條件進行布設。（1）充分利用當?shù)氐貐^(qū)的國家級GPS網點和GPS連續(xù)運行站的數(shù)據(jù)，用來組構成控制網的基礎框架結構。（2）要以框架網為布設依托，將控制網的站點原則上布設交通便利，其步行到點的實踐不超過半小時的路程范圍內。（3）水準網與GPS網的相互結合運用，在地區(qū)內均勻的布設一定密度的GPS網（其點距離平地應為7-10Km,而山地標準應為10-20Km左右），并且能夠用二等水準進行聯(lián)測高程。（4）城市控制網中GPS的布設于未來似大地的水準面精化目標應當保持高度的一致性。（5）在城市控制網的建設中應當顧及周邊各區(qū)、縣的基礎控制以及其在未來的發(fā)展的需要。應當在政府所在地至少布設3個GPS點，新的選點要選在城鎮(zhèn)附近并且交通方便以及預計的使用頻率相對較高的地方。（6）在建設和更新中，為了保證新舊控制網能夠以最佳的狀態(tài)相吻合，應當均勻的選擇觀測條件好并且相對穩(wěn)定的二等三角點進行聯(lián)測（應該不少于15個）。選擇要主要依據(jù)主空網（指的是城市一等網）并兼顧二等和二等補網，這樣能達到對各個控制網能夠進行公平、正確、綜合的評估[5]。3.3.點位的選取選點工作應遵守以下原則：（1）點位應設在易于安裝接受設備，并且視野開闊地方；（2）設置的點位要顯著，視場周圍高度角15°以上不應有障礙物，以減少GPS信號被遮擋或障礙物吸收；(3)點位應遠離大功率無線電發(fā)射源（如電視塔、微波站等）其距離不少于200m；遠離高壓輸電線，其距離不得少于50m。以避免其產生的電磁場對GPS信號的干擾；(4)點位附近不應有強烈干擾衛(wèi)星信號接收的物體如大面積水體（河流、湖泊、沼澤等）、鋼構房屋，以減弱多路徑效應的影響；(5)點位應保證至少與一個鄰近點通視，有利于其它觀測手段擴展與聯(lián)測的地方；(6)地面基礎穩(wěn)定，易于點的保存，點間距離不應小于200米；(7)當所選點位需要進行水準聯(lián)測時，選點人員應實地踏勘水準路線，提出有關建議；(8)當利用舊點時，應對舊點的穩(wěn)定性、完好性，以及覘標是否安全可用進行檢查，符合要求方可利用[6]。3.4埋石(1)GPS點的標石及標志規(guī)格如圖3-1圖3-1標志及標石埋設規(guī)格(2)各GPS點均應埋設永久性的標石，埋設時坑底填以砂石，搗固夯實或澆灌混凝土底層。埋石規(guī)格如圖3-2圖3-2永久性標石埋設規(guī)格(3)GPS點標石埋設所占土地，應經土地使用者或管理部門同意，依法辦理征地手續(xù)，并辦理測量標志委托管書。3.5坐標及高程系統(tǒng)平面坐標系：控制測量部分按標書要求分別采用1954年北京坐標系、1980西安坐標系和2000國家大地坐標系解算并提供3套成果；數(shù)字化地形測繪部分則采用1980西安坐標系；高斯-克呂格任意帶投影，中央子午線經度為118度30分。高程基準：1985國家高程基準。4.工程實例4.1測區(qū)概況該測區(qū)位于惠安縣城市總體規(guī)劃區(qū)域（北緯24°56′26″－25°04′33″，東經118°44′15″－118°50′31″），主要為縣城及其周邊，涉及有螺城、螺陽、涂寨、輞川、黃塘、紫山等鄉(xiāng)鎮(zhèn)?？倻y繪面積約為90平方公里。測區(qū)內地勢由西北向東南傾斜，地形以平原、臺地為主，居民點較為密集，工廠企業(yè)較多，交通發(fā)達。4.2已有資料的利用4.2.1圖件資料:總參測繪局出版的1：5萬地形圖和福建省測繪局出版的1:1萬地形圖可供設計和生產作業(yè)參考。4.2.2控制資料:測區(qū)內有福建省基礎地理信息中心提供的C級GPS網點494P、F018和0131等可作為平面起算。惠安縣規(guī)劃建設局提供的修測區(qū)域內控制點應盡量利用其標石。測區(qū)內有福建省基礎地理信息中心提供的等級水準點Ⅰ杭廣南257、Ⅰ杭廣南260和Ⅰ杭廣南261等，可作為高程起算。5.外業(yè)觀測5.1作業(yè)儀器本測區(qū)外業(yè)觀測用的是中海達HD8200X一體化智能靜態(tài)GPS接收機，儀器的平面精度為±（5mm），垂直精度為±（10mm）,作用距離≤50Km，滿足城市GPS四等測量的技術要求。5.2D、E級GPS控制測量(1)GPS布網是在已知等級網（點）的基礎上，沿測區(qū)外圍及中心采用邊連接或混合連接形式組網。為確保坐標轉換，至少應聯(lián)測3點以上高級控制點。（2）D、E級GPS點位應選埋在基礎穩(wěn)固、土質堅實的地上，或者較固定的高層建筑物頂上，以便長期保存，點位至少應保證有兩點相互通視；點位埋設與制作規(guī)格按《GPS規(guī)程》執(zhí)行；D級GPS點的編號為HD001、HD002……HDn；要求制作點之記。E級GPS點的編號為HE001、HE002……HEn；E級GPS點基本位于測圖區(qū)域內，因此不要求制作點之記。（3）GPS點的觀測應采用經計量單位檢定合格且精度應高于5mm+2ppm×D的四臺套以上單頻或雙頻接收機同步觀測一組衛(wèi)星，觀測方法采用靜態(tài)測量。（4）測區(qū)概略定位解的取值為東經118°47′，北緯25°00′。作業(yè)前應按要求編制GPS衛(wèi)星歷預報表，選擇最佳的觀測衛(wèi)星組以及觀測時間段，以確保觀測質量。主要技術指標見下表。表5-1GPS衛(wèi)星測量技術指標項等目級衛(wèi)星高度角有效衛(wèi)星數(shù)強度因子PDOP平均重復設站數(shù)（次）時段長度(min)數(shù)據(jù)采樣率（s）備注雙頻接收機快速靜態(tài)觀測時間長度可縮短為10min。D≥15°≥4≤8≥1.6≥4510-30E≥15°≥4≤8≥1.6≥4010-30（5）作業(yè)前，應檢校光學對點器是否符合要求，確保觀測系統(tǒng)的對中整平，必要時也可采用垂線對中。GPS觀測記錄格式，作業(yè)時段及觀測時間安排應嚴格按《GPS規(guī)程》有關規(guī)定執(zhí)行。每時段觀測前后各量取天線高各一次，讀至1mm，兩次量測較差不大于3mm，取平均值作為最后天線高。5.3四等水準測量（1）四等水準測量以已知水準網點為基礎，沿主要道路以附合水準路線、水準結點網的形式布設。（2）本測區(qū)不進行水準點埋設，為滿足城市規(guī)劃建設的需要，埋設在主要道路上的D、E級GPS點（二級導線點）應盡量作為臨時水準點施測。（3）水準觀測使用DS3型水準儀配合三米區(qū)格式雙面木質標尺，直讀視距，以中絲測高法進行單程觀測，觀測順序為后—后—前—前。（4）水準觀測每測段的測站數(shù)必須是偶數(shù)站。（5）作業(yè)前應對水準儀及水準標尺按規(guī)定項目檢校。作業(yè)開始后的第一周內應檢驗i角一次，i角穩(wěn)定后每隔15天測定一次。i角不得大于20″。（6）水準測量成果的重測和取舍按《水準規(guī)范》中6.9條款規(guī)定執(zhí)行。（7）水準高差應進行尺長改正及正常水準面不平行改正。（8）水準觀測的主要技術要求按附表二規(guī)定執(zhí)行。（9）觀測記錄采用以掌上電腦（PDA）為記錄載體的電子手簿配合控制網野外手簿測量軟件Elerce（福建省地質測繪院謝維）進行，內業(yè)通訊并打印測站及測段匯總。其相關文件不允許刪除或編輯。（10）內業(yè)平差采用由北京清華山維公司提供的智能圖文網平差軟件NASEW95進行平差計算，平差結果各項均應打印。平差計算前應對原始觀測成果進行200%的檢查，并確保起算數(shù)據(jù)準確無誤，方可進行平差計算，成果取位按《規(guī)范》規(guī)定執(zhí)行。表5-2四等水準觀測的主要技術要求級別項目四等水準備注附合路線長度（km）≤80支線路線長度（km）≤15結點間路線長度（km）≤30最大視距長度（m）≤100前后視距差（m）≤5.0前后視距累積差（m）≤10.0黑紅面讀數(shù)差（mm）≤3黑紅面所測高差之差（mm）≤5檢測間歇點高差之差（mm）≤5路線或環(huán)線閉合差（mm）平原山地≤±20≤±25山區(qū)指高程超過1000m或路線中最大高差超過400m的地區(qū)。支線往返高差不符值（mm）≤±20測站高差取位（mm）0.1高差取位（mm）1檢測已測測段高差之差（mm）≤±30備注L、R以km為單位，不足1km按1km計算6.數(shù)據(jù)處理（1）接收機內存數(shù)據(jù)文件下載到外存介質時，不得進行任何剔除或刪改，不得調用任何對數(shù)據(jù)實施重新加工組合的操作指令。內業(yè)平差計算的各項指標以及成果取位應按照《GPS規(guī)程》相關條款規(guī)定執(zhí)行。（2）基線處理可采用GPS隨機軟件進行；網平差計算應采用武漢大學測繪科學與技術學院商業(yè)軟件‘CosaGps數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)’進行。（3）每個時段同步觀測數(shù)據(jù)的檢核，按以下規(guī)定進行：a.計算同一時段觀測值的數(shù)據(jù)剔除率，其值應小于10%；b.計算同步邊各時段平差值的中誤差與相對中誤差，相對中誤差計算公式：σ=式中：σ—標準差，mm；a—固定誤差≤10mm；b—比例誤差系數(shù)≤10ppm；d—點間距離，km。（4）同一條邊任意兩個時段的成果互差，應小于接收機標稱精度的2√2倍。（5）若干個獨立觀測邊組成閉合環(huán)時，各坐標分量閉合差應符合下式規(guī)定：Wx≤3σ；Wy≤3σ；Wz≤3σ；式中：n——閉合環(huán)中的邊數(shù)；σ——相應級別規(guī)定的精度(按平均邊長計算)。（6）三邊同步環(huán)，第三邊處理結果與前兩邊代數(shù)和，其差值應小于下列數(shù)值：Wx≤σ／5；Wy≤σ／5；Wz≤σ／