谈数字化地形测量中GPS技术的应用

2016-12-05宁剑波贵州省有色金属和核工业地质勘探局物化探总队贵州都匀558000

低碳世界 2016年22期

关键词：接收机差分基线

宁剑波（贵州省有色金属和核工业地质勘探局物化探总队，贵州都匀558000）

谈数字化地形测量中GPS技术的应用

宁剑波（贵州省有色金属和核工业地质勘探局物化探总队，贵州都匀558000）

随着社会的不断发展，市政规划和工程建设规模不断的扩大，地形测量工作变得越来越重要，对地形图测量的技术要求也在不断的提高，数字化地形测量应运而生。数字化地形测量离不开GPS技术的运用。本文主要阐述了数字化地形测量中GPS技术的应用。

数字化；地形测量；GPS；静态

引言

随着GPS技术的不断发展和进步，该技术已经被大量的、广泛的运用在各类测量工作中，并且取得了非常好的测量效果。地形测量是为城市、矿区或者是工程提供其所妖气的不同的比例尺的地形图，从而满足城市或者工程建设的需要。在地形测量工作中运用GPS技术，可以高精度并且快速的对各级控制点的坐标进行测量，所以在地形图测量中的运用非常广泛。

1 GPS技术

GPS技术是全球定位系统的英文简称，该技术是由美国研制的定位系统，主要由用户站、地面跟踪监护站以及空中卫星组成，能够在海上、陆地以及空中进行全方面实时的三维导航与定位能力。GPS技术的主要特点是全天候、高效率、高精度、多功能、操作简单并且具有广泛的应用。

与传统的陆上测量技术相比GPS具有许多优势。传统的大地测量技术很容易受到测站点与目标点的通视情况的影响，假如视线方向存在障碍物，那么必须绕道进行测量。通常传统方式的距离测量被限制在5km左右，传统测量方法还受到雨、雾等气候因素的影响，但是GPS技术不需要受到气候情况的因素，同时也没有通视要求，可进行高精度大地测量，能实现全天候测量运作，省时省力，经济效益明显，坐标系统通用，应用领域广泛，具有竞争力的价格。

2 几种现代GPS测量方法和技术

随着科技的发展，GPS测量技术和方法也在不断的改进和更新，目前用得最多的GPS测量技术方法有如下几种：静态和快速静态定位，差分GPS，RTK，网络RTK技术等等，下面将逐一介绍：

2.1 静态与快速静态定位技术

静态定位技术就在在定位过程中视接收机的天线在整个测量过程中保持不变的位置，换句话说就是将接收机天线的位置作为一个不随时间的改变而改变的量。在测量中，静态定位一般用于高精度的测量定位，其具体观测模式是多台接收机在不同的观测站上进行静止同步观测，观察时间有几分钟、几小时到数十小时不等。由于普通的静态定位技术需要的观测时间较长，影响了其在低等级控制测量（如三四等控制测量，Ⅰ、Ⅱ级导线等）中的竞争力，从而产生了快速静态定位技术。快速静态利用载波相位观测值本身的具有的毫米级或更好的精度，故只需一个或少数几个历元的观测值就可满足厘米级定位的需求。

2.2 差分GPS与伪距差分原理

根据差分GPS基准站发送的信息方式差分GPS定位可分为：位置差分、伪距差分、相位平滑伪距差分、载波相位差分。它们都是由基准站发送改正数，由移动站接收并对其测量结果进行修正。以获得精确的定位结果。所不同的是，发送改正数的具体内容不一样。其差分定位精度也不同。

2.3 RTK定位技术

3 数字化地形测量中GPS技术的应用——以某工程为例

RTK定位技术就是基于载波相位观测值的实时动态定位技术，它能够实时地提供测站点在指定坐标系中的三维定位结果，并达到厘米级精度。在RTK作业模式下，基准站通过数据链将其观测值和测站坐标信息一起传送给流动站。流动站不仅通过数据链接收来自基准站的数据，还要采集GPS观测数据，并在系统内组成差分观测值进行实时处理，同时给出厘米级定位结果，历时不到1s。流动站可处于静止状态，也可处于运动状态；可在固定点上先进行初始化后再进入动态作业，也可在动态条件下直接开机，并在动态环境下完成周模糊度的搜索求解。

3.1 工程概况

某测区长约2.9km，宽约1.2km，面积近3.5km2，各方向要求向公路外扩展200m测图，具体位置由甲方在万分之一图上指定。测区内有两条公路进入测区中央，交通较为方便，测区属典型的川南浅丘地貌，高差较大，最大达80m，但地形地貌较为完整，个别地方竹林较密、农村院落较多再加上作业处最冷的季节给野外作业带来了一定的难度。

3.2 GPS平面控制测量

3.2.1 GPS网的设计

根据本项目的要求，确定四等GPS网为全测区基本控制，点距约1～3km，布设6～9个四等GPS点，同时联测3～4个原城市坐标系三等以上点，在四等GPS网的基础上再加密一级GPS网，点距约0.3～0.8km，布设25～35个一级GPS点，由四等GPS网和一级GPS网作为整个测区的控制网。

3.2.2 GPS网的选点

（1）选点准备

选点人员在实地选点之前，应收集有关布网任务与测区图件资料、已有点资料；充分了解测区的交通情况。

（2）GPS点位要求

为了避免多路径效应对GPS定位的影响，定位四周应是开阔地带。同时应尽量保证点附近无大面积水域和大型建筑物等。在现场中，不应有高度角高于15°的成片障碍物，高度角大于15°的零星障碍物的水平投影之和应小于10°。为了便于安置和操作仪器，点位周围应有足够空间可使用。GPS点应避开高压电线、变电站等设施。200m范围内不得有强功率电台、电视台、微波站等，避免强信号对接收机前置放大器的损坏和对GPS卫星信号的干扰。为了保证观测精度，尽量避免高标观测，以减少对中误差和高标扭转误差。天线设置应于标志中心一致，避免偏心观测。为相对永久保存点位，点位的选取必须放在易于长期保存不易破坏之地。GPS点选取时应考虑至少对点通视，有利于采用其他手段联测和扩展。

（3）埋石

四等及一级GPS点的标石制作及埋石：四等GPS点的标石按《城市测量规范》要求制造和埋设。房顶标志根据《城市测量规范》建筑物上标石的设置规格和方法进行。岩石标志按《城市测量规范》岩石地区平面控制点标石埋设。一级GPS点的标石规格为12cm×20cm×40cm的混凝土标石，中心标志为直径φ12mm钢筋。在坚硬的水泥铺装地面，用钢钎在地上打成20cm×20cm的方框，中心位置埋入φ12mm钢筋。标石点上须进行编号，所有GPS点应填写点之记。

（4）四等及一级GPS点的编号

四等GPS点宜取村名、山名、地名作为点名，并应向当地政府和人民群众进行仔细调查后确定。新旧点重合时宜采用旧点名，不宜随便更改。为便于四等成果的数字化管理，各点名另统一以“4”字头以4位阿拉伯数字进行编码4001、4002…。为和原有的***一级点点名有所区别和连续，也便于今后的管理，一级GPS点编号为13001、13002、13003…，其中1代表一级，3代表年份。

3.2.3 GPS网的观测

本次采用四台TOPCON-LE型单频接收机进行野外数据采集。接收机标称精度为5mm+2ppm·D，经×××GPS检定中心检测，四台仪器均达到标称精度。观测前，应编制GPS卫星可见性预报表，预报表包括可见卫星号、卫星高度角、方位角、最佳观测星组、最佳观测时间、点位图形强度因子、概略位置坐标、预报历元、星历龄期等。然后根据GPS接收机台套编制详细的观测计划表，按该表下达相应观测时段的调度指令，并根据实际作业进展，做出必要的调整。天线架设高度离地面不得小于1m，严格整平天线，天线的定向标志应指向正北，对中采用光学对点器并使用垂球进行检核，对中精度应小于2mm。天线高应在观测前后各量测一次，每次应在天线120°间隔边缘各量测一次取平均数，两次量测之差应小于3mm，并认真记录于手簿上，手簿的格式见附录。观测的时间、时段等主要技术要求见表1。

表1 观测的时间、时段等主要技术要求

复测基线的长度较差，不宜超过

（3）GPS平面控制网的平差计算

GPS测量采用WGS-84大地坐标系。要求进行坐标换算，提供城市独立坐标系成果。各基线经各项检验符合要求后，进行平差计算。在平差模型方面，具有自适应方差因子估计和调整能力，进行自动的粗差剔除和已知点筛选，或者进行稳健最小二乘估计，以获得最可靠平差结果。本次控制网整体平差使用平差软件TOPCON GPS数据后处理软件——PINNACLE或TRIMBLE——TGO软件。

（4）WGS-84系三维无约束平差

用于检验GPS网的精度情况，剔除粗差等。二维无约束平差：以检查网内有无粗差基线，基线平差的方差因子是否符合客观实际程度，已知约束数据是否存在严重不兼容情况的基础，为约束平差提供了一个“清洁的”观测基线。

（5）城市独立坐标系二维约束平差