论文部分内容阅读
摘要：随着GPS技术的不断进步，GPS系统广泛地应用于工程地形测量项目中，并呈现出了其高精度、高效益、受环境条件影响小等显著特点，本文对GPS技术在数字化地形图测量中的应用进行了分析，希望能对改善数字化地形测量有所帮助。
关键词：GPS技术；地形测量；数据处理
如今数字化地形测量在工程建设中的应用越来越广泛，具有了极大地重要性，近年来相关测绘技术不断发展并广泛应用于地形測量中，为地形测量的准确性和科学性提供了保障，现通过对GPS技术在数字化地形测量中的应用进行研究分析，为数字化地形图测量提供相关实践理论参考。
1 GPS简介
GPS通常采用测距的方法来提供各种数据。除此之外，还可采用多普勒定位与测速法、载波相位法和干涉法定位。GPS卫星定位测量的基本原理是：利用GPS接收机在某一时刻同时接收3颗或以上的GPS卫星信号，用户利用这些信息测量出测站点至3颗或以上GPS卫星的距离，并计算出该时刻GPS卫星的三维坐标，根据距离交会原理解算出测站点的三维坐标。然而，由于卫星和接收机的时钟误差，因此，GPS卫星定位测量应至少对4颗卫星进行观测来进行定位计算。如图1所示可确定4个距离观测方程。
式中：i=1、2、3、4；C为GPS信号的传播速度；（Xi，Yi，Zi）为卫星的轨道坐标；ti为各个卫星的时钟差；ρi为各个卫星到测站点接收机天线的距离。
2 数字化地形测量概述
随着测绘技术的飞速发展，GPS+全站仪+计算机的全数字化地形测量模式逐步成熟并基本普及，这种模式正在替代而且必将完全替代传统的大平板仪地形测量，成为地形测量的主流模式；另一方面，地形测量模式的更新又将对测绘单位仪器设备、人员素质、管理方式、作业组织等产生一系列的影响。
数字化地形测量的生产工序可概括为两个环节：一是控制测量与计算机辅助平差计算；二是碎部数据采集与软件编图成图。两个环节间以数据传输为纽带，即可平行施工又可顺序施工，与传统地形测量相比，压缩了大量的中间生产环节。
3 GPS数据处理
GPS数据处理要从原始的观测值出发得到最终的测量定位成果，其数据处理过程大致分为GPS测量数据的基线向量解算、GPS基线向量网平差以及GPS网平差或与地面网联合平差等几个阶段。数据处理的基本流程：数据采集、数据传输、预处理、基线解算、GPS网平差。
3.1 GPS网技术设计
GPS技术分为外业施测和内业数据处理两部分工作。外业施测是内业工作的数据来源，也是整个GPS技术工作的基础。如何作好GPS野外作业，对确保GPS外业观测数据质量，提高整个GPS技术的成果精度，显得尤为重要。
（1）GPS测量精度标准及分类
对于各类GPS网的精度设计主要取决于网的用途。用于地壳形变及国家基本大地测量的GPS网可参照《规范》中的A、B级精度分级；用于城市或工程的GPS网可根据相邻点的平均距离和精度参照《规程》中的二、三、四等和一、二级精度分级，见表1。在具体布设中，可以分级布设，也可以越级布设。
各等级GPS相邻点间的弦长精度用下式表示
（2）
式中，σ为GPS基线向量的弦长中误差（mm）；a为GPS接收机标称精度中的固定误差；b为GPS接收机标称精度中的比例误差系数；d为GPS网中相邻点间的距离。
（2）GPS点的密度标准
各种不同的任务要求和服务对象，对GPS点的分布要求也不同。现行规范对GPS网中两相邻点间的距离、各等级GPS网相邻点的平均距离视其需要也做出规定。
3.2 外业数据采集
利用RTK进行数字化测图的基本步骤是先控制测量，然后利用RTK测量图根点，再利用全站仪测量碎步点，再进行数字化成图。或者是先控制测量，然后直接利用RTK测量碎部点，再进行数字化成图。作业过程主要包括外业数据采集和内业数据处理，外业数据采集包括控制测量和碎部测量两部分，内业主要包括GPS数据处理和数字化地图编辑。
4 实例分析
4.1 测区概况
测区为某厂房，中心地理坐标已确定，在测区内以一个四等GPS点为起算点。为了对该测区10km2进行1：500的地形图测量，布设了一级控制网。
4.2 GPS网控制测量
根据工程测量设计及规范要求进行较高精度的测量；本次平面控制采用采用Trimble双频GPS接收机卫星定位测量方法联测国家高等级控制点，沿测区布设一级GPS控制网进行首级控制。
利用GPS建立一级控制点，每时段采集数据前，作业员量取天线高，记录此时段的接收卫星数、故障情况；一个时段观测过程中无关闭接收机重新启动、进行接收机初始化、改变数据采集间隔、改变天线位置；观测员在作业期间未擅自离开测站，并应防止仪器受震动和被移动，防止人和其他物体靠近仪器、以免遮挡卫星信号；观测时无人在接收机旁使用手机和对讲机，避免了干扰卫星信号；在观测过程中应保证接收机正常工作，数据记录正确，观测结束后，在GPS手簿中输入这些点的WGS-84坐标和地方坐标，手簿内置软件会自动计算控制点的坐标转换参数。为了提高精度，将天线设置在对点器上，设置好天线高、基准站点坐标、坐标转换参数、预设精度指标等参数，观测控制网和数据。
用GPSRTK布设图根点，根据《工程测量规范》图根点的精度相对于邻近等级控制点的点位中误差不应大于图上0.1mm；高程的中误差，不应大于测图基本等高距的1/10；用实时GPSRTK来布设图根点，并可以得出，RTK的测量精度完全能够达到一级导线网的测量。在RTK精度检查完毕后，再开始测量图根点，测得部分图根控制点坐标成果，见表3。
4.3 1：500地形图碎部测量
由于测区范围较大，工期短，在野外数据采集时用采用莱卡TCR302全站仪和Trimble双频GPS接收机同时对测区进行野外数据采集。
使用全站仪及GPSRTK在野外采集数据十分快捷方便。在数据采集以前要作好点矫正、建立文件等准备工作，架设好基准站以后要检测流动站测点是否准确，然后就可以开始进行碎部点的测量采集了。在碎部点的采集过程中应尽量保证采点均匀，重复点尽量减少，否则会影响DTM的建立，不利于成图。在野外工作时，要及时将特殊地物等特征点的位置作记录，并画好草图，方便以后电子地图的勾勒。此外，在使用GPS—RTK作业时一定要注意卫星数目不小于4颗。
5 结语
总之，GPS技术是集计算机、卫星、微电子等现代技术的综合产物，以其高精度、高效率、全天候的优点被广泛应用到测量生产单位中，GPS技术的出现与不断完善将会进一步推进地形测量技术的改进，完善和丰富地形测量方法，为建筑工程提供技术保证。
关键词：GPS技术；地形测量；数据处理
如今数字化地形测量在工程建设中的应用越来越广泛，具有了极大地重要性，近年来相关测绘技术不断发展并广泛应用于地形測量中，为地形测量的准确性和科学性提供了保障，现通过对GPS技术在数字化地形测量中的应用进行研究分析，为数字化地形图测量提供相关实践理论参考。
1 GPS简介
GPS通常采用测距的方法来提供各种数据。除此之外，还可采用多普勒定位与测速法、载波相位法和干涉法定位。GPS卫星定位测量的基本原理是：利用GPS接收机在某一时刻同时接收3颗或以上的GPS卫星信号，用户利用这些信息测量出测站点至3颗或以上GPS卫星的距离，并计算出该时刻GPS卫星的三维坐标，根据距离交会原理解算出测站点的三维坐标。然而，由于卫星和接收机的时钟误差，因此，GPS卫星定位测量应至少对4颗卫星进行观测来进行定位计算。如图1所示可确定4个距离观测方程。
式中：i=1、2、3、4；C为GPS信号的传播速度；（Xi，Yi，Zi）为卫星的轨道坐标；ti为各个卫星的时钟差；ρi为各个卫星到测站点接收机天线的距离。
2 数字化地形测量概述
随着测绘技术的飞速发展，GPS+全站仪+计算机的全数字化地形测量模式逐步成熟并基本普及，这种模式正在替代而且必将完全替代传统的大平板仪地形测量，成为地形测量的主流模式；另一方面，地形测量模式的更新又将对测绘单位仪器设备、人员素质、管理方式、作业组织等产生一系列的影响。
数字化地形测量的生产工序可概括为两个环节：一是控制测量与计算机辅助平差计算；二是碎部数据采集与软件编图成图。两个环节间以数据传输为纽带，即可平行施工又可顺序施工，与传统地形测量相比，压缩了大量的中间生产环节。
3 GPS数据处理
GPS数据处理要从原始的观测值出发得到最终的测量定位成果，其数据处理过程大致分为GPS测量数据的基线向量解算、GPS基线向量网平差以及GPS网平差或与地面网联合平差等几个阶段。数据处理的基本流程：数据采集、数据传输、预处理、基线解算、GPS网平差。
3.1 GPS网技术设计
GPS技术分为外业施测和内业数据处理两部分工作。外业施测是内业工作的数据来源，也是整个GPS技术工作的基础。如何作好GPS野外作业，对确保GPS外业观测数据质量，提高整个GPS技术的成果精度，显得尤为重要。
（1）GPS测量精度标准及分类
对于各类GPS网的精度设计主要取决于网的用途。用于地壳形变及国家基本大地测量的GPS网可参照《规范》中的A、B级精度分级；用于城市或工程的GPS网可根据相邻点的平均距离和精度参照《规程》中的二、三、四等和一、二级精度分级，见表1。在具体布设中，可以分级布设，也可以越级布设。
各等级GPS相邻点间的弦长精度用下式表示
（2）
式中，σ为GPS基线向量的弦长中误差（mm）；a为GPS接收机标称精度中的固定误差；b为GPS接收机标称精度中的比例误差系数；d为GPS网中相邻点间的距离。
（2）GPS点的密度标准
各种不同的任务要求和服务对象，对GPS点的分布要求也不同。现行规范对GPS网中两相邻点间的距离、各等级GPS网相邻点的平均距离视其需要也做出规定。
3.2 外业数据采集
利用RTK进行数字化测图的基本步骤是先控制测量，然后利用RTK测量图根点，再利用全站仪测量碎步点，再进行数字化成图。或者是先控制测量，然后直接利用RTK测量碎部点，再进行数字化成图。作业过程主要包括外业数据采集和内业数据处理，外业数据采集包括控制测量和碎部测量两部分，内业主要包括GPS数据处理和数字化地图编辑。
4 实例分析
4.1 测区概况
测区为某厂房，中心地理坐标已确定，在测区内以一个四等GPS点为起算点。为了对该测区10km2进行1：500的地形图测量，布设了一级控制网。
4.2 GPS网控制测量
根据工程测量设计及规范要求进行较高精度的测量；本次平面控制采用采用Trimble双频GPS接收机卫星定位测量方法联测国家高等级控制点，沿测区布设一级GPS控制网进行首级控制。
利用GPS建立一级控制点，每时段采集数据前，作业员量取天线高，记录此时段的接收卫星数、故障情况；一个时段观测过程中无关闭接收机重新启动、进行接收机初始化、改变数据采集间隔、改变天线位置；观测员在作业期间未擅自离开测站，并应防止仪器受震动和被移动，防止人和其他物体靠近仪器、以免遮挡卫星信号；观测时无人在接收机旁使用手机和对讲机，避免了干扰卫星信号；在观测过程中应保证接收机正常工作，数据记录正确，观测结束后，在GPS手簿中输入这些点的WGS-84坐标和地方坐标，手簿内置软件会自动计算控制点的坐标转换参数。为了提高精度，将天线设置在对点器上，设置好天线高、基准站点坐标、坐标转换参数、预设精度指标等参数，观测控制网和数据。
用GPSRTK布设图根点，根据《工程测量规范》图根点的精度相对于邻近等级控制点的点位中误差不应大于图上0.1mm；高程的中误差，不应大于测图基本等高距的1/10；用实时GPSRTK来布设图根点，并可以得出，RTK的测量精度完全能够达到一级导线网的测量。在RTK精度检查完毕后，再开始测量图根点，测得部分图根控制点坐标成果，见表3。
4.3 1：500地形图碎部测量
由于测区范围较大，工期短，在野外数据采集时用采用莱卡TCR302全站仪和Trimble双频GPS接收机同时对测区进行野外数据采集。
使用全站仪及GPSRTK在野外采集数据十分快捷方便。在数据采集以前要作好点矫正、建立文件等准备工作，架设好基准站以后要检测流动站测点是否准确，然后就可以开始进行碎部点的测量采集了。在碎部点的采集过程中应尽量保证采点均匀，重复点尽量减少，否则会影响DTM的建立，不利于成图。在野外工作时，要及时将特殊地物等特征点的位置作记录，并画好草图，方便以后电子地图的勾勒。此外，在使用GPS—RTK作业时一定要注意卫星数目不小于4颗。
5 结语
总之，GPS技术是集计算机、卫星、微电子等现代技术的综合产物，以其高精度、高效率、全天候的优点被广泛应用到测量生产单位中，GPS技术的出现与不断完善将会进一步推进地形测量技术的改进，完善和丰富地形测量方法，为建筑工程提供技术保证。