gps工程控制網的布設研究畢業論文(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 地方控制點若干個。大、中城市的GPS網應與國家控制網相互聯接和轉換，并應與附近的國家控制點聯測，聯測點數不應少于3個點。小城市或工程控制網可聯測2～3個點。 （5）為了求得GPS網點的正常高，應進行水準測量的高程聯測，并應按下列要求實施：①高程聯測應采用不低于四等水準測量或其精度相當的方法進行；②平原地區，高程聯測點應不少于5個點，并應均勻分布于網中；③丘陵或山地，高程聯測點應按測區地形特征，適當增加高程聯測點其點數不宜少于10個點；④GPS點高程（正常高）經計算分析后符合精度要求的可供測圖或一般工程測量用。 GPS布設的一般原則 （1）通過獨立觀測邊構成閉合圖形，閉合環邊3—7 個，有一定數量的重復觀測邊。 （2）GPS 網點盡量與原有GPS 點網點重合。 （3）GPS 應該考慮布設一些水準連測點。 （4）網點應易達到的地方，視野開闊的地方。 （5）在網點附近布設一個通視良好的方位點，以便方便連測。由于GPS 網的設計是非常靈活的。但也應注意以下幾個問題：①除了特殊需要，一般GPS 基線長度相差不要過大，這樣可以使GPS 測量的精度分布均勻；②GPS 網不要有開放式的網型結構，應構成封閉式閉合環和子環路；③應盡量消除多路徑影響，防止GPS信號通過其他物體反射到GPS 天線上，因此應避開強反射的地面，避開強反射環境，如山谷、山坡、建筑物等；④避開強電磁波干擾，設站應遠離雷達站、電臺、微波中繼站等。由于GPS 測量受地面圖形影響很少，可以靈活布設，點位選擇時則根據工程需要布點，而不必考慮點距及點的通視情況，一般工程網的布設可分為3 種，即:點位集中在一塊區域、點位分布在幾個區域、點位呈線狀分布。當測區范圍較大時（幾百平方公里），為保證控制網點的整體精度，應使用經典大地測量方法布設控制網。控制點要與高等級控制點構成圖形，并控制網點與點之間也要構成圖形。如精度要求較高時，點與點之間應構成直接邊。當布設的點位不均勻時，即點間距離差別較大時，在施測過程和數據處理中應分別進行。無測區是面狀還是線狀，都應首先根據點位分布情況選擇若干點做一骨架網，然后再利用該網進行工程網的布設，也就是分成二級控制。一般工程控制網點不需要均勻分布，而是按其需要進行布點，可以布成一個或幾個獨立的點群。雖然GPS 測量不受地面圖形影響，但布網時也應考慮點位的圖形結構，這是因為:較大測區工程控制網布設時，不可能一次完全選點，而是采用逐步推進的方法，若不考慮圖形結構,最后整個控制網易產生扭曲。可為三角形異步邊閉合差的檢驗提供條件。由于許多工程完成后需要進行常規測量，因此布點時根據需要確定點位的位置，并考慮其圖形結構。 GPS控制網的優化設計 GPS控制網的優化設計是實施GPS測量的基礎性工作，它是在網的精確性、可靠性和經濟性等方面，尋求GPS控制網設計的最佳方案。根據GPS測量特點可知，GPS網至少需要一個點的坐標為定位基準，而此點的精度高低直接影響到網中各基線向量的精度和網的最終精度。同時，因為GPS控制網的尺度含有系統誤差以及同地面網的尺度匹配問題，所以有必要提供精度較高的外部尺度基準。GPS控制網的精度與其幾何圖形結構無關，且與觀測權相關甚小，而其精度主要取決于網中各點發出基線的數目及基線的權陣。因此，提出了GPS網形結構強度優化設計的概念，討論增加的基線數目、時段數、點數對GPS網的精度、可靠性、經濟效益的影響。GPS網的優化設計主要歸結為兩大內容的設計：(1)GPS網的基準優化設計。(2)GPS網的精度優化設計 GPS網的基準設計 GPS控制網的基準設計是實施GPS測量的基礎性工作，它是在網的精確性、可靠性和經濟性方面，尋求GPS控制網基準設計的最佳方案。根據GPS測量特點分析可知，GPS網需要以一個點的坐標為定位基準，而此點的精度高低直接影響到網中各基線向量的精度和網的最終精度。同時由于GPS網的尺度含有系統誤差以及同地面網的尺度匹配問題所以有必要提供精度較高的外部尺度基準。 網的基準包括網的位置基準、方向基準和尺度基準。而確定網的基準，是通過網的整體平差來實現的。在GPS網的優化設計中，應當根據網的用途，提出確定網的基準的方法和原則。一般來說，在GPS網的整體平差中，可能含有兩類觀測量，即相對觀測量（如基線向量）和絕對觀測量（如點在WGS84中的坐標值）。在僅含有相對觀測量的GPS網中，網的方向基準和尺度基準，由在平差計算中作為相關觀測量的基線向量唯一的確定；而網的位置基準，則決定于所取網點坐標的近似值系統和平差方法。在GPS網包含點的坐標觀測量的情況下，網的位置基準，將取決于這些網點的坐標值及其精度。GPS網的基準設計，一般主要是指確定網的位置基準問題。確定網的位置基準，通常可根據情況，選取以下方法： (1）選取網中一點的坐標值并加以固定，或給以適當的權； (2）網中的點均不固定，通過自由網偽逆平差，確定網的位置基準； (3）在網中選若干點的坐標值并加以固定； (4）選網中若干點（直至全部點）的坐標值并給以適當的權。 前兩種方法，對GPS網定位的約束條件最少，所以，通常稱為最小約束法；而后兩種方法，對平差計算則存在若干約束條件，其約束條件的多少，取決于在網中所選點的數量，這種方法，通常稱為約束法。 以最小約束法進行GPS網的平差，對網的定向與尺度沒有影響，也就是說，不管采用上述哪種最小約束法，平差后網的方向和尺度，以及網中元素（邊長、方位或坐標差）的相對精度都是相同的，但網的位置及點位精度卻不相同。 約束平差法，在確定網的位置基準的同時，對GPS網的方向和尺度也會產生影響，其影響程度，與約束條件的多少，及所取觀測值的精度有關。當網中已知點的坐標含有較大的誤差，或其權難以可靠地確定時，將會對網的定向與尺度產生不利的影響。雖然從理論上說，在網的平差計算中，給所有的已知位置以適當的權，是最為嚴格的方法，但是，如何適當的確定已知位置的權，及其與網中其它觀測量權的比例關系，則是一個需要慎重考慮的問題。所以，一般只有對于一個大范圍的GPS網，而且要求精確地位于WGS84協議地球坐標系時，或者在具有一組分布適宜的，高精度的已知點時，為改善GPS網的定向和尺度，約束平差法才具有重要意義。在一般情況下，對于一些區域性的GPS網，如城市、礦山和工程GPS網，其是否精確位于地心坐標系統，并不特別重要，因此，這時多采用最小約束平差法。而且為了與經典地面網相聯合，通常以采用固定點的經典自由網平差法為宜。 盡管GPS觀測的基線向量本身已含有尺度信息，但由于GPS網的尺度含有系統誤差，為有效地降低或消除這種尺度誤差，還需要提供外部尺度基準。尺度基準設計有以下幾種方案： （1）采用外部尺度基準。對于邊長小于50km的GPS網，可用較高精度的測距儀測量2—3條基線邊，作為整網的尺度基準。 （2）采用內部尺度基準。在沒有外部尺度基準的情況下，在網中選擇一條長基線，并對該基線進行長時間、多次觀測，最后取多次觀測時段所得到的基線的平均值，以其邊長作為網的尺度基由于它是不同時段的平均值，尺度誤差基本上可以抵消。因此它的精度要比網中其他短基線高得多，可以作為尺度基準。 GPS網的精度設計 對于 GPS 網的精度要求，主要取決于網的用途和定位技術所能達到的精度，精度設計時，根據任務要求和具體的服務對象以滿足工程要求為前提。工程及城市的GPS控制網可根據相鄰點的平均距離和精度進行設計，見下表即 ：表33GPS測量精度分級等級平均距離（km）a(mm)b（ppm）最弱邊相對中誤差二等91021/12萬三等51051/8萬四等210101/一級110101/2萬二級10201/1萬各等級GPS相鄰弦長精度可表示為式中： 為 GPS 基線向量的弦長中誤差，即等效距離誤差，mm；a 為 GPS 接收機標稱精度中的固定誤差 ，mm；b 為GPS接收機標稱精度中的比例誤差系數；d 為GPS定位網中相鄰點間距離,km。 控制網的點位選擇 GPS網點的選擇在整個網的布設中是關鍵的一步，也是非常重要的，不僅關系整個網的精度，也關系到控制網完成后的利用效率和產生的經濟效益。 GPS控制網點位選擇涉及的因素很多，也比較靈活。基本遵循以下原則： l、站點周圍的地理環境。GPS點位雖然不要求直接通視，但需要一個相對開闊的地帶，點位周圍仰角10度以上應無障礙物。 點位的地質條件。實地選點也要結合大比鍘尺地質圖；建立高等級控制網，要確保點位的相對穩定。在實地選點時，首先要避開斷裂帶，避開地質不穩定的地方，這些地方不能確定其運動的方向和速率，在數據處理時無法進行地殼運動改正：因此選址時，要選在地質相對穩定的地方，如巖石上、基巖上：在沒有基巖的地方，建立土層點時．也要考慮當地土質的穩定性，如避開松軟的土層等。 點位的交通條件。點位應選在交通方便的地方，一是在觀測時上點方便；二是節約搬站時間，同時也節約了測量費用；三是方便利用，能充分發揮點位的效率。 長期保存。了解站位所在地的規劃情況、社會情況、風土人情，根據實際情況確定點位的位置。為了點位的長久保存，要征求當地政府和規劃部門的意見，避開即開發的地區。 點位應避開大型金屬物體、大面積水域和其它易反射電磁波等物體，以避免產生多路徑效應誤差。多路徑效應在觀測過程中不能發現，只有在測后數據處理時才能知道，如果在觀測時不注意，事后發現再補測，不僅影響工作而且造成不必要的浪費。 在點位上方無高壓輸電線，距點位100米范圍內不能有變電站；遠離大功率的電臺、微波中繼站等輻射電源。 數據處理與坐標轉換 GPS接收機采集記錄的是GPS接收機天線至衛星的偽距、載波相位和衛星星歷數據等。若采樣間隔為15s，則每15s記錄一組觀測值，一臺接收機連續觀測一小時將有240組觀測值。觀測值中包含對4顆以上衛星的觀測數據以及地面氣象觀測數據等。GPS數據處理就是從原始觀測值出發得到最終的測量定位成果，其數據處理大致分為GPS測量數據的基線解算、GPS基線向量網平差以及GPS網平差或與地面網聯合平差幾個階段。在工程測量中，為了和原有的資料一致，常常要求給出當地坐標系統 。用GPS測量布設工程控制網時，獲得的是WGS 84坐標系統 ，這就需要將GPS測量的WGS 84坐標轉換成地方坐標，因此布網時，一些網點需要與部分具有地方坐標的點位重合。一般來講 ，重合點最少要有3個。如需要正常高，還應與若干水準點重合，或對GPS點進行水準聯測。坐標系統轉換的方法一般根據測區范圍的大小和精度要求而定。在工程網的數據處理中，我們一般使用GPS接收機的隨機處理軟件。不論何種接收機和何種版本的處理軟件，在野外觀測數據預處理后，都能提供3組不同意義的原始觀測量的處理結果：兩點的空間大地坐標、基線矢量及定向、基線的三維分量。這3組結果雖然表現形式不同，但他們之間是互相等價的，他們之間存在著嚴格的數學轉換關系，利用其中一種可以解算出其他兩種因此在網平差中，可以根據自己的需要選取。我國的經典大地測量控制網由于是從東向西逐漸推進的，進行的時間較長，同一地區的點位因等級不同，其測量時間也不盡相同。因此進行坐標轉換時，已知大地控制點應選擇相同等級的點，這樣求得的轉換參數才能滿足需要 。第四章 大同礦區GPS控制網設計實例 任務來源及工作量大同礦區為全國最大的煤炭企業大同礦物局所屬，并且預測煤炭儲量豐富，工業前景可觀。但是該礦區原有測量控制網為90年代建立，歷經十幾年的采礦影響，認為破壞及地貌變化，使原有控制點大部分失去控制作用，使得服務于日常生產的多項測量工作難以正常進行，遠遠不能滿足礦山生產和工程建設的需要。因此，該礦區急需建立新的測量控制網。該網不但要滿足日常采礦生產需要,而且還要顧及遠景規劃及預測區，控制面積約600平方公里，測量范圍（如圖41）為：圖41 已知點分布圖東至：550km(大同礦區獨立坐標系)南至：4415km西至：534km北至：4439km大同礦區位于山西省大同市西南，地跨大同、朔州兩市，地處東經112度53分─113度12分，北緯39度55分─40度08分，距市區12。5公里，轄區與大同市南郊區交叉，總面積約90平方公里，號稱百里礦區。區內為平緩的丘陵地貌，西南高，東北低。尖口山最高，口泉溝最低。境內主要山脈有七峰山、雞爪山、大鐘山、馬武山等；主要河流有口泉河、十里河，均為季節性河流。該區廠礦企業主要分布在口泉─黑流水(口泉溝)，馬軍營─燕子山(云崗溝)兩條狹長的山溝里。 通往礦區的鐵路有大同—王村、大同—燕子山兩條礦區專用線，各煤礦集運站都分散在兩條專用線周圍。以橫穿礦區東西向的109國道、沿礦區東側穿行的南北向大運公路為骨干線，配以礦區內專用公路，交通十分方便。礦區供水水源以第四系潛水為主，現有大同市的白馬城水源地以及時莊水源地，供水量嚴重不足，需另找新的水源。礦區電源主要來自大同市第一熱電廠和神頭電廠。礦區現有生產煤礦55處，其中國有重點煤礦18處，設計能力3645萬噸/年。截至1996年末。礦區原有國家二等三角網8個，經野外踏勘，發現有3個已明顯被破壞或受采動影響；現只有代家溝、孫家溝、羊坊、懷仁、土臺山5個點的標石保存完好（如圖41）。設計采用的是比例尺為1：10000的大同礦區航攝地形圖。1989年航攝，1992年成圖，1994年縮編成圖。地形圖采用1985國家高程基準，等高距為5米。(1）技術設計的依據2001年國家質量技術監督局發布的《全球定位系統(GPS)測量規范》 。(2）基準設計GPS測量獲得的是GPS基線向量，它屬于WGS—84坐標系的三維坐標差，而實際需要的是國家坐標系或地方獨立坐標系的坐標。因此需要結合測區概況和已有資料(圖41),進行GPS網的基準設計。根據大同礦區近