荊江河道GPS與全站儀邊長(zhǎng)及方向改化

陳 于，胡友健，陳 剛，潘 雄

（中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）信息工程學(xué)院測(cè)繪工程系，湖北武漢430074）

荊江河道GPS與全站儀邊長(zhǎng)及方向改化

陳 于，胡友健，陳 剛，潘 雄

（中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）信息工程學(xué)院測(cè)繪工程系，湖北武漢430074）

在區(qū)域范圍較大的工程測(cè)量中，需對(duì)方向和邊長(zhǎng)觀測(cè)值作歸化改正和投影改正，但這一點(diǎn)常被許多測(cè)繪工作者忽略，因而造成不能對(duì)工程測(cè)量的結(jié)果加以正確的處理，甚至懷疑觀測(cè)精度不夠，還需加以復(fù)測(cè)，這給工程的進(jìn)度造成了不良影響。以在荊江河段河道演變監(jiān)測(cè)控制測(cè)量中對(duì)方向和邊長(zhǎng)觀測(cè)值作歸化改正和投影改正為例,闡述了邊長(zhǎng)及方向歸化改正的具體方法及改化過(guò)程，通過(guò)改化計(jì)算，同時(shí)也說(shuō)明全站儀導(dǎo)線邊長(zhǎng)測(cè)量成果經(jīng)改化后能滿足后續(xù)工程勘測(cè)精度的要求。

GPS；全站儀測(cè)距；邊長(zhǎng)和方向改化計(jì)算

平面控制網(wǎng)的觀測(cè)成果（長(zhǎng)度、方向值）都需歸算到大地水準(zhǔn)面并投影到高斯平面上。因此，當(dāng)附和導(dǎo)線與國(guó)家控制點(diǎn)連測(cè)進(jìn)行檢核時(shí)，也應(yīng)將導(dǎo)線的測(cè)量成果改化到大地水準(zhǔn)面和高斯平面上去，以統(tǒng)一數(shù)據(jù)和比較，當(dāng)導(dǎo)線處于高程較高和位于投影帶的邊緣時(shí)更需如此。特別是當(dāng)導(dǎo)線里程比較長(zhǎng)時(shí)，對(duì)導(dǎo)線精度的影響非常明顯[1、2]，也就是說(shuō)長(zhǎng)線路測(cè)量中導(dǎo)線改化是非常必要的。

長(zhǎng)江荊江段河道長(zhǎng)350多km，根據(jù)荊江河道演變監(jiān)測(cè)及研究項(xiàng)目測(cè)量布控實(shí)施方案，于2006年10月開(kāi)始布點(diǎn)，至08年已全面完工，累計(jì)完成D級(jí)GPS點(diǎn)280個(gè)、一級(jí)導(dǎo)線點(diǎn)1405個(gè)、并對(duì)10538個(gè)斷面控制樁進(jìn)行了制作、運(yùn)輸、埋設(shè)及測(cè)量，同時(shí)完成四等水準(zhǔn)測(cè)量 702.5 km。至此，葛洲壩至城陵礬段長(zhǎng)江兩岸的平面和高程控制網(wǎng)已全部建立，為荊江河道演變監(jiān)測(cè)及研究工作打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

在荊江河段河道演變監(jiān)測(cè)中利用Trimble5700與南方測(cè)繪GPS共8臺(tái)接收機(jī)進(jìn)行控制測(cè)量，點(diǎn)位布設(shè)為5 km左右兩對(duì)通視GPS點(diǎn)，長(zhǎng)江南與長(zhǎng)江北各一對(duì)，形成沿長(zhǎng)江長(zhǎng)約350 km的點(diǎn)位控制網(wǎng)，范圍為（29° 47'17.93296"N，112 ° 18'41.62649"E）∽（29 ° 54'54.73051"N，113°11'51.70490"E）,并利用TGO軟件進(jìn)行坐標(biāo)解算。之后在5 km的江南或江北4個(gè)GPS點(diǎn)之間使用 Leica TPS300全站儀測(cè)距增加導(dǎo)線點(diǎn)進(jìn)行導(dǎo)線控制測(cè)量。最后，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行地形測(cè)量，提供基礎(chǔ)地形資料數(shù)據(jù)。

1 G P S控制網(wǎng)基線解算平差處理結(jié)果

因長(zhǎng)江荊江河段河道長(zhǎng)350多km，橫跨兩個(gè)投影帶，故需分別在中央子午線111°和114°分別進(jìn)行基線解算，并通過(guò)約束平差得到各GPS控制點(diǎn)的坐標(biāo)。為方便敘述，本文針對(duì)荊江段選取其中的某一段（如圖 1）進(jìn)行研究，先 GPS解算，并將解算的四點(diǎn)即JGPSL11、JGPSL12、JGPSL13、JGPSL14作為導(dǎo)線測(cè)量起算已知點(diǎn)，將其作為附合導(dǎo)線測(cè)量的已知方向和檢核計(jì)算，計(jì)算全站儀測(cè)量角度、距離的改化值并解算各導(dǎo)線點(diǎn)坐標(biāo)。

圖1 長(zhǎng)江荊江段部分基線點(diǎn)形成的控制網(wǎng)點(diǎn)圖（矩形框?yàn)檠芯繀^(qū)域）

采用 1954北京坐標(biāo)系作為最終成果（如表 1所示）。投影參數(shù)如下：投影基準(zhǔn)：Molodensky（三參數(shù)）大地水準(zhǔn)面模型方法：EGM 96（Global）；橢球長(zhǎng)半軸：6378245.000000；橢球扁率：1/298.30；高程投影面：0 m；中心緯度：000'00"N；中心經(jīng)度：11400'00"E；縱軸加常數(shù)：0；橫軸加常數(shù)：500000（東向加）；比例尺：1.000000。這樣可以得到其中附合導(dǎo)線4個(gè)GPS點(diǎn)的坐標(biāo)，為簡(jiǎn)化計(jì)算，取坐標(biāo)尾數(shù)，4點(diǎn)坐標(biāo)分別為：JGPSL12（71125.458，6384.577），JGPSL11（70711.020，6372.411），JGPSL13（75953.977，5760.162），JGPSL14（76454.010，5735.021）。

2 四等導(dǎo)線測(cè)量與距離改化

2.1 四等導(dǎo)線測(cè)量

附和導(dǎo)線網(wǎng)包括4個(gè)起算點(diǎn)(四等GPS點(diǎn))、17個(gè)導(dǎo)線點(diǎn)。導(dǎo)線測(cè)量采用 Leica TPS300全站儀（測(cè)角精度2″，測(cè)距精度2 mm+2×10-6）。采用三聯(lián)腳架法進(jìn)行觀測(cè)，全站儀采用觀測(cè)、自動(dòng)記錄，手動(dòng)記錄結(jié)合，觀測(cè)6個(gè)測(cè)回。

2.2 全站儀測(cè)距

為了在各控制點(diǎn)中加密些導(dǎo)線點(diǎn)，采用全站儀測(cè)距測(cè)角進(jìn)行導(dǎo)線測(cè)量，觀測(cè)附和導(dǎo)線方式進(jìn)行，這種方式在5 km長(zhǎng)的距離內(nèi)，所測(cè)各邊長(zhǎng)需進(jìn)行距離改化，并重新計(jì)算各導(dǎo)線點(diǎn)地坐標(biāo)。在控制點(diǎn)JGPSL11、JGPSL12、JGPSL13、JGPSL14間加測(cè)附和導(dǎo)線，距離測(cè)量采用全站儀與水平角觀測(cè)同步進(jìn)行。在觀測(cè)前量取氣溫、氣壓，溫度量至0.2℃，氣壓量至50Pa或0.5mm Hg。觀測(cè)開(kāi)始前，先將氣溫、氣壓等參數(shù)輸入儀器內(nèi)，由儀器對(duì)邊長(zhǎng)自動(dòng)進(jìn)行氣象改正。全站儀導(dǎo)線測(cè)距與測(cè)角的記錄結(jié)果見(jiàn)圖2。

加號(hào)“+”前為兩導(dǎo)線點(diǎn)間距離，加號(hào)后為改化距離。

圖2 全站儀閉合導(dǎo)線觀測(cè)測(cè)距與方位角測(cè)量結(jié)果及其距離改化量與附和導(dǎo)線平差誤差橢圓圖

2.3 邊長(zhǎng)改化到高斯平面上的改正

設(shè)橢球體上有兩點(diǎn) P1，P2及其大地線 S，在高斯投影面上的投影為P1′，P2′及s。s是一條曲線，而連接P1′P2′兩點(diǎn)的直線為D。如前述由S化至D所加的改正稱為距離改正S，長(zhǎng)度比 m的計(jì)算公式：,將橢球面上大地線長(zhǎng)度S描寫(xiě)在高斯投影面上，變?yōu)槠矫骈L(zhǎng)度 D。距離改化公式為：,ym取大地線投影后始末兩點(diǎn)橫坐標(biāo)平均值，即。同理，根據(jù)長(zhǎng)度比可得到更精密的距離改化公式：，該公式計(jì)算精度達(dá)到0.001 m。

3 距離和方向改化計(jì)算實(shí)例

用全站儀觀測(cè)的閉合導(dǎo)線距離在距離改化之前是不能使5 km長(zhǎng)的導(dǎo)線與GPS觀測(cè)控制點(diǎn)在1954坐標(biāo)系下高斯投影面上閉合的，因而必須進(jìn)行距離改化。

3.1 平差解算后的點(diǎn)位精度

將所有的距離改化值加入之后，經(jīng)科傻軟件Cosaw in平差解算后的坐標(biāo)和點(diǎn)位精度，見(jiàn)圖1、表1。

表1 平差解算和引起的點(diǎn)位誤差表

圖1為在其中一GPS控制點(diǎn)（JGPSL13）上架設(shè)全站儀以另一GPS控制點(diǎn)（JGPSL14）為定向點(diǎn)為導(dǎo)線測(cè)量的起始點(diǎn)，經(jīng)全站儀測(cè)角和量邊至另一對(duì)GPS控制點(diǎn)（JGPSL12和GPSL11）的觀測(cè)成果圖，后在科傻軟件Cosaw in按附合導(dǎo)線平差處理所得到的誤差橢圓圖。為了更詳細(xì)表示邊長(zhǎng)改化值，在距離后加入了帶有“+”的改化距離。

從表1可看出，在加入距離改化值后，經(jīng)聯(lián)合平差解算，引起的最大點(diǎn)位改正達(dá)到24.6mm。可見(jiàn)，當(dāng)導(dǎo)線里程比較長(zhǎng)時(shí)，對(duì)導(dǎo)線精度的影響非常明顯，對(duì)長(zhǎng)線路測(cè)量中導(dǎo)線改化是非常必要的。

3.2 平面閉合差計(jì)算結(jié)果分析

經(jīng)在科傻軟件Cosaw in針對(duì)導(dǎo)線角度，距離進(jìn)行平差解算，可得到平面閉合差計(jì)算結(jié)果如下：角度閉合差：18.7 s，X坐標(biāo)閉合差:0.0076 m，Y坐標(biāo)閉合差：-0.0238 m。

總長(zhǎng)度：6.1306 km，導(dǎo)線全長(zhǎng)相對(duì)閉合差精度K為1：245102?？蓾M足四等導(dǎo)線控制測(cè)量成果精度要求。

4 結(jié) 語(yǔ)

GPS和全站儀聯(lián)合作業(yè)時(shí)，通常要對(duì)全站儀測(cè)得的距離進(jìn)行改化，以與GPS測(cè)量所得距離投影到高斯平面上的距離一致。若使用 GPS或全站儀單獨(dú)作業(yè)，則不涉及到距離改化的問(wèn)題。在中央子午線附近，距離改化值很小，而離子午線越遠(yuǎn)，距離改化值越大。若想不進(jìn)行距離改化，可適當(dāng)?shù)陌淹队皫捒s小，在提供坐標(biāo)成果時(shí)，要特別的進(jìn)行說(shuō)明，以保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性。

[1] 劉景和，張貴文，谷云峰，等.公路測(cè)量與導(dǎo)線改化[J].黑龍江交通科技,1999,1:47-48

[2] 張正祿.工程測(cè)量學(xué)[M].武漢：武漢大學(xué)出版社,2005

[3] 孔祥元,梅是義.控制測(cè)量學(xué)（下冊(cè)）[M].武漢：武漢測(cè)繪科技大學(xué)出版社,1998

[4] 汪建鴿，楊建華.公路測(cè)量中邊長(zhǎng)改化及Gauss投影坐標(biāo)換算[J].中南公路工程，2000,12:1-2

[5] 王彩霞,薛建成.GPS在公路測(cè)量中應(yīng)注意的問(wèn)題[J].交通標(biāo)準(zhǔn)化,2003,08:42-45

[6] 徐廣明.高斯投影及其換帶、歸化在高等級(jí)公路控制測(cè)量中的應(yīng)用[J].水運(yùn)工程,2005,07:

[7] 胡毓鉅.地圖投影[M].北京:測(cè)繪出版社,1981

Research on Distance and Direction Correction of GPS and Total Station M easurements in the Jingzhou Section of Yangtse River

CHEN Yu,HU Youjian,CHEN Gang,PAN Xiong
（Depart ment of Surve yin gand Map ping Inf or mati on,Faculty of In for mati on Engi nee ring，China Uni versity of Geosci ences,Wu han 430074,China）

This paper illustrates the course of distance and direction correction of GPS and Total Station measurements in the evolvement monitoring of Jingzhou section of Yangtse River.Thiscan be often ignored in the engineering survey, and thus some data can't beh and led correctly, and this may cause person to doubt observation precision is not enough, or need to be re-measurement,which gives the progress of the project a negative impact.This paper illustrates the specific methods and process correction of distance and direction, and after the correction computation,the outcome can meet the requirements of precision engineering.This shows that it is necessary to do distance and direction correction in long distance range.

GPS;coordinates computing;distance measurement;distance correction

2010-03-23

項(xiàng)目來(lái)源：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目 (40974002)；中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目（CUG090110)。

P228.42

B

1672-4623(2010)02-0049-03

陳于，博士，講師，研究方向?yàn)?S技術(shù)集成與應(yīng)用，國(guó)土資源遙感。