GPS技術(shù)在中小型水庫(kù)地形圖測(cè)量中的應(yīng)用

莊 磊

0 引言

近幾年來(lái),隨著GPS載波相位差分技術(shù)(RTK)的發(fā)展,GPS RTK技術(shù)越來(lái)越成熟,已被廣泛應(yīng)用到數(shù)字化測(cè)圖中。尤其是中小型水庫(kù)建設(shè)初期,由于所處測(cè)區(qū)多為山地,通視困難,地形復(fù)雜給傳統(tǒng)野外測(cè)繪工作帶來(lái)了一定的困難。利用動(dòng)態(tài)(RTK)定位技術(shù)的優(yōu)越性,測(cè)圖速度快和精度高,能消除累積誤差,操作簡(jiǎn)便,用人少等優(yōu)勢(shì)取代了原有的平板儀測(cè)圖及全站儀測(cè)圖。工作效率和經(jīng)濟(jì)效益明顯得到大幅度提高。

1 GPS RTK技術(shù)的原理

RTK定位技術(shù)就是基于載波相位觀測(cè)值的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位技術(shù)。在RTK作業(yè)模式下,基準(zhǔn)站通過(guò)數(shù)據(jù)鏈將其觀測(cè)值和測(cè)站坐標(biāo)信息一起傳送給流動(dòng)站。流動(dòng)站不僅通過(guò)數(shù)據(jù)鏈接收來(lái)自基準(zhǔn)站的數(shù)據(jù)鏈,還要采集GPS觀測(cè)數(shù)據(jù),并在系統(tǒng)內(nèi)組成差分觀測(cè)值進(jìn)行實(shí)時(shí)處理,用戶輸入相應(yīng)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換和投影參數(shù),可以實(shí)時(shí)得到精度達(dá)厘米級(jí)定位結(jié)果。GPS RTK技術(shù)的關(guān)鍵在于數(shù)據(jù)處理技術(shù)和傳輸技術(shù)。

2 野外工作

利用GPSRTK進(jìn)行數(shù)字化測(cè)圖作業(yè)流程包括控制點(diǎn)測(cè)量、圖根點(diǎn)測(cè)量、碎步點(diǎn)測(cè)量和數(shù)字化成圖。

2.1 標(biāo)石選埋

標(biāo)石選埋按《水利水電工程測(cè)量規(guī)范》標(biāo)準(zhǔn),采用普通混凝土標(biāo)石,每對(duì)標(biāo)石間相互通視,且牢固穩(wěn)定可靠。標(biāo)石所埋位置盡量選擇地勢(shì)高,不易破壞,沒(méi)有遮擋的位置。

2.2 星歷預(yù)報(bào)

作業(yè)之前首先做星歷預(yù)報(bào)。根據(jù)星歷預(yù)報(bào)選擇最佳作業(yè)時(shí)間,避開衛(wèi)星數(shù)量少、popo數(shù)量過(guò)大的時(shí)段,制定可行、效率高的作業(yè)計(jì)劃,保證基線的順利解算,提高網(wǎng)平差精度。

2.3 控制點(diǎn)布設(shè)

由于GPSRTK定位技術(shù)數(shù)字化測(cè)圖方法不在需要布設(shè)常規(guī)測(cè)量控制網(wǎng),只要通過(guò) GPS靜態(tài)聯(lián)測(cè)國(guó)家點(diǎn)來(lái)測(cè)設(shè)測(cè)區(qū)控制點(diǎn)即可。控制點(diǎn)布設(shè)需注意以下兩點(diǎn):

1)控制點(diǎn)應(yīng)位于地勢(shì)較高,有利于衛(wèi)星信號(hào)接收和數(shù)據(jù)鏈發(fā)射的地方。需要避免無(wú)線電發(fā)射塔等電磁波干擾和大面積水域等有強(qiáng)反射物體而造成多路徑效應(yīng)影響的地方。

2)水庫(kù)測(cè)區(qū)內(nèi)控制點(diǎn)位置應(yīng)均勻布置,邊長(zhǎng)大于 500m,這樣有利于數(shù)據(jù)采集時(shí)基站重置,便于控制RTK的比列誤差。

2.4 圖根點(diǎn)及碎步點(diǎn)數(shù)據(jù)采集

1)RTK測(cè)設(shè)圖根點(diǎn)。在RTK測(cè)設(shè)圖根點(diǎn)前,必須正確輸入前期解算過(guò)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù),并在已知點(diǎn)上進(jìn)行坐標(biāo)和高程校核,確認(rèn)無(wú)誤后方可進(jìn)行圖根點(diǎn)的測(cè)設(shè)。

2)RTK測(cè)設(shè)碎步點(diǎn)。在接收信號(hào)能達(dá)到固定解時(shí)完全可以用RTK進(jìn)行碎步點(diǎn)數(shù)據(jù)采集,利用RTK進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的過(guò)程大致為:啟動(dòng)流動(dòng)站開始測(cè)量并進(jìn)行點(diǎn)校正工作后,RTK接收機(jī)便可實(shí)時(shí)接收到所需坐標(biāo)系下的三維坐標(biāo)點(diǎn)。

3 內(nèi)業(yè)工作

GPS RTK內(nèi)業(yè)工作主要包括高程擬合,GPS平面控制網(wǎng)解算和數(shù)字化成圖。

3.1 高程擬合

由于GPS所測(cè)得的高程是測(cè)站相對(duì)于WGS84橢球面的大地高,而我國(guó)所采用的高程系統(tǒng)是相對(duì)于類似大地水準(zhǔn)面的正常高系統(tǒng)。地面點(diǎn)大地高與正常高存在以下關(guān)系:

其中,H為正常高;Hg為GPS測(cè)得的大地高;ξ為高程異常。

從上式可知,Hg可由GPS相位測(cè)量方法精確測(cè)定,如何求得正常高,關(guān)鍵在于求解各點(diǎn)的高程異常值ξ,為了求定精確的高程異常值 ξ值,可以在 GPS網(wǎng)中選擇一定數(shù)量均勻分布的點(diǎn),采用幾何水準(zhǔn)方式測(cè)定其高程,然后利用這些重合點(diǎn)進(jìn)行數(shù)值擬合,求得各待定點(diǎn)的正常高。根據(jù)擬合方式的不同,有不同的擬合方程式,它們分別為:

其中,a,b,c,d,e,f均為多項(xiàng)式系數(shù);Xe+Yi為相對(duì)GPS網(wǎng)重心的平面坐標(biāo)分量。

從上面 4個(gè)數(shù)字模型的擬合方程式的待定系數(shù)可知,要解高程 GPS網(wǎng)至少要聯(lián)測(cè)三個(gè)重合已知點(diǎn)高程。利用這些重合已知高程點(diǎn)的高程異常值Δξ和坐標(biāo)值,即按最小二乘法求出擬合高程的待定系數(shù)及待定點(diǎn)正常高。

3.2 GPS平面控制網(wǎng)解算

采用商用隨機(jī)軟件存儲(chǔ)在 GPS接收機(jī)中的觀測(cè)數(shù)據(jù)傳輸至便攜式計(jì)算機(jī)中,進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理。全部觀測(cè)任務(wù)利用三角形同步環(huán)觀測(cè)完成,同時(shí)組成多個(gè)邊數(shù)不等的異步環(huán),對(duì)所用三角形同步環(huán)和異步環(huán)進(jìn)行三維閉合差統(tǒng)計(jì)。

同步環(huán)閉合差限差按下式計(jì)算:

其中,Wx,Wy,Wz均為各坐標(biāo)差分量閉合差;n為同步環(huán)的邊數(shù);σ為相應(yīng)級(jí)別規(guī)定的精度即弦長(zhǎng)標(biāo)準(zhǔn)差(按平均邊長(zhǎng)計(jì)算)。

同步環(huán)閉合差限差按下式計(jì)算:

其中,Vx,Vy,Vz均為各坐標(biāo)差分量閉合差;n為同步環(huán)的邊數(shù);σ為相應(yīng)級(jí)別規(guī)定的精度即弦長(zhǎng)標(biāo)準(zhǔn)差(按平均邊長(zhǎng)計(jì)算)。

在預(yù)處理的基礎(chǔ)上,利用隨機(jī)處理軟件進(jìn)行單基線處理,得到所用基線的固定解,對(duì)所用解出的基線,其整周模糊度分解fatio值均大于 3.0,并對(duì)每條基線中參與計(jì)算的衛(wèi)星狀況進(jìn)行篩選和優(yōu)化,讓所有參與計(jì)算的衛(wèi)星均為健康狀態(tài),對(duì)不合格的基線予以剔除。對(duì)檢驗(yàn)符合要求的基線邊進(jìn)行組網(wǎng),參與后處理計(jì)算。

3.3 數(shù)字化成圖

利用南方“工程之星”軟件將采集的原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成CASS軟件可以直接使用的DAT格式文件,并復(fù)制到計(jì)算機(jī)硬盤上。利用CASS8.0軟件結(jié)合外業(yè)繪制的草圖,可快速完成數(shù)字化成圖工作。具體步驟如下:

1)打開南方CASS8.0成圖系統(tǒng),單擊屏幕頂部菜單的“繪圖處理”項(xiàng),選擇“展野外觀測(cè)點(diǎn)點(diǎn)號(hào)”,輸入對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)數(shù)據(jù)文件名,便可在屏幕上展出野外測(cè)點(diǎn)點(diǎn)號(hào)。2)通過(guò)CASS8.0軟件里坐標(biāo)定位下的工具,根據(jù)野外所繪制的草圖和展出的點(diǎn)號(hào)可以匯出地物地貌。3)單擊“繪圖處理”菜單下的“展繪高程點(diǎn)”,將會(huì)彈出數(shù)據(jù)文件對(duì)話框輸入對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)數(shù)據(jù)文件名,高程點(diǎn)自動(dòng)展繪出來(lái)。點(diǎn)擊工具欄中“等高線”菜單下“建立DTM”項(xiàng),彈出對(duì)話框后選擇“由數(shù)據(jù)文件生成DTM”,輸入文件相應(yīng)名后,按確定即可生成 DTM。4)點(diǎn)取工具欄中:“等高線”菜單下“繪制等高線”項(xiàng)將生成等高線,刪三角網(wǎng),修改等高線。

4 結(jié)語(yǔ)

中小型水庫(kù)一般都在地形復(fù)雜、地勢(shì)險(xiǎn)要,植被茂盛、通視困難的山區(qū)。如果采用常規(guī)儀器和方法去布設(shè)控制網(wǎng),測(cè)繪地形圖費(fèi)時(shí)費(fèi)工,生產(chǎn)效率低。采用GPS RTK定位技術(shù)數(shù)字化測(cè)圖既保留了基礎(chǔ)測(cè)繪的特點(diǎn),又解決了常規(guī)測(cè)繪缺點(diǎn),提高了整體測(cè)圖的精度和速度的同時(shí)降低生產(chǎn)成本,收到事半功倍的效果。利用GPS RTK定位技術(shù)在中小型水庫(kù)前期的控制網(wǎng)布設(shè),觀測(cè),到后期的內(nèi)業(yè)計(jì)算,數(shù)字化成圖,效果都比較理想。

[1] 許紹銓.GPS衛(wèi)星測(cè)量原理及應(yīng)用[M].武漢:武漢測(cè)繪科技大學(xué)出版社,2004.

[2] 潘正風(fēng).數(shù)字測(cè)圖原理與方法[M].武漢:武漢測(cè)繪科技大學(xué)出版社,2008.

[3] 劉普海,梁 勇,張建生.水利水電工程測(cè)量[M].北京:中國(guó)水利水電出版社,2005.

[4] GB/T 7929-1995,全球定位系統(tǒng)GPS測(cè)量規(guī)范[S].

[5] 南方測(cè)繪儀器公司.CASS8.0用戶手冊(cè)[Z].