GPS技術(shù)在數(shù)字化地形圖測量中的應(yīng)用

沈特營

摘要：隨著GPS技術(shù)的不斷進(jìn)步，GPS系統(tǒng)廣泛地應(yīng)用于工程地形測量項目中，并呈現(xiàn)出了其高精度、高效益、受環(huán)境條件影響小等顯著特點，本文對GPS技術(shù)在數(shù)字化地形圖測量中的應(yīng)用進(jìn)行了分析，希望能對改善數(shù)字化地形測量有所幫助。

關(guān)鍵詞：GPS技術(shù)；地形測量；數(shù)據(jù)處理

如今數(shù)字化地形測量在工程建設(shè)中的應(yīng)用越來越廣泛，具有了極大地重要性，近年來相關(guān)測繪技術(shù)不斷發(fā)展并廣泛應(yīng)用于地形測量中，為地形測量的準(zhǔn)確性和科學(xué)性提供了保障，現(xiàn)通過對GPS技術(shù)在數(shù)字化地形測量中的應(yīng)用進(jìn)行研究分析，為數(shù)字化地形圖測量提供相關(guān)實踐理論參考。

1 GPS簡介

GPS通常采用測距的方法來提供各種數(shù)據(jù)。除此之外，還可采用多普勒定位與測速法、載波相位法和干涉法定位。GPS衛(wèi)星定位測量的基本原理是：利用GPS接收機(jī)在某一時刻同時接收3顆或以上的GPS衛(wèi)星信號，用戶利用這些信息測量出測站點至3顆或以上GPS衛(wèi)星的距離，并計算出該時刻GPS衛(wèi)星的三維坐標(biāo)，根據(jù)距離交會原理解算出測站點的三維坐標(biāo)。然而，由于衛(wèi)星和接收機(jī)的時鐘誤差，因此，GPS衛(wèi)星定位測量應(yīng)至少對4顆衛(wèi)星進(jìn)行觀測來進(jìn)行定位計算。如圖1所示可確定4個距離觀測方程。

式中：i=1、2、3、4；C為GPS信號的傳播速度；（Xi，Yi，Zi）為衛(wèi)星的軌道坐標(biāo)；ti為各個衛(wèi)星的時鐘差；ρi為各個衛(wèi)星到測站點接收機(jī)天線的距離。

2 數(shù)字化地形測量概述

隨著測繪技術(shù)的飛速發(fā)展，GPS+全站儀+計算機(jī)的全數(shù)字化地形測量模式逐步成熟并基本普及，這種模式正在替代而且必將完全替代傳統(tǒng)的大平板儀地形測量，成為地形測量的主流模式；另一方面，地形測量模式的更新又將對測繪單位儀器設(shè)備、人員素質(zhì)、管理方式、作業(yè)組織等產(chǎn)生一系列的影響。

數(shù)字化地形測量的生產(chǎn)工序可概括為兩個環(huán)節(jié)：一是控制測量與計算機(jī)輔助平差計算；二是碎部數(shù)據(jù)采集與軟件編圖成圖。兩個環(huán)節(jié)間以數(shù)據(jù)傳輸為紐帶，即可平行施工又可順序施工，與傳統(tǒng)地形測量相比，壓縮了大量的中間生產(chǎn)環(huán)節(jié)。

3 GPS數(shù)據(jù)處理

GPS數(shù)據(jù)處理要從原始的觀測值出發(fā)得到最終的測量定位成果，其數(shù)據(jù)處理過程大致分為GPS測量數(shù)據(jù)的基線向量解算、GPS基線向量網(wǎng)平差以及GPS網(wǎng)平差或與地面網(wǎng)聯(lián)合平差等幾個階段。數(shù)據(jù)處理的基本流程：數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、預(yù)處理、基線解算、GPS網(wǎng)平差。

3.1 GPS網(wǎng)技術(shù)設(shè)計

GPS技術(shù)分為外業(yè)施測和內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理兩部分工作。外業(yè)施測是內(nèi)業(yè)工作的數(shù)據(jù)來源，也是整個GPS技術(shù)工作的基礎(chǔ)。如何作好GPS野外作業(yè)，對確保GPS外業(yè)觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量，提高整個GPS技術(shù)的成果精度，顯得尤為重要。

（1）GPS測量精度標(biāo)準(zhǔn)及分類

對于各類GPS網(wǎng)的精度設(shè)計主要取決于網(wǎng)的用途。用于地殼形變及國家基本大地測量的GPS網(wǎng)可參照《規(guī)范》中的A、B級精度分級；用于城市或工程的GPS網(wǎng)可根據(jù)相鄰點的平均距離和精度參照《規(guī)程》中的二、三、四等和一、二級精度分級，見表1。在具體布設(shè)中，可以分級布設(shè)，也可以越級布設(shè)。

各等級GPS相鄰點間的弦長精度用下式表示

（2）

式中，σ為GPS基線向量的弦長中誤差（mm）；a為GPS接收機(jī)標(biāo)稱精度中的固定誤差；b為GPS接收機(jī)標(biāo)稱精度中的比例誤差系數(shù)；d為GPS網(wǎng)中相鄰點間的距離。

（2）GPS點的密度標(biāo)準(zhǔn)

各種不同的任務(wù)要求和服務(wù)對象，對GPS點的分布要求也不同?，F(xiàn)行規(guī)范對GPS網(wǎng)中兩相鄰點間的距離、各等級GPS網(wǎng)相鄰點的平均距離視其需要也做出規(guī)定。

3.2 外業(yè)數(shù)據(jù)采集

利用RTK進(jìn)行數(shù)字化測圖的基本步驟是先控制測量，然后利用RTK測量圖根點，再利用全站儀測量碎步點，再進(jìn)行數(shù)字化成圖?；蛘呤窍瓤刂茰y量，然后直接利用RTK測量碎部點，再進(jìn)行數(shù)字化成圖。作業(yè)過程主要包括外業(yè)數(shù)據(jù)采集和內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理，外業(yè)數(shù)據(jù)采集包括控制測量和碎部測量兩部分，內(nèi)業(yè)主要包括GPS數(shù)據(jù)處理和數(shù)字化地圖編輯。

4 實例分析

4.1 測區(qū)概況

測區(qū)為某廠房，中心地理坐標(biāo)已確定，在測區(qū)內(nèi)以一個四等GPS點為起算點。為了對該測區(qū)10km2進(jìn)行1：500的地形圖測量，布設(shè)了一級控制網(wǎng)。

4.2 GPS網(wǎng)控制測量

根據(jù)工程測量設(shè)計及規(guī)范要求進(jìn)行較高精度的測量；本次平面控制采用采用Trimble雙頻GPS接收機(jī)衛(wèi)星定位測量方法聯(lián)測國家高等級控制點，沿測區(qū)布設(shè)一級GPS控制網(wǎng)進(jìn)行首級控制。

利用GPS建立一級控制點，每時段采集數(shù)據(jù)前，作業(yè)員量取天線高，記錄此時段的接收衛(wèi)星數(shù)、故障情況；一個時段觀測過程中無關(guān)閉接收機(jī)重新啟動、進(jìn)行接收機(jī)初始化、改變數(shù)據(jù)采集間隔、改變天線位置；觀測員在作業(yè)期間未擅自離開測站，并應(yīng)防止儀器受震動和被移動，防止人和其他物體靠近儀器、以免遮擋衛(wèi)星信號；觀測時無人在接收機(jī)旁使用手機(jī)和對講機(jī)，避免了干擾衛(wèi)星信號；在觀測過程中應(yīng)保證接收機(jī)正常工作，數(shù)據(jù)記錄正確，觀測結(jié)束后，在GPS手簿中輸入這些點的WGS-84坐標(biāo)和地方坐標(biāo)，手簿內(nèi)置軟件會自動計算控制點的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)。為了提高精度，將天線設(shè)置在對點器上，設(shè)置好天線高、基準(zhǔn)站點坐標(biāo)、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)、預(yù)設(shè)精度指標(biāo)等參數(shù)，觀測控制網(wǎng)和數(shù)據(jù)。

用GPSRTK布設(shè)圖根點，根據(jù)《工程測量規(guī)范》圖根點的精度相對于鄰近等級控制點的點位中誤差不應(yīng)大于圖上0.1mm；高程的中誤差，不應(yīng)大于測圖基本等高距的1/10；用實時GPSRTK來布設(shè)圖根點，并可以得出，RTK的測量精度完全能夠達(dá)到一級導(dǎo)線網(wǎng)的測量。在RTK精度檢查完畢后，再開始測量圖根點，測得部分圖根控制點坐標(biāo)成果，見表3。

4.3 1：500地形圖碎部測量

由于測區(qū)范圍較大，工期短，在野外數(shù)據(jù)采集時用采用萊卡TCR302全站儀和Trimble雙頻GPS接收機(jī)同時對測區(qū)進(jìn)行野外數(shù)據(jù)采集。

使用全站儀及GPSRTK在野外采集數(shù)據(jù)十分快捷方便。在數(shù)據(jù)采集以前要作好點矯正、建立文件等準(zhǔn)備工作，架設(shè)好基準(zhǔn)站以后要檢測流動站測點是否準(zhǔn)確，然后就可以開始進(jìn)行碎部點的測量采集了。在碎部點的采集過程中應(yīng)盡量保證采點均勻，重復(fù)點盡量減少，否則會影響DTM的建立，不利于成圖。在野外工作時，要及時將特殊地物等特征點的位置作記錄，并畫好草圖，方便以后電子地圖的勾勒。此外，在使用GPS—RTK作業(yè)時一定要注意衛(wèi)星數(shù)目不小于4顆。

5 結(jié)語

總之，GPS技術(shù)是集計算機(jī)、衛(wèi)星、微電子等現(xiàn)代技術(shù)的綜合產(chǎn)物，以其高精度、高效率、全天候的優(yōu)點被廣泛應(yīng)用到測量生產(chǎn)單位中，GPS技術(shù)的出現(xiàn)與不斷完善將會進(jìn)一步推進(jìn)地形測量技術(shù)的改進(jìn)，完善和豐富地形測量方法，為建筑工程提供技術(shù)保證。