山区城市GPS控制测量及其高程精度分析_张高兴

386. 595 397. 938 399. 899 365. 735 380. 411 370. 567 386. 218 390. 139 433. 498 366. 486 388. 072 411. 881 376. 865 370. 764 358. 182 367. 803 382. 123 360. 300 355. 864 377. 808 362. 788 358. 663 354. 887 387. 220 390. 511 372. 259 377. 520 385. 172 392. 164
收稿日期: 2006-07-12 作者简介: 张高兴( 1970-) , 男, 福建宁化人, 讲师, 主要从事大地测量与工程测量的教学和研究工作。
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测绘通报
2006 年 第 11 期
图 1 龙岩市新罗区 D 级 GPS 控 制网点分布图
表 1 经两次高程拟合后的正常高值
m
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第一次拟合 第二次拟合
点号
影响和电离层影响对于两个同步观测站可认为基本
相同, 通过同步求差则可将两测站的这些误差基本
消除。这里, 站间同步观测及其间距的上限应予以 保证。
2. 选择合适的站址。虽然 GPS 观测站之间可
不必相互通视, 但同样应注意正确选择测站点的位 置。对此, 除应满足规范规定的要求外, 在城区还需
特别注意减除多路径效应的影响, 例如测站应该远
此外, 我们采用 的是 1980 国 家大地坐 标系和 1985 国家高程基准, 通过对基准点的联测并借助国 内成熟的坐标系统转换软件, 易于将各 点在 WGS84 坐标系上的 GPS 观测结果换算到国家平面坐标 系统和高程系统上的相应值。
三、保证 GPS 高程测量精度的主要 技术方法
1. 影响高程测量精度的主要因素 参考 GPS 测量精度分析的一般论述[ 1] , 结合本 次测量的实际情况, 我们认为影响山区城市 GP S 高 程测量精度的主要因素有如下几个方面。 ( 1) GPS 大地高测量精度 取得高精度的 GPS 大地高程观测数据是推求 高精度 GP S 正常高的重要基础之一, 影响其测量精 度的主要因素包括: 卫星星历误差、对流层影响、电 离层影响、多路径效应、GPS 信号衍射误差、天线高 问题、GPS 网 的图 形结构、整周 未知 数的求 解等。 对于 GPS 静态定位测量来说, 只要正确地选择控制 点的位置, 尽量避开高层建筑等多路径效应的影响, 合理安排多台接收机在每一条基线两个端点上的观 测程序, 保证观测数据的采样率时间和观测时段的 时间( 一般不少于 25 min) , 注意卫星的截止高度角 一般应大于 15b, 仔细量测天线的高度, 进行 PDOP
该 GP S 控制网的高程测量工作是在国家一等 水准点/ 朋牛 290基础上, 用索佳 SET 2000 全站仪进 行水准法测量, 垂直角及斜距均往返测 3 个测回, 按 四等水 准 测 量的 精 度 要求 进 行。起 初 只 联测 了 GP S 网中的 6 个点, 即 0006, 0009, 0012, 0017, 0018 和 0020 号点, 并进行全网整体高程拟合, 结果发现 这一期的 GPS 高程测量成果并不理想, 见表 1。分 析其主要原因在于: 一是联测的高程点数量偏少; 二 是受山城地貌及城建因素的影响, 控制点的分布不 甚合理。之后, 通过采取一些专门的设点等举措, 将 联测高程点数目增加到 12 个, 并使其点位分布更均 匀、更适 应 城 市 发 展 的 要 求, 即 多 联 测 了 0004, 0010, 0013, 0015, 0023 和 0025 等 6 个 GPS 点。在 数据处理时根据点位分布及高差的实际情况, 将整 个控制网分成两个区进行高程拟合, 并以此次拟合
程, 然后通过高程拟合方法求出其余 GPS 点的正常
高。因此, 大地水准面拟合模型的选用及其计算对
保证控制点高程的精度十分重要。
( 4) 公共点的密度与分布状况
此外, 测区范围内高程控制点的数量是否足够、
分布是否均匀, 也是确保高程拟合整体精度的重要 因素。
2. 提高 GPS 高程测量精度的技术方法
针对上述主要误差来源, 为保证 GPS 高程控制 测量的精度, 我们采用了以下主要技术方法或措施。
( 1) 在大地高测量方面
1. 利用同步观测量求差。减弱卫星星历误差、 对流 层 影响、电离 层 影响 的 措施 很多, 但在 城 区
GPS 控制测量中比 较简便实用的数据处理方 法是
同步求差法。该方法的理论依据在于: 当观测的距 离相差不太大( [ 20 km) 时, 卫星星历误差、对流层
破坏等因素的影响, 有一些水准高程点发生了位移 偏差, 因此起算水准点的高程必须进行认真的检核
测量, 以免发生差错, 保证 GPS 高程测量的精度。
( 3) GPS 高程拟合方法及模型 传统的几何水准高程测量精度很高, 但施测工
作量大、费用高、观测时间长, 在山区和丘陵地区还
难以达到精度要求。此次我们在进行城区 GPS 测 量时, 是利用水准测量方法施测少部分 GPS 点的高
Mountainous City GPS Control Surveying and Its Height Accuracy Analysis
ZHA NG G ao- x ing, CHEN Jian- shui, GU O Da- zhi
摘要: 介绍山区城市 G PS 控制测量的实施及成果质量, 重点分析影响其高程测量精度的主要因素, 以及提高 GPS 高程测量和控制 点正常高推算精度的方法与措施, 从而为城市建设和发展提供可靠的测量基准。 关键词: G PS 测量; 高程精度; 山区城市
二、城区 GPS 控制测量网的布设及 观测数据分析
龙岩市是福建西部的一座山区城市, 它东南面 与漳州、厦门两市相邻, 西面与江西、广东接壤, 全区 青山丘陵交替, 众多大小不同的城镇则分布在山丘 之间、大小流域之中。改革开放以来, 特别是实施海 峡两岸经济发展战略的近十年来, 地处泉( 州) ) 厦 ( 门) 腹地的龙岩市地理区位重要, 社会经济建设取 得了长足的发展, 但在道路交通、航运、通信等基础 实施建设方面仍然较落后, 急需改善。因此, 城市基
( 1)
其中, 高程异常值可由测区中若干个点的 GPS 大地 高与其几何水准高程测量值的差值, 通过数学的方
法拟合求得。因此, 几何水准测量起算点的精度是
否足够, 是确保高程约束平差精度的前提, 同时还必 须使水准测量本身的精度达到城市测量相应控制等
级的要求。但是在本测区中, 由于受城市建设、地下
水开发和矿产开采引起的地表移动, 以及各种人为
- 0. 009 + 0. 001 - 0. 006 + 0. 014 + 0. 002 + 0. 005 + 0. 009 - 0. 015 - 0. 005 + 0. 057 + 0. 003 - 0. 006 + 0. 041 + 0. 003 + 0. 007 - 0. 011 - 0. 004 - 0. 006 + 0. 008 - 0. 003 - 0. 006 + 0. 011 - 0. 009 + 0. 008 - 0. 012 + 0. 001 + 0. 008 + 0. 007 - 0. 014
一、引 言
由于 GP S 定位测量技术能给用户提供快速、全 天候和高精度的 3 维测量成果, 还具有观测站之间 无需通视、观测时间短、自动化程度高、操作简便等 优点, 因此, 这种测量方法在许多情况下均能够取代 传统的平面控制测量和高程测量, 而成为现代控制 测量的主要技术手段。在 GPS 技术的应用中, 观测 数据经过平差等数据处理之后, 其平面精度一般可 满足城区控制测量的需要, 但高程( 正常高) 精度却 往往不甚理想。在一些山区城市, 由于地面起伏较 大, 各种高低不同的建筑物比较密集, GPS 3 维定位 测量的精度特别是高程精度能否满足城市规划和建 设工程的要求? 本文介绍在福建山区城市 ) ) ) 龙岩 市的新罗城区和郊区进行 GPS 测量的控制网布设、 数据处理和高程精度分析等问题。
2006 年 第 11 期
测绘通报
文章编号: 0494- 0911( 2006) 11- 0029- 03
中图分类号: P 228. 4
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山区城市 GPS 控制测量及其高程精度分析
张高兴1, 陈建水2, 郭达志3
( 1. 龙岩学院 资源工程系, 福建 龙岩 364012; 2. 龙岩市城乡规划局, 福建 龙岩 364000; 3. 中国矿业大学 环境与测绘学院, 江苏 徐州 221008)
础测绘工作必须先行。 为了满足龙岩市首府所在地 ) ) ) 新罗区规划与
建设范围不断扩大的需要, 2004 年我们使用南方测 绘仪器公司的 4 台套 9600 北极星 GPS 接收机, 在 原有国家控制点的基础上建立并观测了龙岩市城区 D 级 GP S 控制网( 如图 1 所示) , 其中 0026, 0027, 0029 为原 有三 等 GP S 控 制点。数据 处 理结 果表 明, 该 D 级 GPS 网的平面精度符合我国5GP S 测量 规范6的相关规定, 完全可以满足城市发展中对控制 测量和工程测量的要求。但山区城市 GP S 高程测 量的精度问题则比较复杂, 影响因素较多, 很有必要 加强研究、重点分析。
图 2 GPS 信号衍射示意图
4. 正确量取天线高。天线高测量误差是 GPS 高程误差的重要来源之一, 此项测量的重要性有时 容易被忽视。野外作业时一般是量取天线的斜高, 因此应在天线圆盘间隔大致 120b的 3 个方向上分别 量取天线高, 3 次测量结果之差不应超过 3 m m, 并 取 3 次结果的平均值。另外, 野外作业时若使用不同 类型的天线, 应注意其相位中心在高度上的变化量。
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值的检核等, 则一般能够有效地减小或消除上述影
响因素, 使高程测量的精度满足城市建设的要求。
( 2) 公共点几何水准测量精度 通常, 控制测量 点的 GPS 正 常高( H r ) 可 用式 ( 1) 由其大地高( H ) 和高程异常值( F) 求得
Hr= H - F
差值
正常高
正常高
备注
0001 386. 604 0002 397. 937 0003 399. 995 0004 365. 721 0005 380. 409 0006 370. 562 0007 386. 209 0008 390. 154 0009 433. 503 0010 366. 429 0011 388. 069 0012 411. 887 0013 376. 824 0014 370. 761 0015 358. 175 0016 367. 814 0017 382. 127 0018 360. 306 0019 355. 856 0020 377. 811 0021 362. 794 0022 358. 652 0023 354. 896 0024 387. 212 0025 390. 523 0026 372. 258 0027 377. 512 0028 385. 165 0029 392. 178
离大面积平静的水面, 尽量躲开高层建筑物, 观测时 汽车停放处应离测站远些。
3. 利 用 环 境 建 模 法 削 弱 GPS 信 号 衍 射 误 差[ 2] 。通常的 G PS 数据处理软件将接收电磁波信 号当成是直线传播信号, 但实际上城区 GPS 测量中 衍射误差不可避免, 于是可能导致 GPS 信号成为一 种含有多余衍射路径的弯曲传输信号( 如图 2) 。对 此, 西南交通大学的熊永良教授提出了一种考虑到 环境影响的衍射误差建模算法, 以有效地削弱衍射 误差的影响。
第二次联测 第一次联测
第一次联测 第二次联测 第一次联测 第二次联测 第二次联测 第一次联测 第一次联测 第一次联测
第二次联测 第二次联测
结果为最终实用成果。由表 1 可见, 受 GP S 观测条 件的影响, 位于河边桥头的 0010 点和位于高层建筑 物之间的 0013 点的首次拟合高程值精度较低, 计算 其两个环的闭合差分别为 10 m m 和- 24 mm。进 一步对高程数据作拟合处理后, 整个控制网点中, 最 弱点高程的中误差为 18 mm, 能够满足四等水准测 量的精度要求。