摘 要：我國幅員遼闊且南北東西走向較長，山區(qū)面積占有量較大，使得部分城市建筑于山地之上，為了進(jìn)一步促進(jìn)社山地資源的有效利用并促進(jìn)山地城市的發(fā)展，本文以GPS地形測(cè)量技術(shù)作為主要研究對(duì)象，通過對(duì)山地城市和GPS的概念進(jìn)行界定，在結(jié)合GPS在山地城市測(cè)量過程中優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，對(duì)GPS技術(shù)在山地城市中的相關(guān)應(yīng)用展開了深入研究。

關(guān)鍵詞：山地城市；GPS；地形測(cè)量技術(shù)；外業(yè)觀測(cè)；數(shù)據(jù)處理；

文章編號(hào)：1674-3520（2015）-12-00-02

一、GPS簡述

（一）GPS概述及工作原理

通過借助GPS定位衛(wèi)星，從而在全球范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)的定位、導(dǎo)航系統(tǒng)則為全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)，即GPS。對(duì)GPS進(jìn)行分析可知，其是由美國國防部研制并開發(fā)的一類具有全天候、全時(shí)段以及高精度的衛(wèi)星定位、導(dǎo)航系統(tǒng)，其不僅能夠?yàn)槭澜绶秶鷥?nèi)各個(gè)用戶提供兼具低成本和高精度的三維位置信息，還能夠?yàn)橛脩籼峁┫嚓P(guān)個(gè)體或物體的速度信息，有效提高了社會(huì)的的信息化水平。

GPS的基本原理如下：通過對(duì)已知位置的衛(wèi)星到用戶接收機(jī)間的距離進(jìn)行測(cè)定，而后，將多顆衛(wèi)星的數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合，便可獲得用戶接收機(jī)的具體位置，而為了實(shí)現(xiàn)這一功能，可以星載時(shí)鐘中所記錄的時(shí)間為依據(jù)，在衛(wèi)星星歷當(dāng)中查找到衛(wèi)星的具體位置；用戶與衛(wèi)星之間的距離可通過對(duì)衛(wèi)星信號(hào)傳至用戶方經(jīng)歷的時(shí)間進(jìn)行記錄，而后，再將其與光速相乘獲得。在GPS衛(wèi)星處于正常工作狀態(tài)時(shí)，會(huì)持續(xù)利用由二進(jìn)制碼元構(gòu)成的偽隨機(jī)碼向用戶發(fā)射導(dǎo)航電文，當(dāng)用戶接收到導(dǎo)航電文后，便會(huì)提取出某一時(shí)刻的衛(wèi)星時(shí)間，同時(shí)，將此時(shí)間信息通自身的始終進(jìn)行對(duì)比，從而獲取衛(wèi)星同用戶之間的距離，而后，通過借助導(dǎo)航電文中所包含的衛(wèi)星星歷信息將衛(wèi)星在發(fā)射點(diǎn)問時(shí)的位置進(jìn)行推算出來，此時(shí)，便可獲取用戶在大地坐標(biāo)當(dāng)中的位置、速度等各類信息。

（二）GPS在山地城市地形測(cè)量中的優(yōu)點(diǎn)

GPS在山地城市地形測(cè)量中應(yīng)用的優(yōu)點(diǎn)如下：1、可操作性強(qiáng)，山地地形測(cè)量過程中應(yīng)用GPS技術(shù)，無需較多的人員參與，由于其具有操作簡便的特點(diǎn)，故在人員較少時(shí)候，可同樣實(shí)現(xiàn)測(cè)量作業(yè)；2、測(cè)量范圍較廣，由于GPS覆蓋面積較廣，由此導(dǎo)致了其技術(shù)測(cè)量的范圍也較大，故可以實(shí)際測(cè)量需求對(duì)控制網(wǎng)進(jìn)行布設(shè)，進(jìn)一步簡化加密的級(jí)別，并省略掉聯(lián)合檢測(cè)的過渡點(diǎn)；3、測(cè)量精度較高，就現(xiàn)階段而言，國產(chǎn)儀器測(cè)量的精度大都能夠達(dá)到1×10-6mm——2×10-6mm，而國外儀器的測(cè)量精度則高達(dá)0.1×10-6mm，因此，可建立同常規(guī)測(cè)量精度更高的控制網(wǎng)；4、通視要求低，不同的聯(lián)測(cè)點(diǎn)之間對(duì)于通視的要求較低，且無需建造高規(guī)標(biāo)；5、地形觀測(cè)的自動(dòng)化程度較高，GPS控制網(wǎng)的外業(yè)觀測(cè)大都以電鈕操為主，而業(yè)內(nèi)觀測(cè)則以計(jì)算機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，不僅有效節(jié)省了作業(yè)的時(shí)間，而且有效提高了作業(yè)效率。

二、GPS控制網(wǎng)的布設(shè)

（一）工程概況

該項(xiàng)目地處北京市房山區(qū)，總面積約為850畝，成圖比例尺為1：2000。該測(cè)區(qū)位于丘陵地帶，地形條件復(fù)雜，測(cè)區(qū)的四周主要是山體，山上以荒草和灌木為主。測(cè)區(qū)中間是建筑物密集區(qū)（村民居住區(qū)）。關(guān)于該工程概況具體如下圖1所示：

圖1 測(cè)區(qū)地形圖

所運(yùn)用的設(shè)備儀器：1、中緯Zenith20系列RTK（1+2）一套；2、中緯全站儀（型號(hào)：ZT80MR+）一臺(tái)；3、其他需要的儀器，可配置。對(duì)該土地勘測(cè)的定界工程進(jìn)行地形測(cè)量，測(cè)區(qū)地形表現(xiàn)為叢林茂密、灌木較多且山高坡陡，地形的平均坡度為20°～30°之間，不僅在通行方面具有較大困難，而且視野也較小，從而對(duì)常規(guī)控制產(chǎn)生了較大困難，為了確保此土地勘測(cè)定界工程的工期和質(zhì)量，本文選取GPS地形測(cè)量技術(shù)，控制網(wǎng)的具體布設(shè)如下。

（二）控制網(wǎng)布設(shè)

由上文可知，此工程實(shí)質(zhì)上是山地城市公路帶狀土地的勘測(cè)定界工程，因此，為確定實(shí)際界定土地的使用范圍，并滿足征收土地和對(duì)界址點(diǎn)位置進(jìn)行測(cè)量的需要，要求GPS的各網(wǎng)點(diǎn)應(yīng)緊隨公路布設(shè)，此外，還需要在對(duì)公路用地范圍進(jìn)行充分考慮的前提下，進(jìn)行點(diǎn)位的均勻布置，各個(gè)測(cè)點(diǎn)要求至少可以同一個(gè)與其相鄰的GPS網(wǎng)點(diǎn)相同視。本工程的GPS控制網(wǎng)共鋪設(shè)有E級(jí)GPS點(diǎn)共17個(gè)，如圖1所示，由圖1可知，已知聯(lián)測(cè)點(diǎn)3個(gè)，基線的平均值穩(wěn)定在270m。仍需說明的是，網(wǎng)中聯(lián)測(cè)的3個(gè)已知點(diǎn)實(shí)際上就是業(yè)主（用戶）所提供的D級(jí)GPS點(diǎn)，以黃海高程系為此GPS點(diǎn)的高程參考依據(jù)。

圖2 GPS控制網(wǎng)布設(shè)圖

三、GPS控制網(wǎng)外業(yè)觀測(cè)

（一）儀器設(shè)備與觀測(cè)的技術(shù)指標(biāo)

觀測(cè)儀器方面選取3臺(tái)南方9600北極星單頻接收機(jī)，將靜態(tài)定位的測(cè)量精度控制在±5mm+1ppm.D。本工程所觀測(cè)的技術(shù)指標(biāo)如下：1、有效觀測(cè)衛(wèi)星的數(shù)量要至少應(yīng)為4顆，且觀測(cè)的時(shí)段T不應(yīng)小于60min；2、在觀測(cè)時(shí)段中，應(yīng)確保任意衛(wèi)星的有效觀測(cè)時(shí)間應(yīng)超過20min，在觀測(cè)過程中，應(yīng)始終保持衛(wèi)星發(fā)高度截止角>15；3、GDOP，即衛(wèi)星幾何圖形因子的值以及PDOP，即精度因子的值均不應(yīng)超過6；4、在數(shù)據(jù)采集方面，采集的方式為L1采集，且采集的時(shí)間間隔應(yīng)設(shè)定為15s。

（二）觀測(cè)時(shí)間的選擇

通過對(duì)衛(wèi)星星歷預(yù)報(bào)進(jìn)行分析可知，在工程所在地上午9時(shí)20分之前，能夠接收到4顆及以上的健康衛(wèi)星信號(hào)，且所接收的衛(wèi)星信號(hào)的圖像強(qiáng)度因子和幾何圖形因子的值均小于6。因此，為了確保操作人員能夠在最佳時(shí)間內(nèi)利用衛(wèi)星信號(hào)對(duì)工程地形進(jìn)行觀測(cè)，將每天的作業(yè)時(shí)間安排在清晨5時(shí)20分到上午的9時(shí)20分之間，從而確保GPS網(wǎng)對(duì)地形測(cè)量的精度。

（三）檢測(cè)注意事項(xiàng)

對(duì)GPS進(jìn)行分析可知，其技術(shù)信號(hào)強(qiáng)度易受到障礙物的影響，因此，對(duì)于山地城市而言，其地形測(cè)區(qū)的勘選點(diǎn)除了要將交通、地面基礎(chǔ)設(shè)施等因素進(jìn)行充分考慮外，還應(yīng)注意勘選點(diǎn)周邊+15°上方空中障礙物的具體情況，從而避免因周圍存在能夠強(qiáng)烈反射無線信號(hào)的障礙物和無線電發(fā)射源對(duì)GPS信號(hào)傳遞的阻礙。此外，在整個(gè)觀測(cè)過程中，地形測(cè)量的相關(guān)工作人員應(yīng)該嚴(yán)格遵照相關(guān)指令行事，除了確保上述觀測(cè)時(shí)衛(wèi)星數(shù)目不少于4顆外和觀測(cè)時(shí)間不少于60min外，還需要在觀測(cè)的同時(shí)，填寫測(cè)量手薄，且從測(cè)量開始一直到結(jié)束，工作人員均不應(yīng)離開觀測(cè)點(diǎn)，從而對(duì)測(cè)量的信息以及測(cè)量各個(gè)環(huán)節(jié)衛(wèi)星的狀態(tài)進(jìn)行隨時(shí)檢查，以達(dá)到避免因主機(jī)長時(shí)間受太陽照射或信號(hào)被遮擋而產(chǎn)生的觀測(cè)結(jié)果誤差的目的。

四、數(shù)據(jù)處理與審核

在每天的外業(yè)觀測(cè)工作結(jié)束后，將所采集到的各類數(shù)據(jù)傳輸至計(jì)算機(jī)，而后，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行基線向量的處理，為GPS外業(yè)觀測(cè)數(shù)據(jù)的高質(zhì)量提供良好的保障，與此同時(shí)，也對(duì)所采集的數(shù)據(jù)質(zhì)量進(jìn)行了良好的檢驗(yàn)。需要說明的是，數(shù)據(jù)處理工作應(yīng)選取隨機(jī)的GPS外業(yè)觀測(cè)數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行，以自動(dòng)處理后所輸出的基線向量指標(biāo)為依托，便能夠得知基線數(shù)據(jù)的解算情況。在作業(yè)時(shí)，某天發(fā)現(xiàn)了同步環(huán)4、5、6閉合差超限，在分析外業(yè)數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)處理流程后，發(fā)現(xiàn)是觀測(cè)點(diǎn)的位置選擇不當(dāng)導(dǎo)致的這一問題，即4號(hào)觀測(cè)點(diǎn)選在了5號(hào)觀測(cè)點(diǎn)山脊的北面，而5號(hào)觀測(cè)點(diǎn)則選在了6號(hào)觀測(cè)點(diǎn)的山脊北面，這使得同步環(huán)個(gè)觀測(cè)點(diǎn)所觀測(cè)到的衛(wèi)星位置與時(shí)間數(shù)據(jù)難以同步，需要對(duì)個(gè)別的觀測(cè)電位進(jìn)行調(diào)整方可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的精確測(cè)量和計(jì)算。可通過增加高度截止角和變更歷元間隔的方法提高基線向量的解算精度，具體過程如下。

（一）增大高度截止角

對(duì)GPS觀測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行分析可知，其默認(rèn)的高度截止角為15°，考慮到噪聲是隨衛(wèi)星高度截止角的增加而降低的，故增加高度截止角能夠提高數(shù)據(jù)觀測(cè)的精度并有利于整周未知觀測(cè)數(shù)據(jù)的解算，此時(shí)，不僅要求較多的衛(wèi)星參與到計(jì)算中來，而且還要確保衛(wèi)星幾何圖因子GDOP的值小于6。

（二）變更歷元間隔

對(duì)GPS機(jī)進(jìn)行分析可知，由于其同外界干擾所產(chǎn)生的整周跳變，像樹葉阻斷微信信號(hào)傳遞等能夠使衛(wèi)星信號(hào)以及基準(zhǔn)信號(hào)發(fā)生混頻，從而產(chǎn)生差頻信號(hào)，故此時(shí)應(yīng)對(duì)歷元間隔進(jìn)行變更，從而提高基線向量的解算精度。值得注意的是，變更歷元間隔的數(shù)值越大，則實(shí)際需要觀測(cè)的時(shí)間就越長，因此，在進(jìn)行歷元間隔變更時(shí)，應(yīng)根據(jù)實(shí)際需要，對(duì)其間隔數(shù)值進(jìn)行合理控制。此外，為了確保整體質(zhì)量，還應(yīng)將部分含有粗差的基線進(jìn)行剔除，并查找出產(chǎn)生粗差基線的原因，同時(shí)，重新選取合理的方法對(duì)其進(jìn)行重新測(cè)量，從而達(dá)到提高觀測(cè)數(shù)據(jù)精度和準(zhǔn)確性的目的。

五、GPS控制網(wǎng)及成果評(píng)價(jià)

網(wǎng)平差的控制應(yīng)以GPS的隨機(jī)軟件為主，將WGS-84大地坐標(biāo)系作為標(biāo)準(zhǔn)坐標(biāo)系，利用GPS隨機(jī)軟件進(jìn)行網(wǎng)平差，當(dāng)測(cè)定GPS網(wǎng)自由平差內(nèi)部已達(dá)到了觀測(cè)的精度要求以后，進(jìn)入到約束網(wǎng)平差的計(jì)算環(huán)節(jié)，從而得到約束網(wǎng)平差結(jié)果。最后，進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，即將各GPS點(diǎn)的打底坐標(biāo)WGS-84轉(zhuǎn)為1980年北京37帶的大地坐標(biāo)。還需說明的是，在進(jìn)行網(wǎng)平差的計(jì)算時(shí)，應(yīng)使用Ⅲ-1，并以圖1中的某學(xué)校作為起算的主要依據(jù)，展開觀測(cè)數(shù)據(jù)的三維約束平差工作，同時(shí)，通過利用無名嶺的地形觀測(cè)結(jié)果作為約束平差的校驗(yàn)依據(jù)。在進(jìn)行平差后，17個(gè)觀測(cè)點(diǎn)中，最弱點(diǎn)5號(hào)的典韋中誤差在上下7mm處浮動(dòng)，最弱勢(shì)相對(duì)精度為1：284000，通過將無名山嶺的地形觀測(cè)的已知成果同本次網(wǎng)平差的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，進(jìn)而得出X=0.010，Y=0.01，由此可見利用GPS地形測(cè)量技術(shù)能夠簡稱具有較高精度的地形控制網(wǎng)。

本次GPS地形測(cè)量的控制網(wǎng)選取的是日本拓?fù)淇沟?01全站儀，701全站儀以Ⅰ級(jí)導(dǎo)線的精度為依據(jù)，進(jìn)行GPS的外業(yè)檢測(cè)，表1給出了本次外業(yè)檢測(cè)的具體結(jié)果，由表1可知，GPS控制網(wǎng)對(duì)山地城市附近地形的測(cè)量具有較高的精度，且可靠性較強(qiáng)，能夠較好地滿足山地城市地形測(cè)量的各類要求。

表1 GPS外業(yè)檢測(cè)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果

結(jié)論：本文通過對(duì)山地城市的概念進(jìn)行界定，在結(jié)合GPS技術(shù)工作原理及其在測(cè)量城市地形中相關(guān)優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合具體工程，對(duì)GPS控制網(wǎng)的布設(shè)進(jìn)行設(shè)計(jì)，在此基礎(chǔ)上，從儀器設(shè)備的選擇與觀測(cè)的技術(shù)指標(biāo)方面對(duì)GPS控制網(wǎng)的外業(yè)觀測(cè)流程展開了系統(tǒng)的探析。在數(shù)據(jù)處理和審核方面，通過增大高度截止角和變更歷元間隔等方法基線向量的結(jié)算精度，并以大地坐標(biāo)系為標(biāo)準(zhǔn)坐標(biāo)系，分別選取了數(shù)學(xué)3次播值樣條函數(shù)模式對(duì)GPS網(wǎng)點(diǎn)的正常高度進(jìn)行擬合，和選取701全站儀進(jìn)行外業(yè)檢測(cè)。研究結(jié)果表明，GPS地形測(cè)量技術(shù)對(duì)山地城市地形的測(cè)量具有較高的精度和可靠性，能夠較好地滿足山地城市地形的測(cè)量需求。

參考文獻(xiàn)：

[1]黃永裕.基于GPS控制測(cè)量方法的地形測(cè)量技術(shù)探討[J].科技風(fēng)，2014

[2]唐文.關(guān)于GPS地形測(cè)量技術(shù)的相關(guān)思考[J].科技風(fēng)，2014

[3]趙宏宇，高洋，王耀武.山地水敏性城市設(shè)計(jì)——基于“城市、建筑、景觀”三位一體理論的城市設(shè)計(jì)新思維[J].規(guī)劃師，2013