楊新成

(安慶市勘察測繪院)

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GPS技術(shù)在安慶市城市控制測量中的應(yīng)用

楊新成

(安慶市勘察測繪院)

安慶市城市測量控制網(wǎng)改造采用現(xiàn)代大地測量方法, 利用D級GPS控制網(wǎng)作為測區(qū)首級控制網(wǎng)，以二等水準(zhǔn)點(diǎn)作為首級高程控制點(diǎn), 布設(shè)7個(gè)點(diǎn)構(gòu)成骨架網(wǎng)。按照GPS網(wǎng)的可靠性指標(biāo)、精度指標(biāo)、效率指標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，并進(jìn)行GPS二、三、四等水準(zhǔn)聯(lián)測，通過一定數(shù)量和分布均勻的GPS水準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行高程擬合，其精度完全符合1∶500大比例尺測圖和城市規(guī)劃測量的精度要求，可供類似工程參考。

GPS控制網(wǎng)水準(zhǔn)聯(lián)測優(yōu)化設(shè)計(jì)高程擬合

安慶市平面控制網(wǎng)覆蓋面積約1 200km2，其控制網(wǎng)改造的主要任務(wù)是在1978年安慶市三角網(wǎng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行城市測量控制網(wǎng)改造，為城市建設(shè)提供基礎(chǔ)測繪資料，為“數(shù)字安慶”建設(shè)提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，建立覆蓋老城區(qū)、東部新城區(qū)、開發(fā)區(qū)、宜秀區(qū)等區(qū)域的D級GPS控制網(wǎng)和城市2020年總體規(guī)劃區(qū)的水準(zhǔn)控制網(wǎng)。

1　測區(qū)概況

安慶市地形西高東低，屬于丘陵地區(qū)，東部地勢平坦，僅1座煙墩山，平均高程約13m，鄰近樅陽縣有下樅陽北山(海拔137m)；北部有花山尖(海拔320m)、小龍山脈、大龍山脈；西部有紗帽山(海拔224m)、月山鎮(zhèn)大黃山、洪鎮(zhèn)興安嶺、螞蚱尖、石鏡鄉(xiāng)黃土山等，最高海拔達(dá)446m；南鄰長江。測區(qū)屬于亞熱帶沿江季風(fēng)性濕潤氣候，四季分明，年平均氣溫14.5～16.6 ℃，年平均降水量1 300～1 500mm，無霜期約248d。測區(qū)交通便利，有206國道、318國道、228省道貫穿。

2　GPS控制網(wǎng)測量

2.1GPS控制網(wǎng)設(shè)計(jì)

測區(qū)內(nèi)已有的安徽省C級GPS網(wǎng)控制點(diǎn)成果和1978年主城獨(dú)立網(wǎng)成果，點(diǎn)位位置如圖1所示。由于安慶市測繪基準(zhǔn)仍使用1978年的主城獨(dú)立三角網(wǎng)成果，盡管已有2007年的安徽省C級GPS網(wǎng)成果，但為確保城市測量基準(zhǔn)的一致性，仍需歸算至1978年安慶市測繪基準(zhǔn)。因此，在控制網(wǎng)改造過程中，沿用1978年安慶市獨(dú)立三角網(wǎng)起算點(diǎn)(鳳凰山(總參Ⅱ等補(bǔ)網(wǎng)點(diǎn))、牛頭山(總參Ⅱ等補(bǔ)網(wǎng)點(diǎn)))。由于該2個(gè)起算均位于測區(qū)西南側(cè)，距已知最遠(yuǎn)點(diǎn)(R637)約30km，為確?？刂凭W(wǎng)精度的均勻性，加測了同步環(huán)，即井頭山—R685—R670—R927—鳳凰山(GD21)和環(huán)R685—R670—R927—R637—R636，以該7個(gè)點(diǎn)為骨架點(diǎn)組成的環(huán)與內(nèi)部環(huán)進(jìn)行整體平差。經(jīng)比較，在不增加上述兩環(huán)處理結(jié)果、增加上述兩環(huán)處理結(jié)果的2種情形下，點(diǎn)位差異最大的為R637點(diǎn)，ΔX為4mm，ΔY為10mm，ΔH為 1mm。

2.2GPS網(wǎng)外業(yè)觀測

采用4臺GPS雙頻接收機(jī)和1臺單頻接收機(jī)進(jìn)行靜態(tài)測量，其中2臺為南方靈銳S82(靜態(tài)基線±(3mm+1×10-6D(D為所測距離，m))，高程 ±(5mm+2×10-6D))和2臺諾瓦泰smart6100IS(靜態(tài)基線±(5mm+1×10-6D))，高程±(10mm+1×10-6D))；1臺單頻接收機(jī)為諾瓦泰smart3100IS(靜態(tài)基線±(5mm+1×10-6D，高程±(10mm+2×10-6D))。D級GPS測量技術(shù)要求：衛(wèi)星截止高度角15°，觀測有效衛(wèi)星數(shù)≥4，觀測時(shí)段數(shù)≥1.6，時(shí)段長度≥45min，采樣間隔10～30s。根據(jù)測區(qū)情況，進(jìn)行衛(wèi)星可見性預(yù)報(bào)，制定觀測計(jì)劃，嚴(yán)格按D級GPS測量技術(shù)要求進(jìn)行施測，骨架點(diǎn)的觀測時(shí)段長度大于120min，其他GPS點(diǎn)的觀測時(shí)段長度大于60min，其點(diǎn)位的幾何圖形強(qiáng)度因子PDOP≤6，有效觀測衛(wèi)星數(shù)≥6，采樣間隔15s，骨架點(diǎn)的觀測重復(fù)設(shè)站率為2.8，其他GPS點(diǎn)的觀測重復(fù)設(shè)站率為2.3[1-3]。

圖1　GPS控制點(diǎn)布設(shè)

2.3GPS觀測數(shù)據(jù)處理2.3.1靜態(tài)數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查

當(dāng)日觀測完畢后，及時(shí)將數(shù)據(jù)下載至計(jì)算機(jī)中，首先將諾瓦泰接收機(jī)的數(shù)據(jù)在隨機(jī)平差軟件中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，編輯點(diǎn)名和儀器高；然后將諾瓦泰數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存為RENIX數(shù)據(jù)格式，應(yīng)用南方GPS平差數(shù)據(jù)處理軟件對所有GPS靜態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量檢查，以數(shù)據(jù)剔除率5%為標(biāo)準(zhǔn)，10%為限差，檢查有效觀測衛(wèi)星數(shù)是否為6顆以上，數(shù)據(jù)利用率是否達(dá)到90%，剔除含粗差的觀測值，并及時(shí)將GPS靜態(tài)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為RENIX數(shù)據(jù)，存入RENIX數(shù)據(jù)文件夾，及時(shí)將文件備份，確保觀測數(shù)據(jù)不丟失。

2.3.2基線解算

基線解算采用南方GPS數(shù)據(jù)處理軟件、雙差固定解進(jìn)行解算?；€解算參數(shù)為方差比≥3，中誤差≤0.02。D級GPS控制網(wǎng)共有基線249條，通過基線解算，基線最大中誤差30mm，基線為JJ02—GD19(雙頻機(jī)同步觀測)，基線邊長為8 350.633m，標(biāo)準(zhǔn)限差84.10mm，最小中誤差3mm，中誤差為9mm的有34條基線，占13.65%，3～9mm(包括3mm)的有103條，占41.37%，9～19mm的有105條，占42.17%，20～30mm的有7條，占2.81%。

2.3.3同步環(huán)精度統(tǒng)計(jì)

D級GPS控制網(wǎng)共有236個(gè)同步環(huán)(3個(gè)點(diǎn)組成1個(gè)環(huán))，同步環(huán)相對閉合差最大1.5 ×10-6，共有3個(gè)環(huán)：①環(huán)GD14—GD21—GD17，平均邊長 5 556.278m，允許誤差508×10-6；②環(huán)GD13—R669—GD19，平均邊長2 836.055m，允許誤差270×10-6；③環(huán)GD30—GD31—GD19，平均邊長 7 506.699m，允許誤差681×10-6。最小同步環(huán)相對閉合差為0，同步環(huán)相對閉合差≤1×10-6的有216個(gè)，占91.5%，(1～1.5)×10-6的有20個(gè)，占8.5%。同步環(huán)坐標(biāo)分量閉合差及環(huán)線全長閉合差見表1。

表1　同步環(huán)坐標(biāo)分量閉合差及環(huán)線全長閉合差

注：最大值均在骨架點(diǎn)構(gòu)成的環(huán)JTSH—R927—R685中，平均邊長30 234.218m。

2.3.4異步環(huán)精度統(tǒng)計(jì)

D級GPS控制網(wǎng)共有392個(gè)異步環(huán)，最大異步環(huán)相對閉合差5.7×10-6，環(huán)GD40—GD33—GD37的平均邊長4 235.885m。最小異步環(huán)相對閉合差0.1×10-6，異步環(huán)相對閉合差≤1×10-6的有238個(gè)，占60.7%，(1～2)×10-6的有108個(gè)，占27.6%，(2～3)×10-6的有34個(gè)，占8.7%，(3～5.7)×10-6的有12個(gè)，占3.0%。異步環(huán)坐標(biāo)分量閉合差及環(huán)線全長閉合差見表2。

表2　異步環(huán)坐標(biāo)分量閉合差及環(huán)線全長閉合差

2.3.5重復(fù)基線精度統(tǒng)計(jì)

D級GPS控制網(wǎng)共有52條重復(fù)基線，重復(fù)基線較差最大值33mm，基線為GD11—R686，基線邊長11 810.687m，復(fù)測基線較差允許值為335.2mm，復(fù)測基線較差最小值為0。

2.4GPS控制網(wǎng)平差

2.4.1三維自由網(wǎng)平差

D級GPS控制網(wǎng)利用南方測繪GPS數(shù)據(jù)處理軟件在WGS-84坐標(biāo)系下進(jìn)行三維無約束平差。最弱邊為GD38—GD35，相對中誤差1/250 298，基線邊長1 741.603m,最弱點(diǎn)為GD44，最優(yōu)點(diǎn)為GD48。基線相對中誤差≤1/150萬的有100條，占40%， 1/80萬～1/150萬的有96條，占39%，1/25萬～ 1/80萬的有53條，占21%。三維自由網(wǎng)平差WGS-84坐標(biāo)點(diǎn)位X、Y、Z的誤差分別為5.487、8.186、5.898mm。

2.4.2二維約束平差

根據(jù)D級GPS控制網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)，利用總參Ⅱ等補(bǔ)網(wǎng)點(diǎn)鳳凰山(GD21)、井頭山點(diǎn)作為整網(wǎng)平差起算點(diǎn)，在1954北京坐標(biāo)系下進(jìn)行二維約束平差，整網(wǎng)平差后單位權(quán)中誤差為0.815mm。二維約束平差基線相對中誤差≤1/150萬的有132條，占67%； 1/80萬～1/150萬的有54條，占27.4%；1/40萬～1/80萬的有11條，占5.6%。二維約束平差點(diǎn)位中誤差≥2mm的有1個(gè)，占2%；2～3mm的有38個(gè)，占77.6%；3～4mm的有10個(gè)，占20.4%。

2.5高程擬合

測區(qū)布設(shè)有二、三、四等水準(zhǔn)控制網(wǎng)，省C級GPS控制網(wǎng)均有高程數(shù)據(jù)(1985國家高程基準(zhǔn)，精度為四等)。根據(jù)高程系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換關(guān)系(1956黃海高程基準(zhǔn)=1985國家高程基準(zhǔn)+0.02 9m)，將省測繪局1985國家高程基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換成1956黃海高程基準(zhǔn)。利用14個(gè)分布均勻的GPS/水準(zhǔn)點(diǎn)作為起算點(diǎn)，選取11個(gè)點(diǎn)作為檢核點(diǎn)，采用二次曲面擬合方法進(jìn)行高程擬合。高程擬合的內(nèi)、外符合精度分別為12.956、26.967mm，擬合高程與已知高程之差最大為36mm，最小為7mm。

3　水準(zhǔn)測量

3.1水準(zhǔn)測量概述

城市控制網(wǎng)改造項(xiàng)目布設(shè)有二、三、四等水準(zhǔn)控制網(wǎng)，采用1956黃海高程基準(zhǔn)，水準(zhǔn)測量按照《城市測量規(guī)范》(CJJ/08—1999)進(jìn)行施測，聯(lián)測GPS點(diǎn)17個(gè)，二等水準(zhǔn)點(diǎn)9個(gè)，二等水準(zhǔn)閉合環(huán)長104km，三等水準(zhǔn)點(diǎn)10個(gè)，附合水準(zhǔn)路線長19.8km，四等水準(zhǔn)點(diǎn)22個(gè)，水準(zhǔn)環(huán)2個(gè)，路線長分別為11.6、5.9km。

3.2外業(yè)觀測質(zhì)量檢核

(1)二等水準(zhǔn)測量。同一測段均計(jì)算往返測不符值Δ和測段長度Ls，Δ≤±4 Ls，該工程中最大Δ值為±5.5mm(ZYX—GE05)，長2.4km，Δ≤±4 Ls=±6.2mm。

(2)三、四等水準(zhǔn)測量。三等水準(zhǔn)同一測段均計(jì)算往返測不符值Δ和測段長度Ls，Δ≤±12 Ls，該工程中最大Δ值為±8.5mm(IV27—GD33)，長3.68km，Δ≤±12 Ls=±23.0mm。

3.3水準(zhǔn)平差計(jì)算

水準(zhǔn)網(wǎng)平差在清華山維NASEW2003軟件中進(jìn)行。

(1)二等水準(zhǔn)平差。控制網(wǎng)中已知點(diǎn)1個(gè)，待定點(diǎn)86個(gè)，直高174個(gè)，固定點(diǎn)為皖水乙II上。二等水準(zhǔn)平差后，最大點(diǎn)位誤差0.004 38m，最大點(diǎn)間誤差0.001 50m。經(jīng)計(jì)算，單向閉合差往測為 -28.8mm，返測為25.8mm，均精度要求(±40.58mm)。

(2)三等水準(zhǔn)平差。三等水準(zhǔn)控制網(wǎng)中待定點(diǎn)10個(gè)，直高22個(gè)，固定點(diǎn)2個(gè)(為GD36和機(jī)場小學(xué))。三等水準(zhǔn)平差后，最大點(diǎn)位誤差0.003 06m，最大點(diǎn)間誤差0.002 41m。經(jīng)計(jì)算，附合差為 ±0.85mm，符合精度要求(±53.4mm)。

(3)四等水準(zhǔn)平差。四等水準(zhǔn)有2條線路：線路一為附合于QP02、WJ00點(diǎn)單一線路，待定點(diǎn)7個(gè)，直高8個(gè)；線路二為附合于IV003、D22、WJ03等三點(diǎn)的結(jié)點(diǎn)網(wǎng)，待定點(diǎn)13個(gè)，直高15個(gè)。線路一平差后，最大點(diǎn)位誤差0.001 96m，最大點(diǎn)間誤差0.001 78m；線路二平差后，最大點(diǎn)位誤差0.011 77m，最大點(diǎn)間誤差0.008 87m。按水準(zhǔn)路線長度計(jì)算，線路一的附合差限差為±49mm，線路二的附合差限差為±67.8mm(IV003—D22路段，11.5km)和±32.9mm(D22—WJ03路段，2.7km)。

4　結(jié)　論

(1)GPS控制網(wǎng)改正項(xiàng)目基準(zhǔn)系統(tǒng)應(yīng)與原有控制網(wǎng)基準(zhǔn)系統(tǒng)保持一致。

(2)注重GPS控制網(wǎng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，為提高GPS控制網(wǎng)的可靠性，應(yīng)適當(dāng)增加觀測期數(shù)，增加多余觀測和獨(dú)立基線數(shù)，保證一定的重復(fù)設(shè)站率。各GPS控制點(diǎn)至少與3條以上基線獨(dú)立相連，短基線邊之間進(jìn)行同步觀測，網(wǎng)中最小異步環(huán)的邊數(shù)不大于6條。

(3)為提高整個(gè)網(wǎng)的精度，應(yīng)選定一定數(shù)量的GPS控制點(diǎn)構(gòu)成骨架網(wǎng)。

(4)GPS高程擬合宜選用一定密度且分布均勻的GPS/水準(zhǔn)點(diǎn)作為起算點(diǎn)，綜合考慮已知控制點(diǎn)的精度、內(nèi)符合精度、外符合精度以及位置點(diǎn)精度，確定最優(yōu)觀測方案。安慶市測量控制網(wǎng)改造項(xiàng)目的高程擬合精度可滿足1∶500大比例尺地形圖測繪的圖根點(diǎn)高程精度要求。

(5)水準(zhǔn)觀測時(shí)應(yīng)及時(shí)檢核各項(xiàng)觀測限差，避免不必要的返工，提高觀測效率。安慶市測量控制網(wǎng)改造項(xiàng)目利用GPS定位技術(shù)、精密水準(zhǔn)儀等設(shè)備進(jìn)行施測，D級GPS控制網(wǎng)、水準(zhǔn)網(wǎng)成果精度較高，可滿足1∶500大比例尺地形圖測繪的需要，為城市規(guī)劃、“數(shù)字安慶”建設(shè)提供了基礎(chǔ)測繪資料，經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益顯著。

[1]徐邵銓，張華海.GPS測量原理及應(yīng)用[M].武漢：武漢大學(xué)出版社，1998.

[2]周建鄭.GPS測量定位技術(shù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004,

[3]中華人民共和國國家測繪局.GB/T18314—2001全球定位系統(tǒng)(GPS)測量規(guī)范[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2001.

2015-11-18)

楊新成(1974—)，男，工程師，246001 安徽省安慶市戲校南路61號。