寧劍波（貴州省有色金屬和核工業(yè)地質(zhì)勘探局物化探總隊，貴州 都勻558000）

談數(shù)字化地形測量中GPS技術(shù)的應(yīng)用

寧劍波（貴州省有色金屬和核工業(yè)地質(zhì)勘探局物化探總隊，貴州 都勻558000）

隨著社會的不斷發(fā)展，市政規(guī)劃和工程建設(shè)規(guī)模不斷的擴大，地形測量工作變得越來越重要，對地形圖測量的技術(shù)要求也在不斷的提高，數(shù)字化地形測量應(yīng)運而生。數(shù)字化地形測量離不開GPS技術(shù)的運用。本文主要闡述了數(shù)字化地形測量中GPS技術(shù)的應(yīng)用。

數(shù)字化；地形測量；GPS；靜態(tài)

引言

隨著GPS技術(shù)的不斷發(fā)展和進步，該技術(shù)已經(jīng)被大量的、廣泛的運用在各類測量工作中，并且取得了非常好的測量效果。地形測量是為城市、礦區(qū)或者是工程提供其所妖氣的不同的比例尺的地形圖，從而滿足城市或者工程建設(shè)的需要。在地形測量工作中運用GPS技術(shù)，可以高精度并且快速的對各級控制點的坐標(biāo)進行測量，所以在地形圖測量中的運用非常廣泛。

1 GPS技術(shù)

GPS技術(shù)是全球定位系統(tǒng)的英文簡稱，該技術(shù)是由美國研制的定位系統(tǒng)，主要由用戶站、地面跟蹤監(jiān)護站以及空中衛(wèi)星組成，能夠在海上、陸地以及空中進行全方面實時的三維導(dǎo)航與定位能力。GPS技術(shù)的主要特點是全天候、高效率、高精度、多功能、操作簡單并且具有廣泛的應(yīng)用。

與傳統(tǒng)的陸上測量技術(shù)相比GPS具有許多優(yōu)勢。傳統(tǒng)的大地測量技術(shù)很容易受到測站點與目標(biāo)點的通視情況的影響，假如視線方向存在障礙物，那么必須繞道進行測量。通常傳統(tǒng)方式的距離測量被限制在5km左右，傳統(tǒng)測量方法還受到雨、霧等氣候因素的影響，但是GPS技術(shù)不需要受到氣候情況的因素，同時也沒有通視要求，可進行高精度大地測量，能實現(xiàn)全天候測量運作，省時省力，經(jīng)濟效益明顯，坐標(biāo)系統(tǒng)通用，應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，具有競爭力的價格。

2 幾種現(xiàn)代GPS測量方法和技術(shù)

隨著科技的發(fā)展，GPS測量技術(shù)和方法也在不斷的改進和更新，目前用得最多的GPS測量技術(shù)方法有如下幾種：靜態(tài)和快速靜態(tài)定位，差分GPS，RTK，網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)等等，下面將逐一介紹：

2.1 靜態(tài)與快速靜態(tài)定位技術(shù)

靜態(tài)定位技術(shù)就在在定位過程中視接收機的天線在整個測量過程中保持不變的位置，換句話說就是將接收機天線的位置作為一個不隨時間的改變而改變的量。在測量中，靜態(tài)定位一般用于高精度的測量定位，其具體觀測模式是多臺接收機在不同的觀測站上進行靜止同步觀測，觀察時間有幾分鐘、幾小時到數(shù)十小時不等。由于普通的靜態(tài)定位技術(shù)需要的觀測時間較長，影響了其在低等級控制測量 （如三四等控制測量，Ⅰ、Ⅱ級導(dǎo)線等）中的競爭力，從而產(chǎn)生了快速靜態(tài)定位技術(shù)。快速靜態(tài)利用載波相位觀測值本身的具有的毫米級或更好的精度，故只需一個或少數(shù)幾個歷元的觀測值就可滿足厘米級定位的需求。

2.2 差分GPS與偽距差分原理

根據(jù)差分GPS基準(zhǔn)站發(fā)送的信息方式差分GPS定位可分為：位置差分、偽距差分、相位平滑偽距差分、載波相位差分。它們都是由基準(zhǔn)站發(fā)送改正數(shù)，由移動站接收并對其測量結(jié)果進行修正。以獲得精確的定位結(jié)果。所不同的是，發(fā)送改正數(shù)的具體內(nèi)容不一樣。其差分定位精度也不同。

2.3 RTK定位技術(shù)

3 數(shù)字化地形測量中GPS技術(shù)的應(yīng)用——以某工程為例

RTK定位技術(shù)就是基于載波相位觀測值的實時動態(tài)定位技術(shù)，它能夠?qū)崟r地提供測站點在指定坐標(biāo)系中的三維定位結(jié)果，并達到厘米級精度。在RTK作業(yè)模式下，基準(zhǔn)站通過數(shù)據(jù)鏈將其觀測值和測站坐標(biāo)信息一起傳送給流動站。流動站不僅通過數(shù)據(jù)鏈接收來自基準(zhǔn)站的數(shù)據(jù)，還要采集GPS觀測數(shù)據(jù)，并在系統(tǒng)內(nèi)組成差分觀測值進行實時處理，同時給出厘米級定位結(jié)果，歷時不到1s。流動站可處于靜止?fàn)顟B(tài)，也可處于運動狀態(tài)；可在固定點上先進行初始化后再進入動態(tài)作業(yè)，也可在動態(tài)條件下直接開機，并在動態(tài)環(huán)境下完成周模糊度的搜索求解。

3.1 工程概況

某測區(qū)長約2.9km，寬約1.2km，面積近3.5km2，各方向要求向公路外擴展200m測圖，具體位置由甲方在萬分之一圖上指定。測區(qū)內(nèi)有兩條公路進入測區(qū)中央，交通較為方便，測區(qū)屬典型的川南淺丘地貌，高差較大，最大達80m，但地形地貌較為完整，個別地方竹林較密、農(nóng)村院落較多再加上作業(yè)處最冷的季節(jié)給野外作業(yè)帶來了一定的難度。

3.2 GPS平面控制測量

3.2.1 GPS網(wǎng)的設(shè)計

根據(jù)本項目的要求，確定四等GPS網(wǎng)為全測區(qū)基本控制，點距約1～3km，布設(shè)6～9個四等GPS點，同時聯(lián)測3～4個原城市坐標(biāo)系三等以上點，在四等GPS網(wǎng)的基礎(chǔ)上再加密一級GPS網(wǎng)，點距約0.3～0.8km，布設(shè)25～35個一級GPS點，由四等GPS網(wǎng)和一級GPS網(wǎng)作為整個測區(qū)的控制網(wǎng)。

3.2.2 GPS網(wǎng)的選點

（1）選點準(zhǔn)備

選點人員在實地選點之前，應(yīng)收集有關(guān)布網(wǎng)任務(wù)與測區(qū)圖件資料、已有點資料；充分了解測區(qū)的交通情況。

（2）GPS點位要求

為了避免多路徑效應(yīng)對GPS定位的影響，定位四周應(yīng)是開闊地帶。同時應(yīng)盡量保證點附近無大面積水域和大型建筑物等。在現(xiàn)場中，不應(yīng)有高度角高于15°的成片障礙物，高度角大于15°的零星障礙物的水平投影之和應(yīng)小于10°。為了便于安置和操作儀器，點位周圍應(yīng)有足夠空間可使用。GPS點應(yīng)避開高壓電線、變電站等設(shè)施。200m范圍內(nèi)不得有強功率電臺、電視臺、微波站等，避免強信號對接收機前置放大器的損壞和對GPS衛(wèi)星信號的干擾。為了保證觀測精度，盡量避免高標(biāo)觀測，以減少對中誤差和高標(biāo)扭轉(zhuǎn)誤差。天線設(shè)置應(yīng)于標(biāo)志中心一致，避免偏心觀測。為相對永久保存點位，點位的選取必須放在易于長期保存不易破壞之地。GPS點選取時應(yīng)考慮至少對點通視，有利于采用其他手段聯(lián)測和擴展。

（3）埋石

四等及一級GPS點的標(biāo)石制作及埋石：四等GPS點的標(biāo)石按《城市測量規(guī)范》要求制造和埋設(shè)。房頂標(biāo)志根據(jù)《城市測量規(guī)范》建筑物上標(biāo)石的設(shè)置規(guī)格和方法進行。巖石標(biāo)志按《城市測量規(guī)范》巖石地區(qū)平面控制點標(biāo)石埋設(shè)。一級GPS點的標(biāo)石規(guī)格為12cm×20cm×40cm的混凝土標(biāo)石，中心標(biāo)志為直徑φ12mm鋼筋。在堅硬的水泥鋪裝地面，用鋼釬在地上打成20cm×20cm的方框，中心位置埋入φ12mm鋼筋。標(biāo)石點上須進行編號，所有GPS點應(yīng)填寫點之記。

（4）四等及一級GPS點的編號

四等GPS點宜取村名、山名、地名作為點名，并應(yīng)向當(dāng)?shù)卣腿嗣袢罕娺M行仔細(xì)調(diào)查后確定。新舊點重合時宜采用舊點名，不宜隨便更改。為便于四等成果的數(shù)字化管理，各點名另統(tǒng)一以“4”字頭以4位阿拉伯?dāng)?shù)字進行編碼4001、4002…。為和原有的***一級點點名有所區(qū)別和連續(xù)，也便于今后的管理，一級GPS點編號為13001、13002、13003…，其中1代表一級，3代表年份。

3.2.3 GPS網(wǎng)的觀測

本次采用四臺TOPCON-LE型單頻接收機進行野外數(shù)據(jù)采集。接收機標(biāo)稱精度為5mm+2ppm·D，經(jīng)×××GPS檢定中心檢測，四臺儀器均達到標(biāo)稱精度。觀測前，應(yīng)編制GPS衛(wèi)星可見性預(yù)報表，預(yù)報表包括可見衛(wèi)星號、衛(wèi)星高度角、方位角、最佳觀測星組、最佳觀測時間、點位圖形強度因子、概略位置坐標(biāo)、預(yù)報歷元、星歷齡期等。然后根據(jù)GPS接收機臺套編制詳細(xì)的觀測計劃表，按該表下達相應(yīng)觀測時段的調(diào)度指令，并根據(jù)實際作業(yè)進展，做出必要的調(diào)整。天線架設(shè)高度離地面不得小于1m，嚴(yán)格整平天線，天線的定向標(biāo)志應(yīng)指向正北，對中采用光學(xué)對點器并使用垂球進行檢核，對中精度應(yīng)小于2mm。天線高應(yīng)在觀測前后各量測一次，每次應(yīng)在天線120°間隔邊緣各量測一次取平均數(shù)，兩次量測之差應(yīng)小于3mm，并認(rèn)真記錄于手簿上，手簿的格式見附錄。觀測的時間、時段等主要技術(shù)要求見表1。

表1 觀測的時間、時段等主要技術(shù)要求

復(fù)測基線的長度較差，不宜超過

（3）GPS平面控制網(wǎng)的平差計算

GPS測量采用WGS-84大地坐標(biāo)系。要求進行坐標(biāo)換算，提供城市獨立坐標(biāo)系成果。各基線經(jīng)各項檢驗符合要求后，進行平差計算。在平差模型方面，具有自適應(yīng)方差因子估計和調(diào)整能力，進行自動的粗差剔除和已知點篩選，或者進行穩(wěn)健最小二乘估計，以獲得最可靠平差結(jié)果。本次控制網(wǎng)整體平差使用平差軟件TOPCON GPS數(shù)據(jù)后處理軟件——PINNACLE或TRIMBLE——TGO軟件。

（4）WGS-84系三維無約束平差

用于檢驗GPS網(wǎng)的精度情況，剔除粗差等。二維無約束平差：以檢查網(wǎng)內(nèi)有無粗差基線，基線平差的方差因子是否符合客觀實際程度，已知約束數(shù)據(jù)是否存在嚴(yán)重不兼容情況的基礎(chǔ)，為約束平差提供了一個“清潔的”觀測基線。

（5）城市獨立坐標(biāo)系二維約束平差

4 結(jié)語

綜上所述，在地形測量作業(yè)中，GPS是一種高精度、效率高的測量技術(shù)方法，被廣泛的運用在測量作業(yè)中。GPS技術(shù)是是一種綜合多種先進技術(shù)的綜合技術(shù)。在地形測量作業(yè)中，運用GPS技術(shù)可以不斷的改進地形測量技術(shù)，不斷的提高地形測量結(jié)果。隨著GPS技術(shù)的不斷發(fā)展，相信在地形測量中會發(fā)揮著越來越大的作用。

[1]孟繼紅，何秀珍.數(shù)字化地形測量的幾個問題探討[J].地礦測繪，2005（03）：54～56.

[2]蔡艷軍.GPS RTK在地形測量中的應(yīng)用分析[J].科技信息，2011（20）：67.

[3]李紅勤.GPS技術(shù)在地質(zhì)測量中的應(yīng)用[J].技術(shù)與市場，2011（06）：98～99.

每天工作結(jié)束后，應(yīng)立即通過計算機將GPS接收機的數(shù)據(jù)進行傳輸。并對點號、時段號、天線高度等數(shù)據(jù)輸入并進行檢核，數(shù)據(jù)傳輸后應(yīng)將其備份保存，同時進行當(dāng)天的基線處理。

3.2.4 GPS網(wǎng)的數(shù)據(jù)處理

（1）基線處理方案

采用TOPCON單頻GPS（Legacy-E型）接收機隨機數(shù)據(jù)處理軟件（PC-CDU、PINNACLE），使用廣播星歷，進行基線解算。

（2）同步環(huán)、異步環(huán)檢驗

同步環(huán)基線閉合差W應(yīng)小于下列數(shù)值：

同步環(huán)全長相對閉合差≤15ppm。

P228.4

A

2095-2066（2016）22-0026-02

2016-5-23

寧劍波（1988-），漢族，湖南邵陽人，助理工程師，本科，主要從事測量專業(yè)工作。