gps技术在数字化地籍控制测量中的实践

gps技术在数字化地籍控制测量中的实践

一、土地管理部门的应对为了有效控制农业和非农业用地的规模，合理利用现有耕地，国家实施有偿土地使用制度。因此,建立地籍档案资料,科学进行地籍管理,成为全国土地管理部门的当务之急。自90年代以来,全国性地籍测量已由试生产进入全面生产阶段,测量手段也已由常规的地籍测量向数字化地籍测量过渡。与此同时,地籍信息实现自动化、智能化管理也正迅速走向成熟,不少土地管理部门,尤其是发达地区,它们对地籍图的现势性、精确性要求更高,地籍图更新周期要求更短,地籍图时限观念更强,从而对测绘产品不断地提出更高更严要求。现就GPS技术在瑞金市数字化地籍控制测量中的实践,作一简单介绍。二、测量区域的总结1.级控制面积计算测区中心地理位置为东经116°02′,北纬25°53′。依据合同要求首级控制面积64km2。1∶500数字化地籍测图面积约18km2。2.号点的起算如图1所示,1～3号点均为国家一等三角点,各点平面坐标作为本次GPS网起算数据(其中1号为基线点,3号为天文点)。图1中4～6号点为四等点,建于1988年,当时主要满足于城区10km2,1∶1000地形测量需要,共设10个点,为三角锁与光电导线混合网结构,以1号点的平面坐标及1～2号点的方位作为该网的起算数据,为瑞金城建独立坐标系,从观测质量和平差结果来看,能满足四等三角测量规范要求。到目前为止,只剩下4～6号三个点,其他点已全部被破坏,因此,该成果只供本次GPS控制成果比较参考之用。3.投影带的分配新控制GPS网采用1954年北京坐标系及相应的椭球参数。根据测区实际情况,为使投影变形最小,我们决定采用任意带,即选择116°经线作为投影带的轴子午线。投影面选择测区平均高程面,其值为200m。4.中央子+130各带成果起算点1～3号属6°带20带成果。参考点4～6号属中央子午线115°30′任意带成果。为便于新GPS网平差计算利用与比较,把它们的二维坐标统一换算到中央子午线116°任意带上。三、运营基础和运营设备1.调查的基本规范(1)工程合同书中有关特殊要求;(2)国家城乡建设环境保护部1985年4月颁发的《城市测量规范》;(3)国家土地管理局1989年9月批准的《城镇地籍调查规程》;(4)江西省土地管理局1994年3月颁布的《江西省城镇地籍调查实施细则》;(5)国家测绘局1992年6月8日发布的《全球定位系统(GPS)测量规范》。2.仪器汽车两种(1)TopconTurbo-SⅡ型GPS双频接收机三台;(2)TopconGTS211D全站仪两台(用于边长对比);(3)AST586便携式微机及台式微机各一台;(4)对讲机两部,汽车一部。GPS接收机和全站仪作业前均通过上海计量局仪器检测中心检测,性能及精度指标符合仪器标称精度。四、gps数字区域测量与工作方法的选择1.突出点线网和加密网相结合的原则瑞金市GPS控制网的布设,既要满足64km2远景发展,又要满足近期规划及目前18km21∶500数字化地籍测量图根加密的需要。本着确保精度,速度快,费用省的原则,采用分级布网方式:(1)首先在64km2的远景发展区,以常规四等工测控制网(平均边长2km)的密度、精度布测28个点(含起算点和旧点),作为本次GPS四等首级控制网(以及下简称首级网)。(2)然后以首级GPS网点为基础,在近期规划区和数字化地籍测图范围布设40km2Ⅰ级GPS导线网,按常规Ⅰ级导线(平均边长约300m)的密度、精度布测共238个点(含四等以上控制点17个),作为本次GPS加密控制网(以下简称加密网)。(3)首级网:以图1中1～3号国家一等三角点作为联测起算点,利用三台TopconTurbo-SⅡ型双频GPS接收机同步观测,以边连、点连混合方式连续构成整体网,这样构网便于组成较多的同步环、异步环及复测基线,具有较强的几何强度和多余观测。(4)加密网:采用两台接收机同步观测,每次观测均从已知点或已测点出发,连续推进,形成全封闭结点导线网,这样构网可以组成较多的异步环和多余观测,用以检核GPS点的可靠性。(5)GPS首级网的图形设计如图1,加密网设计图形略,相应等级图形设计的主要指标列于表1。2.ps软件的设计开始作业前,依据测区现有控制点资料,我们进行了实地踏勘,确认1～6号点点位保存完好。于是对GPS首级网及加密网分别在1∶1万、1∶5000的地形图上做了优化设计,并编写了技术设计书。所以选点工作基本按照设计图纸,结合GPS规范中有关选点要求,到实地确定点位,个别不利GPS观测的点位,根据实际情况作适当调整。埋石按《GPS规范》7.1～7.4款执行,地面埋桩与房顶浇铸灵活应用。3.外业数据的收集(1)设备性能采用仪器主要性能见表2(2)测量模型的划测由于随机软件中的Survplan.exe向用户提供了可视卫星个数、方位,每颗卫星通过(极图)时的高度角以及所计划观测时间段内的几何因子,并提供精度因子图(DOP)。当DOP值最小时,测量结果最佳。根据这一功能,作业前通过微机编制GPS外业观测计划,装入RINEX文件,设置测区近似经纬度,作业日期及每天作业的起止时间,分别打印出每天从早上6点至晚上8点时段内可见卫星数直方图和精度因子图(DOP),供观测者参考,以避开不佳观测时段。(3)观测时段数选取四等网(首级网):Ⅰ级网(加密网):测量模式:静态测量测量模式:快速静态测量观测时段数1观测时段数1卫星高度角≥15°卫星高度角≥15°有效观测卫星数≥4有效观测卫星数≥4精度因子GDOP≤5精度因子GDOP≤5采样间隔15s采样间隔5s观测时段长度≥30～40min观测时段长度≥12～15min(4)外业观测时间及注意事项1.野外观测:天线安置应严格整平、对中,天线固定标志大致朝北,天线高三个方向量至mm,互差不超过±3mm,取均值输入接收机。2.同步观测:各观测组到站后马上安置仪器,启动机器,待各站接收机均跟踪到四颗以上卫星,精度因子在规定范围以内时,互相通报情况,同时按下确认键,开始采集数据,如无异常情况,四等点采足120～160个卫星历元;Ⅰ级点采足150～180个卫星历元即可同时关机,结束本站观测。3.观测过程中,观测者应坐在接收机旁,但头顶不要超过天线高,仔细观察数据接收情况,如卫星数、卫星号、信噪比及精度因子变化等。若观测质量不佳应及时联络各测站,延长观测时间。4.外业观测者在保证基本作业原则的前提下,应对每一测站的点位环境,每一基线的长短,每一时段的卫星状况等,进行综合分析,以灵活掌握观测时间和采取必要措施。同时为确保数据安全,每天的数据应及时传输至微机存盘保存。五、地心直角坐标及坐标系GPS数据处理的全过程均采用随机提供的Turbosurvey软件。该软件具有测量计划、基线解算、网平差等功能。其中基线解算为用户增设了坐标和基准的转换(即由WGS-84下的地心直角坐标或地理坐标向国家或地方坐标系转换)功能,只要作有关相应参数的设置,则可自动或手工处理以四种方式(静态测量、快速静态、走-停方式、动态测量)采集的数据,在一个数据文件中可同时包含这四种方式的观测数据,解算时软件能对其进行自动识别,并形成相应的基线结果文件。基线结果文件中内容包括:WGS-84大地坐标系和国家或地方坐标系中的基线向量、基线三维坐标增量、各测站三维直角坐标及地理坐标、基线三分量中误差、各单项测量的限差和实际测量误差等,供外业观测质量检验用。1.网平差分析模型每天分上午、下午两个时段及时对外业观测数据进行计算、检验工作,其主要内容包括以下几个方面:1.求解当天所有基线,基线解算的气象改正采用软件默认的标准气象元素,其他质量控制参数采用软件缺省值,筛选合格基线(当有三台或三台以上接收机同步观测时,每一时段同步环中将会产生一些同名基线,查看同时段同名基线,把其中质量差的删除;不同时段的同名基线一般为复测基线,如质量符合要求,则应修改其中一条基线的扩展名,以免进入网平差时相互覆盖),进入网平差,采用单点无约束平差方法,计算出已测点国家或地方坐标系中的近似坐标,以后续未测点基线解算时,提供基准站坐标,因为基准站坐标越接近真值,基线解算精度越高。2.绘制基线网观测略图,及时统计同步环、异步环三分量闭合差,复制基线较差,以检验外业数据的可信度。2.外语数据的质量分析1.应满足同时环坐标分量和长度闭合差的要求(WX,WY,WΖ)≤23σ√3nWS=√W2X+W2Y+W2Ζ≤2σ√n2.应满足以下要求。分阶段环坐标和长度闭合差(WX,WY,Wz)≤3σ√nWS=√W2X+W2Y+W2Ζ≤3σ√3n3.种类误差的校准ΔS≤2σ√2式中:σ=√a2+(bs)2‚a为固定误差mm(接收机标称精度的加常数),b为比例误差(乘常数),s为环中基线的平均长度,n为闭合环基线条数。3.测站基础误差超化系统中基线三种基当某一同步环、异步环的闭合差或复测基线较差超限时,其中必有个别基线存在粗差,对含粗差的基线,其基线结果文件里定有两项重要精度指标中的一项或两项同时超限,一是(L1、L2、P1/C1、P1-P2)的单项测量误差超限(该单项测量误差的限差软件默认值为L1≤3.3mm、L2≤3.3mm、P1/C1≤30mm、P1-P2≤80mm);二是基线弦长中误差超限(mS=√m2ΔX+m2ΔY+m2ΔΖ‚mS≤√a2+(bs)2,式中mΔX、mΔY、mΔZ为基线三分量中误差,a、b、s为接收机加、乘常数及基线弦长),造成超限原因主要有以下几种情况:①点位不符合规范要求,测站观测环境恶劣;②多路径干扰严重;③基线同步有效观测时间不足;④基线观测时机不佳,卫星精度因子偏大;⑤可能接收到不良卫星的信号。因此,针对这种带粗差的基线应及时删除,找出原因,采取有效措施进行重测,以确保整体质量。4.复测基线时长经过上述技术处理,本次瑞金市GPS首级网,按设计要求共测28个点,72条基线向量,平均弦长2.13km,组成24个同步环、12个异步环、11条复测基线;Ⅰ级加密网共测238个点,299条基线向量,平均弦长295m,组成52个异步环,每环平均10条边。根据实测基线解算结果,并对所有同步环、异步环及复测基线的全长相对精度进行了统计,其详细情况见表3～表6。由表3～表6相对精度统计结果表明,从首级网至加密网外业观测和内业解算总体质量良好。六、第一部分网络的振幅和结果分析1.无约束平差分析首先以网中1号点的伪距定位值为基准,在WGS-84系统内对GPS首级网进行三维无约束平差,以分析其内部符合精度;其次以网中1～3号国家54坐标系一等点,116°任意带的高斯平面坐标,对其分别进行二维无约束平差和3种方式的二维约束平差,用以分析本网在不同坐标系统中的内符合精度,网变形情况及3个国家点间的兼容性等。2.维约束平差首级网平差各方案结果精度分析见表7、表8和表9。从表7～表9结果可以看出:1.不同坐标系统中的三维与二维无约束平差精度相当,首级网整体变形极小,内符合精度较高,无明显粗差。2.引入1,2或1,3点号进行二维约束平差,彼此精度相差无几,与无约束平差结果相比精度无明显降低,说明1号点与2,3号点兼容性接近。3.引入1,2,3同时进行二维约束平差,精度略有降低,但不影响大局,说明三个已知点兼容性良好。3.通过比较第一个点的结果和原始城市的坐标差异来分析比较分析见表10。表10比较结果说明,原城建四等点与GPS首级网点成果兼容性不太理想,故只供参考和比较用。七、gps加密网络的偏差及结果精度分析1.维无约束平差由于加密网238个点中共纳入首级网点17个,其点号为(1、4、5、6、7、8、9、11、15、17、18、19、21、23、25、26、28),首先用1号的高斯平面坐标对加密网进行二维无约束平差,以分析其内符合精度,然后采用引入13个和17个首级网点的高斯平面坐标对加密网进行二维约束平差,目的在于分析其重合点精度、单位权中误差及点位中误差的变化情况。2.维约束平差结果加密网平差各方案结果精度分析见表11～表13。1.加密网内符合精度较好,无明显粗差。2.引入13个已知点进行二维约束平差结果重合点坐标差表明,首级网与加密网兼容性良好。3.对同级GPS已知点引入约束点数增加,对次级GPS网的精度略有提高,但并不明显,证明GPS网不存在误差积累。4.为保证首级网和加密网坐标成果的唯一性,加密网取用引入17个已知点参与的二维约束平差结果作为本加密网正式成果。3.光电测距边比测检验首级网、加密网正式平差成果出来以后,我们对加密网29条边,进行光电测距边长比测检验,测距边均匀分布全网,测距仪器采用拓普康GTS-211D全站仪,所测边长经各项改正及投影归算后与GPS边长比较精度列于表14。4.全站仪角度、边界条件边长比测后,为满足1∶500数字地籍测图需要,首先在一街区进行了一、二级图根导线加密,在GPS控制点下,采用GTS-211D全站仪角度、边长各一测回,电子手簿自动记录,共测55条无定向闭合导线,规范要求一、二级图根导线全长相对精度分别为1∶5000和1∶3000,实测结果精度列于表15。从表14～表15统计结果表明:GPS首级及加密网精度很理想,一、二级图根导线精度指标远优于规范要求,完全可以满足城市大比例尺地籍测量、规划测量及工程测量的精度要求。八、结论1.测量gps内域观测指标与参数要求通过这次瑞金市地籍控制测量GPS分级布网方案的实施,可初步得出如下结论:1.运用GPS技术布设地籍测量控制网,不仅能达到较高的精度,而且总体点位精度分布也很均匀,与同级光电测距导线网相比,GPS建网更具机动性和灵活性。2.本次瑞金市地籍测量GPS首级网和加密网,设计要求达到常规四等工测网及Ⅰ级光电测距导线精度,由于我们所用GPS接收机标称精度较高,所以外业数据采集的时段数及时段长度按低于E级网一半要求执行,实测结果最弱点点位中误差、最弱边相对中误差及环相对闭合差等精度指标仍优于相应等级的规范要求,且还有较大的精度储备,说明对四等或四等以下工程控制网建设,应根据所用GPS接收机标称精度,对外业观测技术指标作适当调整,不一定完全拘泥于规范中E级网要求执行,否则也会出现事倍功半的结局。3.对瑞金市GPS控制网,经常规方法光电测距比长自检、有关技术部门抽检及光电测距图根导线符合精度统计表明与GPS网平差结果精度十分吻合,证明质量可靠,该GPS分级网的建立是成功的。2.gps数据处理在这次瑞金市GPS首级网和加密网共计249点、371条基线向量测设的实践过程中,取得一些实质性的认识,并对GPS规范中的有关条款提出几点建议,供生产第一线作业者参考。1.GPS技术在城区布设短基线网,目的是用于一、二级图根光电导线加密,但点位往往难以满足规范要求,尤其高度角规定范围无障碍物不能保证,如果全部点位放在房顶又给实际使用增加许多麻烦。带着这个问题,我们尝试在城区主要街道中心线、十字路口中心、三叉路口中心布设GPS点67个,实测时尽可能把天线架高,保证接收到四颗以上卫星信号,适当延长观测时间,照样测出合格成果,同时也说明快速行驶的汽车对GPS观测影响不大。