小地区控制测量概要.ppt

1、第五章 小地区控制测量,版权所有：河南工程学院土木工程系 时 间 ：2011年10月,第五章 小地区控制测量,控制测量概述 计算坐标和坐标方位角的方法 导线测量的外业工作 导线测量的内业工作 交会定点 GPS卫星定位测量 高程控制测量,第一节 控制测量概述,测量工作原则： 从整体到局部 由高级到低级 先控制后碎部,控制测量分类,控制测量,平面控制测量,高程控制测量,导线测量,GPS测量,三角测量,水准测量,三角高程测量,GPS高程,目的：测定控制点的平面位置(x，y),目的：测定控制点的 高程(H),平面控制测量,传统的控制测量方法： 三角测量：是把地面控制点按三角形的形式连接起来，测定三角形

2、的所有内角，根据已知点坐标、已知坐标方位角和观测的水平角进行计算并确定控制点的平面位置。 导线测量：把控制点连成一系列折线，或构成相连接的多边形，测定各边的边长和相邻边的水平夹角，根据已知点坐标、已知坐标方位角和观测值计算出未知点的平面位置。,三角测量布网形式：,三角网按等级不同分为国家一等、二等、三等、四等及小三角网（5、10）如图所示：,导线测量布设形式：,导线测量布设形式有：导线网、结点导线、单一导线形式（附合、闭合和支导线）如下图所示：,导线网,结点导线,单一导线形式：,附合导线,闭合导线,支导线,小地区控制测量概念,在小地区(测区面积在10 km2以下)范围内建立的控制网，称为小地区

3、控制网。小地区控制测量应视测区的大小建立“首级控制”和“图根控制”。首级控制是加密图根点的依据，图根控制点是直接供测图使用的控制点。图根点的密度应根据测图比例尺和测区的地形条件而定 。,控制测量的主要技术指标,第二节 计算坐标和坐标方位角的方法,坐标正算 ：已知一个点的坐标及该点至未知点的距离和坐标方位角，计算未知点坐标，称为坐标正算。已知A（xA、yA）、SAB、AB，求B（xB、yB）。 计算公式：,坐标反算,已知两个点的坐标，反求两点之间的距离和坐标方位角，称为坐标反算。 计算公式：,注意：求坐标方位角时，需根据坐标增量的正负号判断坐标方位角所处的象限。,坐标方位角的推算,坐标方位角的推

4、算规律,1求直线的反坐标方位角时，将其正坐标方位角180，就得其反坐标方位角。当正方位角是第、象限时，正坐标方位角加180得其反坐标方位角；当正方位角在第、象限时，正方位角减去180得其反坐标方位角。 2后一条直线的坐标方位角等于相邻的前一条直线的坐标方位角180后再加左折角或减右折角。,第三节 导线测量的外业工作,将相邻控制点用直线连接而构成的折线，称为导线。构成导线的控制点，称为导线点。导线测量就是依次测定各导线边的边长和各转折角；根据起算数据，推算各边的坐标方位角，从而求出各导线点的坐标。 用经纬仪测定各转折角，用钢尺测定其边长的导线，称为经纬仪导线，用光电测距仪测定边长的导线，则称为光

5、电测距导线。 导线测量是建立小地区平面控制网的主要方法，特别适用了地物分布比较复杂的城市建筑区，通视较困难的隐蔽地区、带状地区以及地下工程等控制点的测量。 导线测量的外业包括踏勘选点及建立标志、量距、测角等工作 。,踏勘选点及建立标志,踏勘的目的是为了了解测区地形情况并寻找测区周围的已知控制点。 选点是根据已知控制点的分布、测区地形条件和测图及工程要求来布设测区的控制点。,选点要求,1相邻导线点间应通视良好，地面较平坦，便于测角和量距。 2导线点应选在土质坚实、便于保存标志和安置仪器的地方。 3导线点应选在视野开阔处，以便施测周围地形。 4导线各边的长度应尽可能大致相等，其平均边长应符合规范规

6、定。 5导线点应有足够的密度，分布均匀合理，以便能够控制整个测区。,建立点标志,选择点标志的类型：要视其精度等级、使用时间的长短和地面的土质情况而定。如下图：,测量边长,导线边长可以用光电测距仪测定，也可以用检定过的钢尺按精密量距的方法进行丈量。对于图根导线应往返丈量一次。当尺长改正数小于尺长的110000时，量距时的平均尺温与检定时温度之差小于10、尺面倾斜小1.5时，可不进行尺长、温度和倾斜改正。取其往返丈量的平均值作为结果，测量精度不得低于13000 。,水平角测量,导线的转折角有左角和右角之分，位于前进方向左侧的水平角，称为左角，反之则为右角。对于附合导线，通常观测左角。对于闭合导线，

7、应观测内角，测角的要求应按测量规范执行。 为了使测区的导线点坐标与国家或地区坐标系相统一，取得坐标方位角的起算数据，布设的导线应与高级控制点进行连测。,导 线 测 量,第四节 导线测量的内业工作,导线测量内业的目的就是根据已知的起始数据和外业的观测成果计算出导线点的坐标。进行内业工作以前，要仔细检查所有外业成果有无遗漏、记错、算错，成果是否都符合精度要求，保证原始资料的准确性。,闭合导线的计算,计算步骤： 整理已知和观测数据并绘草图。 计算导线闭合差。 推算坐标方位角。 计算坐标增量和坐标闭合差。 计算坐标改正数。 计算各未知点的坐标。,闭合导线计算方法与步骤,绘制草图,角度闭合差的计算,角度

8、闭合差为： 观测角为内角时：f=-(n-2)180 观测角为外角时：f=-(n+2)180,附合限差要求后，按角度个数平均分配角度闭合差,坐标方位角的推算,使用下面公式依次推算出各边的坐标方位角,坐标增量及坐标闭合差的计算,坐标增量的计算公式： 坐标闭合差的计算公式：,坐标增量改正数的计算,坐标增量改正数计算公式：,检核条件：,各未知点坐标的计算,计算公式为：,附合导线的坐标计算,附合导线的坐标计算方法和闭合导线基本相同，但由于二者布设形式不同，使得角度闭合差和坐标增量闭合差的计算稍有不同，下面仅介绍这两项的计算方法。,附合导线角度闭合差的计算,计算公式为：,附合导线坐标闭合差的计算,计算公式

9、为：,第五节 交会定点,交会测量,测角交会,测边交会,其它交会,前方交会,侧方交会,后方交会,前方交会,在至少两个已知点上设站，测量水平角，根据已知点坐标和观测的水平角计算出未知点的坐标，这种测量方法叫做前方交会。如下图所示：,前方交会计算,计算公式（余切公式）：,使用余切公式应注意：已知点A、B和待定点P 要按A、B、P 逆时针顺序编号在A点观测为角，在B点观测为角，决不能对调或任意编号 。,侧方交会,侧方交会,在一个已知点和一个未知点上设站，观测水平角，再根据已知点和观测水平角计算出未知点的坐标，这种交会测量叫侧方交会。如下图所示：,侧方交会计算,侧方交会计算时，通常先按 求出B点的水平角

10、值，然后再根据A、B两点坐标和、值，用前方交会方法计算P点坐标。,后方交会,只在未知点上设站，观测至少三个已知点的水平角，从而根据已知点坐标计算出未知点的坐标。如下图所示：,后方交会的计算,如图上图所示，设 ，则有： 由正弦定律得： 由上两式可得：,后方交会计算（续前）,由上面运算得：,后方交会的危险问题,当待定点P正好位于通过3个已知点A、B、C的圆周上时，则无解(或无穷多解)。因为P点处在圆周的任何位置上，其和角均不变，此时后方交会就无法解算。因此，我们把通过3个已知点的圆称为危险圆。在进行后方交会时，应尽量避免待定点位于危险圆上及其附近。,测边交会,如图所示，A、B为已知点，P为待定点，

11、测量AP及BP的边长D1及D2，从而可计算出P点的坐标。这种观测待定点至两个已知点间的距离然后根据已知点坐标及观测边长，求出待定点的坐标的方法称为测边交会。,测边交会的计算,已知点坐标反算。根据两已知点的坐标，按坐标反算公式计算已知点之间的边长DAB及AB。 计算AP及BP的方位角，按余弦定理，得 ：,测边交会的计算（续前）,待定点坐标计算 或,第六节 GPS卫星定位测量,概述 GPS系统的组成 GPS定位的坐标系统 GPS卫星信号 GPS卫星定位基本原理 GPS接收机 GPS测量的作业模式 GPS测量的实施 GPS测量误差,概述,1973年12月，美国国防部批准它的陆海空三军联合研制新的卫星

12、导航系统GPS，它是英文“Global Positioning System的缩写词。其意为“卫星测时测距导航全球定位系统”，简称GPS系统。该系统是以卫星为基础的无线电导航定位系统，具有全能性(陆地、海洋、航空和航天)、全球性、全天候、连续性和实时性的导航、定位和定时的功能。能为各类用户提供精密的三维坐标、速度和时间。,GPS应用,GPS精密定位技术已广泛地渗透到经济建设和科学技术的许多领域，特别是在大地测量及其相关学科领域，如地球动力学、海洋大地测量学、地球物理勘探、资源勘察、航空与卫星遥感、工程测量学等方面的广泛应用，充分地显示了这一卫星定位技术的高精度和高效益 。,GPS的优点,1布网

13、灵活。GPS点之间不要求相互通视，对GPS网的几何图形也没有严格要求，从而使GPS点位的选择更为灵活，可以自由布设。 2定位精度高。目前采用载波相位进行相对定位，精度可达1 ppm。 3观测速度快。目前，利用静态定位方法，完成一条基线的相对定位所需要的观测时间，根据要求的精度不同，一般约为1-3h。如果采用快速静态相对定位技术观测时间可缩短至数分钟。 4功能齐全。GPS测量可同时测定测点的平面位置和高程。采用实时动态测量还可进行施工放样。 5操作简便。GPS测量的自动化程度很高，作业员在观测中只需安置和开启、关闭仪器、量取天线高度、监视仪器的工作状态及采集环境的气象数据，而其它如捕获、跟踪观测

14、卫星和记录观测数据等系列测量工作均由仪器自动完成。 6全天候、全球性作业。由于GPS卫星有24颗且分布合理，在地球上任何地点、任何时刻均可连续同步观测到4颗以上卫星，因此在任何地点任何时间均可进行GPS测量。GPS测量一般不受天气状况的影响。,GPS系统的组成,GPS系统,空间星座部分,地面监控部分,用户设备部分,GPS系统空间部分是指GPS的工作卫星星座。GPS工作卫星星座由24颗卫星组成。其中21颗工作卫星，3颗备用卫星，均匀分布在6个轨道面上。,GPS系统的地面监控部分目前由5个地面站组成，包括主控站、信息注入站和监测站。主控站设在美国本土科罗拉多(Colorado Springs)的联

15、合空间执行中心CSOC。,GPS用户设备部分由GPS接收机硬件和相应的数据处理软件以及微处理机及其终端设备组成。GPS接收机硬件功能是接收GPS卫星发射的信号。GPS软件作用是对观测数据进行加工以便获得精密定位结果。,GPS定位的坐标系统,WGS-84大地坐标系 ：GPS卫星定位测量所采用的坐标系是WGS-84(World Geodetic System 1984)协议地球坐标系，WGS-84坐标系是协议地球(心)坐标系，是美国国防部研制建立的大地坐标系。 国家大地坐标系 ：我国目前采用的大地坐标系为1980年国家大地坐标系(简称C80)，亦称西安坐标系。在此之前的采用1954年北京坐标系(简

16、称P54)。这两个大地坐标系均属于参心坐标系，所谓参心，是指参考椭球的中心。由于参考椭球中心一般与地球质心不致，故参心坐标系又称非地心坐标系。,GPS卫星信号,GPS卫星所发送的信号包括载波信号、P码、CA码和数据码(或称D码)等多种信号分量，而其中的P码、CA码统称为测距码。,GPS卫星定位基本原理,GPS卫星定位原理是空间距离交会法。根据测距原理，其定位方法主要有伪距法定位、载波相位测量定位和GPS差分定位。对于待定点位，根据其运动状态可分为静态定位和动态定位。静态定位是指用GPS测定相对于地球不运动的点位。GPS接收机安置在该点上，接收数分钟乃至更长时间，以确定其三维坐标，又称为绝对定位

17、。动态定位是确定运动物体的三维坐标。若将两台或两台以上GPS接收机分别安置在固定不变的待定点上，通过同步接收卫星信号，确定待测点之间的相对位置，称为相对定位。,伪距观测值及伪距单位定点,伪距测量就是测定由卫星发射的测距码信号到达GPS接收机的传播时间乘以光速所得的距离。 伪距法单点定位，就是利用GPS接收机在某一时刻测定的四颗以上GPS卫星伪距及从卫星导航电文中获得的卫星位置。采用距离交会法求定天线所在的三维坐标。 由于大气延迟、卫星钟差、接收机钟差等误差影响，伪距法单点定位精度不高。,载波相位观测值及观测方程,载波相位观测值,载波相位观测值及观测方程,卫星到接收机天线之间用载波相位表达的距离

18、观测值为：,载波相位测量观测方程：,载波相位测量相对定位,用载波相位测量进行相对定位一般是用两台GPS接收机，分别安置在测线两端(该测线称为基线)，固定不动，同步接收GPS卫星信号。利用相同卫星的相位观测值进行解算，求定基线端点在WGS-84坐标系中的相对位置或基线向量。当其中一个端点坐标己知，则可推算另一个待定点的坐标。,载波相位相对定位方法,载波相位相对定位普遍采用将相位观测值进行线性组合的方法。其具体方法有三种，即单差法、双差法和三差法。,观测方程,1、单差观测方程,2、双差观测方程,3、三差观测方程,GPS实时差分定位,GPS差分定位的原理是在已有精确地心坐标点安放GPS接收机(称为基

19、准站)，利用已知地心坐标和星历计算GPS观测值的校正值，并通过无线电通讯设备(称为数据链)将校正值发送给运动中的GPS接收机(称为流动台)。流动台利用校正值对自己的GPS观测值进行修正，从而提高实时定位精度。,GPS差分定位系统,GPS差分定位系统由基准台、流动台和无线电通讯链三部分组成。,GPS差分定位,GPS动态差分方法,1位置差分：是将基准站GPS接收机伪距单点定位得到的坐标值与已知坐标作差分，无线电传送的是坐标修正值，流动站用坐标修正值对其坐标进行修正。 2伪距差分(RTD)：利用基准站已知坐标和卫星星历求卫星到基准站的几何距离，作为距离精确值。将此值与基准站所测伪距值求差，作为差分修

20、正值，通过数据链传给流动台。流动台接收差分信号后，对所接收的每颗卫星伪距观测值进行修正，然后再进行单点定位。,GPS动态差分方法,3载波相位实时差分(RTK)：由于载波相位观测值精度高，若通过数据链将基准站载波相位观测值传送到流动台，在流动台进行实时载波相位数据处理，其定位精度可达到1-2 cm。RTK差分距离不可太远，目前最远可到30 km。此外，流动台是否能进行RTK差分，取决于数据通讯的可靠性和流动台载波相位观测值是否失锁。目前在城市测量中因受周围环境影响，实时动态RTK还很难使用，但在空旷地区、海上应用较多。 4广域差分：广域差分是利用大范围内建立的卫星跟踪网跟踪卫星信号。利用跟踪网已

21、知坐标和原子钟，求每颗卫星的星历改正值、卫星钟改正值及电离层改正参数，并通过无线电台向用户流动台发送。流动台接收这些修正信息后对观测值进行修正。差分修正后的精度可达到1-3m。差分范围可达到1000 km。,GPS接收机,GPS接收机是用来接收、处理和测量GPS卫星信号的专门设备。,GPS接收机的基本工作原理,GPS接收机原理图,GPS接收机的分类,根据接收机的工作原理分：可分为码相关型接收机、平方型接收机、码相位型接收机和混合型接收机四种。 根据接收机信号通道的类型分 ：可分为贯序通道接收机、多路复用通道接收机和多通道接收机 。 根据接收的卫星信号频率分 ：可分为单频接收机和双频接收机两种类

22、型 。 根据接收机的用途分 ：可分为导航型、测量型和按时型三种类型。,GPS测量的作业模式,GPS测量的作业模式，是指利用GPS定位技术确定观测站之间相对位置所采用的作业方式，它与GPS接收设备的硬件和软件密切相关。不同的作业模式，其作业方法、观测时间及应用范围亦不同。 近年来，由于GPS测量数据处理软件系统的发展。目前已有多种作业模式可供选择。作业模式主要有静态定位、快速静态定位、准动态定位及动态定位等。,静态定位模式,静态定位模式是将GPS接收机安置在基线端点上，观测中保持固定不动，以便能通过重复观测取得足够的多余观测数据，以提高定位的精度。 这种作业模式般是采用两套或两套以上GPS接收设

23、备，分别安置在一条或数条基线的端点上，同步观测4颗以上卫星。可观测数个时段，每时段长1-3 h。静态定位一般采用载波相位观测量。,静态定位模式特点,静态定位模式所观测的基线边，应构成某种闭合图形。这样有利于观测成果的检核，增加网的强度，提高成果的可靠性及平差后的精度。 静态定位测量一般需要有几套接收设备进行同步观测，同步观测所构成的几何图形称为同步环路。若有三套接收设备，同步环路可构成三边形；若有四套接收设备，则可构成四边形或中点三边形。GPS网即由若干个同步环路构成。 静态定位测量是当前GPS测量中精度最高的作业模式，基线测量的精度可达5mm+1PPmD，D为基线长度。因此，广泛地应用于大地

24、测量、精密工程测量及其它精密测量。,快速静态定位模式,快速静态定位模式是在测区的中部选择一个基准站。并安置一台接收机，连续跟踪所有可见卫星；另台接收机依次到各点流动设站，并且在每个流动站上静止观测数分钟，以快速解算法解算整周未知数。 这种作业模式要求在观测中必须至少跟踪4颗卫星，而且流动站距基准站般不垃超过15 km。 这种作业模式观测速度快，精度也较高，流动站相对基准站的基线中误差可达(5-10)mm+1ppmD。但由于直接观测边不构成闭合图形，所以缺少检核条件 。,准动态定位模式,在测区选择一基准站，安置接收机连续跟踪所有可见卫星；另一台接收机为流动站的接收机，将其置于起始点1上，观测数分

25、钟以便快速确定整周未知数。在保持对所测卫星连续跟踪的情况下，流动的接收机依次迁到测点2、3、上各观测数秒钟。 该作业模式在作业时必须至少有4颗以上卫星可供观测。在观测过程中，流动接收机对所测卫星信号不能失锁，如果发生失锁现象。应在失锁后的流动点上，将观测时间延长至数分钟。流动点与基准站距离不超过15 km。 这种作业模式工作效率高。在作业过程小，虽然偶尔会发生失锁，只要在失锁的流动点上，延长数分钟观测时间，即可向前继续观测。各流动点相对于基准点的基线精度一般可达(10-20)mm+1ppmD。,动态定位模式,先建立一个基难站，并在其上安置接收机连续跟踪观测所有可见卫星。另一台接收机安装在运动的

26、载体上，在出发点静止观测数分钟，以便快速解算整周未知数。然后从出发点开始，载体按测量路线运动，其上的接收机就按预定的采样间隔自动进行观测。 该作业模式要求在作业过程中，必须至少能同时跟踪观测到4颗卫星以上，运动路线与基准站的距离不能超过15 km。 动态定位的观测速度快，并可实现载体的连续实时定位。运动点相对基准站的基线精度一般可达(10- 20)mm+1ppmD。适用于测定运动目标的轨迹、路线中线测量、开阔地区的断面测量及航道测量等。,RTK观测,RTK 野 外 测 量,GPS测量的实施,GPS测量按其性质可分为外业和内业两部分。外业工作主要包括选点、野外观测工作以及成果质量检核等；内业工作

27、主要包括GPS测量的技术设计、测后数据处理以及技术总结等。如果按照GPS测量实施的工作程序，则大体分为GPS网的设计、选点与建立标志、外业观测及成果检核与处理等几个阶段。,GPS网精度标准的确定,对GPS网的精度要求，主要取决于网的用途。精度指标通常以网中相邻点之间的距离误差表示，其形式为：,式中： 网中相邻点间的距离误差（mm）； a0 与GPS接收机有关的常量误差（mm）； b0 比例误差，( ppm或10-6) ； D 相邻点间的距离（km）。,GPS网的图形设计,GPS网的图形设计，主要取决于网的用途，但是与经费、时间和人力的消耗，以及接收设备的类型、数量和后勤保障等条件也有很大关系。

28、对此应充分加以考虑，以期在保证用途的条件下，尽可能减少消耗。,GPS网的图形设计的一般原则,（1）GPS网一般应布设成由独立观测边构成的闭合图形，如三角形、多边形或附合路线，以增加检核条件，提高网的可靠性。 （2）网中相邻点间基线向量的精度应分布均匀。 （3）GPS网点应尽可能与原有地面控制网点相重合。重合点一般不应少于3个，不足时应进行联测。而且重合点在网中的分布要均匀。这是为了可靠地确定GPS网与地面网之间的坐标转换参数。 （4）GPS网点应考虑与水淮点相重合，对于不能重合的点，可根据精度要求，用水准测量方法或三角高程测量方法进行联测，取得大地高与正常高的转换参数(高程异常)。 （5）为了

29、便于GPS测量的实施和水准联测，GPS网点一般应设在视野开阔和交通便利的地方。 （6）GPS测量不要求GPS网点之间相互通视，但是为了便于以后用传统测量方法进行联测和扩展，可在GPS网点附近布设通视良好的方位点，以建立联测方向。方位点与其网点之间的距离，一般应不小于300m。,GPS网的基本图形的选择,根据GPS测量的不同用途，GPS网的独立观测边应构成一定的几何图形。图形的基本形式如下： （1）三角形网：这种图形的几何结构强，具有良好的自检能力，能够有效地发现观测成果的粗差，以保障网的可靠性。同时，经平差后精度分布均匀。但是，这种网形的观测工作量大，通常只有当网的精度和可靠性要求较高时，才单

30、独采用这种图形。 （2）环形网：环形网是由若干含有多条独立观测边的闭合环组成，环形网观测工作量较三角形网小，也具有较好的自检能力和可靠性，网中精度分布不够均匀。 （3）星型网：星型网的几何图形简单，但其直接观测边之间，一般不构成闭合图形，所以检核能力差。,GPS网网型,三角形网,环形网,星型网,GPS网选点应遵守的原则,1观测站(即接收天线安置点)应远离大功率的天线电发射台和高压输电线，以避免其周围磁场对GPS卫星信号的干扰。接收机天线与其距离般不得小于200 m。 2观测站附近不应有大面积的水域或对电磁波反射或吸收强烈的物体，以减弱多路径效应的影响。 3观测站应设在易于安置接收设备的地方，并

31、且视场要开阔。在视场内周围障碍物的高度角，根据情况一般应小于10- 15。 4观测站应选定交通方便的地方，并且便于用其它测量手段联测和扩展。 5对于基线较长的GPS网,还应考虑观测站附近应具有良好的通讯设施和电力供应，以供观测站之间的联络和设备用电。,GPS测量的观测工作,GPS测量的观测工作主要包括天线安置、观测作业、观测记录及观测数据的质量判定等。,天线安置的要求,（1）静态相对定位时，天线安置应尽可能利用三脚架，并安置在标志中心的上方直接对中观测。在特殊情况下，方可进行偏心观测，但归心元素应精密测定。 （2）天线底板上的圆水准器气泡必须严格居中。 （3）天线的定向标志线应指向正北并顾及当

32、地磁偏角的影响，以减弱相位中心偏差的影响。定向的误差依定位的精度要求不同而异，一般不应超过3- 5。 （4）雷雨天气安置天线时，应注意将其底盘接地，以防止雷击。 天线安置后，应在各观测时段的前后，各量取天线高一次 量测的方法按仪器的操作说明进行。两次量测结果之差不应超过3 mm，并取其平均值。,外业观测工作中注意事项：,（1）当确认外接电源电缆及天线等各项联结无误后，方可接通电源，启动接收机； （2）开机后接收机的有关指示和仪表数据显示正常时，方可进行自测试和输入有关测站和时段控制信息； （3）接收机在开始记录数据后，用户应注意查看有关观测卫星数据、卫星号、相位测量残差、实时定位结果及其变化、存储介质记录等情况。 （4）在观测过程中，接收机不得关闭并重新启动；不准改变卫星高度角的限值；不准改变天线高。 （5）每一观测时段中，气象资料应在时段始末及中间各观测记录一次。当时段较长如超过60分钟时，应适当增加观测次数。 （6）观测站的全部预定作业项月，经检查均已按规定完成，且记录与资料均完整无误后，方可迁站。,观测记录,在外业观测过程中，所有的观测