浅谈GPS地形控制测量应用

摘要：应用GPS 技术进行传递测量, 可有利解决控制点少、不通视, 距离长等常规测量方法难以完成的问题。它的高质量、高效益的工作方式给测量工作带来了很大便利。本文基于笔者多年从事控制测量的工作经验,以某地形测量工程为背景,研究探讨了基于GPS控制测量的地形测量方法,分析了地形测量的整个技术流程。

关键词：GPS测量；地形；应用

中图分类号：O4-34 文献标识码：A

引言

地形测量是一项复杂、繁重而对精度要求又很高的工作,其目的在于为城市、各种工程以及矿区提供不同比例尺的地形图,从而实现安全与精确的生产与生活。在GPS没有普及到控制测量这一领域以前,人们主要是依赖于测距仪、经纬仪等仪器进行小范围的局部测量工作,精度受到限制并且其耗费的人力物力资源比较多。

1 GPS 的基本原理

GPS 系统主要是由位于太空的卫星星座、位于地面的监控系统以及用户接收终端这三大部分构成。GPS 系统的基本工作原理是按照高速运行中的卫星瞬时位置作为已知的起算数据， 然后采用空间距离交会的方法， 确定出测点的准确位置，因为卫星的位置均为已知且精确可靠，故此在GPS 观测中，能够获取卫星至接收机的准确距离，并以此为据便可推算出接收机所在地的一些参数，如经纬度、运动速度、海拔高度以及时间等等。

2 GPS 应用于地形测量中的技术优势分析

2.1 定位精度高

通过大量的试验和工程实践应用结果表明， 采用载波相位观测量来进行静态相对定位，在小于50km 的基准线上，测量的相对精度能够达到1×10-6~2×10-6； 在100~500km 的基准线上测量精度也能够达到10-6~10-7。尤其是近几年来观测技术和数据处理技术的不断发展和完善，使得1000km 以上的相对定位精度能够达到或是超过10-8。此外，GPS RTK 的定位精度也能够达到厘米和分米级， 可以满足绝大多数工程测量的需求，其测量精度如表1 所示。

表1 GPS实时定位、测时与测速精度

2.2 观测时间短

通常情况下， 采用GPS 的静态相对定位观测200km 以内的基线所需要的时间为单频接收机1h 左右、双频接收机15~20min 左右；若是采用GPS RTK 实时动态定位的话，流动站初始的观测时间约为1~5min，并且能够随时进行定位，每站的观测时间一般只需要几秒钟左右。此外，通过GPS 技术建立控制网还能进一步缩短观测时间，从而有效地提高观测作业效果。

2.3 测站之间无需通视

一些常规的测量方法都需要保持良好的通视条件， 并且还要保障测量控制网具有良好的图形结构。但采用GPS 技术进行测量却只需要观测站上方15°角的空间开阔即可，这是因为测站与卫星之间的信号收发是基本垂直的， 所以测站与测站之间并不需要进行通视，这样一来便无需建造觇标，有利于减少测量工作的费用。此外，由于GPS 不受通视和图形结构条件限制，使选点工作变得更加灵活，基本能够按照实际工作的需要确定合适的点位， 从而省去了传统测量方法中的过渡点等测量工作。但是需要补充说明一下，在有些测量作业中， GPS 常常会与其它常规测量方法联合使用， 在这一前提下， GPS 设点时应当至少确保一个方向的通视条件良好。

2.4 GPS 能够提供全球统一的三维地心坐标

常规的测量方法在测量平面和高程时一般采用的都是不同的方法进行分别测量，而GPS 测量中，在精确测定出观测站平面位置的同时，还能精确测量出该站的大地高程，正是这一特点为大地水准面形状和地面点高程确定的研究开辟了一条全新的途径，并且也为GPS 在航空物探以及精密导航中的应用提供了非常重要的高程数据。由于GPS 定位都是基于全球统一的WGS-84 坐标系统这一前提下计算出来的，为此，全球不同点的测量结果均是相互关联的。

2.5 全球全天候作业

分布在太空中的GPS 卫星比较多，并且所有卫星呈均匀分布，这在一定程度确保了全球地面都能够被连续覆盖，换言之，无论在地球上的任何地点和任何时间都能开展观测工作，这为测量作业提供了方便。同时，GPS 在进行地形测量时主要是借助外太空的卫星来获取相应的数据信息， 这样便可以确保24h 不间断地进行监测， 一般除了雷雨天气不易采用GPS进行观测之外，在其余天气里GPS 都可以进行测量，而常规测量技术却经常会受到室外天气状况的影响。

3 GPS(RTK) 在地形测量中的应用

3.1测区概况

测区位于广东省某县，为二级公路带状地形图测量，宽400 米，长35 公里，测区与原县级公路基本平行，地势较为平坦，平均海拔高程1500 米左右，地形东北高、西南低。测区除穿过几个村庄外，大部分为旱地，无遮蔽影响，由于是春天作业所以通视条件良好。因此，我们选择GPS(RTK) 并结合全站仪进行测图。

3.2作业依据

《全球定位系统（GPS）测量规范》（GBT18314-2009）；

《公路全球定位系统（GPS） 测量规范》（JTJ/T066-98）；

《全球定位系统（GPS） 测量型接收机检定规程》（CH8016-1995）；

3.3作业方法

利用和广湛高速公路已有的D 级GPS 点A70、A74、A78 为起算坐标，沿设计线路施测E 级GPS 控制点36 个，为了满足1：2000 数字化地形测量的需要，在此基础上做了35 个一级图根点进行图根控制网的加密。并对其高程全部作了四等水准的联测。该测区为独立坐标系，中央子午线111。21′。

作业前求定测区转换参数，确定WGS84 与独立坐标系之间的转换参数，需要定义三维空间直角坐标轴的偏移量和旋转角度并确定尺度差。求的转换参数之后进行测量，采集到精确的三维坐标保存到手簿。按序号记录测量点的地物地貌并绘制草图，遇到村庄及建筑物等卫星信号较弱时就用全站仪测量法。内业采用南方CISS7.1 成图软件进行成图。

因为还没有规范规定RTK 进行地形测量的依据，我们为了检查测量的精度用全站仪仅对部分地物特征点进行了抽查检验。结果最大互差 x=0.080m， y=-0.060m，最小互差 x=0.005m， y=0.010m，可以满足地形测量的需求。

通常情况下，在一定区域内的RTK 测量，要求实时得出待测点在实用坐标系和独立坐标系中的坐标，因此，坐标转换问题就显得尤为重要。实际需要将GPS 观测的WGS-84 坐标转换为国家平面坐标（如北京54 坐标）或者工程施工坐标。

对于WGS－84 到国家平面坐标（如北京54 坐标）的转换，我们可以采用高斯投影的方法，利用以往的控制点成果求取 “区域性”的地方转换参数。

3.4使用GPS RTK 定位系统要特别注意以下几个方面：

（1）基准站的观测点位选择

GPS RTK 定位的数据处理过程是基准站和流动站之间的单基线处理过程，基准站和流动站的观测数据质量的好坏对定位的影响很大。野外工作时，测站位置的选择对观测数据质量无线电传播影响很大。

（2）观测到更好的数据

1）为保证对卫星的连续跟踪观测和卫星信号的质量，要求基准站上空应尽可能的开阔，让基准站尽可能跟踪和观测到所有在视野中的卫星，在5-15 高度角以上不能有成片的障碍物。

2）为减少各种电磁波对GPS 信号的干扰，在基准站周围200 米范围内不能有强电磁波干扰源，如大的无线电发射塔、高压电线。

3）为避免多路径效应的发生，基准站应远离对电磁波信号反射强烈的地形、地物，如高层建筑、成片水域。

4）由于电台信号属于直线传播，所以为了基准站和流动站数据传输更远，基准站应选择在地势较高的点上。

4 提高GPS(RTK) 技术的精度分析

（1）基准站精度的高低直接影响到测量点的精度。所以，在工作中要选择高等级有经过水准联测的已知控制点作为基准站。

（2）基站应选择在地域开阔、远离无线电干扰源、大面积水域的制高点上，并不要远离测区。

（3）严格规范操作，减少人为因素对测量精度的影响。进行测量时流动站应采用三脚架基座对中整平。

（4）坐标参数的选择对所测成果的精度影响很大。GPS 采用WGS-84 坐标系，必须转换到北京54 平面坐标系或地方坐标，然后再投影到高斯平面上。因此，坐标转换精度是个非常重要的问题，在选择公共点求参数时应对测区范围内的已知点进行筛选。

（5）要采用RTK 高程就必须做到：求转换参数时测区要有一定数量的高等级并有经过水准联测的控制点，所选公共点不要远离测区并均匀分布在测区周围。要在不同时段分别观测检查其测量粗差，并进行一定数量的已知点检验。

5 结论

实践证明，用GPS(RTK) 测图省时省工省力，大大提高了工作效率，GPS(RTK) 技术具有定位精度高、观测时间短并可实时提供三维坐标、不累计传点误差、操作简便、减轻劳动强度等优点。其测量精度完全满足地形测量的要求，可在测量领域广泛应用。

参考文献

[1]黄哓忠.GPS在城市控制测量应用中的几点体会[J]安徽建筑,2006,(06).

[2]王婷.RTK 定位技术在地形测图和工程控制测量中的应用[A].江苏省测绘学会2011 年学术年会论文集[C].2011（11）.

[3]郭恒茂，化兴建，支卫斌.GPS RTK 技术在地形、地籍测量中的应用分析[J].职业时空.2010（5）.