GPS技術在中小型水庫地形圖測量中的應用

莊 磊

0 引言

近幾年來,隨著GPS載波相位差分技術(RTK)的發展,GPS RTK技術越來越成熟,已被廣泛應用到數字化測圖中。尤其是中小型水庫建設初期,由于所處測區多為山地,通視困難,地形復雜給傳統野外測繪工作帶來了一定的困難。利用動態(RTK)定位技術的優越性,測圖速度快和精度高,能消除累積誤差,操作簡便,用人少等優勢取代了原有的平板儀測圖及全站儀測圖。工作效率和經濟效益明顯得到大幅度提高。

1 GPS RTK技術的原理

RTK定位技術就是基于載波相位觀測值的實時動態定位技術。在RTK作業模式下,基準站通過數據鏈將其觀測值和測站坐標信息一起傳送給流動站。流動站不僅通過數據鏈接收來自基準站的數據鏈,還要采集GPS觀測數據,并在系統內組成差分觀測值進行實時處理,用戶輸入相應的坐標轉換和投影參數,可以實時得到精度達厘米級定位結果。GPS RTK技術的關鍵在于數據處理技術和傳輸技術。

2 野外工作

利用GPSRTK進行數字化測圖作業流程包括控制點測量、圖根點測量、碎步點測量和數字化成圖。

2.1 標石選埋

標石選埋按《水利水電工程測量規范》標準,采用普通混凝土標石,每對標石間相互通視,且牢固穩定可靠。標石所埋位置盡量選擇地勢高,不易破壞,沒有遮擋的位置。

2.2 星歷預報

作業之前首先做星歷預報。根據星歷預報選擇最佳作業時間,避開衛星數量少、popo數量過大的時段,制定可行、效率高的作業計劃,保證基線的順利解算,提高網平差精度。

2.3 控制點布設

由于GPSRTK定位技術數字化測圖方法不在需要布設常規測量控制網,只要通過 GPS靜態聯測國家點來測設測區控制點即可?？刂泣c布設需注意以下兩點:

1)控制點應位于地勢較高,有利于衛星信號接收和數據鏈發射的地方。需要避免無線電發射塔等電磁波干擾和大面積水域等有強反射物體而造成多路徑效應影響的地方。

2)水庫測區內控制點位置應均勻布置,邊長大于 500m,這樣有利于數據采集時基站重置,便于控制RTK的比列誤差。

2.4 圖根點及碎步點數據采集

1)RTK測設圖根點。在RTK測設圖根點前,必須正確輸入前期解算過的坐標轉換參數,并在已知點上進行坐標和高程校核,確認無誤后方可進行圖根點的測設。

2)RTK測設碎步點。在接收信號能達到固定解時完全可以用RTK進行碎步點數據采集,利用RTK進行數據采集的過程大致為:啟動流動站開始測量并進行點校正工作后,RTK接收機便可實時接收到所需坐標系下的三維坐標點。

3 內業工作

GPS RTK內業工作主要包括高程擬合,GPS平面控制網解算和數字化成圖。

3.1 高程擬合

由于GPS所測得的高程是測站相對于WGS84橢球面的大地高,而我國所采用的高程系統是相對于類似大地水準面的正常高系統。地面點大地高與正常高存在以下關系:

其中,H為正常高;Hg為GPS測得的大地高;ξ為高程異常。

從上式可知,Hg可由GPS相位測量方法精確測定,如何求得正常高,關鍵在于求解各點的高程異常值ξ,為了求定精確的高程異常值 ξ值,可以在 GPS網中選擇一定數量均勻分布的點,采用幾何水準方式測定其高程,然后利用這些重合點進行數值擬合,求得各待定點的正常高。根據擬合方式的不同,有不同的擬合方程式,它們分別為:

其中,a,b,c,d,e,f均為多項式系數;Xe+Yi為相對GPS網重心的平面坐標分量。

從上面 4個數字模型的擬合方程式的待定系數可知,要解高程 GPS網至少要聯測三個重合已知點高程。利用這些重合已知高程點的高程異常值Δξ和坐標值,即按最小二乘法求出擬合高程的待定系數及待定點正常高。

3.2 GPS平面控制網解算

采用商用隨機軟件存儲在 GPS接收機中的觀測數據傳輸至便攜式計算機中,進行數據預處理。全部觀測任務利用三角形同步環觀測完成,同時組成多個邊數不等的異步環,對所用三角形同步環和異步環進行三維閉合差統計。

同步環閉合差限差按下式計算:

其中,Wx,Wy,Wz均為各坐標差分量閉合差;n為同步環的邊數;σ為相應級別規定的精度即弦長標準差(按平均邊長計算)。

同步環閉合差限差按下式計算:

其中,Vx,Vy,Vz均為各坐標差分量閉合差;n為同步環的邊數;σ為相應級別規定的精度即弦長標準差(按平均邊長計算)。

在預處理的基礎上,利用隨機處理軟件進行單基線處理,得到所用基線的固定解,對所用解出的基線,其整周模糊度分解fatio值均大于 3.0,并對每條基線中參與計算的衛星狀況進行篩選和優化,讓所有參與計算的衛星均為健康狀態,對不合格的基線予以剔除。對檢驗符合要求的基線邊進行組網,參與后處理計算。

3.3 數字化成圖

利用南方“工程之星”軟件將采集的原始數據轉化成CASS軟件可以直接使用的DAT格式文件,并復制到計算機硬盤上。利用CASS8.0軟件結合外業繪制的草圖,可快速完成數字化成圖工作。具體步驟如下:

1)打開南方CASS8.0成圖系統,單擊屏幕頂部菜單的“繪圖處理”項,選擇“展野外觀測點點號”,輸入對應的坐標數據文件名,便可在屏幕上展出野外測點點號。2)通過CASS8.0軟件里坐標定位下的工具,根據野外所繪制的草圖和展出的點號可以匯出地物地貌。3)單擊“繪圖處理”菜單下的“展繪高程點”,將會彈出數據文件對話框輸入對應的坐標數據文件名,高程點自動展繪出來。點擊工具欄中“等高線”菜單下“建立DTM”項,彈出對話框后選擇“由數據文件生成DTM”,輸入文件相應名后,按確定即可生成 DTM。4)點取工具欄中:“等高線”菜單下“繪制等高線”項將生成等高線,刪三角網,修改等高線。

4 結語

中小型水庫一般都在地形復雜、地勢險要,植被茂盛、通視困難的山區。如果采用常規儀器和方法去布設控制網,測繪地形圖費時費工,生產效率低。采用GPS RTK定位技術數字化測圖既保留了基礎測繪的特點,又解決了常規測繪缺點,提高了整體測圖的精度和速度的同時降低生產成本,收到事半功倍的效果。利用GPS RTK定位技術在中小型水庫前期的控制網布設,觀測,到后期的內業計算,數字化成圖,效果都比較理想。

[1] 許紹銓.GPS衛星測量原理及應用[M].武漢:武漢測繪科技大學出版社,2004.

[2] 潘正風.數字測圖原理與方法[M].武漢:武漢測繪科技大學出版社,2008.

[3] 劉普海,梁 勇,張建生.水利水電工程測量[M].北京:中國水利水電出版社,2005.

[4] GB/T 7929-1995,全球定位系統GPS測量規范[S].

[5] 南方測繪儀器公司.CASS8.0用戶手冊[Z].