利用GPS和全站仪进行平面控制测量的精度比较和分析

南阳师范学院20XX届毕业生毕业论文（设计） 题 目： 利用GPS和全站仪进行 平面控制测量的精度比较和分析 完 成 人： 班 级： 学 制： 专 业： 测绘工程 指导教师： 完成日期： 目 录 摘要：（1）0引 言（1）1 工作原理（1）2 工作方法及流程（2） 2.1 GPS在平面控制测量中的工作方法及流程（2） 2.1.1 GPS外业操作（2） 2.1.2 内业处理（3） 2.2全站仪在平面控制测量中的工作方法及流程（4）3工程实例（4） 3.1测量前的准备工作（4） 3.2导线测量的外业工作（5） 3.2.1踏勘选点（5） 3.2.2 导线边长测量（6） 3.3导线内业计算（6）4 精度要求以及精度分析（10） 4.1 GPS和全站仪在平面控制测量中的精度要求（10） 4.2 利用GPS和全站仪在平面控制测量中的精度分析（11）5 结束语（13）参考文献（13）Abstract（14）利用GPS和全站仪进行平面控制测量的精度比较和分析 摘要：通过利用GPS和全站仪进行平面控制测量，利用闭合导线测量来对其精度比较和分析。首先介绍了GPS和全站仪的工作原理，利用GPS差分技术来完善GPS定位功能，全站仪则通过测距和测角来测量出导线的边长和坐标方位角。阐述了GPS和全站仪在平面控制测量的工作方法，利用GPS和全站仪分别测量出所测的控制点坐标。通过工程实例进行论证，选择一个适宜测量的地区对其进行闭合导线测量从而对其数据进行对比分析，再通过所测数据对导线闭合差以及坐标方位角、限差进行对比分析。通过本次研究为以后平面控制测量提供了重要的依据，也为以后工程测量提供了可靠的理论依据。关键词：GPS；全站仪；工作原理；工作方法；平面控制测量0引 言随着科学技术的发展，在进行平面控制测量中所用到的方法也越来越多，而对于利用GPS和全站仪两种方法进行平面控制测量的精度比较与分析却没有具体的措施，随着技术要求逐渐提高精度要求也随之上升。因此，在进行平面控制测量中对于精度的要求也是测量中所必不可少的，为方便以后平面控制测量中所用的方法更加精确，这是本文研究的意义。利用GPS 在平面控制测量中通常采用静态相对定位技术，也就是至少有两台GPS接收机同时观测，经处理后可以精确获得两点的三维坐标差，根据其中一点的坐标可推算出另一点的坐标。由于静态相对定位技术将在相当广泛的范围内逐步地取代以往的常规测量方法并广泛应用于平面控制测量中。利用全站仪进行平面控制测量的方法已得到广泛的应用，运用全站仪进行导线测量并根据相应的精度和限差来进行测量。1 工作原理 GPS导航系统的基本原理 1是利用差分技术来完善GPS定位功能。差分GPS定位技术是用2台或2台以上的GPS接收机同时接收卫星信号，其中一台安置在已知坐标点上作为基准站(基准站可安置在任意位置)，其他的用来测定未知的坐标。工作原理是基准站根据改正点的准确坐标求出到卫星的距离的改正数并将这一改正数发给移动站，移动站接收到这一改正数来改正其定位结果。全站仪是一种集光、机、电为一体的新型测角仪器，与光学经纬仪比较电子经纬仪将光学度盘换位光电扫描度盘，将人工光学测微读书代之以自动记录和显示读数，使测角操作简单化，且可避免读书误差的产生。电子经纬仪的自动记录、储存、计算功能，以及数据通讯功能，进一步提高了测量作业的自动化程度。全站仪的工作原理分测角原理和测距原理。测量就是利用了数学的平面几何、立体几何，结合测距数据测算其它边的距离、及相关角度。测角和测距程序内部主要应用到微分和积分等知识。 测角部分采用“角度度盘+角度传感器”获得角度的数字化数据；测距部分与光电测距仪完全相同，而且大多采用电磁波测相技术实现的。2 工作方法及流程2.1 GPS在平面控制测量中的工作方法及流程GPS在平面控制测量中通过其定位技术2来测出控制点的三维坐标，通过三维坐标即可知道控制点间的作业前先做技术设计，内容包括起算数据、网的等级和精度、作业布网形式及选点标石埋设、仪器精度及数量、主要技术要求、调度安排等。2.1.1 GPS外业操作 外业出发前先对主机的测量模式（设为静态）、采样间隔、卫星截止角进行统一设置3。以下是某个单测站的操作： （1）安装仪器。先把基座对中、整平，然后安装上接收天线。安置仪器的步骤：首先，在选好的观测站点上安放三脚架。注意观测站周围的环境必须符合上述的条件，即净空条件好，远离反射源，避开电磁场干扰等。因此，安放时用户应尽量避免将接收机放在树荫、建筑物下，也不要在靠近接收机的地方使用对讲机，手提电话等无线电设备。其次，小心打开仪器箱，取出基座及对中器，将其安放在脚架上，在测点上对中、整平基座。再次，从仪器箱中取出接收机，将其安放在对中器上，并将其锁紧，再分别取出采集器及其托盘，将它们安装在脚架上。测量天线高，一般要求在三个方向分别量取三次，取平均作为测前天线高，三次读数的互差有规定，多数规范要求不超过3mm。用电缆连接主机与天线（如果是主机天线一体化的接收机，此步骤免除）。 （2）开机。 （3）填写外业观测手簿。包括点名、点号、观测者、日期、开机时间、天线高、时段号、同一时段的其它控制点等等内容。 （4）观察接收状态。在接收机工作期间，要不定时察看，看接收机状态是否正常，特别时开机后几分钟，看数据记录指示灯是否正常。在这过程中，要防止无关人员及牲畜在仪器附近走动。观测过程中的任何异常情况都要记录在手簿中。 （5）关机。观测时间到或者收到小组长的结束观测指示后，先关闭接收机电源，然后再次量取天线高。把关机时间及测后天线高填入手簿。 （6）收仪器。导出数据：任何仪器商都会提供数据下载软件，按照说明书操作即可。在下载数据前，应在电脑中建立专门文件夹，以便储存数据。2.1.2 内业处理 （1）数据传输 。打开灵锐助手，连接电脑和仪器后，灵锐助手软件界面出现发现灵锐接收机点导入采集文件，在弹出的界面里会显示出机器内的观测数据文件，在目标目录里输入数据保存的位置，选择要传输的观测数据文件（前打），输入点名（必须是四位数）、天线高、观测时段，然后点确定。依次把所有仪器的数据传输到电脑里。 （2）数据处理新建工程打开南方测绘GPS后处理程序，文件新建（输入项目名称、负责人、坐标系、控制网等级），点确定。 （3）数据输入。数据输入增加观测数据文件，打开观测数据保存的文件，全选确定；数据输入坐标数据录入，选择已知点点名后，输入对应的坐标后点确定。 （4）剔除无效卫星信号。点击左边框里的“观测数据文件”前面的加号，这样会展开所有的观测数据文件，双击一个观测文件，点，按住鼠标左键拖拉圈住图重历元中断的地方，即可剔除无效历元。点可恢复剔除历元。 （5）基线处理。基线解算全部解算，这样在网图显示里，所有处理格的基线就为红色。不合格为灰色。如果不合格需要重新解算，具体操作见说明书。 （6）处理平差，平差处理自动处理网平差计算（处理完后检查异步、同步环是否都解算合格。基线简表里检查每条基线的中误差以及成果里的二维单位权中误差，值越小越好）。 （7）成果输出。 2.2全站仪在平面控制测量中的工作方法及流程 控制点的选取4，直接关系到我们进行下一步碎部测量，控制点选择适当，缩短了碎部测量的操作过程，提高了工作效率；相反，会影响碎部点采集效率。在选择控制点时，尽量选择在视野开阔、地面平整、不影响交通、不易被破坏的地段。点位选择完成后，绘制点之记草图，并根据顺序编制点号。本次作业中，选择拓普康系列全站仪，用测回法观测水平角，并记录相邻两点间的水平距离，采用对向观测，尽量减少或避免大气折光的影响。仪器操作人员要注意操作的规范性，对中、整平要力求熟练、精确，尽量减少人为误差的影响，转动度盘时，要保持向同一方向转动，减少隙动差的影响。观测时，及时提醒司尺人员，根据觇标倾斜的位置进行校正，并尽量照准觇标的根部，用十字丝的单丝平分觇标，在条件不允许的情况下，用双丝卡住觇标读数。因平面控制测量的角度误差据有相关性，每一站的误差都直接影响最后的观测结果，一般情况下，只要人为误差控制得当，最后的测量精度都是比较令人满意的。全站仪在平面控制测量当中主要在控制测量测量当中测量两点间的距离以及坐标方位角，从而为内业计算求解出坐标增量以及角度闭合差；全站仪测出两点间的边长方位角和角坐标增量；在交会点的计算（前方交会，后方交会等）中也得用到全站仪进行相应的测量。3工程实例为了分析GPS和全站仪两种仪器在平面控制测量中进行精度分析，可以通过闭合导线测量来讨论出结果。3.1测量前的准备工作 （1）控制测量资料包括成果表、点之记、展点图、路线图、计算说明和技术总结等。收集资料时要查明施测年代、作业单位、依据规范、平高系统、施测等级和成果的精度评定。成果精度指三角网的高程、测角、点位、最弱边、相对点位中误差；水准路线中每公里偶然中误差和水准点的高程中误差等。收集的地形图资料包括测区范围内及周边地区各种比例尺地形图和专业用图，主要查明地图的比例尺、施测年代、作业单位、依据规范、坐标系统、高程系统和成图质量等。如果收集到的控制资料的坐标系统、高程系统不一致，则应收集、整理这些不同系统间的换算关系。 （2）收集合同文件、工程设计文件、业主（监理）文件中有关测量专业的技术要求和规定。 （3）准备相应的规范：城市测量规范、国家一、二等水准测量规范、国家三、四等水准测量规范、水利水电工程施工测量规范。 （4）了解测区的行政划分、社会治安、交通运输、物资供应、风俗习惯、气象、地质情况。例如了解冻土深度，用以考虑埋石深度；雾季、雨季和风季的起止时间，封冻和解冻时间，以确定适宜的作业月份。3.2导线测量的外业工作选取一块适宜的测区，首先可以利用GPS通过相对定位测量出控制点的三维坐标并记录下来，通过运用测量结果来测出导线测两点之间绘制计算草图,在表内填写已知数据和观测数据。3.2.1踏勘选点 在踏勘选点之前5，先查看测区原有的地形图、高级控制点的所在位置、已知数据（点的坐标与高程）等。在图上规划好导线的布设线路，然后按规划线路到实地去踏勘选点。现场踏勘选点时，应注意下列各点： （1）相邻导线点间通视良好，以便于角度测量和距离测量。如果采用钢卷尺量距，则沿线地势应较平坦，没有丈量的障碍物。 （2）点位应选在士质坚实并便于保存之处。 （3）在点位上，视野应开阔，便于测绘周围的地物和地貌。 （4）导线边长应按有关规定，最长不超过平均边长的2倍，相邻边长尽量不使其长短相差悬殊。 （5）导线点在测区内要布点均匀，便于控制整个测区。 （6）导线点应避免选在影响交通的道路上。导线点位选定以后，在泥土地面上，要在点位上打一木桩，桩顶上钉一小钉，作为临时性标志。在碎石或沥青路面上，可以用顶上凿有十字纹的大铁钉代替木桩。在混凝土场地或路面上，可以用钢凿凿一十字纹，再涂红漆使标志明显，也可以直接用红漆或涂改液标注。导线点应分等级统一编号，以便于测量资料的管理。导线点埋设以后，为了便于在观测和使用时寻找，可以在点位附近房角或电线杆等明显地物上用红漆标明指示导线点的位置。每一个导线点的位置，应画一草图，并量出导线点与邻近明显地物点的距离（称为“撑距”），注明于图上，并写上地名、路名、导线点编号等，该图称为导线点的“点之记”。3.2.2 导线边长测量 导线边长可以用检定过的钢尺用往返丈量的方法进行丈量6，也可用光电测距仪或电子全站仪测量导线的边长。导线的转折角是在导线点上由相邻两导线边构成的水平角。导线的转折角分为左角和右角，在导线前进方向左侧的水平角称为左角，右侧的称右角。在导线转折角测量时，可以测量左角或右角。图根导线的转折角可以用DJ6级经纬仪观测一测回。3.3导线内业计算 导线测量内业计算主要是计算导线点的坐标7。在计算之前，应全面检查导线测量的外业记录，有无遗漏或记错，是否符合测量的限差要求。然后绘制导线略图，在图上注明已知点（高级点）及导线点点号、已知点坐标、已知边坐标方位角及导线边长和角度观测值。进行导线计算时，应利用科学式电子计算器，计算在规定的表格中进行。数值计算时，角度值取至秒，长度和坐标值取至毫米。按外业测量的记录数据进行导线测量内业计算，计算时应注意导线的角度闭合差与全长相对闭合差在允许范围内。若闭合差在允许范围内，调整闭合差，算出各导线点的平面坐标。导线测量内业计算表中进行，也可编制计算程序或利用Excel表进行计算。 计算角度闭合差： （1） 角度容许闭合差的计算若 容，则：角度测量符合要求，否则角度测量不合格，则 （1）对计算进行全面检查，若计算没有问题， （2）对角度进行重测 （3）调整角度闭合差,并计算改正后的角度： 改正后角度等与测量角度与角度改正数之和。 角度改正数： （n测角个数） （2） 角度改正数计算，按角度闭合差正负号平均分配。 （4）按调整后的角度推算各边的方位角 （3） （4） a前、 a后表示导线前进方向的前一条边的坐标方位角和与之相连的后一条边的坐标方位角。b左为前后两条边所夹的左角，b右为前后两条边所夹的右角。 （5）计算坐标增量 （5） （6） 坐标增量的符号取决于相邻边的坐标方位角的大小 理论上： （7） （8） （9） 实际上： （10） （11） 坐标增量闭合差可以认为是由导线边长测量误差引起的8； 测量出控制点间的距离和角度后，即可测量出闭合差、坐标增量等数据。当运用全站仪测量时就可以运用相对定位测出。一切准备工作就绪之后，分别运用两种仪器进行平面控制测量。运用GPS进行相对定位技术来测量出控制点的三维坐标，通过空间相对位置来求出坐标方位角以及闭合差。在运用全站仪就可直接测出两控制点的边长以及坐标方位角，不过要进行反复测量以确定其数据的准确性。通过两种仪器测出数据如表1、表2所示： 表1 GPS所测控制点坐标 坐 标 X（m） Y（m） Z（m） A3650387.64349653.645 120.000 B3650347.366 49756.146 119.578 表2 全站仪导线测量数据 觇 标 读 数 2C 半测回方向（ ）一测回方向（ ）各测回平均方向（ ） 附 注 盘 左（ ） 盘 右（ ） 水 平 角 观 测 A 0 00 07180 00 02 5 C 72 58 11252 58 07 4 72 58 0472 58 05 72 58 05 72 58 05 05 90 00 03269 59 59 4 162 58 10342 58 03 7 B 0 00 15180 00 13 2 D 80 33 57260 33 53 4 80 33 42 80 33 42 80 33 42 80 33 42 90 00 13270 00 12170 33 55250 33 52 边长 平距观测值（m） 平距中数（m） 平距观测值（m） 平距中数（m）1 110.131 120.9491 151.107 107.7402 110.131 120.9492 151.107 107.7403 110.132 120.9493 151.107 107.7404 110.132 120.9494 151.107 107.740 觇 标 读 数 2C 半测回方向（ ）一测回方向（ ）各测回平均方向（ ） 附 注 盘 左（ ） 盘 右（ ） 水 平 角 观 测 D 0 00 01180 00 02 1 A91 23 03271 23 02 1 91 23 0292 23 01 91 23 09 0092 23 17 90 00 09270 00 07 2 181 23 2601 23 25 1 D 0 00 03180 00 04 1 B115 04 45295 04 47 2115 04 42 115 04 43115 04 45115 04 43 90 00 02270 00 00 2205 04 5025 04 46 4 边长 平距观测值（m） 平距中数（m） 平距观测值（m） 平距中数（m）1 120.947 99.9801 99.980 110.0952 120.914 99.9802 99.979 110.0953 120.914 99.9803 99.979 110.0954 120.914 99.9804 99.980 110.0964 精度要求以及精度分析4.1 GPS和全站仪在平面控制测量中的精度要求 GPS网的精度指标9是以网中相邻点之问的距离误差 来表示相邻点之间的距离误差： 其中： :网中相邻点问的距离误差(mm) :固定误差(mm） ppm:比例误差(ppm) D:一相邻点问的距离(km) C级控制网的精度指标 ppm5 导线及导线网按精度等级划分为三、四等和一、二、三级。导线测量主要技术要求如表3所示： 表3 导线等级技术要求 等级导线长度（km）平均边长（km）测角中误差（）测距中误差（mm）测距相对中误差方位角闭合差（）全长相对闭合差 三等 14 3 1.8 201/1500003.6 1/55000 四等 9 1.5 2.5 181/8000053/35000 一级 4 0.5 5 151/30000101/15000 二级 2.4 0.25 8 151/140000161/10000 三级 1.2 0.1 12 151/70000241/5000 注：上述表中n表示测站数。不同精度的全站仪测回数要求如表4所示：等 级 测 回 数1级仪器2级仪器6级仪器三 等 6 10 四 等 4 6 一 级 2 4二 级 1 3三 级 1 2 表4 全站仪不同仪器等级测回数 注：上述表中n表示测站数。当测区测图的最大比例尺为1：1000 时，一、二、三级导线的平均边长及总长可适当放长，但最大长度不应大于表中规定长度的2倍。当导线平均边长较短时，应控制导线边数，但不得超过上述表中相应等级导线长度和平均边长算得的边数；当导线长度小于上述表中规定长度的1/3 时，导线全长的绝对闭合差不应大于13cm。导线网中，结点与结点、结点与高级点之间的导线长度不应大于上述表中相应等级规定长度的0.7倍。先运用GPS对测区控制点进行控制点点位坐标测量，再运用已知控制点坐标进行闭合导线测量，通过已知数据来测定方位角和坐标。4.2 利用GPS和全站仪在平面控制测量中的精度分析经过以上工程实例测量数据可以得到相应计算数据 10，通过计算数据我们不难得到两种仪器在进行平面控制测量时各自的精度比较，从而也为以后平面控制测量方法提供了可靠的依据，也为以后测量节约了许多的资源，计算数据如表5所示：表5 导线测量精度分析序号点 名 观测角（ ） 方位角（ ）边 长（m）（m）（m）（m） （m）AA182 16 37BB - 03 84 31 133 854 687.01638 451 293.665 86 47 47299.218+ 0.004+ 16.722+ 0.004 298.7501C - 04 95 50 073 854 703.74238 451 592.4192 37 50283.476+ 0.004+ 283.177- 0.004+ 13.0102D - 04 88 57 203 854 986.92338 451 605.433271 35 06299.633+ 0.004- 8.288- 0.005-299.5183A- 0390 41 343 854 995.21538 451 305.920182 16 374B882.327+291.611+ 12.242CD360 00 14 +14 = - 0.012= + 0.018导线略图 C DBA 经过以上测量数据我们得出：运用GPS所测数据经计算得到其闭合差，坐标增量以及限差等数据都没有全站仪所测数据的精确。从费用标准上来看，运用全站仪所耗费的资源要远比运用GPS所用的资源要大；从工作量来看，前者的工程量也大于后者；但是从精度上来看，前者的精度要大于后者。在以后的平面控制测量中也为我们选择何种方法进行操作也进行有力的论证，为以后测量提供了可靠地依据。5 结束语 利用GPS和全站仪进行平面控制测量对其进行比较分析，本文通过导线测量对该两种的测量精度进行对比分析，为以后从事平面控制测量提供了更加有力的依据。运用GPS进一步提高了作业的效率，降低了劳动强度，节省了费用使测量变得更加容易但其精度却未能得到弥补，在精密测量中这种操作方法并不是最佳的选择。在运用全站仪进行测量时，虽然工作量和耗费资源比较大，但是其测量精度很高，这对于以后进行精密测量提供了一个更加精密的方法，这也为以后的工程测量提供更好的依据。通过两种方法进行平面控制测量获取数据并进行精度分析，也为以后平面控制测量提供了可靠的依据。参 考 文 献1 徐绍铨，张华海，杨志强,等.GPS测量原理及应用M.武汉：武汉测绘科技大学出版社， 1998.2 周建郑.GPS测量定位技术M.北京：化学工业出版社，2004.3 李征航，王跃虎，刘基余，等.全球定位系统原理及其应用M.北京：测绘出版社，1993.4 李征航，黄劲松.GPS测量与数据处理M.武汉：武汉大学出版社，2005.5 武汉大学测量平差学科组.误差理论与测量平差基础M.武汉大学出版社，2003.6 洪立波，蒋达善，顾孝烈，等.CJJ8-99城市测量规范S.北京：中华人民共和国建设部， 2000:44.7 李征航.空间定位技术及应用M.武汉：武汉大学出版社，2003.8 谢世杰,王跃虎,黄劲松，等.RTK特点与误差分析J.测绘工程，2002，（2）：8-18.9 于小平.小区域GPS高程拟合方法精度研究J.世界地质，2006,25（2）：208-212.10 刘大杰，施一民.全球定位系统的原理与数据处理M.上海：同济大学出版社，1996.Using GPS and total station comparing the precision of plane control survey and analysis Abstract: GPS and total station instrument is used to carry on the plane control survey .