（地图学与地理信息系统专业论文）pda土地变更调查系统的设计与实现.pdf

中国农业大学硕上学位论文 摘要 摘要 土地变更调查是保持土地利用现状调查成果、更新土地利用数据库的手段，是国家制定有关 政策和调整计划的基础。随着社会的发展，当前土地变更调查工作在定位精度方面存在着需要改 进的地方因此，设计出一套能够满足不同底图比例尺下定位精度要求的土地变更调查系统是十 分重要的 本文首先对土地变更调查流程以及土地变更调查现代化技术存在的问题进行分析，同时在获 取高精度定位点、系统功能及可操作性等方面建立了系统的需求分析。本文采用g p s 接收机来获 取变更地物边界点的空间信息，设计了适合在1 ：1 0 0 0 0 或更大比例尺底图下进行土地变更调查 的工作方案，并且为了保持定位信息与底图信息的坐标一致，对坐标转换模型进行了分析与实现 同时本文还设计了用来存储外业调查中获取的空间数据和属性数据的数据结构，并提出了一 套从外业数据转换到内业更新入库的可行性方案。 系统以e m b e d d e d v u m a l o h 、m a p l n f o 公司的m a p x m o b i l e 开发组件以及t r i m b l e 公司的g p s p a f l l f i n d c r t o o l ss d k 为开发工具，开发出可以运行在p d a 等嵌入式设备中的土地变更外业调查 系统 关锢! 词：土地变更调查。掌上电脑，全球定位系统，调查方案设计，数据接口 中国农业大学硕十学位论文 a b $ t l r c t a b s t r a c t m s n d 4 1 s cc h a n g es u r v e yi st h em e t h o do fh o l d i n gt h cs u r v e yr e s u l ti ni n n d - u s ea c t u a l i t y d u p d a t e i n gt h el a n d - u s ea a t a l , a s e , a n di t i s l h eb a s i co fs o m p o l i c ya n da d j u s ts e h e m i u gw h i c hi s e s t a b l i s h e db yt h es t a t e s w i t ht h ef a s t - s p e e dd e v e l o p m e n to f t h es o c i e t y , l a n d - u s ec h a n g es u r v e yi sn o t f i tf o rt h er e q u e s to fa n c h o rp r o e i s i o ni nt u r r e tw o r k t h c r e o y , d e s i g n i n gal 柚d l c h a i i g cs u r v e y s y s t e mt h a tm m e e tt h er e q u e s to f d i f f e r e n tb a s em a ps c a l ei ie l , , _ e i l d t h i sl p e ra n a l y s e st h ep r o b l e m sw h i c hma t i s t e n t e di nl a n d - u s ec l u i n g es u r v e ya n dl a n d - m e c h a n g es m v e ys u p p o r t e db ym o d c a l a i z et e e l a n i q u ca tf i t 1 3 e s i d t s , s e t t i n gu pt h er c q u i , m e n ta n a l y s c d b y h o w t o o b t a i n t h e h i g h e r p r e c i s i o n i na n e l a o r p o i n t i h e f u n c t i o n i n t h es y s t e m ，a n d m a n e u v e r a b i l i t y o b t a i nt h es p a c ei n f o r m a t i o nb yt h eg p sl l m i v c ri na n c h o rp o i n to f l a n d - - u s ee l u m g e , d e s i g nt h ew o r k p e r c e p t w h i c h i s f i t f o r t h e l ：1 0 0 0 08 龆l c o r t h e h i g h e r i n l a n d - t m c h a n g e s t n v e y a t t h e e t i m e , a n a l y s i n ga n di m p l e m t i n gt h ec o o r d i n a t em o d e lf o re o m i s t i n g f i l ec o o r d i n a t eo f o r i t a t i o n i n f o r m a t i o nw i t hb a s em a pi n f o m m t i o n b e s i d e s ，l h i sp l p 苗a l s od e s i g n st b ed a t a $ 1 t u c l u mw h i c hi si l s e df o rs t o r a g et h es p a c ed a t aa n d a t t r i b u t ed a t at h a t “哪【血司b yo u t s i d em - v e y , t h e ns e t s1 | pt h ep c r e 喇1 h mc 1 1 1 1u p d a t et h ed a t a b a s eb y u s i n go u t s i d ed a t a t h i ss y s t e mi se m p o l d e r e db ye m b e d d e dv i s u a l 斗m a p i n f o c o m a l r - , m a o b i l es u b a s s e m b l y 鸽 w e l l t r i m b l e & c o g p sp a t h f i n d e rt o o l ss 眦d e v c l o l i n gt h el a n d - t mc h a n g es t u - v c ys y s t c mw l a i e l a 啪b cu s e di np d ao ra d a o t h c re m b e dd e “c 厶 k e y w o r c l s ：l a l l d o l l l s ce h a n g os u r v e y ，p d a ，g p s ，i n v e s t i g a t ep e r e 印td e s i g n , d a t ai n t e r f a 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国农业大学或其它教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示了谢意。 研究生签名：否依偿 时间：z 一刀年石月佃 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国农业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或扫描等复 制手段保存、汇编学位论文。同意中国农业大学可以用不同方式在不同媒体上发表、 传播学位论文的全部或部分内容。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 研究生签名：舞静缁 时间： 1 岬年6 n 6 “日 研究生签名：静伪 时间： 1 岬年 “日 导师签名：时间： 矿刁年占月f 占日 中国农业大学硕十学位论文 第一章绪论 第一章绪论 土地利用现状调查又称土地资源调查或土地详查，是在全国范围内或某一区域范围内为查清 土地的权属、利用类型、分布，面积及利用状况而进行的全面的土地资源调查土地详查的成果 是制定各级国民经济计划和宏观决策以及国土资源管理的重要基础资料，是进行土地利用总体规 划和日常土地管理的依据。科学性的决策，取决于土地资源各项数据的准确性，这就要求对土地 利用数据进行及时更新、逐级统计和汇总”。 1 1 问题的提出 以往土地变更调查的手段主要有：卫星遥感、航测和直接外业调绘【“但是这些手段的缺点 很明显： ( 1 ) 卫星遥感数据虽然获取方便，但由于受遥感影象分辨率的限制，其数据主要应用于区域 性土地资源的动态监测4 j ； ( 2 ) 用航摄方法得到的航片到野外调绘、室内量测处理，完成周期较长； ( 3 ) 直接外业调绘是由基层土地管理人员根据辖区内土地利用的变化情况，结合土地变更调 查中对图斑大小的要求判定变更对象，确定其位置和范围，然后到县级土地管理部门提取相应图 件，并进行室内判读，选择路线和站立点，最后到野外调绘。该方法主要缺点是；地面明显地物 点难找、也找不准，外业工作量大、效率低，面积量算误差较大( 3 1 基于以上问题，设计并实现出能够提高土地变更外业调查的工作效率，携带和操作方便，定 位精度高的土地变更外业调查系统是土地变更调查工作高效、顺利进行的关键 1 2 研究背景和意义 1 2 1 研究背景 土地是人类赖以生存和社会赖以发展的基础。土地资源是经济社会发展的基础【4 l ，也是人类 赖以生存发展而必不可少的有限资源，是人类立命之本 我国虽然地大物博，但是土地资源却相对贫乏 5 1 ，土地质量较差近年来随着改革的深入， 工业化、城市化的速度不断加快，人们频繁的从事生产活动，土地资源被越来越广泛的利用，造 成土地利用变化加快。城市建设用地、工矿用地、交通用地不断增加，人均耕地面积不断减少 与此同时，由于人类不合理的生产活动，导致土地利用类型发生了改变一水土流失严重，土地 沙化、盐渍化和草场退化面积不断扩大从而浪费了大量的土地资源，在有些地区已经影响到了居 民的基本生活。因此，及时准确的掌握土地变更相关信息、合理的利用和保护有限的土地资源是 关系到我国社会、经济和生态环境可持续发展的关键，是关系到国计民生的当务之急。 中国农业大学硕十学位论文第一章绪论 我国从1 9 9 6 年开始，每年在全国开展一次土地变更调查，对年度的土地利用变化信息进行 调查、统计、汇总，并定期公布，以保持土地利用现状调查数据的现势性，也是规划编制( 或修 编) 、实施管理的可靠依据1 6 及时客观的掌握土地利用变化状况，全面落实运用土地政策参与国 民经济宏观调控，实施严格的耕地保护制度具有重要意义 根据中华人民共和国土地管理法和 规定的上图面积的，可不上图，但需实丈距离、 计算面积，作零星地类记录，并作附图网在指定比例尺下规定上图面积标准如下表： 衰2 1 土地变更调查上圈标准 ( 4 ) 线状地物变更调查标准 线状地物宽度大于或等于图上3 m m 的，依比例尺表示，按图斑调查。宽度小于图上3 m m 的， 依比例尺用相应单线符号表示，其宽度必须实地丈量，长度在图上量取，面积按照归属关系从相 邻图斑中扣除 所有线状地物均应上图表示。并单独编号，不能仅在图斑中扣除面积 与境界线、权属界线重合时，线状地物位置标绘在准确位置上，境界线、权属界线符号视不 同情况标绘。 2 2 土地变更调查内容 土地变更调查的内容包括地类、土地权属单位和土地权属性质、权属界线和面积等土地利 用变更调查是在土地详查成果的基础上对土地变更的内容进行调查，更新土地利用现状图，记录 土地变更调查成果r 6 1 土地利用变更调查成果直接用于土地年度统计。土地年度统计是在初始土 8 中固农业大学业硕十论文第二章七地变更调壹相关问题分析 地统计或上年度土地统计的基础上，每年对土地权属、地类面积等变更情况进行调查，根据变更 调查结果，填写土地统计台帐、统计簿和年内地类变化平衡表，填报土地统计年报，进行土地统 计分析 土地年度统计的目的在于保护土地统计台帐、统计簿( 土地存量指标) 的现势性，获得年内 地类变化的信息( 土地流量指标) 。并据此进行统计咨询，实行统计监督，发挥存量指标与流量 指标在土地规划、计划和国民经济中的作用。要保持土地存量指标的现势性，就应根据变更调查 结果对空问数据库和属性数据库进行更新。为准确获取年内土地流量指标，必须经过土地变更过 程的分析，进行数据处理后才能获取1 2 7 - 7 s 1 土地利用现状数据库一旦建立，土地详查成果上报后，土地信息就具有法律意义因此必须 保持土地信息变更前后的延续性，以保证地物变更前后面积的动态平衡土地利用变更统计，不 仅要知道该地类总的变化面积，而且要分析该地类在本年度内的增加面积与减少面积，而后者数 据。只能在对各类地物在变更过程中的各种复杂的面积转化过程进行分析的基础上才能得到唧 2 3 土地变更调查流程 土地变更调查流程如图2 - 1 所示【划 田2 - l 土地变更调查流程圈 9 中国农业大学业硕f 论文第二章十地变更调查相关问题分析 通过对土地变更调查流程的分析可知，资料准备是土地变更调查的基础 作，土地变更调查 工作过程中的数据都以准备的资料中的数据为准在资料准备工作完成后，需要对数据进行内业 预处理，之后进行外业调查，调查内容主要包括：境界，权属的调查以及图斑、线状等地物空间 信息和属性信息的变更调查：外业调查结束后需要将外业调查获取的数据需要提交到内业进行数 据的处理与整理，整理后的数据可以用做图形更新、土地利用数据库更新等，也可以进行城市数 据接边汇总等工作 2 3 1 资料准备 收集土地利用现状调查及土地变更调查资料，包括土地变更调查工作底图( 近期的航空或航 天遥感资料制作的正射影像图) 、数据及土地变更调查记录表等相关资料；有关退耕还林的设计 图、验收图等、数据( 计划数，完成数、验收数) 、验收报告等相关资料；新增建设用地审批文 件及实际用途，土地开发复垦整理成果验收等资料( 图件，数据，报告等) 以及农业结构调整、 灾毁耕地等相关资料；收集近几年耕地减少资料 2 3 2 内业预处理 内业预处理包括界限处理、遥感数据处理、套合对比判别的处理。 行政界线、权属界线转绘是将县级以上行政界线按照民政部门核准的勘界成果，转绘到原土 地详查图上；根据县( 市) 相关文件，标绘出变化的行政界线、权属界线；行政、权属界线没有 变化或有争议的，使用原详查成果 遥感数据处理是指如果采用航天遥感数据，应根据有关规定进行数据处理。 影像判读是将航空或航天数据与原土地利用现状图或数据库进行套合通过人机交互或目视 判读，提取地类信息地类边界以影像为准，地类属性参考原土地详查结果。矢量化方法及精度 符合土地利用数据库建设要求 2 3 3 外业调查内容 ( i ) 境界调查 国界直接采用原土地利用现状调查的画法，将国界线转绘或透绘在更新调查工作底图上各 级行政区域界线必须经过界线有关各方共同接边，接边在接边各方的上一级国土资源行政主管部 门协调下，参照民政部门勘界资料开展 ( 2 ) 土地权属界线调查 权属界是指行政村、农林牧渔场、居民点以外的厂矿机关团体企事业单位的土地所有权、使 用权界线，以及公路铁路、大的河流湖泊界线等土地权属界线调查是调查、核实宗地的界址点 位置，界址线的走向以及与线状地物关系等内容封闭的土地权属界线构成宗地。 ( 3 ) 土地权属情况调查 调查内容有土地的所有权性质：国有土地或集体所有土地，土地的使用权情况：国有土地使 1 0 中国农业大学业硕十论文第二章十地变更调青相关问题分析 用权、集体土地使_ l j 权。对国有土地使用权还应查清国有土地使用权类型。土地的他项权利情况： 租赁、抵押权利及其他土地使用限制等土地的共有使用权情况：独自使用权、共有使用权及其 分配情况 ( 4 ) 图斑地类、线状地物等变更调查 图斑地类： 被境界，土地权属界，线状地物界，地类界等分割完成的封闭地块为一个图斑。不同权属界 以地类界划分，当地类界线与境界线或土地权属界线或线状地物重台时可不表示，以境界线或土 地权属界线或线状地物代替调查方法采用全野外调绘。要求对每一块图斑都要到实地进行调查 线状地物： 线状地物指北方宽度大于2 米，南方宽度大于l 米的河流、铁路、公路、林带。固定的农村 道路、沟、渠、田埂、管道用地等。 2 3 4 内业数据处理整理 内业数据处理整理包括：利用内业预处理中形成的影像判读成果，对照外业调查结果，按照 土地利用数据库建设要求，进行县( 市) 级土地利用数据库建设或更新；修正原县、乡( 镇) 图 幅理论控制面积结合表、编制土地权属界线图；更新土地利用现状图；完成面积量算，汇总各类 土地面积、建立相关台帐。 2 3 5 存在的问题 由于以往土地变更调查工作的调查精度、技术及时效等原因，年度变更的图件和数据与土地 管理的实际需要之间存在较大的差距存在的主要问题有： ( 1 ) 地面明显地物点难找，在调查过程中仍在采用勘丈仪器进行测量，外业工作量大、效率 低、测量周期长 ( 2 ) 变更地物边界点信息精度较差，增加了面积量算的误差 2 4 土地变更调查现代化技术方法 2 4 1 土地变更调查现代化技术方法 考虑到以往土地变更调查自身存在的问题，结合近年来不断发展的3 s 技术，尤其是g p s 技术 的发展为土地变更调查采用现代化技术进行提供了基础土地变更调查工作采用现代技术也制定 了相应的技术方法和流程，目的是建立一套集外业数据采集、调查、后期内业处理、分析与汇总、 制图、数据库管理和更新于一体的土地变更调查作业系统t a i l 利用现代化技术进行土地变更调查的步骤： ( 1 ) 利用g p s 天线和主机建立基站，利用p c 机来接收基站的定位信息。 中同农业大学业顾十论文 第二章十地变更调盎相关问题分析 i i | 曼簟曼曼舅鼍曼鼍寡岂曼曼皇曼鼍曼e 曼蔓曼曼曼曼曼皇曼! 曼曼曼詈詈曼曼曼曼曼! 曼曼曼曼曼皇曼曼曼皇曼鼍曼鼍皇曼曼曼量曼! | _ 2 ) 将作业底图导) 、_ p d a 土地变更调查外业工作人员携带g p s 接收机和p d a 在现场进行调 查 ( 3 ) 调查过程中通过g p s 获取当前定位点信息，选择构成变更地物的定位点，构成图斑，录 入属性信息并保存 4 ) 将p d a 采集的外业数据导入p c 机，将土地变更外业调查的定位数据与基站接收的卫星定 位数据进行g p s 差分处理，对差分后的数据及属性信息进行编辑、整理，最后更新原土地利用数 据库，并为下次调查提供数据基础 利用该步骤进行土地变更调查，调查成本降低了，效率有所提高 2 4 2 地图比例尺的精度要求 现代化技术支持下进行土地变更调查的前期资料除了传统土地变更调查工作中需要的纸制 资料之外，还应该包括最新的土地利用调查资料及相关电子数据，如：土地利用现状数据库、土 地利用现状图。 由于对土地利用现状图比例尺的选择涉及到土地变更调查工作中对变更地物边界定位点的 精度和地物面积的精度因此在外业工作中获取的g p s 定位精度需要和工作底图比例尺相匹配， 这就需要研究土地变更调查工作中的地图比例尺与精度要求之问的关系。 目前，国家统一规定的比例尺有1 ：1 0 0 万。1 ：5 0 万，i ：2 5 万i ；1 0 万，l ：5 万，l ：2 5 万，1 ：1 0 0 0 0 ，1 ：5 0 0 0 th2 0 0 0 ，l ：1 0 0 0 ，i ：5 0 0 由于地图比例尺精度是依据肉眼所能分辨的最短距离计算的通常人们用内眼只能分辨出图 上最小的距离为o 1 衄，因此在图上量度和描绘时，也只能达到图2 9 _ 0 1 r a m 的正确性。因此在地 图学上把图上0 i m m 所代表的实地水平距离称为比例尺精度，各种比例尺的比例尺极限精度可 表达为： 万= 0 1 m m + m( 2 - 1 ) 其中5 为比饲尺精度，m 为比例尺的分母土地利用现状图比倒尺精度要求如图2 2 j t i ) = i ：示： 衰2 - 2 堆和用现状睡比倒尺与藉度要采 在现阶段在县( 市、t g ) 中开展的土地变更调查工作利用的工作底图一般为1 ：t 0 0 0 0 + g n 用现状图根据上表可知，1 ；1 0 0 0 0 比例尺底图要求的外业测量精度需要达到l m ，若要满足大于 i ：t 0 0 0 0 比例尺的底围下进行土地变更调查的精度要求，则需要将外业测量的定位点精度提高到 米缀以内 2 a 3 存在的问题 在现代化技术支持下的土地变更调查较以往传统土地变更调查工作流程有了很大的改进，但 1 2 中国农业大学业硕十论文第二章十地变更调查相关问题分析 仍然在有些方面存在问题： ( 1 ) 需要建立位置固定的基站，一旦基站获取数据的过程中受设备，天气等因素的影响，基 站接收数据的稳定性会直接导致土地变更调查内业后差分处理的数据准确性 ( 2 ) 工作过程中需要背较重的仪器进行调查，影响工作效率 ( 3 ) 采用伪距差分，由于该定位技术是通过在基准站上利用已知坐标求出测站到卫星的距离， 并将其与含有误差的测量距离比较，然后利用一个口一1 3 滤波器将次差值滤波并求出其偏差，并 将所有卫星的测距误差传输给用户，用户利用此测距误差来改正测量的伪距最后，用户利用改 正后的伪距求出自身的坐标。如果基准站、用户站均观测了相同的4 颗或4 颗以上的卫星，即可实 现用户站的定位田i 。 由于伪距差分定位依赖两站公共误差的抵消来提高定位精度，误差抵消的程度决定了精度的 高低，差分定位精度可达到2 5 m 而误差的公共性在很大程度上依赖与丽站的距离，随着两站距 离的增加，其误差公共性逐渐减弱，因此用户和基准站之间的距离对精度有决定性的影响，用户 站离基准站的距离越大，伪距差分后的剩余误差越大，定位精度越低 ( i ) 由于实时接收的g p s 定位数据需要将数据进行后差分处理才可以提高精度，不能第一时 间获取精确的定位数据，缺乏实时性 2 5 土地变更外业调查系统需求分析 当前3 s 技术快速的发展，土地变更调查工作在国土资源方面的重要性也愈显突出，因此3 s 的 先进技术应该应用于土地变更调查工作中，国内外在相关领域内虽然有一些研究，但是在p d ae 获取的g p s 位置信息，尤其是在土地变更调查中利用g p s 对图斑边界位置信息的获取误差较大， 虽然通过后差分可以将误差降低，但是缺少了土地变更调查的实时性，不能实时、准确的获得信 息而且其设备除了p d a ，一般都要配有外置的g p s 接收机，携带不够方便 基于以上问题，本研究就是要设计和实现出携带和操作更方便，定位精度高魄，具有中文菜 单提示的g p s p d a 系统，为更方便有效的进行土地变更调查工作服务系统的主要功能应该包括； ( 1 ) 可以进行矢量、栅格数据的添加、修改和保存 ( 2 ) 能够获取高精度的g p s 定位数据，并且依据定位数据构成地物。 ( 3 ) 能够对变更地物进行属性信息的录入 ( 4 ) 能够存储调查过程中的g p s 定位数据等相关信息，为后期处理提供数据依据 在系统功能实现的基础上还需要设计一套与该系统相符合的土地变更外业调查的方案，而方 案的好坏关系到工作效率以及土地变更调查数据的最终统计结果，另外针对系统各功能的要求需 要建立不同的实施方案，如：高精度定位方案的设计关系到变更地物边界点的定位精度：对空间 数据、属性数据结构的设计关系到数据的存储：对数据接口的设计关系到后期内业处理等。 中国农业大学业硕十论文第二章十地变更调查相关问题分析 2 6 本章小结 本章主要介绍了土地变更调查的相关标准( 如：土地分类标准，土地变更调查上图标准) 、 土地变更调查的内容以及土地变更调查流程。通过对土地变更调查流程以及土地变更调查现代化 技术方法的步骤进行分析，指出其中存在的一些问题。依据土地变更调查工作中存在的这些问题 建立了系统的需求分析，同时为了配合本系统进行士地变更调查工作，本章最后提出了需要建立 高精度定位，数据存储和数据接口等方案，用来配合本系统更好的开展土地变更调查工作 中国农业大学业硕十论文 第三章高精度定位方案设计 第三章高精度定位方案设计 根据前一章对土地变更调查工作流程的分析以及对工作底图的比例尺与定位点精度要求的 分析可知，要在h1 0 0 0 0 或更大比例尺底图下进行土地变更的外业调查工作需要对变更地物边 界定位点有很高的精度保证，精度要求应该小于米级，而利用g p s 接收机可以获取较高精度的定 位点信息，但是通过g p s 接收机获取的定位点坐标是基于w g s - 8 4 坐标系下的经纬度坐标，而我 国大地测绘领域采用北京5 4 坐标系或西安坐标系p ”，这就要求建立w g s 8 4 坐标系到北京5 4 或西安坐标系的转换模型，坐标转换模型是获取高精度定位数据的基础和前提。而模型的好 坏也影响到土地变更调查的准确性 本章主要介绍g p s 定位方法，并且通过对不同方法的定位精度进行分析对比，设计出适合在 l ：1 0 0 0 0 或更大比例尺底图下进行土地变更调查精度要求的g p s 方案，同时本章还介绍井实现 了g p s 定位数据从w g s 8 4 坐标转换为北京5 4 坐标或西安8 0 坐标的算法 3 1 定位方案设计 3 1 1g p s 定位方法分类 ( 1 ) 绝对定位 绝对定位也叫单点定位，利用g p s 卫星和用户接收机之问的距离观测值直接确定用户接收机 天线在w g s - 8 4 坐标系中相对于坐标原点( 地球质心) 的绝对位置单点定位多用于实时确定运 动载体在地球参考系中的位置州 传统的g p s 单点定位利用测码伪距观测值以及由广播星历所提供的卫星轨道参数和卫星钟 改正数进行的例。其优点是数据采集和数据处理较为方便、自由，简单，用户在任意时刻只需用 一台g p s 接收机就能获得w g s 一8 4 坐标系中的三维坐标该方法定位精度较低，最高精度仅能达 到1 0 m 左右，很难满足高精度定位的要求 ( 2 ) 相对定位 相对定位也叫差分g p s 定位，至少用两台g p s 接收机，同步观测相同的g p s 卫星，确定两 台接收机天线之间的相对位置，相对定位的精度较高。 根据差分g p s 基准站发送的信息方式可将差分g p s 定位分为3 类，即位置差分、伪距差分 和相位差分这3 类差分方式的工作原理是相同的，即都是由基准站发送改正数，由用户站接收 并对其测量结果进行改正，以获得精确的定位结果，但是发送改正数的具体内容不一样，其差分 定位精度也不同嗍，其中位置差分精度相对较低鲫 伪距差分是应用最广的一种差分。在基准站上，观测所有卫星，根据基准站已知坐标和各卫 星的坐标，求出每颗卫星每一时刻到基准站的真实距离。再与测得的伪距比较，得出伪距改正数， 将其传输至用户接收机( 移动站) ，提高定位精度。这种差分能得到米级定位精度。 1 5 中国农业大学业硕十论文第三章高精度定位方案设计 载波相位差分( r e a lt i m ek i n e m a t i c r t k ) ，由基准站通过数据链实时将其载波观测量及站 坐标信息一同传送给用户站l 碉。用户站接收g p s 卫星的载波相位与来自基准站的载波相位。并组 成相位差分观测值进行实时处理，能实时给出厘米级的定位结果 3 9 - 4 “ ( 3 ) g p s 定位新技术 精密单点定位 美国喷气推进实验室的z n m b e r g e 于1 9 9 7 年提出精密单点定位技术，该技术与一般单点定位 类似，但后者采用广播星历提供的轨道参数和钟差，而不使用精密星历和精密卫星钟差，并且没 有利用相位观测值【4 2 j 。精密单点定位的思路是先利用全球若干1 g s 跟踪站的g p s 观测数据计算 出精密卫星轨道参数和卫星钟差。再以单台双频g p s 接收机采集的非差相位数据作为主要观测值 来进行单点定位计算，其精度可达到分米级甚至厘米级 4 3 4 4 。 该定位技术较r t k 定位技术具有以下几个的优势睥j ； 1 ) 外业作业更简单现有的几种作业方式都需要两台或两台以上的接收机，r t k 需要在基 准站准备好了才能作业，耪密单点定位只要一台接收机就可以作业，并在时间上没有要求，工作 人员到点即可以施测。 2 ) 点位精度均匀稳定，整体精度连续性强但由于载波相位差分的定位精度会随着流动站和 基准站之间的距离的增加而下降，因此，r t k 测量在测区较大的情况下，通常要进行分区旌。 g p s 精密单点定位也存在不足，在数据解算时要从i g s 数据分析中心免费下载卫星精密轨道、 精密钟差等数据，而这些产品在时问上一般都有几天的延迟再者就是现在具有精密单点定位功 能的商用软件不多，做的比较成功的还是一些科研软件，如：b e r n e s e 、g a m r r 等这两者也 是现在精密单点定位没有在生产单位很好推广的主要原因。 网络r t k 定位 为了解决常规r t k 技术存在的缺陷，实现区域范围内厘米级、精度均匀的实时动态定位，网 络r t k 技术应运而生，其中包括v r s ( v i r t u a lr e f e r e n c es t a t i o n ) 技术 v r s 是基于多参考站网络环境下的g p s 实时动态定位技术，不但可以实时获取由于g p s 的 轨道。电离层。对流层和大气折射引起误差的相关数据，通过网络传输到g p s 接收机中，对定位 点误差改正，还可以利用其s d k 自行定制g p s 定位采集模块，同时提供一整套办公软件( g p s p a t h f i n d e ro f f i ) 来进行后期内业数据处理，通过该系统可以进一步提高定位点的精度删。 1 ) g p s p a t h f i n d e r t o o l s ( s d k ) 介绍 g p sp a t h f i n d e rt o o l ss o f t w a r ed e v e l o p m e n tk i t ( s d k ) 是t r i m b l e ( 天宝) 公司为配合利用 g e o e x p l o r c r 系列g p s 接收机获取的v r s 网络定位点而推出的a c t i v e x 组件该组件支持在3 2 位程序环境中运行，如v b 、v c ，另外还支持嵌入式程序开发环境e v c ，为用户提供程序设计的 相应接口，用来自定义与g p s 定位相关的应用程序 在本课题中，利用g p sp a t h f i n d e rt o o l s ( s d k ) 提供的应用程序接口( a p i ) 来完成系统的 g p s 功能模块设计，如：g p s 连接属性设置、g p s 模拟设置、g p s 网络差分设置、g p s 定位信息 的获取以及信息点存储等 g p sp a t h f i n d e ro f 珏c , e g p s p a t h f i n d e r o f 矗c , e 软件是t r i m b l c ( 天宝) 公司推出的管理g p s 工程的工具h q 利用该软 件，在外业调查中可以使用定制的属性数据库，快速方便的采集到点、线、面的地物特征属性， 1 6 中国农业大学业硕十论文第三幸高精度定位方案设计 另外还可以定义数据采集要求和调整数据精度。向g i s 提供更可靠、高精度的数据 通常把v r s 技术归为网络r t k 技术的一种，它是在常规r t k 技术基础上发展起来，与常规 r t k 技术相比有巨大的优势m ： 1 ) 费用将大幅度降低7 0 公里的边长使建g p s 网络费用大大降低，用户不再架设自己的基准 站。 2 ) 相对传统鼢x ，提高了精度。在v r s 网络控制范围内，精度最高可以达到l 2 厘米。 3 ) 可靠性也随之提高，采用了多个参考站的联合数据，大大提高了可靠性。 4 ) 更广的应用范围诸如城市规划、市政建设、交通管理、机械控制、气象、环保、农业以及 所有在室外进行的勘测工作均可应用该技术 目前在中国已经建立t r i m b l e v r s 网络的城市和地区包括：北京、上海、成都、天津，广州、 武汉、青岛、苏州、深圳、东莞、台湾省等，t r i m b l ev r s 软件在中国管理着超过2 0 0 个g p s 参 考站 3 1 2 定位方法的分析对比 通过对g p s 定位方法的分析和对比，对比结果如表3 1 ： 衰3 - 1 g p s 定位方法对比 通过对g p s 定位方法进行对比可以发现，单点定位和位置差分的定位精度较低，不适合在土 地变更调查过程中应用；伪距差分和相位差分虽然应用范围比较广泛，精度也可以满足土地变更 1 7 中国农业大学业硕十论文第三章高精度定位方案设计 调查的精度要求，但是受作业范围的影响，精度会有所降低，另外还需要用户自行架设基准站； 精密单点定位的精度在获取精密星历和精密卫星钟差数据的基础之上，可以满足土地变更调查对 定位点的精度要求，而获取这些数据一般都有几天的延迟例，因此也不符合土地变更调查的实时 性口l l 要求。 网络r t k 定位的定位精度较高，作业范围大，虽然采用的g p s 接收机类型不同，定位精度 会有影响，但这种精度也可以实时满足土地变更调查的要求本课题选用网络r t k ( v r s ) 技术 来获取并处理变更地物边界点信息，其中g p sp a t h f i n d e r t o o l ss d k 负责g p s 获取定位点模块的 设计与实现，g p sp a t h f i n d e ro 街负责对外业定位采集的信息进行处理 3 1 3 高精度定位方案设计 连接v r s 网络可以选用c - e o - e x p l o r e rc e 系列的g p s 接收机该系列接收机有单频和双频接 收机两种类型。不同类型的g p s 接收机获取定位点的精度不同 g e o - e x p l o r e rc e 系列g p s 接收机类型及对比如图表3 - 2 袭3 - 2g e d - e x p l 删系列接收机性能对比瞪2 l 通过对g p s 接收机的对比可知，单频接收机与双频接收机实时获取的定位点精度不同，因此 在进行土地变更调查工作获取边界点定位信息的过程中需要制订不同方案，以满足不同比例尺底 图下进行土地变更调查的精度要求嘲，g p s 定位方案如图3 1 1 8 中国农业大学业硕十论文第三章高精度定位方案设计 田3 - 1g p s 定位方案 从上面的方案中可以看出，g p s 接收机从虚拟参考站( v r s ) 中获取实时差分数据包。利用 差分数据包进行定位信息的改正之后，利用单频接收机可以满足l ：5 0 0 0 左右比例尺的精度要求， 双频接收机可满足l ：2 0 0 0 左右比例尺底图下的精度要求若想进一步提高定位点精度，需要将 外业调查中生成的存储有定位点采集的起止时问，定位点坐标信息的文件，导入g p sp a t h f m d e r o 衢桌面处理系统，进行后差分处理。处理后单频接收机的定位点精度可以满足l ：2 0 0 0 比例 尺底图、双频接收机可以满足h5 0 0 比例尺底图下进行土地变更调查的要求 3 2 坐标转换模型 3 2 1 土地变更中坐标系介绍 地理坐标系，也可称为真实世界的坐标系，是用于确定地物在地球上位置的坐标系一个特 定的地理坐标系是由一个特定的椭球体和一种特定的地图投影构成，其中椭球体是一种对地球形 状的数学描述，而地图投影是将球面坐标转换成平面坐标的数学方法。绝大多数的地图都是遵照 一种已知的地理坐标系来显示坐标数据 1 9 中国农业大学业硕十论文第三章高精度定位方案设计 3 2 1 1 北京鲥坐标系 我国在1 9 4 9 年后采用的第一个参心大地坐标系，称为“1 9 5 4 年北京坐标系”，简称为。北京 5 4 系”( p - 5 4 ) 。该坐标系采用克拉索夫斯基椭球( 1 9 4 0k n s s o v s k y ) ，椭球主要参数： 长半轴：6 3 7 8 2 4 5 米，短半轴：6 3 5 6 8 6 3 0 1 8 7 7 3 米，扁率：o 3 3 5 2 3 2 9 8 6 9 2 北京5 4 坐标系主要投影采用高斯一克吕格投影( g a u - i g - i v g e r ) ，该投影属于等角横切椭圆 柱投影，是设想用一个椭圆柱横套在地球椭球的外面，并与设定的中央经线相切。其经纬线互相 垂直，变形最大位于赤道与投影带最外一条经线的交点上高斯一克吕格投影分带规定：该投影 是我国国家基本比例尺地形图的数学基础，为控制变形，采用分带投影的方法，在比例尺l ： 2 5 0 0 0 - 1 ：5 0 0 0 0 0 图上采用6 分带，对比例尺为l ：1 0 0 0 0 及大于l ：1 0 0 0 0 的图采用3 。分带 3 2 1 2 西安舳坐标系 1 9 7 8 年4 月在西安召开全国天文大地网平差会议，确定重新定位，建立我国新的坐标系一1 9 8 0 年国家大地坐标系1 9 8 0 年国家大地坐标系采用地球椭球基本参数为1 9 7 5 年国际大地测量与地 球物理联合会第十六届大会推荐的数据该坐标系的大地原点设在我国中部的陕西省泾阳县永乐 镇，位于西安市西北方向约公里，故称1 9 8 0 年西安坐标系，又简称西安大地原点基准面采 用青岛大港验潮站1 9 5 2 - - 1 9 7 9 年确定的黄海平均海水面( 即1 9 8 5 国家高程基准) 3 2 1 3w g 汹4 坐标系 w g s - 8 4 ( w o r l d g e o d e t i cs y s t e m ，1 9 8 4 年) 是美国国防部研制确定的大地坐标系，其中w g s - 8 4 椭球两个最常用的几何常数： 长半轴：6 3 7 8 1 3 7 士2 ( m ) ，扁率：1 ：2 9 8 2 5 7 2 2 3 5 6 3 由于在本课题中利用的g p s 接收机为g e o - e x p l o r e r 系列接收机，该接收机采用美国国家海洋电 子协会( n a t i o n a lm a r i n ee l e c t r o n i c sa s s o c i a t i o n ) 制定的n m e a - 0 1 8 3 协议格式的卫星数据信息洲 利用该接收机获取的变更地物边界点信息是基于w g s - 8 4 坐标系下的经纬度坐标，而在土地变更 调查中的工作底图一般为北京5 4 或西安8 0 坐标系，因此需要建立坐标转换模型由于坐标转换模 型的步骤中，北京5 4 与西安8 0 坐标系的椭球参数不同，因此在实现坐标转换模型的过程中，改变 椭球体的参数，坐标转换结果也会发生改变 3 2 2 坐标转换步骤 利用g p s 接收机获取的w g s - 8 4 坐标为大地坐标，坐标中包含定位点的经度、纬度和高程信息， 转换为北京5 4 坐标或西安8 0 坐标需要经过3 步转换： 1 在w g s - 8 4 坐标系统下，椭球地面点的大地经纬度( l 8 4 、b 8 4 ) 和高程( h 8 4 ) 转换为投 影带的高斯平面直角坐标( 砥y 、z ) 变换公式为： x = ( + + c o s b + c o s l ( 3 1 ) y = ( | + 哪+ c o s b + s i n 三 z = 【( 1 一e 2 ) + h * s i n b ( 3 - 2 ) ( 3 3 ) 中国农业大学业颂十论文 第三章i ；i 精度定位方案设计 其中n 为卵圈半径，e 为w g s - 8 4 坐标系卜- 椭圆的第一偏心率，e 2 0 0 0 6 6 9 4 3 7 9 9 9 0 1 3 ，a 为 w g s - 8 4 坐标系下的椭球长半径，a ；6 3 7 8 3 1 7 米 2 利用北京5 4 坐标系参数( 克拉索夫斯基椭球参数) 或西安8 0 坐标系的地球椭球参数将高 斯平面直角坐标( x 、y 、z ) 重新转换成大地坐标( l 5 4 l s 0 、b 5 4 b s 0 、h 5 4 h 8 0 ) 变换公式为： 三：a r 咖( 三一1 ( 3 - 4 ) z 。 b = a r c t a n ( 而寰) 。栅 h = 矗一n ( 1 一e 2 ) 。劫 其中n2 了盂i a 霉i 万p 2 = 1 - 形2 ，这里面的a 为北京5 4 或西安8 唑标下的椭球中 的长半轴，b 为短半轴 由于在公式3 - 5 中，含有未知参数h ，因此在求解b 的过程中需要用到叠带法，利用允许的误 差范围来限定纬度b 的值，在本模型中设定误差小于l 1 0 1 1 3 将北京5 4 坐标系或西安8 0 坐标系参数下的大地坐标利用高斯一克吕格投影进行变换。由 于高斯一克吕格投影在i ：1 0 0 0 0 或更大比例尺地图中采用3 分带，因此可以依照高斯一克吕格 投影的相关参数来求出大地坐标系下的坐标点在高斯平面上的坐标( 以、d y ) 通过以上3 个步骤可求出g p s 测定点在w g s - 8 4 椭球面上的高斯平面坐标为( d x 、d y ) 设相同 点的北京5 4 平面坐标或西安8 0 坐标为( x 5 4 或x s 0 、y 5 4 或v 8 0 ) ，两种坐标系原点的平移参数为 ( a x a y 。) ，旋转参数及尺度因子分别为和m ，由于横纵向尺度偏差在进行坐标