用GPS定位技术进行建筑方格网测量

用用 GPSGPS 定位技术进行建筑方格网测量定位技术进行建筑方格网测量 刘永昶 朱仁义 摘要 本文通过对一个应用 GPS 技术测设建筑方格网事例的介绍 从不同角度说明采用 GPS 进行建筑方格网测量不但是完全可行的 而且比常规测量方法有更大的优越性和更强 的适应性 并对建筑方格网的精度指标问题进行了探讨 关键词 GPS 建筑方格网 控制测量 中图分类号 P228 4 文献标识码 B 文章编号 0494 0911 2000 03 0022 03 BuildingBuilding GridGrid SurveyingSurveying withwith GPSGPS PositioningPositioning TechniqueTechnique LIU Yong chang ZHU Ren yi 一 引言一 引言 建筑方格网是施工放样的依据 因其要求精度高 坐标预先设定等条件的限制 测设 起来比较困难 常规测量方法通常是经过边角测量 平差计算 点位改化等步骤 使方格 点逐步趋近设计点位来完成的 仪器通常采用全站仪 测距仪 经纬仪等 但遇到障碍物 阻挡视线 天气因素影响观测以及相邻边长悬殊时 往往需要浪费大量的人力 物力和时 间 甚至得不到满意的观测结果 GPS 定位技术的普及 为解决上述问题提供了一种可能 性 本院在 GPS 定位技术引入某石化公司建筑方格网测量方面进行了尝试 并取得了一定 经验 本文将结合生产实践对测量方法和结果做一简要介绍 并对建筑方格网精度指标问 题进行了探讨 二 工程概况二 工程概况 某厂区东西长约 2 km 南北宽约 1 km 地势较为平坦 厂区内有同年测设的建筑方格 网点 140 余个 几年来 由于现场施工和总图变更等原因 部分方格点受到了不同程度的 破坏 有的因建筑物阻挡不能通视 为保证施工放样的正常进行 我院应邀于 1998 年 3 月对尚存的方格点进行全面检测和改化 并在一些重要区域新增设方格点 10 个 为了解 决方格点间不能通视的问题 本次方格网测量采用 GPS 进行 新设方格点初放点位时采用 全站仪进行了辅助测量 方格点测量采用德国 ZEISS GPS 接收机 标称精度 5 mm 1 10 6 D 新设方格 点初放采用日本 TOPCON GTS 701 全站仪 标称精度 2 2 mm 2 10 6 D 数据处理 使用武汉测绘科技大学 GPS 数据处理 LIP3 1 软件在日本 TOSHIBA 便携机 586 型 上进 行 三 原有控制资料及其利用三 原有控制资料及其利用 在厂区周边有城建部门测设的四等 GPS 点 2 个 GPS1 GPS2 坐标系统为城市独立坐 标系 中央子午线经度 L0 86 投影面为 950 m 高程面 即城市平均高程面 原方格 网坐标系统为建筑坐标系 城市独立坐标系 X Y 与建筑坐标系 A B 之间的转换关系式 本文略 首先采用 GPS 对已知点 GPS1 GPS2之间的边长进行了检测 边长检测值为 2 281 320 m 与原坐标反算值 2 281 280 m 相比 较差为 4 cm 边长相对误差为 1 57 000 为避免起始边误差传入方格网形成方格网的系统误差而影响整网精度 利用 GPS1的 坐标 GPS1 GPS2的方位角和实测边长重新推算 GPS2的坐标 并将新坐标对应的点号记 作 GPS2 并以 GPS1 GPS2作为方格网测量的起算点 四 技术要求四 技术要求 为了避免误差累积 原有方格网的检测分两级进行 A 级网设计为横置的 日 字形 由靠近厂区四角及南 北边线中点的 6 个点构成 并重新命名为 A1 A6 其余现存点按 B 级点检测 已完全破坏的点不再恢复 施测技术要求如表 1 表 1 级别 平均 边长 m 测量模式 卫 星 高度角 有效观测 卫星个数 时段长度 min 数据采样 间隔 s PDOP 值 点位中 误差 mm A600 快速静态 15 5 4510 6 8 B200 快速静态 15 5 3010 6 8 五 方格网测量步骤五 方格网测量步骤 本次测量以 4 台 GPS 接收机同时设站组成大地四边形 每站测量完毕 2 台仪器滞留 2 台仪器迁站 保证 2 个大地四边形有一条公共边 即重复设站数为 2 因构网基本图形 为大地四边形 图形强度好 故得到的数据精度高 为方格点快速趋近于设计点位创造了 良好条件 1 1 A A 级网的检测级网的检测 以已知点 GPS1 GPS2 为起始点 在起始点及 6 个 A 级点上 用 4 台仪器分组设站 构成了由 6 个大地四边形组成的 A 级 GPS 检测网 如图 1 图 1 根据 GPS 测得的方格点坐标与设计坐标之差 对其点位进行归化改正 重复上述工作 使方格网点点位逐步趋近设计位置 当方格点坐标与设计坐标之差小于 0 5 倍点位中误差 4 mm 时 认为该点已满足设计要求 因 A 级网网形强度系数高 方格点经过一次改化 即全部达到了设计要求 2 2 B B 级网的检测级网的检测 A 级方格点确定之后 以 6 个 A 级点为起始点 采用边连与嵌套相结合方式组成一个 包括 106 个 B 级点在内的附合大地四边形检测网 图略 为避免误差累积 起始点坐标采 用最终检测值 根据 B 级网点的实测坐标与设计坐标之差 对其点位进行归化改正 重复 上述工作 使 B 级网点的点位逐步趋近设计位置 直至满足设计要求为止 本网经一次改 化后有 80 点位满足了设计要求 二次改化后全部点位达到了设计要求 3 3 新设方格网的测设新设方格网的测设 根据工程需要 新设方格点按 B 级网精度测设 具体步骤如下 1 采用全站仪在方格网点设计位置附近布设方格网导线点 2 根据导线点的坐标及标高初放方格点的实际位置 按技术要求埋设标桩 把点位 投映到标桩顶部的不锈钢板上 并做好临时标记 3 新设方格网以 A 级网点 A2 A5 A6 为起始点 采用 GPS 按 B 级方格网检测相同方 法进行测量 本网经一次改化方格网点位全部达到了设计要求 4 4 方格网点位标识方格网点位标识 各级方格点 包括新设点 点位全部达到设计要求后 将 2 5 mm 黄铜丝嵌入桩顶不 锈钢板上 作为方格网点的最终点位标识 六 六 GPSGPS 测量过程测量过程 1 1 GPSGPS 数据采集数据采集 本次测量以 4 台 GPS 接收机同时设站 按前述 GPS 施测技术要求进行野外数据采集 野外观测时 天线安置应严格对中 整平 天线固定标志大致朝北 输入测站点号和 仪器高 在观测过程中通过仪器显示屏随时观察 GPS 接收机的工作状态 如卫星的个数 分布状况 质量的好坏 数据采集的数量等 达到规定的时段长度后 结束本测站工作 观测条件不佳应适当延长观测时间 2 2 GPSGPS 数据处理数据处理 GPS 网的数据处理使用武汉测绘科技大学 GPS 数据处理 LIP3 1 软件在微机上分三 步进行 1 基线解算 将 GPS 接收机采集到的数据拷贝至计算机进行基线解算 得出每两个同步测站点之间 的空间基线向量 对所有基线向量进行质量检核 并及时剔除不合格向量 基线向量质量的检验包括如下几个条件 质量因子 Ratio 3 取双差固定解 同步环闭合差 Wx Wy Wz 6 10 6D 异步环闭合差 复测基线较差 其中 n 为异步环中的边数 为平均边长 实际工作中所有同步环和复测基线的检核采用人机交互方式进行 因异步环个数太多 只对边数较多的异步环着重进行了检核 不合格基线应及时剔除 并分析原因 采取有效处理措施 造成超限的原因主要有 测站观测环境恶劣 多路径干扰严重 有效观测时间不足 卫星状况不佳等 一般可通过 改善测站环境 延长观测时间 选取有利观测时机等加以解决 2 3 维无约束平差 在获取可靠基线向量的基础上 首先在 WGS 84 坐标系中进行 3 维无约束平差 根据 平差后输出的各基线向量 3 个坐标差观测值的改正数 点位和边长精度信息可以判断整个 GPS 网的内部符合精度和观测数据的质量 基线向量的改正数绝对值应满足以下要求 V x V y V z 3 如果发现有的基线超 限或边长精度不高 就说明该基线或相邻基线存在粗差 应仔细分析后予以剔除 必要时 应进行补测 3 2 维约束平差 GPS 网经 3 维无约束平差 各项精度指标均满足要求以后 可利用已知点 已转化建 筑坐标系 作为约束条件 对 GPS 网进行 2 维约束平差 可得到所有方格网点的建筑坐标 及其平差点位中误差 mA mB 七 精度分析七 精度分析 1 1 精度指标的制订精度指标的制订 常规方格网测量的精度指标是以相邻点边长相对中误差的方式表示的 如一级方格网 为 1 30 000 二级方格网为 1 20 000 本方格网因边长超出规范规定的 300 m 上限 如 果仍采用上述精度指标 势必导致方格点点位中误差增大 从而影响建筑物放样的精度 为此 本工程不采用边长相对中误差作为方格网测量的精度指标 而是根据建筑放样精度 要求 采用精度估算的方法推算出方格点点位中误差容许值作为方格网测量的精度指标 实际上在常规方格网当中 上述两种精度指标是等价的 而在大型 长边 建筑方格网当中 后者比前者更为合理 因 GPS 技术的引进 建立大型高精度方格网已成为可能 因此 以 方格点点位中误差作为方格网测量精度指标将更有普遍意义 建筑方格网的精度指标 是从一般性建筑物定位需要满足的精度出发而进行设计的 一般性建筑物 构筑物定位的点位中误差 m点 10 mm 点位误差由场区控制点的起始 误差和放样误差的共同影响决定 即 m2点 m2控 m2放 如规定放样误差 m放 6 mm 或者说 m放 0 75m控 代入上式可得 m控 8 mm 即建筑方格网点位中误差 8 mm 假定纵向误差与横向误差相等 则有 m2控 m2纵 m2横 2m2纵 2m2横 故 m纵 m横 m 控 5 66 mm 根据以上分析 本工程规定方格网点 相对于起算点 点位中误差为 8 mm 纵横坐标 中误差均为 m纵 m横 5 mm 2 2 精度统计精度统计 本次 GPS 方格网测量最终检测成果的精度统计如下 1 WGS 84 坐标系下 3 维无约束平差精度统计如表 1 表 1 等 级 X 坐标最大 中误差 mm Y 坐标最大 中误差 mm Z 坐标最大 中误差 mm 最弱点点位 中误差 mm 平均点位中 误差 mm A 级网 0 70 91 01 51 0 B 级网 2 04 03 35 52 1 2 建筑坐标系中 2 维约束平差精度统计如表 2 表 2 等 级 A 坐标最大 中误差 mm B 坐标最大 中误差 mm 最弱点点位 中误差 mm 平均点位 中误差 mm A 级网 1 90 82 11 1 B 级网 3 82 24 42 3 注 方格网点纵 横坐标及点位中误差统计表因篇幅所限 从略 从精度统计结果可以看出 1 GPS 网无约束与约束平差结果精度相当 说明整网变形很小 观测数据准确 内 部符合精度高 2 GPS 网实质上属于测边网 因图形强度系数高 故方格点点位纵 横向误差相近 各个方向精度分布均匀 点位误差椭圆趋于圆形 3 点位中误差小于规定的限值 满足技术要求 且有较大精度储备 3 精度检验 全部方格网点测量完成后 为了检验 GPS 方格网测量的效果 配合工程验收 采用日 本 TOPCON GTS 701 全站仪对方格网边长行了随机抽样检查 检查结果如表 3 表 3 序号设计值 m实测值 m较差 mm相对误差 1321 000320 997 31 107 000 2196 000195 996 41 49 000 371 00071 001 11 71 000 4384 000383 994 61 64 000 5188 000187 998 21 94 000 6321 000320 994 61 53 500 7535 000534 991 91 59 000 8370 000369 995 51 74 000 9334 000333 998 21 167 000 10160 000159 999 11 160 000 11160 000159 997 31 53 300 12289 000288 999 11 289 000 13179 000179 001 11 179 000 14179 000179 002 21 89 500 由以上结果可以看出 其精度完全满足规范规定 比常规方法测量结果更为 理想 八 结论八 结论 1 采用 GPS 技术测设方格网 比常规方法适应性更强 在测设大型 长边 方格网和通视条件特别困难时 尤其能够显示其优越性 2 GPS 方格网点位精度高 误差分布均匀 不但能够满足规范要求 而且 具有较大的精度储备 3 采用点位中