测绘综合能力1

测绘综合能力 第一章大地测量 第一节大地测量概论 大地测量的概论 P3 大地测量是为研究地球的形状及表面特性进行的实际测量工作 其主要任务是建立国家或大范围的精密控 制测量网 内容有三角测量 导线测量 水准测量 天文测量 重力测量 惯性测量 卫星大地测量以及 各种大地测量数据处理等 它为大规模地形图测制及各种工程测量提供高精度的平面控制和高程控制 为空间科学技术和军事用途等提供精确的点位坐标 距离 方位及地球重力场资料 为研究地球形状 和大小 地壳形变及地震预报等科学问题提供资料 大地坐标系与参考框架 P4 大地测量系统包括坐标系统 高程系统 深度基准和重力参考系统 与大地测量系统相对应 大地参考框 架有坐标 参考 框架 高程 参考 框架和重力测量 参考 框架三种 地心坐标系 P4 国际地面参考框架 ITRF 是国际地面参考系统 ITRS 的具体实现 它以甚长基线干涉测量 VLBI 卫星激 光测距 SLR 激光测月 LLR G P S 和卫星多普勒定轨定位 DORIS 等空间大地测量技术构成全球观测 网点 经数据处理 得到 ITRF 点 地面观测点 站坐标和速度场等 2000 国家大地控制网是定义在 ITF S 2000 地心坐标系统中的区域性地心坐标框架 区域性地心坐标框架一般由三级构成 第一级为连续运行 站构成的动态地心坐标框架 它是区域性地心坐标框架的主控制 第二级是与连续运行站定期联测的大地 控制点构成的准动态地心坐标框架 第三级是加密大地控制点 ITRF 已成为国际公认的应用最广泛 精度 最高的地心坐标框架 高程系统 p5 1985 国家高程基准是我国现采用的高程基准 青岛水准原点高程为 72 260 4 m 水准原点网由主点 原点 参考点 附点共 6 个点组成 我国高程系统采用正常高系统 正常高的起算面是似大地水准面 由地面点沿垂线向下至似大地水准面之 间的距离 就是该点的正常高 即该点的高程 正高 沿重力 垂 到大地水准面的距离 大地高 沿法线到椭球面的距离 N 为大地水准面差距 为高程异常 测量外业作业大基准面 基准线 大地水准面 铅垂线 内业作业的基准面 基准线 参考椭球面 法线 深度基准 p5 有的采用理论深度基准面 有的采用平均低潮面 最低低潮面 大潮平均低潮面等 我国 1956 年以前主要采用了最低低潮面 大潮平均低潮面和实测最低潮面等为深度基准 从 1957 年起采 用理论深度基准面为深度基准 该面是按苏联弗拉基米尔计算的当地理论最低低潮面 常用坐标系 p6 11 大地坐标系 地心坐标系 空间直角坐标系 站心坐标系 高斯直角坐标系 地心坐标系满足的四个条件 p6 11 1 原点位于整个地球 包括海洋和大气 的质心 2 尺度是广义相对论意义下某一局部地球框架内的尺度 3 定向为国际时间局测定的某一历元的协议地极和零子午线 称为地球定向参数 EO P 4 定向随时间的演变满足地壳无整体运动的约束条件 高斯坐标的投影三个条件 坐标的分带规划 坐标系的加常数 p6 11 高斯投影平面上的中央子午线投影为直线且长度不变 其余的子午线均为凹向中央子午线的曲线 其长度 大于投影前的长度 离中央子午线愈远长度变形愈长 为了将长度变化限制在测图精度允许的范围内 通 常采用 6 分带法 即从首子午线起每隔经度差 6 为一带 将旋转椭球体面由西向东等分为 60 带 高斯投影平面上的中央子午线投影为直线且长度不变 其余的子午线均为凹向中央子午线的曲线 其长度 大于投影前的长度 中央子午线投影后为直线 中央子午线投影后长度不变 投影具有正形投影性质 即正形投影条件 投影坐标 Y 带号 500Km 自然坐标 带号 经度 6 1 坐标系的转换 p10 第 2 节传统大地控制网 p11 传统大地测量技术建立平面大地控制网就是通过测角 测边推算大地控制网点的坐标 其方法有 三角测 量法 导线测量法 三边测量法和边角同测法 三角测量法优点是 检核条件多 图形结构强度高 采取网状布设 控制面积较大 精度较高 主要工作是 测角 受地形限制小 扩展迅速 缺点是 在交通或隐蔽地区布网困难 网中推算的边长精度不均匀 距 起始边愈远精度愈低 但在网中适当位置加测起算边和起算方位角 就可以控制误差的传播 弥补这个缺 点 三角测量法是我国建立天文大地网的主要方法 我国在西藏地区天文大地网布设中主要采用导线测量法 三角网的布设原则 p11 1 分级布网 逐级控制 国家三角网分为一 二 三 四等 G P S 网分为 A B C D E 五级 2 具有足够的精度 各等级三角网观测精度要求 3 具有足够的密度 4 要有统一的规格 国家三角测量规范 GB T 17942 2000 全球定位系统测量规范 GB T 18314 2009 光电测距仪 p13 分类 脉冲式和相位式 光电测距仪的主要误差 加常数 乘常数 水平角观测 p13 1 水平角观测的主要误差影响 1 观测过程中引起的人差 2 外界条件对观测精度的影响 3 仪器误差对测角精度的影响 影响观测精度的因素除上述外界条件之外 还有仪器误差 如视准轴误差 水平轴不水平的误差 垂直轴 倾斜误差 测微器行差 照准部及水平度盘偏心差 度盘和测微器分划误差等 照准部转动时的弹性带动 误差 脚螺旋的空隙带动差 水平微动螺旋的隙动差 2 水平角观测的方法 水平角观测一般采用方向观测法 分组方向观测法和全组合测角法 其中方向观测法一般广泛用于三 四 等三角观测 或在地面点 低觇标点和方向较少的二等三角观测 当观测方向多于 6 个时采用分组方向观 测法 在一等三角观测 或在高标上的二等三角观测采用全组合测角法 各等级三角测量观测使用仪器 观测方法和测回数按表 1 2 5 规定执行 3 三角测量外业验算 外业验算应包括以下内容和程序 1 检查外业资料 包括观测手簿 观测记簿 归心投影用纸等 2 编制已知数据表和绘制三角锁网图 3 三角形近似球面边长计算和球面角超计算 4 归心改正计算 并将观测方向值化至标石中心 5 分组的测站平差 6 三角形闭合差和测角中误差的计算 7 近似坐标和曲率改正计算 8 极条件闭合差计算 基线条件闭合差计算 方位角条件闭合差计算等 第 3 节 GNSS 连续运行基准站网 基准站的组成设备 数据中心的构成 第 4 节卫星大地控制测量 控制网等级要求 p24 按照国家标准 全球定位系统 G P S 测量规范 GB T 18314 2009 G P S 测量按其精度分为 A B C D E 五级 1 A 级 G P S 网由卫星定位连续运行基准站构成 用于建立国家一等大地控制网 进行全球性的地球动 力学研究 地壳形变测量和卫星精密定轨测量 2 B 级 G P S 测量主要用于建立国家二等大地控制网 建立地方或城市坐标基准框架 区域性的地球动 力学研究 地壳形变测量和各种精密工程测量等 3 C 级 G P S 测量用于建立三等大地控制网 以及区域 城市及工程测量的基本控制网等 4 D 级 G P S 测量用于建立四等大地控制网 5 E 级 G P S 测量用于测图 施工等控制测量 GPS 的观测技术要求 p26 1 基本技术要求 1 最少观测卫星数 4 颗 2 采样间隔 30s 3 观测模式 静态观测 4 观测卫星截止高度角 10 5 坐标和时间系统 WGS 84 UTC 6 观测时段及时长 B 级点连续观测 3 个时段 每个时段长度大于等于 23 h C 级点观测大于等于 2 个时 段 每个时段长度大于等于 4h D 级点观测大于等于 1 6 个时段 每个时段长度大于等于 th E 级点观测大 于等于 1 6 个时段 每个时段长度大于等于 40 min 2 观测设备 各等级大地控制网观测均应采用双频大地型 G P S 接收机 3 观测方案 G P S 观测可以采用以下两种方案 1 基于 G P S 连续运行站的观测模式 2 同步环边连接 G P S 静态相对定位观测模式 同步观测仪器台数大于等于 5 台 异步环边数小于等于 6 条 环长应小于等于 1500 km 第 5 节高程控制 水准网的布设原则及其精度 p30 我国水准点的高程采用正常高系统 按照 1985 国家高程基准起算 青岛国家原点高程为 72 260 m 水准 网的布设原则是由高级到低级 从整体到局部 逐级控制 逐级加密 水准尺和水准仪的检验 p31 水准仪检验 光学测微器隙动差和分划值的测定 视准轴和水准轴相互关系检查 倾斜螺旋隙动差和分划 值测定 调焦误差 自动补偿误差等 水准尺的检查 水准尺分划面弯曲差的测定 标尺名义米长和分划偶然误差 零点不等差和基辅分划误差 水准测量的基本要求 p31 1 观测前 30 分钟 应将仪器置于露天阴影下 使仪器与外界气温趋于一致 设站时 应用测伞遮蔽阳光 迁 站时 应罩以仪器罩 使用数字水准仪前 还应进行预热 预热不少于 20 次单次测量 2 对气泡式水准仪 观测前应测出倾斜螺旋的置平零点 并作标记 随着气温变化 应随时调整零点位 置 对于自动安平水准仪的圆水准器 应严格置平 3 在连续各测站上安置水准仪的三脚架时 应使其中两脚与水准路线的方向平行 而第三脚轮换置于路 线方向的左侧与右侧 4 除路线转弯处 每一测站上仪器与前后视标尺的三个位置 应接近一条直线 5 不应为了增加标尺读数 而把尺桩 台 安置在壕坑中 6 转动仪器的倾斜螺旋和测微鼓时 其最后旋转方向 均应为旋进 7 每一测段的往测与返测 其测站数均为偶数 由往测转向返测时 两支标尺应互换位置 并应重新整 置仪器 8 在高差很大的地区 应选用长度稳定的 标尺名义米长度偏差和分划偶然误差较小的水准标尺作业 对于数字水准仪 应避免望远镜直接对准太阳 尽量避免视线被遮挡 遮挡不要超过标尺在望远镜中截长 的 20 仪器只能在厂方规定的温度范围内工作 确信震动源造成的震动消失后 才能启动测量键 水准测量的误差来源 p32 1 仪器误差 仪器误差主要有视准轴与水准器轴不平行的误差 水准标尺每米真长误差和两根水准标尺零点差 2 外界因素引起的误差 外界因素引起的误差主要有温度变化对 i 角的影响 大气垂直折光影响 仪器脚架和尺台 桩 升降的影响 等 3 观测误差 观测误差主要包括作业员整平误差 照准误差和读数误差 使用数字水准仪进行水准测量 其观测误差主 要是作业员对准标尺的调焦误差 知识点 20 外业高差和概略高程表 P33 在国家一 二等水准测量外业高差和概略高程表编算时 所用的高差应加天水准标尺长度改正 水准标尺 温度改正 正常水准面不平行改正 重力异常改正 固体潮改正 环闭合差改正 在国家三 四等水准 测量外业高差和概略高程表编算时 所用的高差只加入水准标尺长度改正 正常水准面不平行改正 路 环 线闭合差改正 外业高差和概略高程表编算应由两人各自独立编算一份 并校核无误 第六节重力控制网 重力控制网的等级 p35 国家重力控制测量分为三级 国家重力基本网 国家一等重力网 国家二等重力点 此外还有国家级重力 仪标定基线 重力基本网是重力控制网中最高级控制 它由重力基准点和基本点以及引点组成 重力基准点经多台 多 次的高精度绝对重力仪测定 基本点以及引点由多台高精度的相对重力仪测定 并与国家重力基准点联测 重力控制的设计原则 p35 重力基本网的设计原则 应有一定的点位密度 有效地覆盖国土范围 以满足控制一等重力点相对联测的 精度要求和国民经济及国防建设的需要 基本重力控制点应在全国构成多边形网 其点距应在 500 km 左 右 一 二等可布设成闭合 附合等形式 点间距约 300km 长基线两端均须为基准点 短基线至少一端 须与国家点联测 加密重力设计的测量原则 p35 1 在全国建立 5 5 的国家基本格网的数字化平均重力异常模型 2 为精化大地水准面 采用天文 重力 G P S 水准测量方法确定全国范围的高程异常值 3 为内插大地点求出天文大地垂线偏差 4 为国家一 二等水准测量正常高系统改正 第 7 节似大地水准面的精化 似大地水准面的概念 p40 大地水准面也称为重力等位面 它既是一个几何面 又是一个物理面 相当于地球让完全静止的海水所包 围的一个曲面 大地水准面是正高的起算面 地面点沿重力线到大地水准面的距离称为正高 根据位差理论 某待定点的正高应等于沿水准路线所测的位差除以该点的重力平均值 gm 由于 gm 不能准 确求出 所以正高在解算过程中有一定难度 为此 普遍采用待定点的正常重力值 rm 替换沿重力线到大 地水准面的重力平均值 gm 水准路线上的重力仍采用实测重力值 这样由于重力值的改变 其效果相当 于高程起算面也发生了变化 即不再是大地水准面 而称为似大地水准面 似大地水准面在海洋上同大地 水准面一致 但在陆地上有差别 它是正常高的起算面 地面点沿重力线到似大地水准面的距离称为正常 高 以似大地水准面定义的高程系统称为正常高系统 我国目前采用的法定高程系统就是正常高系统 大地高的定义是从地面点沿法线到我们采用的参考椭球面的距离 参考椭球面与大地水准面之差的距离称为大地水准面差距 记为 N 参考椭球面与似大地水准面之差的距 离称为高程异常 记为 精确求定大地水准面差距 N 则是对大地水准面的精化 精确求定高程异常 r 则是对似大地水准面的精 化 现代采用 GPS 定位技术 点位大地高与坐标直接求出 只要在一个区域内精确确定高程异常 则可以 求出正常高 h 正常高 改变了以前为得到点位的正常高必须进行传统水准测量 这正是目前精化似大地水 准面的魅力所在 似大地水准面的精化方法 p41 确定大地水准面的方法可归纳为 几何法 如天文水准 卫星测高及 G P S 水准等 重力学法及几何与重 力联合法 或称组合法 目前 陆地局部大地水准面的精化普遍采用组合法 GPS 水准点测定精度 p42 区域似大地水准面精化精度主要取决于 GPS 测定大地高的精度 如果城市似大地水准面精化达到 5 0 cm 则布设的 GPS 水准点测定的大地高精度应在 3 0 cm 左右 区域似大地水准面精化误差源主要来自 四方面 1 GPS 测定大地高的误差 2 水准测量误差 GPS C 级网点联测三等水准 每千米测量的偶然中误差为 30mm 3 重力测量误差 对 15 个省 直辖市区域加密重力资料分析 重力值的精度大部分优于 0 5 mGal 4 地形数据 DEM 的误差 DEM 格网间距在 500 m 时 对大地水准面的影响最大为 0 006 m 区域重力似大地水准面的拟合计算 p43 1 由重力似大地水准面格网内插 GPS 水准点上的重力似大地水准面高程异常 gra 并求解与 GPS 水准点 上的实测似大地水准面高程异常 G P S 的差值 组成不符值序列 2 由不符值序列和相应 GPS 水准点的球面坐标组成多项式拟合 观测方程 其中未知参数为多项式系 数 3 按最小二乘原理求解拟合多项式系数 4 由拟合多项式系数和格网中心点坐标 对重力似大地水准面进行拟合纠正 即可求得适配于该区域的 GPS 水准网的最终似大地水准面 第 8 节大地测量的数据库 数据库的构成 大地测量数据库由大地测量数据 管理系统和支撑环境三部分组成 其中 大地测量数据是大地测量数据 库的核心 按类型分为大地控制网数据 高程控制网数据 重力控制网数据和深度基准数据等 管理系统 和支撑环境是数据存储 管理 运行维护的软硬件及网络条件 大地测量数据内容 p42 包括 参考基准数据 空间定位数据 高程定位数据 重力测量数据 深度基准 元数据 1 参考基准数据包括大地基准 高程基准 重力基准和深度基准等数据 大地基准 由大地坐标系统和大地坐标框架组成 国家采用地心坐标系统作为全国统一的大地坐标系统 国家采用 2000 国家大地坐标系统 过渡期内 可采用 1954 北京坐标系和 1980 西安坐标系 高程基准 国家高程系统采用正常高系统 国家采用 1985 国家高程基准 重力基准和参数 统一采用由 2000 国家重力基本网实现的国家重力基准 深度基准 深度基准在沿岸海域采用理论最低潮位 在内陆水域采用设计水位深度基准与国家高程基准之 间通过验潮站的水准联测建立联系 2 空间定位数据 全球导航卫星系统 GNSS 卫星激光测距 SLR 甚长基线干涉测量 VLBI 等空间定位数据 按照数据不 同阶段分为观测数据 成果数据及文档数据 观测数据主要包括仪器检验资料 外业观测数据 外业观测数据主要包括在大地控制网施测过程中获得的水平角 起始方位角 起始边长 GNSS 原始观测 数据和 RINEX 格式数据等各种外业观测数据 3 高程数据 高程测量数据主要包括水准测量观测数据 成果数据和文档资料 也包含验潮与潮汐分析数据和高程深度 基准转换数据 4 重力测量数据 主要包括重力测量的观测数据 成果数据和文档资料 分为重力控制测量数据和加密重力测量数据 其中 重力控制测量数据包括基准点 基本点 一等点及相应等级引点和二等重力测量数据 5 深度基准 在沿岸海域的理论最低潮位数据 深度基准与高程基准之间通过验潮站的水准联测数据 是海图及各种水 深资料的深度起算面 6 元数据是大地测量数据内容 质量 状况和其他特征的描述性数据 数据管理系统 p50 1 数据输入 2 数据输出 3 查询统计 4 数据维护 5 安全