地质工程测量中GPS控制网的设计与观测资料分析

精品文档 你我共享地质工程测量中GPS控制网的设计与观测资料分析 更新时间 2011-4-17 11:19:40 点击数： 地质工程测量中GPS控制网的设计与观测资料分析赵惠德*(山西省地质调查院,山西太原)摘要:简单介绍了GPS定位技术在地质工程测量中的应用;详细叙述了GPS控制网的设计布设;进一步论述了GPS控制网的基线解算、平差过程和误差分析;最后提出了在地质工程测量中如何合理地利用GPS定位技术布设控制网,对以后类似的工作有一定的指导意义。关键词:地质工程测量;GPS;CQG2000中图分类号:P623文献标识码:A文章编号:10045716(2011)03010304 1概述全球定位系统GPS具有全天候、速度快、精度高、成本低等特点,为测绘工作提供了一个崭新的定位测量手段,近几年来已经广泛应用于各种基础、城市以及工程测量中,取得了显著的经济效益,赢得了广大测绘工作者的青睐。 地质工程测量是为了地质找矿而做的基础工作,与其它工程测量相比有其特殊性:(1)基本上都是在山区作业,通讯不便,交通困难； (2)各种成果仍然承继以往资料建立在BJZ54系统之下； (3)原国家等级三角点、导线点在山区破坏严重,高等级GPS点、水准点在山区分布严重不足,使得布网困难。 因此,讨论如何合理地利用GPS定位技术布设控制网,取得适宜的精度,达到地质工程的要求,显得尤为重要。 2地质工程测量的主要技术标准(1)地质矿产勘查测量规范(GB/T18341 -2001)。是地质工程测量执行的主要标准,内容包括了几乎所有的地质测量内容。 (2)地质调查GPS测量规程(DD2004-03)。是为适用于中国地质调查局下发的各种地质调查项目。 (3)物化探工程测量规范(DZ/T0153-95)。是为地质勘探中的物理、化学勘探两种专业规定的从控制布网到测网布设的各项精度指标。 (4)全球定位系统(GPS)测量规范(GB/T18314-2001)。适用于各种测绘的通用规范。 在布设控制网前应按设计要求,确定使用上述哪个标准。不同的标准对控制网的基线长度、观测时间、解算精度、约束条件以及能否发展次一级网等不尽相同。 3GPS控制网的设计 GPS控制网的设计虽然不像以往常规测量网的设计,需要考虑边长相近、点间通视、角度大小等众多因素,GPS网设计方便灵活,但也并不是说GPS控制网不用精心设计、可以随意连边成网,它同样也需要从多方面考虑。 有关资料文献与多年的经验可知:布网时应尽可能地选择国家一、二等三角点,最好是同边邻点,这样的点位精度基本相同,能够很好地将WGS84坐标较严密地转换到BJZ54系统,而尽可能地少选用三、四等点。众所周知,三、四等点通常是一、二等锁网点内插所得,因此不在同锁网内的三、四等点的精度不统一。如果选用跨锁网的三、四等点,就会使得GPS控制网在约束平差时很难得到较为理想的精度。所以,收集起算约束点的成果时要考虑这些因素。 为了求得较为精确的转换参数,约束点应均匀分布在工区的外围。选用3个约束点按全球定位系统(GPS)测量规范的近似方形的小面积工区,点位理想分布为以工区几何重心为中心的近120形状(如图1所示);选用3个约束点的近似带状的工区,2个约束点应分布在长边两侧,一点位于中心(如图2所示)。选用两个约束点(按其它地质测绘规范)的近似方形的小面积工区,点位理想分布为以工区几何重心为对称点近180等值直线形状(如图3所示);选用两个约束点的近似带状工区,2个约束点应分布在长边两侧,如图4所示。 图1三点控制的近似方形工区 图2三点控制的近似带状工区图3两点控制的近似方形工区图4两点控制的近似带状工区这样设计的网型有利于较为准确地推算工区的坐标转换参数,也利于以后工区控制网扩展、连接。 对于大面积工区控制网,则应较多地起用约束点,且均匀分布,以求得最为接近工区的合理的转换参数。 控制网宜以边连接为主,辅以点连接,这样可减少工作量,又可达到多检核的目的。但控制网外围应用边连接,内部辅以点连接。对于带状工区则应布设为边连接全面网,不应有点连接。 4控制网的计算平差 4.1基线解算各规范规定等级网相邻点间弦长精度按下式表示:=a2+(bD10-6)2式中:标准差,mm； a固定误差,mm； b比例误差系数； D相邻点的距离,km。 地质调查GPS测量规程中规定:相同等级的GPS网,根据基线长度不同,应采用不同的数学处理模型:基线短于8km时,须采用双差固定解。长度为830km的基线,可在双差固定解和双差浮点解中选择最优结果。30km以上的长基线,可采用三差解作为基线解算的最终结果。 全球定位系统(GPS)测量规范中规定在进行C级以下各级GPS网解算中,15km内的基线,须采用双差固定解。15km以上的基线允许在双差固定解和双差浮点解中选择最优结果。 地质矿产勘查测量规范与物化探工程测量规范对多长的基线采用何种解算方法没有做强调。 通常GPS商用软件在进行基线处理前要对基线处理进行设置。GPS处理软件默认的是双差固定解,合格基线方差比(ratio)大于3.0,一般来说在基线10km以内,基线方差比满足此条件,可以认为是符合规范中等级网的测量要求的。随着基线长度的增加,其中误差也相对会有所增加。对于在基线解算中失败的观测数据,应先调节卫星高度截止角,调整采样间隔,删除周跳太多的历元,更换参考卫星等方法重新解算,倘若经这四种方法调整后解算仍不理想,应考虑到野外返工。 如果仅作为加密控制,或者要求较低的情况下也可以相对放宽条件,将方差比设置为2.0,这也是可以的。 外业质量检核是确保平差精度要求的重要环节:(1)重复基线边检核。重复基线的长度较差ds2 2。其中在不同的规范内表达意义不一样:地质矿产勘查测量规范指相应级别规定的精度(按实际平均边长计算)。 地质调查GPS测量规程基线向量的弦长中误差(按实际平均边长计算),式中的a、b指布网的等级精度。 物化探工程测量规范中指接收机的标称精度。 全球定位系统(GPS)测量规范指相应级别规定的精度(按实际平均边长计算)。 对于有复测基线互差超限的,应重新检查基线的方差比值,对于方差比值较小的,特别是临界的要重新设置参数,重新解算,解算后仍然超限的,也暂时不要剔除返工,应在异步环和同步环中进一步做分析,以确定哪条基线含有粗差。 (2)同步环闭合差检核。各规范中对同步闭合环的要求为:地质矿产勘查测量规范:Wx,Wy,Wzn2； 地质调查GPS测量规程:Wx,Wy,Wzn2,W本文来自：毕业论文酷()原文链接：/Freepaper/Lixue/dili/40489.htmlW2x+W2y+W2z3n5； 物化探工程测量规范:Wx,Wy,Wz35； 全球定位系统(GPS)测量规范:Wx,Wy,Wz35。 对于闭合差超限的同步环应仔细分析原因:首先,在一个同步环中的基线解算组合方案应相同,这样可以取得最小的闭合差,反之,则容易超限;其次,按上述解算基线的四种调整方法调整后重新解算,以求得最小的闭合差;最后,对于仍不能求得最理想结果的,也暂时不宜对环内的基线下不合格的结论,而应进一步在独立环中继续分析。 (3)独立环(异步环,附和路线)闭合差检核。各规范中对独立闭合环的要求为:地质矿产勘查测量规范:Wx,Wy,Wz2n； 地质调查GPS测量规程:Wx,Wy,Wz3n,Ws3 3n； 物化探工程测量规范:Wx,Wy,Wz3n(指相应等级规定精度指标)； 全球定位系统(GPS)测量规范:Wx,Wy,Wz3n,Ws3 3n(为相应级别规定的精度)。 对于闭合差超限的独立环也应仔细分析原因:首先,独立环中是否包含有同步环超限的基线,若有,应重新审查该基线观测段的星历预报,检查卫星分布状况是否长时间近似成一直线运行,以及PDOP是否接近限值,然后回忆野外观测时是否在不合理条件下强行观测;若无,则将环中基线置于别的独立环中观察是否残差太大,或利用重复基线进行判定,则可判断环中哪条基线可能含有粗差。 4.2无约束平差 在基线向量和各项质量检核符合要求后,用所有独立基线组成的GPS空间向量网,在WGS-84坐标系内进行无约束平差。在无约束平差中,基线向量的改正数绝对值应符合下式规定:Vx,Vy,Vz3三维无约束平差主要是评定GPS网的内部符合精度,三维无约束平差的结果完全反映了GPS网的布设的好坏、观测质量的情况,最后断定网中是否含有粗差基线,对于判定有粗差的基线给予剔除补测。 到此,自由网平差结果的精度反映了GPS测量的真实质量。 4.3约束平差 正如前面所述,地质工程测量的结果最后都要归算到BJZ54系统下,所以自由网要经BJZ54坐标点的约束才能将整个控制网点转换。而众所周知,国家BJZ54控制网是分级观测,分区平差的,所以导致了约束点精度的不均匀性,因此如果不能选用好的约束点,强制约束平差,将引起整个GPS控制网的扭曲和变形,即使自由网精度很高,而约束平差后的精度也并不见得理想约束平差达不到要求的有以下几个原因造成:(1)已知点精度不够高； (2)已知点不是整体网； (3)点位资料不正确； (4)点位位置不正确。 需要注意的是,在无约束平差后,得到的相对精度是1;而约束平差后得到的相对精度仅为150000,那么最高的使用精度结果也就是150000因为无约束平差后的精度是网在WGS-84椭球系中的三维边长精度,并不是投影转换到所要使用的平面坐标系统中的边长精度。如果该次测量项目要求精度不低于1的话,那么要重新设计观测平差GPS网;如果该次测量项目要求的精度在1与150000之间,则认为网本身的精度基本上已达到要求,而要重新选择高精度约束点,因为是约束点本身的精度低,强制约束导致了GPS网扭曲变形太大,降低了精度。 4.4高程拟合 如前所述,地质工程测量区域大都在远离公路的山区作业,而这些区域也是国家等级GPS点和水准点分布较少的地带,因此很难求出GPS点的正常高与经平差后的GPS大地高之间的高程异常值,使得经三维平差后的大地高转换到1985国家高程基准系统变得较为困难。 按地质调查GPS测量规程中要求一级点高程精度为0.1m,如果只启用国家等级三角点的高程强制拟合的话,内符合精度一般可以满足精度要求;如果按中误差的2倍计算,可得外检核限差应为0.2m,而三角点的高程只精确到了0.1m,所以要满足限差要求,就要选择合适精度的点,否则难以达到。最好降到二级网精度:点位高程中误差为0.2m,则外符合限差为0.4m,通常情况下是可以满足的。 按地质矿产勘查测量规范中要求控制点高程精度为1/20等高距,地质勘查比例尺通常为1/1万、1/5千、1/2千,因大多是山区,所以对应等高距为10m、5m、2m,则相应的高程精度为:0.5m、0.25m、0.1m,可见作为1/1万、1/5千比例尺的高程控制网精度较为容易满足,作为1/2千的地质详查则相对较为困难,与上述地质调查GPS测量规程中要求高程精度相等。可做进一步分析:因为GPS有其常规测量手段不具备的优越性:就是基线边较长,点位不需要通视,通常布设完控制首级网和加密网后,不需要布设图根控制网,按地质矿产勘查测量规范规定,图根点是测制地形图和进行地质勘探工程测量的依据,而图根点相对于邻近基本控制点的高程中误差不大于1/10等高距,即0.2m,则可适当将首级网和加密网的高程精度降到高程中误差不大于1/10等高距即可,也可满足地质工程高程精度要求。 按物化探工程测量规范中精度要求最高的是精测剖面,要求其点位相对高程中误差为图上0.6mm,精测剖面比例尺为1/2千,则相对高程中误差为1.2m,这样的精度对GPS高程测定是很宽泛的,因此这里不再叙述。 当然,最简捷的办法是收集国家高精度的CQG2000,可对GPS大地高做一次性转换,快速而且精度均匀可靠。CQG2000精度为:0.30.5m。 近年来,许多省份进行了更高精度的大地水准面精化,点位内插精度可达厘米级,不过收集费用较高,对于要求高于上述规范、规程的,可采用该种方法高精度转换。 5几点体会与建议 针对不同的地质勘探工程,依据不同的规范、规程制定最为合理的GPS控制网,既要保证质量,也要考虑缩短工天与减少费用,因此必须在外业施工前对工区已有控制资料做外业踏勘与内业分析;观测结束后,在基线解算及网平差有不理想的情况下,应仔细分析资料,缩小怀疑问题范围,因为地质工程绝大部分是山区作业,控制网点基本上是布设在山顶,补测工作较为费工费时。 地质工程后续性较强,许多工区一做就是几年甚至几十年,因此在布设GPS控制网时应做远景设计规划,不应只考虑当时单一的工种,而依照某一规范布设控制网,致使日后再做重复工作。 因为地质工程测量中GPS控制网基线边长较长,不利于测距边长投影后对比,另外高等级高程点也较少,所以无论是平面网还是高程网一定要有外检核,才能做最可靠的精度评定。 参考文献: 1国家质量技术监督局.平面控制测量、高程控制测量和地形测量S.中国标准出版社,2001:3-28. 2中国地质调查局.加密控制测量S.中国标准出版社,2004:4-10. 3中华人民共和国地质矿产部.物化探GPS定位测量S.中国标准出版社,1995:7-9. 4国家质量技术监督局.网的技术设计、选点与数据处理S.中国标准出版社,2001:3-本文来自：毕业论文酷()原文链接：http:/