管线测量讲义

1、管管道道中中线线测测量量董顺立一、测量学简介 测量学（surveying）是研究地球的形状和大小，确定地球表面各种物体的形状、大小和空间位置的科学测量学将地表物体分为地物和地貌。地物（feature）：地面上天然或人工形成的物体，包括湖泊、河流、海洋、房屋、道路和桥梁等。地貌（geomorphy）：地表高低起伏的形态，包括山地、丘陵和平原等。地物和地貌总称为地形（landform），测量学的主要任务是测定和测设。测定（location）：使用测量仪器和工具，通过测量和计算将地物及地貌的位置安一定比例尺、规定的符号缩小并绘制成地形图，供科学研究和工程建设规划设计使用。测设（setting-out

2、)：将在地形图上设计出的建筑物和构筑物的位置在实地标定出来，作为施工的依据。二、坐标系及中央子午线测量中常用的坐标系lWGS84坐标系l北京54坐标系l地方独立坐标系l西安80坐标系l高斯，平面直角坐标系1、WGS-84坐标系 WGS-84坐标系是目前GPS所采用的坐标系统，GPS所发布的星历参数就是基于此坐标系统的。 WGS-84坐标系统的全称是World Geodical System-84（世界大地坐标系-84），它是一个地心地固坐标系统。WGS-84坐标系统由美国国防部制图局建立，于1987年取代了当时GPS所采用的坐标系统WGS-72坐标系统而成为GPS的所使用的坐标系统。WGS-8

3、4坐标系的坐标原点位于地球的质心，Z轴指向BIH1984.0定义的协议地球极方向，X轴指BIH1984.0的启始子午面和赤道的交点，Y轴与X轴和Z轴构成右手系。采用椭球参数为： a = 6378137m f = 1/298.25722356321954年北京坐标系 1954年北京坐标系是我国目前广泛采用的大地测量坐标系，是一种参心坐标系统。该坐标系源自于原苏联采用过的1942年普尔科夫坐标系。该坐标系采用的参考椭球是克拉索夫斯基椭球，该椭球的参数为：a = 6378245m f = 1/298.3。我国地形图上的平面坐标位置都是以这个数据为基准推算的。在我们测量过程中时常会遇到的如一些某城市坐

4、标系、某城建坐标系、某港口坐标系等，或我们自己为了测量方便而临时建立的独立坐标系。3地方坐标系（任意独立坐标系）4西安80坐标系1980年国家大地坐标系采用地球椭球基本参数为1975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60公里，故称1980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19521979年确定的黄海平均海水面（即1985国家高程基准）。 5高斯平面坐标系高斯-克吕格(Gauss-Kruger)投影简称“高斯投影”，又名“等角横切椭圆柱投影”，地球椭球面和平面间正形投影的一种。德国

5、数学家、物理学家、天文学家高斯（Carl Friedrichauss，1777一 1855）于十九世纪二十年代拟定，后经德国大地测量学家克吕格（Johannes Kruger，18571928）于 1912年对投影公式加以补充，故名。该投影按照投影带中央子午线投影为直线且长度不变和赤道投影为直线的条件，确定函数的形式，从而得到高斯一克吕格投影公式。投影后，除中央子午线和赤道为直线外， 其他子午线均为对称于中央子午线的曲线。设想用一个椭圆柱横切于椭球面上投影带的中央子午线，按上述投影条件，将中央子午线两侧一定经差范围内的椭球面正形投影于椭圆柱面。将椭圆柱面沿过南北极的母线剪开展平，即为高斯投影平

6、面。取中央子午线与赤道交点的投影为原点，中央子午线的投影为纵坐标x轴，赤道的投影为横坐标y轴，构成高斯克吕格平面直角坐标系。（1）高斯-克吕格投影简介（2）、投影的基本概念它是一种横轴等角切圆柱投影。它把地球视为球体,假想一个平面卷成一个横圆柱面并把它套在球体外面,使横轴圆柱的轴心通过球的中心,球面上一根子午线与横轴圆柱面相切。这样,该子午线在圆柱面上的投影为一直线,赤道面与圆柱面的交线是一条与该子午线投影垂直的直线。将横圆柱面展开成平面,由这两条正交直线就构成高斯-克吕格平面直角坐标系。为减少投影变形,高斯-克吕格投影分为3带和6带投影。（3）分带投影A.高斯投影6度带：自0度子午线起每隔经

7、差 自西向东分带，依次编号1,2,3,。我国6度带中央子午线的经度，由75度起每隔6度而至135度,共计11带（1323带），带号用n表示，中央子午线的经度用L表示，它们的关系是L=6n-3 ,如上图所示。B.高斯投影3度带：它的中央子午线一部分同6度带中央子午线重合，一部分同6度带的分界子午线重合，如用 n表示3度带的带号， 表示L带中央子午线经度，它们的关系L=3n。我国3度带共计22带（2445带）。（4）高斯平面投影的特点 中央子午线无变形； 无角度变形，图形保持相似； 离中央子午线越远，变形越大。 由此可见，在测量中，如果中央子午线输错了，投影的中央子午线就会编离实地坐标系正确的中央

8、子午线，变形就越大，最终的结果就使用测量的误差更大。 三、RTK简介及仪器操作1. RTK的含义的含义RTKRTK（Real - time Real - time kinematickinematic）实时动态差分法。这是一种新的）实时动态差分法。这是一种新的常用的常用的GPSGPS测量方法，以前的静态、快速静态、动态测量都需要事测量方法，以前的静态、快速静态、动态测量都需要事后进行解算才能获得厘米级的精度，而后进行解算才能获得厘米级的精度，而RTKRTK是能够在野外实时得到是能够在野外实时得到厘米级定位精度的测量方法，它采用了载波相位动态实时差分方法厘米级定位精度的测量方法，它采用了载波相位

9、动态实时差分方法，是，是GPSGPS应用的重大里程碑，它的出现为工程放样、地形测图，应用的重大里程碑，它的出现为工程放样、地形测图，各种控制测量带来了新曙光，极大地提高了外业作业效率。各种控制测量带来了新曙光，极大地提高了外业作业效率。 2.RTK2.RTK的工作原理的工作原理 RTK的工作原理是将一台接收机置于基准站上，另一台或几台接收 机置于载体（称为流动站）上，基准站和流动站同时接收同一时间、同一GPS卫星发射的信号，基准站所获得的观测值与已知位置信息进行比较，得到GPS差分改正值。然后将这个改正值通过无线电数据链电台及时传递给共视卫星的流动站精化其GPS观测值，从而得到经差分改正后流动

10、站较准确的实时位置。3. RTK的数据链的数据链数据链通讯：数据链通讯：1. 电台模式： UHF(Ultra High Frequency)超高频率，频率300MHz-300KMHz（波长属微波： 波长1M-1MM，空间波，小容量微波中继通信 ）410-430MHz /450-470MHzVHF(Very High Frequency)甚高频（3MHz30MHz属短波： 波长100M-10M，空间波 ）220-240MHz2. 网络模式：GPRS（General Packet Radio Service）中文是通用分组无线业务，是在现有的GSM系统上发展出来的一种新的分组数据承载业务 ；CDM

11、A为码分多址数字无线技术 4. 电台模式及具体操作电台模式及具体操作基准站基准站移动站移动站1. 作业距离一般距离为：0-28公里，特别是山区或城区传播距离就会受到影响；2. 电台信号容易受干扰，所以要远离大功率干扰源；3. 电台的架设对环境有非常高的要求，一般选在比较空旷，周围没有遮挡，且要基站架设的越高距离越远；4. 对于电瓶的电量要求较高，出外业之前电瓶一定要充满或有足够的电量；一、基准站的架设：一、基准站的架设：1. 对于任意架站，选择环境相对空旷的地方，地势相对较高的地 方且周围没有干扰的地方架设；2. 架设仪器，架设时，注意仪器的安装以及各种线的连接；3. 发射天线最好远离基准站主

12、机3米以上；二、基准站的启动：二、基准站的启动：1. 如果是自启动，则开机即可（主机搜完星后便可发射，最后电台接上电瓶，注意正负极的连接）2. 如果用手簿去启动，具体操作如下： 打开测地通软件，通过蓝牙或串口线与基准站主机连接； 新建并保存任务； 在“配置” “基准站选项”，天线高度，天线类型，测量到的位置要根据具体的情况更改，其他默认； 在“测量” “启动基准站接收机” ，如果是任意点架站，输入点名，点“此处”即可，如果架在已知点上则直接选择这个点坐标即可，最后点击确定。 三、查看基准站是否已经正常发射三、查看基准站是否已经正常发射1. 查看DL3电台的电台灯是否一秒闪烁一次；2. 注意DL

13、3电台面板上的电压是否在跳动，发射功率越大，电压跳动的幅度也越大；如果显示“太低”，注意更换电瓶或降低发射功率；3. 查看流动站电台灯是否闪烁，能否差分；四、流动站的启动：四、流动站的启动：1. 移动站与手簿测地通通过串口线或蓝牙进行连接；2. 移动站电台灯如果一秒钟闪烁一次表示收到电台信号，在“单点定位”的情况下，直接点“测量” “启动移动站接收机”即可，大约十多秒后就可差分，达到固定解；3. 固定后可进行其他测量了。注意：注意： 在基准站正常发射时，但移动站没有信号，注意频率是否统一，对移动站进行读写频率五、测量或放样：五、测量或放样：电台的使用电台的使用信息信息设置设置按下电源键开机（接

14、入电源为直流电源12V），开机画面初始界面： 注： 电源键具有开机与回退的功能，需短按，在任何时候长按即起到关机的效电源键具有开机与回退的功能，需短按，在任何时候长按即起到关机的效果；在开机状态下果；在开机状态下, ,任意时候按下电源键则跳转到初始界面。任意时候按下电源键则跳转到初始界面。电台开机界面 用向上或向下按钮选择任一项目进入，随即可查看所选择的电台当前用向上或向下按钮选择任一项目进入，随即可查看所选择的电台当前信息，查看后选择退出又重新返回到信息菜单。信息，查看后选择退出又重新返回到信息菜单。功频信息版本信息波特率信息模式信息温度信息v 在初始界面选择在初始界面选择“设置设置”进入，

15、出现下图的设置界面，可对电台当前的波进入，出现下图的设置界面，可对电台当前的波特率、模式、功频、液晶等进行设置。用向上或向下按钮选择，回车键进行确特率、模式、功频、液晶等进行设置。用向上或向下按钮选择，回车键进行确认后，即完成相应设置。认后，即完成相应设置。 初始界面与菜单设计点校正点校正v 主要的坐标系统主要的坐标系统v 点校正点校正v 重设当地坐标系重设当地坐标系v 精度误差精度误差点校正点校正1. 主要坐标系统WGS84北京北京54西安西安80 长半轴长半轴637813763782456378140扁率扁率257223563.298/13 .298/1257.298/1常用的坐标系统 在

16、测量中常用的高程系统有大地高系统、正高系统和正常高系统 。 大地高系统大地高系统是以参考椭球面为基准面的高程系统。某点的大地高是该点到通过该点的参考椭球的法线与参考椭球面的交点间的距离。大地高也称为椭球高，大地高一般用符号H表示。大地高是一个纯几何量，不具有物理意义，同一个点，在不同的基准下，具有不同的大地高。 高程系统高程系统 正高系统正高系统是以大地水准面为基准面的高程系统。某点的正高是该点到通过该点的铅垂线与大地水准面的交点之间的距离，正高用符号H。 正常高系统正常高系统是以似似大地水准面为基准的高程系统。某点的正常高是该点到通过该点的铅垂线与似大地水准面的交点之间的距离，正常高用HY

17、，我国采用似大地水准面。点校正点校正1. 主要坐标系统大地水准面差距大地水准面差距，即大地水准面到参考椭球面的距离，记为 hg hg= H Hg高程异常高程异常，即似大地水准面到参考椭球面的距离，记为 = H - HY 点校正点校正1. 主要坐标系统高程系统高程系统 点校正点校正就是求出WGS-84和当地平面直角坐标系统之间的数学转换关系（转换参数）。点校正点校正. 点校正的含义 在工程应用中使用GPS卫星定位系统采集到的数据是WGS-84坐标系数据,而目前我们测量成果普遍使用的是以1954年北京坐标系或是地方（任意|当地）独立坐标系为基础的坐标数据。因此必须将WGS-84坐标转换到BJ-54

18、坐标系或地方(任意)独立坐标系。点校正的含义点校正的含义点校正点校正v 把把GPS坐标系统转换到我们的当地平面坐标系统坐标系统转换到我们的当地平面坐标系统v 包括基准转换包括基准转换, 投影投影, 水平水平 & 垂直平差垂直平差GPS点校正点校正WGS-84平面坐标系平面坐标系. 点校正的过程注注：此独立坐标系是以北京54椭球为参考椭球的坐标系统。 1、（B,L）84（X,Y,Z）84，空间大地坐标到空间直角坐标的转换。 2、（X,Y,Z）84（X,Y,Z）54，坐标基准的转换，即Datum转换。通 常有三种转换方法：BursaWolf(布尔莎模型)七参数、简化三参数、 Molodensky

19、3、（X,Y,Z）54（B,L）54，空间直角坐标到空间大地坐标的转换。 4、（B,L）54（x,y）54， 高斯(Gauss)投影正算。 5、 高斯坐标系转换为当地坐标系(独立坐标系). 点校正的过程点校正点校正WGS84与当地坐标系与当地坐标系(北京北京54椭球椭球)的转换即参数转换的的转换即参数转换的,具体过程：具体过程： 要使一个坐标系统和另一个坐标系统产生关系，需要一组具有这两套坐标要使一个坐标系统和另一个坐标系统产生关系，需要一组具有这两套坐标系统下坐标的地面点。因此，就需要一组系统下坐标的地面点。因此，就需要一组WGS-84坐标和一组当地平面坐标：坐标和一组当地平面坐标：北北,

20、东和高程。东和高程。WGS-84当地平面坐标 . 点校正的过程点校正点校正基准转换：WGS-84当地点校正点校正. 点校正的过程两个椭球间的坐标转换一般而言比较严密的是用七参数法，即X平移，Y平移，Z平移，X旋转，Y旋转，Z旋转，尺度变化K。要求得七 参数就需要在一个地区需要3个以上的已知点;如果区域范围不大，最远点间的距离不大于30Km(经验值)，这可以用三参数，即X平移，Y平移，Z平移，而将X旋转，Y旋转，Z旋转，尺度变化K视为0，所以三参数只是七参数的一种特例。3 参数7 参数坐标投影：坐标投影： 椭球参数(长半轴和扁率) 中央子午线 投影面. 点校正的过程点校正点校正如何求解中央子午线

21、？ 3度带 6度带水平 & 垂直平差. 点校正的过程点校正点校正四参数高程拟合将高斯坐标系转换成当地坐标系，得到当地坐标 一、水平平差一、水平平差v 至少至少2个水平控制点个水平控制点 下面以5个点为例= GPS 观测值观测值= 控制点控制点. 点校正的过程点校正点校正. 点校正的过程点校正点校正旋转平移. 点校正的过程点校正点校正. 点校正的过程点校正点校正比例系数比例系数校正结果（水平残差）v 校正后的结果包含了校正残差校正后的结果包含了校正残差. 为了理解我们校正结果的好坏，我们为了理解我们校正结果的好坏，我们需要理解这些残差的含义。需要理解这些残差的含义。残差残差v残差： 校正执行后的

22、格校正执行后的格网平面坐标和网平面坐标和GPS坐标坐标的差值。的差值。. 点校正的过程点校正点校正 残差越小，说明校正的参数越精确-GPS (WGS-84 co-ordinates)和当地平面坐标之间的相对关系越好。残差残差校正结果（水平残差）. 点校正的过程点校正点校正 理想的残差应该小于 20mm，残差将被均匀的分布在各个校正点之间。 因此，我们最终坐标的最小精度应该是： 标准RTK 测量的误差加上最大的校正残差。二、垂直平差二、垂直平差. 点校正的过程点校正点校正 垂直平差采用的平面高程拟合，校正后只有四个点及以上才有垂直参差。二、垂直平差二、垂直平差. 点校正的过程点校正点校正椭球面椭

23、球面似大地水准面似大地水准面地球表面地球表面HHY斜面HHYHHYHHYHHY = H - HY = 高程异常高程异常HYHH地球表面地球表面似大地水准面似大地水准面椭球面椭球面 = H - Hg HHYHY斜面二、垂直平差二、垂直平差. 点校正的过程点校正点校正二、垂直平差二、垂直平差. 点校正的过程点校正点校正 高程处理的介绍； 从理论上而言，平面坐标XY使用四参数是最精确的方法，高程使用高程拟合是最精确的方法。 所以，在参数转换中，用四参数转换平面坐标，用高程拟合的方法转换高程是精度最好的方法。 高程拟合分为加权平均加权平均、平面拟合平面拟合和曲面拟合曲面拟合三种。加权平均两个已知点以下

24、即可；三个已知点以上六个已知点以下可以使用平面拟合；六个已知点以上可以使用曲面拟合N 似大地水准面似大地水准面斜面残差残差二、垂直平差（校正残差）二、垂直平差（校正残差）. 点校正的过程点校正点校正. 点校正的过程点校正点校正校正点的选取校正点的选取 1. 尽量避免单点校正,因为坐标系统中存在旋转,如果一定要用单点校正,一定要注意旋转大小,根据旋转大小,控制作业范围； 2. 注意控制范围,在一个测区要有足够的控制点,并避免短边控制长边；3. 对于高程要特别注意控制点的线性分布(几个控制点分布在一条线上),特别是做线路工程，参与校正的高程点建议不要超过2个点（既在校正时，校正方法里不要超过两个点

25、选垂直平差的）； 4. 注意坐标系统,中央子午线,投影面(特别是海拔比较高的地方),控制点与放样点是否是一个投影带； 5. 如果一个区域比较大,控制点比较多,要分区做校正,不要一个区域十几个点或更多的点全部参与校正；只有水平只有垂直水平和垂直线路测量如何去做？分段测量，分段校正进行进行-点校正：点校正： 点击“测量”“点校正”“增加”，在“网格点名称”里选择一个已知点的当地平面坐标，点击“确定”，然后在“GPS点名称”里选择同一个已知点的经纬度坐标，点击“确定”，最后在“校正方法”里根据需要选择只有水平的校正或者水平和垂直的校正都应用，再点击“确定”即完成一个点的点校正，如果需要继续校正，重复

26、这个步骤即可；所有的校正点都增加完毕以后，点击“计算”，再点击“确定”这样整个点校正的操作就完成了 。. 点校正的过程点校正点校正 在每个测区进行测量和放样的工作有时需要几天甚至更长的时间，为了避免每天都重复进行点校正工作或者每次架在已知点上对中整平比较麻烦，而采取任意架设基准站或者自启动任意架设基准站或者自启动，可以在每天开始测量工作以前先做一下重设当地坐标的工作，进行整体平移 。重设当地坐标重设当地坐标任意架设基准站或自启动时任意架设基准站或自启动时校正模型 为了架设基准站更加方便快捷,或者选择更加合适的地方架站,而采用任意架设设基准站(点此处)或着自启动,就算在同一个位置,基准站坐标正好

27、相差单点定位离散度的差值,一般15米以内;所以重设时,重设此基准站下面的那一个控制点都可以.坐标差 在“文件”“元素管理器”“点管理器”里找到要被重设的点的名字，选重此点，并点击下方的“细节”，再点击下面的“重置当地坐标” ， 是点击“重置当地坐标”右面的按键，在点管理器里找到此点之前输入真实坐标的，选种并点击“确定”，最后再点一次确定即可 ，并注意检查坐标是否重设上或匹配上。重设当地坐标的操作重设当地坐标的操作重设当地坐标重设当地坐标具体操作具体操作 注注: 重设当地坐标,只是本基站下面的数据发生变化,其他基站或已知点下面的数据不变,如果同一基站下重设多次,以最后重设的为最终结果. RTK标

28、称精度：标称精度： 水平为1cm+1ppmD 高程为2cm+1ppmD，其中（D为基站与流动站的距离，单位为km)，随着距 离的增大精度会不断增大） 转换参数：转换参数： 对于作点校正求出的是：四参数+高程拟合，对于校正点本身的精度，点的分布情校正点本身的精度，点的分布情 况，以及采用的拟合方式况，以及采用的拟合方式尤为重要，直接关系到成果的可靠性，而点的分布点的分布又是重中之重特别是对于高程的影响。 人为误差：人为误差： 人为的扶杆，对中误差RTK精度实际精度精度实际精度 = RTK标称精度 + 转换参数+人为误差RTKRTK精度精度点坐标导出 v 选择显示方式、导出的文件名选择显示方式、导

29、出的文件名和导出的文件类型和导出的文件类型接受即可。接受即可。软件会把成果的格式转换为文软件会把成果的格式转换为文本格式，导出在手簿内存中，本格式，导出在手簿内存中，可通过同步软件将文件复制到可通过同步软件将文件复制到电脑中编辑图形。电脑中编辑图形。 RTKRTK数据下载数据下载成果导出 v 内容选项：根据下一个任务所需要此任务的内容而选择，接受后选内容选项：根据下一个任务所需要此任务的内容而选择，接受后选择文件夹、存储位置及键入文件名称，确定即可。成果导入和成果择文件夹、存储位置及键入文件名称，确定即可。成果导入和成果导出是相对应的。导出是相对应的。v 目的：把其它任务所导出的相关信息导入到所需要的任务中