重庆市沙坪坝区凤鸣山道路四等GPS控制网测量技术设计

目录1.测区概况2.任务目的及基本要求3.设计技术依据4．测区已有资料5.精度设计6.基准设计7.图形设计8.实地选点与标石埋设9.仪器选择与检验10.观测方法11.计算13.经费预算重庆市沙坪坝区凤鸣山四等GPS控制网测量技术设计设计目的1.为满足重庆市沙坪坝区凤鸣山路段勘察设计需要，路段总计长度110公里。路段位于凤鸣山，需要凤鸣山片区片区（上桥，新桥，巴山，车管所，四标，西南医院。）进行地形图测绘。本工程项目由重庆市城市道路规划局于2011年1月委托重庆第一市政有限责任公司承担该项目勘测设计任务。根据业主与公司所签定的合同要求，结合测区的具体情况，参照现行规程、规范、图式及标准的要求编写设计书以便指导作业，便于该工程的顺利实施。2.是为了锻炼我们毕业生的各方面的技术水平，以及为我们工作前做一次综合性的检查。一、测区概况本测区位于沙坪坝区。测区内有1954北京坐标系1：10000航测图，测区地处丘陵地带，气候属亚热带季风气候，日照充足，雨量充沛，光热丰富,测区多与城市楼房，交通为主，项目区交通复杂。1.地理位置2.测区行政隶属：沙坪坝区政府3.测区居民情况：测区除有一部分企事业单位，外其他测区内居民众多，多为城镇居住居民。4.交通运输情况，交通较为复杂多变，交通便利。5.劳动力及各种材料的情况：市政一公司员工为主，正式公司员工翻遍要求，而对于GPS控制埋设所需的材料在测区内也较为方便。6.地物、地貌情况：测区内，高差起伏不大，城市居民楼房为主，测区内有少量的溪流，主要植被为公路两旁的行树，没有较大山丘。二、任务目的及基本要求1.建网任务及目的为满足重庆市沙坪坝区凤鸣山路段勘察设计需要，路段总计长度110公里。路段位于凤鸣山，需要凤鸣山片区片区（上桥，新桥，巴山，车管所，四标，西南医院。）进行地形图测绘。本工程项目由重庆市城市道路规划局于2011年1月委托重庆第一市政有限责任公司承担该项目勘测设计任务。根据业主与公司所签定的合同要求，结合测区的具体情况，参照现行规程、规范、图式及标准的要求编写设计书以便指导作业，便于该工程的顺利实施2.任务下达单位：重庆第一市政有限责任公司。3.工程规模：四等GPS控制网的控制面积大约为10平方公里4．控制网的要求：建立首级控制网必须遵循以下规则：分级布网、逐级控制；要有足够的精度和密度；应有统一的规格。工区控制网采用统一的坐标系统，并与国家坐标系统相统一；通常是根据地下资源埋藏情况及考虑开采技术上的可能性与经济上的合理性，将工区范围划分为若干个井田，而各个井田位置相邻，常常是开采同一矿层，生产上有着相同的问题和密切的联系，同时，为了查明地下资源的埋藏情况，保证采矿生产能合理、安全地进行，必须了解相邻井田的工程建设与生产动态。为此，要求矿区控制网应具有同一坐标系统，使各个井田的测量成果能相互参照，互相利用。精度上从远期眼，密度上从近近期着手：为了布设能适应工区特点的控制网，必须统筹规划，既满足当前的需要，又要考虑到工区的发展和远景规划。在精度上力求能满足日后工区发展的需要，在密度上则应从当前要求出发。建立控制点时要充分考虑地质和开采情况，使其毁坏数最小：由于工区控制网要服务于整个工区建设的全过程，这就要求控制点的点位能长期保存。在矿区，由于地表受开采的影响，往往有一部分控制点的点位产生位移或遭受破坏。因此，在布设矿区三角点时，必须充分收集和利用矿区的地质和采矿资料，把一些三角点，特别是首级三角点，应尽可能设立在不受开采影响的地区，如老采空区、永久性煤柱，井田分界线等区域的上方，使发生位移和遭受破坏的控制点点数为最少。5.精度要求：四等GPS控制网布设要求见表1表1：等级边长KmabMD/D二等9≤10≤21/120000三等5≤10≤51/80000四等2≤10≤101/45000一级1≤10≤101/20000二级＜1≤15≤201/10000设计依据1.《全球定位系统城市测量技术规程》CJJ73-97以下简称《规程》;2.《城市测量规范》CJJ8-99以下简称《规范》；3.《国家三、四等水准测量规范》GB12898-914.本技术设计书；2008年建立的四等GPS网，现保存完好。本次对该网进行了连接，条件允许平差时可纳入网内统一平差。该网要求分别在北京54坐标系、西安80坐标系、南京92坐标系下进行平差。四、测区已有资料1、平面控制：测区内现有三等三角控制网（见附图1）是重庆勘测院所施测的四等GPS网点，每个三等三角点都拥有54北京坐标系成果、80西安坐标系成果。54北京坐标系和80西安坐标系成果的计算，分别采用克拉索夫斯基椭球参数和WGS-84椭球参数，是在高斯平面上进行的。平差后的网的精度：方向中误差为0.65秒，最弱边相对中误差为1/19.8万；92南京地方坐标系成果的计算，采用WGS-84椭球参数，是在高斯平面上进行的。平差后的网的精度：方向中误差为0.6秒，最弱边相对中误差为1/16.3万。测区内尚有2003年完成的重庆市全面网（国家C级GPS网），和尚存部分三、四等三角点和四等导线点以及四等GPS点，这些点埋设规格满足《规程》要求且埋设年代长久、标石稳定，本次可充分利用其标石。测区内有三等三角点23点，二顶山因被城墙围住，将标石中心投影至观测台上极度困难，戴呈点在四川地界远离测区，两点被弃用。瓜埠点因开山点位离坎子很近，该点稳定性质疑，平差时可根据具体情况酌情处理。本网共采用21点作为起算点，利用旧有标石52点。2、高程控制:测区内现有龙孔三等水准控制网，是由长江水利委员会2003年布设的，另有重庆水利电力建筑勘测设计研究院布设的一等水准和三等水准网，这些成果精度优良。本网共采用53点作为起算点。五、精度设计1.首级网的等级及其精度要求如下表：GPS相对定位的精度指标〈97规程〉测量分级常量误差mm比例误差ppm相邻点距离KmAA≤3≤0.012000以上A≤5≤0.1100—2000B≤8≤115—250C≤10≤55—40D≤10≤102—15E≤10≤201—10精度指标通常以相邻点之间的距离误差来表示，其形式为：σ=[a02+（b0×D）2]1/2其中，σ—网中相邻点间的距离误差（mm）；a0—与接收设备有关的常量误差（mm）；b0—比例误差（ppm或10-6）；D—相邻点之间的距离（Km）。2.此次设计的首级网的等级是四等GPS网，其精度及其他等级网的精度如下表：等级边长KmabMD/D二等9≤10≤21/120000三等5≤10≤51/80000四等2≤10≤101/45000一级1≤10≤101/20000二级＜1≤15≤201/100003．GPS相邻点间精度应满足:固定误差:a≤10mm比例误差系数:b≤10×(1×6-6)标准差:б=±√a2+(b.d)2式中:d为下列相邻点间的平均距离,单位:km四等：d取4km,б标准差(mm)各独立环坐标分量闭合差wx=wy=w2≤2√nбw≤2√3nб式中:n为独立环中基线边的个数复测基线的长度较差限差ds≤2√nбn为同一边复测的次数4．GPS绝对定位的精度要求利用GPS进行绝对定位，或单点定位，其精度主要决定于以下两个因素：其一是所测卫星在空间的几何分布，通常称为卫星分布的几何图形；其二是观测量的精度。对于这后一种因素，这里介绍的是在导航学中有关评价单点定位精度的方法，卫星分布的几何图形对定位精度的影响，以及观测卫星的选择问题。当已测码伪距为观测量，进行动态绝对定位时，Qz=[Qz=［q11q12q13q14］q21q22q23q24q31q32q33q34q41q42q43q44其中元素,表达了全部解的精度及其间的相关性信息，是评价定位结果的依据。以上权系数阵，一般是在空间直角坐标系中给出的，而为了估算观测站的位置精度，常常采用其在大地坐标系统中的表达形式。假设，在大地坐标系统中，相应点位坐标的权系数阵为=g11g12gg21g22g23（a）g31g32g33则根据方差与协方差传播定律可得=其中=q11q12q13q21q22q23q31q32q33为了评定定位的结果，除可应用公式估算每一未知数参数解的精度外，在导航学中，一般均应采用有关精度因子DOP（DilutionofPrecision）的概念，其定义如下：其中，—解的中误差；—伪距测量中误差；—权系数阵Qz主对角线的相应元素；与相比较可见，实际上，DOP即是权系数阵(a)主对角线元素的函数。在实践中，根据不同的要求，可采用不同的精度评价模型和相应的精度因子。通常有平面位置精度因子HDOP（HorizontalDOP）。相应的平面位置精度==(g11+g22)●高程精度因子VDOP(VerticalDOP)。相应的高程精度==(g33)空间位置精度因子PDOP（PositionDOP）。相应的3维定位精度==(q11+q22+q33)接受机钟差精度因子TDOP(TimeDOP)。钟差精度==(q44)几何精度因子GDOP(GeometricDOP)。描述空间位置误差和时间误差综合影响的精度因子，称为几何精度因子，相应的中误差==(q11+q22+q33+q44)=[()+()]利用以上各项精度因子，我们就可以从不同的方面对绝对定位的精度作出评价。六、基准设计1.GPS控制网设计布网：四等GPS网在二等三角控制网下布设，本着经济的原则，四等GPS网设计的平均边长长于《规程》规定的2公里，设计的四等GPS网最长边为6公里，最短边为1公里，平均边长4公里。GPS网主要采用边连接形式，（详见设计网图）。点位设计129点，其中起算点21点，旧点利用52点（见附表），新点56点。按照每点至少平均独立观测1.6次的原则：K=INT（1.6×N/M）式中：K为观测时段N为点数M为仪器台数由上式可见，四等GPS网设计观测时段应不少于K个.2．四等水准网设计四等GPS控制网的高程采用四等水准的作业方法进行，水准线路主要沿道路布设。设计的四等水准网共分42块，独立地在龙孔三等水准控制网、二等水准和三等水准网下加密布设。该网由22条附合线路、1条闭合线路、14条往返测线路、4个单结点网、1个双结点网构成。附（闭）合线路最长为18公里，结点间距离最长为19公里，线路累计长度约460公里（详见设计网图）。3.GPS水准高程对于位于山头和建筑物上的四等GPS点的高程，采用分布均匀、不少于5个点的既具有四等水准精度正常高又具有大地高的四等GPS点与待定点进行GPS水准拟合计算，将GPS大地高转化为GPS水准高（正常高）4．.控制网的坐标系统：经过与已知点的联测，建立与1954年北京坐标系一致的平面坐标系。为保证平面边长的投影变形满足工程测量需要（即投影长度变形值不大于2.5cm/km），采用投影于抵偿高程面上的高斯正形投影平面直角坐标系统，即取GPS点“YG03”的坐标和该点至另一GPS点“YG02”的方位角作起始数据，其边长投影到290m测区抵偿高程面上。5.已知点的精度如下：（1）由重庆市测绘局1992年出版的1:1万比例尺国家基本地形图（航测成图，以下简称“1:1万航测图”），作为此次测量作业技术方案进行控制网的布设的基础图。6.选用方案：根据测区的实际情况以及实地勘测但一般控制网的要求满足：建立首级控制网必须遵循以下规则：分级布网、逐级控制；要有足够的精度和密度；应有统一的规格。工区控制网采用统一的坐标系统，并与国家坐标系统相统一；通常是根据地下资源埋藏情况及考虑开采技术上的可能性与经济上的合理性，将工区范围划分为若干个井田，而各个井田位置相邻，常常是开采同一矿层，生产上有着相同的问题和密切的联系，同时，为了查明地下资源的埋藏情况，保证采矿生产能合理、安全地进行，必须了解相邻井田的工程建设与生产动态。为此，要求矿区控制网应具有同一坐标系统，使各个井田的测量成果能相互参照，互相利用。精度上从远期眼，密度上从近近期着手：为了布设能适应工区特点的控制网，必须统筹规划，既满足当前的需要，又要考虑到工区的发展和远景规划。在精度上力求能满足日后工区发展的需要，在密度上则应从当前要求出发。建立控制点时要充分考虑地质和开采情况，使其毁坏数最小：由于工区控制网要服务于整个工区建设的全过程，这就要求控制点的点位能长期保存。在矿区，由于地表受开采的影响，往往有一部分控制点的点位产生位移或遭受破坏。因此，在布设矿区三角点时，必须充分收集和利用矿区的地质和采矿资料，把一些三角点，特别是首级三角点，应尽可能设立在不受开采影响的地区，如老采空区、永久性煤柱，井田分界线等区域的上方，使发生位移和遭受破坏的控制点点数为最少。七、图形设计图形设计也就是图上设计图上设计是在到实地选点之前必须做的一项计划，并且是实地选点的重要的技术准备，也是控制测量技术设计的主要项目。图上设计一般在中比例尺地形图上进行。因为在中比例尺地形图上，能清楚地反映出工区范围内的高山、深谷、平地、河流和村庄等地物和地貌，既容易选择点位构成图形，也便于全盘考虑问题。设计图由测量教研组提供为1/20000的中比例尺，但是由于单位考虑到资料的安全性就没有给我1：20000的地形图只有一幅设计图见（附图）1．图上设计的具体步骤如下：a把收集到已有数据及在实地上已有的点位绘制到图上。b根据三角点点位要求和GPS点位要求及最佳图形结构，并考虑到点标志的影响，从已知点开始，逐点扩展设计GPS网。布点的基本步骤是由高等低等，由已知到未知点，由内向外逐点布设。对测区原有的三角点和GPS点应尽量利用，并提出联测方案。c按照《规范》高程起算点的密度要求，一定水准联测路线。d在地形图上判断和检查相邻两点是否通视情况。GPS点为位之间不需要通视因GPS测量是通过接收GPS卫星信号来测定各点之间的距离和各点的高程，但是考虑到工区的发展远景还是要考虑各个三角形中有两个点必须要通视，以便以后进行导线和水准测量。e图形上选点完毕之后，进行检查，以确保布设的图形符合《规范》的规定。此外，由于控制网的精度除取决于起算元素的精度，观测元素的精度以外，还取决网中多余观测的数目和图形的形状。所以还需进行精度估算。在设计阶段，必须对三角网进行精度估算，以便对设计方案的可行性和合理性进行评价。其实质就对三角网的推算元素进行估算，从而避免工程中的全盘返工，以免造成不必要的浪费（精度、经济、人力）。精度估算的方法：A⑴在图上量取A、B角度（传距角）并计算R（图形强度系数）；BC⑵计算图形权倒数1/PlgD=2/3R；⑶边长对数中误差mlgD=mβ(1/PlgD)1/2对于自由网，观测元素只需根据它们之间的几何条件进行平差，此时起始数据的误差和观测数据的误差均可视为独立的误差，因而按联合影响进行处理。在非自由网中，则要求观测数据的平差值满足起始数据的要求，此时起始数据的误差和观测数据的误差对推算元素误差的影响，严格说来就不能分开。但是，确定非自由网中起始数据误差对推算元素影响的公式比较复杂。精度估算的图形结构参数，是从设计图上解量取或由草测的概值算出，所以精度估算所用的参数就不如平差计算所得之参数准确。不过，精度估算作为技术设计中的一种计算近似计算，一般认为准确到二位有效数字就够了。布设控制网如图2.在图上设计控制网时可采用星形、三角形。一般采用较为稳定的图行最好是三角形，GPS网中三角形边由独立观测边组成。根据经典测量的经验已知，这种图形的几何结构强，具有良好的自检能力，能够有效地发现观测成果粗差，以保障网的可靠性。同时，经平差后网中相邻点间基线向量的精度分布均匀。这种图形的主要缺点是观测工作量较大，尤其当接收机的数量较少时，将是观测工作的总时间延长。通常只有网的精度和可靠性要求较高时，才单独采用这种图形。由于本次课程设计为四等GPS网故采用三角形作为基本图形。因此还要尽量满足是等边三角行，这样能使控制网精度提高。选择控制点应满足在高程较高地通视觉好比如山顶楼顶等地。八、实地选点与标石埋设1．选点埋石：选点埋石必须按工序的要求先后进行。GPS控制点应选在利于保存和施测方便的地方,且要避开高度角15度以上的挡星障碍，对符合GPS网布点要求的原有控制点，应充分利用并尽量沿用原名，。标石埋设一律混凝土现场浇灌，地面规格为：上面30＊30厘米，下底40＊40厘米，深60厘米。屋顶标石规格为：上面20＊20厘米，下底30＊30厘米，高15厘米。各点点之记采用CAD技术绘制。选点，埋石要求及规格，（选点资料要求、遮挡图绘制要求、点之记格式要求、DOP及可见卫星数预报要求）2.选点要求：⑴位应远离大功率的无线电发射台和高压输电线，以避免其周围磁场对GPS卫星信号的干扰，接收机天线与其距离一般不得小于200m；⑵位附近不应有大面积的水域，或对电磁波反射物（或吸收）强烈的物体，以减少多路径效应的影响；⑶点位应设在易于安置仪器的地方，并且视野开阔的地方，在视场内周围障碍物的高度角，根据一般情况应小于10°～15°；⑷位应位于交通方便的地方，并且便于用其他测量手段联测和扩展；⑸位选定之后（包括方位点），均应按规定绘制点之记，其内容应包括，点位及点位略图，点位的交通情况以及选点情况等。另外对于不用途的控制点还应考虑其建成后的利用问题，如对于一些工程控制网，其作用是为工程的施工放样服务，而施工放样目前采用的仪器为常规测量仪器，因此还是需要保证GPS点至少有两点通视。同时考虑到放样点与直接通视的GPS点构成的图形强度要好。控制点应尽量避开施工区，减少施工时网点的破坏等。选点人员按照技术书经外业踏勘，根据以上要求在地面上标定点位，并命名，绘制点之记草图。点名一般取居民地名，C、D、E级GPS点也可取山名、地名、单位名，并向当地政府部门或群众调查确认。3.埋石要求：GPS点应埋设具有中心标志的标石，以精确标定点位。点的标志与标石必须稳定、坚固，以利于长期保存与利用。对于用于变形监测的GPS点，更应该建立便于长期保存的标志，以获得两期变化的精确量，为了提高GPS测量的精度，减少对中误差，方便使用，可以建造强制对中观测墩。埋完点之后应绘制点之记，并待埋石点固定之后才能观测。4.选点资料：⑴点之记及点的环视图，点之记及格式如下：点的位置说明序号点号概率经纬度及概率高程点位说明及受委托保管单位觇标类型及高度标石类型施测单位选点者造标者选造年月备考1E1108°23′重庆市凤鸣山中学门口前行30m保管单位为沙区政府钢制5cm口径钢筋混凝土地下标石重庆第一市政有限责任公司选点2010造标20袁胜强点的环视图如下图：九、仪器选择与检验1．仪器选择2．仪器检验a.GPS接收机是实施测量工作的关键设备，其性能要求和所需的接收机数量与GPS网的布设方案和要求的精度有关，工作中可根据情况按下表的规定选择。GPS接收机的配置级别ABCD、E单频/双频双频双频双频或单频单频或双频标称精度优于5mm+0.5ppm优于5mm+1ppm优于10mm+2ppm优于10mm+3ppm观测量载波相位载波相位载波相位载波相位同步环接收机台数≥4≥3≥2≥2b.接收机的检验：包括一般检视、通电检验、试测检验和随机数据后处理软件的检测。⑴一般检视：主要检查接收设备的各部件及其附件是否齐全、完好，紧固部件有否松动与脱落，设备的使用手册及随机软件等资料是否齐全。⑵通电检验：检验的主要项目包括：设备通电后有关信号灯、按键、显示系统和仪表的工作情况，以及自测试系统的工作情况。当自测试正常后，按操作步骤进行卫星的捕获与跟踪，以检验接收机捕获卫星的时间，接收信号的信噪比及信号的锁定情况。⑶试测检验：试测检验应在不同长度的基线，或专设的GPS测量检验场上进行，标准基线的相对精度，应不低于被检验接收设备的标称精度。试测检验是接收设备检验的主要内容之一，凡是用于精密定位的接收设备，都应按作业时间长短，至少在每年出测前进行一次。试测检验的主要内容包括：接收机野外作业的性能、接收机的内部噪声水平，天线的相位中心的稳定性，以及对不同测程的基线测量所能达到的精度等。另外，天线底座的圆水准器和光学对点器，也都是在每年出测前进行检验和校正。⑷随机数据后处理软件的检验：随机数据处理软件，是GPS接收设备的重要组成部分。对其所具有的功能，一般是通过实测的计算工作来进检验的。c.接收机检验的主要内容和方法：⑴接收机内部噪声水平的检验：接收机的内部噪声，主要是由于接收机硬件的不完善（如接收机钟差、信号通道的时间延迟及延迟锁相环误差）所引起，其检验方法，可根据实际情况采用以下良种方法之一。·零基线检验法：这项检验的主要设备是功率分配器，其检验的基本原理是，将同一天线接收的GPS卫星信号，通过功率分配器分成相位、功率相同的两路信号，分别输入两台接收机，根据两台接收机的观测数据，利用相对定位的原理解算相应的基线向量。这种方法可以有效的消除大气折射误差，卫星轨道偏差，天线相位中心偏差，信号多路径误差以及仪器对中误差等项的影响·超短基线检验法：在无功率分配器下，GPS接收机的内部噪声水平，也可以利用长度精确已知的超短基线或基线网进行检验。为此，须在地势平坦，视野开阔的地区，布设一边长为5m～10m的基线网或基线网。检验时须将两台接收机的天线，分别安置在超短基线的两端，并按高精度静态相对定位的要求进行同步观测，观测时段的长度，根据情况可去1.0～2.0小时。这时由于基线长度很短，所以观测数据通过差分处理后，可以有效地消除卫星轨道误差，大气折射误差和多路径效应等外界因素的影响，其测量结果与已知的基线长度之差，便主要反映了接收机的内部噪声水平。.天下相位中心稳定性的检验：天线相位中心稳定性的检验，目前可根据情况采用以下两种方法之一，即：a.旋转天线法；b.相对定位法。旋转天线法：虽是目前较为严格地测定天线相位中心位置，及其变化规律的方法，但这一方法，需要在微波暗室中进行，并要利用专门的微波天线测量设备。检验较为复杂，尚难以普遍采用。相对定位法：是目前应用较为普遍的方法。检验工作必须在超短基线网上进行，以便尽可能地消除卫星轨道偏差，大气折射和多路径效应等因素的影响。这一方法的基本工作过程是：将GPS接收机天线分别精确安置在基线网的端点上，并将天线的定向标志指向正北。观测一段时间后，固定一个天线不动，将其它天线同向旋转90°，180°和270°，并各观测一个时段。根据以上的观测数据，相对其余任意天线，依次旋转时段的基线值，其互差一般规定不超过GPS接收机标称固定误差的二倍。.关于GPS测量系统的野外检定场：前面已经指出，GPS测量系统的实测，一般应在GPS专用野外场上进行。因此，建立一个布局合理，质量良好的检定场，无论对新够进的GPS接收设备的开箱检验，或对已有设备出测前和收测后的检验，均有重要意义，为了保障检定结果的可靠性和检验工作的适应性，检定场的建立一般遵循以下主要原则：a.为了满足用户对不同测程和不同检验内容的要求，检定场通常应由超短边（5m—10m）、短边（＜10m＝，长边（10—500m）和超长边（＞500m）构成。b.检定场不同长度的基线，应分别构成闭合图形（如三角形），以便进行图形条件检验，提高检定的可靠性：c.检定场应位于地质结构坚固、稳定的地区，以利于长期保存；d.检定场的点位选择，除应满足GPS测量选点的一般要求外，尤应注意设在交通方便，通信与电力供应条件良好，视野开阔的地区，以方便使用。十、观测方法：1：网的连接方式网的连接方式：GPS网的连接根据工程要求以及网的等级精度来却网的连接方式，一般采用边连式，因为其精度较高，而且能形成较好的附合条件，边连式是通过一条边将相邻的同步图形连接在一起。其与点连式布设形式相比，边连式观测作业方式可以形成较多的重复基线与独立环，具有较好的图形强度与较高的作业效率。1.天线高的量取2.时段长度与观测要求每个点上进行观测的时候，用量角仪对卫星信