GPS技术在地形图像片控制点测量中的应用

摘 要:哈密南湖戈壁滩由于特殊的地貌特点与其特有的气候条件，如按照常规测量方法测量像片控制点，对于工作效率和工作质量有很大的阻碍和， GPS技术推广利用大大提高了作业效率，降低了作业难度。本文通过实际的案例详细剖析了GPS的应用方法和注意事项。

关键词：像控点、RTK、平地、参数； 1概述

测区位于哈密市区西南约120km处，地形主要由平地和丘陵两类组成，地表主要以戈壁滩为主，面积约2975km2，像控点布设按照设计要求，丘陵区采用区域网，平地区采用全野外，如按照常规的作业方法，高程主要用常规水准测量与电磁波三角高程测量，但戈壁滩地表温度较高，形成的气浪对全站仪、水准仪的观测影响很大，而且根据设计要求工作量很大，工作效率也很低，故在平地地区采用GPS RTK技术进行测量，丘陵地区采用GPS静态技术进行测量,其稳定、方便、快速、高效的特性，使其在像控点测量中发挥了重要作用。下面通过介绍GPS RTK技术与GPS静态技术在平地、丘陵像控点测量中的应用。 2GPS RTK技术介绍

2.1 RTK技术的工作原理

RTK(GPS实时动态)测量技术以载波相位观测量为依据的实时差分。GPS测量技术，它能够实时获得观测点在指定坐标系统中的三维定位结果，达到厘米级精度。RTK系统主要由一个参考站(即基准站)、若干个流动站、数据通讯系统三大部分组成。在RTK作业模式下，基准站通过数据链将其观测值和测站坐标(已知)信息一并传输给流动站，流动站不仅通过数据链接收基准站数据，还采集了GPS观测数据，并在系统内组成差分观测值进行实时处理，同时解算出厘米级定位结果。只要能够保持4颗以上卫星相位观测值和必要的几何图形，流动站可随时给出厘米级的结果。

2.2 RTK测量误差源及参数 2.2.1 RTK测量误差源。

影响RTK测量误差主要有GPS卫星、设备自身测量环境、应用技能、技术方案等几种因素。

(1) GPS卫星。

GPS系统本身误差源包括GPS卫星数、卫星图形、大气等状况，RTK在该方面的误差类似于GPS系统误差。大量的文献资料表明，基线越长，电离层和对流层对其产生的影响越大，观测结果的误差也越大，解算的结果可靠性越低。所以RTK的控制半径在5KM以内较适宜。

(2) RTK设备。

RTK设备品牌较多，精度高低、稳定性能也参差不齐。设备的影响因子、数据链、天线类型和处理软件也不尽相同，对精度影响、性能的稳定度、故障率高低、结果的可靠度也存在差异。对于设备本身所标定的精度而言，只能说明在理想状态下，仪器设备本身所能达到指标，而在实际工作中，仅能作为参考，其实际达到的精度，要在实际工作中予以验证——统计——确定。

(3) 测量环境。

在观测使用过程中，必须注意地形条件、基准站与流动站之间的传输条件、基准站的覆盖情况、路径效应、、电磁波(无线电、电力设施等)干扰等因素。

(4) 应用技能。

测量误差一般分为系统误差和偶然误差。系统误差具有固定性，一旦发现，易于排除;偶然误差具有随机性，不固定性，所以操作员的专业水平、工作经验和作业态度对提高测量成果精度和数据的可靠性起着很大作用。操作员需具备外业采点、内业处理的综合能力，具备快速判断导致异常情况、粗差数据的处理能力。

(5) 技术方案。

技术方案选择的合理和正确性对观测成果的可靠性起着很大的影响。如基准站位置的选择、坐标系统参数的选择、观测时间的选择、质量控制手段及数据检核路线等等。

3平地测区作业实施

此次作业采用南方灵锐S86双频GPS RTK(1+2)仪器，其标称精度为:平面精度1cm+1ppm、高程精度2cm+1ppm。 3.1、参数求解

参数主要分为七参数和转换参数两种，七参主要是利用至少3个控制点的北京54或西安80坐标及已知点的WGS-84坐标，通过专有软件解算求得。转换参数主要是利用至少2个控制点的北京54或西安80坐标及已知点的WGS-84坐标，根据两套坐标系统建立关系求得。

我们在平地作业测区大于50平方公里，因此为了提高整个测区的平面与高程精度。我们采用的是七参数（3个坐标平移参数，3个旋转参数，一个尺度比参数）进行转换参数的求解。七参数可是方便基准站的任意选择，在测量过程中测量精度较高也相对稳定。首先在测区施测1个D级控制网（如图一），共观测了D级GPS点27个，其中已知三角点观测7个，利用水准点标石19个。观测并计算待定点20点。由于测区内标石完好可以利用的国家等级三角点及三等水准点共有38座，密度和精度满足项目设计书对基础控制点的要求，且分布基本均匀，考虑其点位实际情况和可利用价值,测区内不再布设基础高程控制网。

图一

GPS网外业观测前进行了GPS卫星可见性预报、编制了GPS测量作业调度表，观测采用南方灵锐S86

双频GPS RTK(1+2)仪器，各观测参数如下：

卫星高度角：15度； 有效卫星个数：≥5； 有效卫星总数：≥5；

观测时段：2；

时段长度：60分钟； 数据采样间隔：30秒。

2．3 GPS网数据处理

计算中选用1980年西安坐标系参考椭球，其基本几何参数如下：

长半径：a=6378140m 短半径：b=6356755．2882m 扁率：a一=1／298．257

第一偏心率平方：e一0．00669438499959 第二偏心率平方：e一0．00673950181947

内业计算采用南方公司提供的随机处理软件进行基线解算及平差计算。计算中首先对GPS网进行三维无约束平差，其目的在于处理由于多余观测误差而引起的网内不符值，以检验GPS网的内部符合精度。然后在三维无约束平差的基础上进行二维约束平差。约束网平差选用1980年西安坐标系，首先处理软件根据起算点坐标计算出了1980年西安坐标系与wGS一84坐标系的转换参数：

Dx 平移(米): 36.127 Dy 平移(米): -100.140

2

2

Dz 平移(米): 237.225 Rx 旋转(秒): 9.253270 Ry 旋转(秒): -1.408534 Rz 旋转(秒): 1.371277 SF尺度(ppm): -0.133110

平差后：D级GPS控制网三维自由网平差单位权中误差: 0.096608(米)，二维约束

平差单位权中误差 0.069108 (米)。满足“GPS规范”要求。 经过平差解算分析精度可靠后，利用5个均匀分布测区内D级点通过七参数解算软件求得参数，将所求解得参数手工输入到电子手簿中。 3.2、基站架设

架设基站的位置选择是工作中尤为重要的环节，基准站的选择对于RTK测量非常重要，它将直接影响到流动站的施测精度和测量速度。基站可以架设在已知点上，也可以任意架设。根据测区条件关系，我们选择任意架设基站，一般我们把基站架设在地势较高的地方，那样对于仪器接收卫星信号、电台收发信号都可以达到最强，同时考虑到仪器的性能和作业精度的关系，基站与流动站的直线距离控制在5km之内。

3.3、参数校正及检查

在每次基站架设完毕后，流动站都要到附近任意已知点上，进行参数校正，获得校正参数后，再对其参数进行检验。在到另一个已知点上采集其坐标，与已知坐标进行比较分析，一方面可以发现在基准站和流动站设置中的问题，另一方面可以检验RTK作业的精度情况是否可以满足像控点的精度指标。准确无误后方可进行数据采集。通过对每次实际检验情况，与已有的高等级控制点的检验平面较差最大为3.5cm，高程较差最大值为6.8cm，均可以满足对像控点的精度要求。 3.4、数据采集

在实际的数据采集过程中，我们严格控制流动站与基准站的距离，不超过5km。采集时单杆做到气泡居中，等待固定解后方可进行采集，对于任何一个像片控制点，我们在采集一次后，将仪器倒立，等待其无解后，将仪器重置到所采集的像片控制点上，等待重新搜索卫星及电台信号出固定解后，采集第二次，对两次采集成果取中，作为最终成果。尽量的减少了测量过程中的误差。

3.5、精度检测

对于所有采集完成的像片控制点，按照百分之十五的比例对其高程精度进行抽检，采用等外水准和红外测距三角高程的方法共检测40个像片控制点，其中高程误差最大值为14cm，满足像控点的精度要求。 4 丘陵地区作业方案

4.1由于测区采用的航摄资料是2008年与2009年航摄的，测区地物地貌变化不明显，但因为测区地形为戈壁滩，给选点工作带来了一定的困难，根据实际需要，个别像片控制点布设方案作了细微的改动，布设方案严格按照设计书像控点布设方案执行。

4.2测区像控点的高程测量采用等外电磁波测距高程导线、GPS静态构网拟合高程、等外水准。进行联测平面坐标采用GPS静态构网拟合技术求得。在采用三角高程导线的方法施测时，先用GPS技术测定点的平面坐标，再反算出两点间的边长。电磁波高程导线的高差计算公式：平距采用h=D×TAN(α)+D²×（1-K）/（2

×6369000）+i-v ;斜距采用h=S×SIN(α)+(S×COS(α))² × （1-K）/（2×6369000）+i-v 。α为观测计算后的垂直角，有关文献确定的大气折光系数K=0.13，6369000为地球平均曲率半径，i=仪器高，v=觇标高，把以上公式输入到CASIO fx-4500PA中运行即可得到高差。 4结语

通过对于平地区200多个像片控制点近20天测量的实践，在进行GPS RTK作业时，要注意以下几点:

(1) GPS RTK 测定的点必须是固定解的状态下才能采用.

(2) GPS RTK 仪器的选用要选择精度不低于基线精度5 mm+ 1 ppm、高程精度10 mm+ 2 ppm,性能较为稳定且受外界环境因素影响小的GPS RTK.

(3) 基准站及流动站的天线高要十分精确地量取, 这是影响RTK 高程精度的一个十分重要的因素.

(4) 必须保证用来求转换参数的已知点具有准确的坐标成果, 而且必须注意这些已知点要平均分布整个测区。 (5) 作业半径控制在5 km 内。 (6) 通常RTK 观测的采样间隔为1 s , 每次测量的历元数不小于10 个。单次观测的平面收敛精度应小于2 cm，高程收敛精度应小于3 cm。

(7) RTK 测点应选在开阔处, 避开高压线及大功率发射台、树林、民房等。 (8) RTK 作业过程中, 有效卫星个数应不少于5个, 点位几何图形因子( PDOP) 值应不大于6 。

(9) 每次移动基准站需到已知控制点上进行检测，一是为了确认基准站和流动站的输入项和设置都正确无误, 二是为了检验已知控制点间的兼容性。

5参考文献

1.张瑜.RTK测量技术及应用[J].江苏省测绘学会2003学术年会专辑，2003，3(8):47-49.

2.徐绍铨，张华海，杨志强，王.GPS测量原理及应用[M]. 武汉:武汉大学出版社，2003.

3.周忠谟，易杰军，周 琪 . GPS 测量原理及应用[M] . 北京绘测出版社，1997.