城市基础控制网的建立与恢复_论文发表__墨水学术,论文发表,发表

所属栏目：通信论文范文发布时间：2011-02-25浏览量:248

副标题#e#城市基础控制网的建立与恢复
　　贾乃娟1蔡保祥2方广杰3袁顺新3
　　
　　1.河北省地质测绘院，河北廊坊，065000；
　　2.宁夏基础测绘院，宁夏银川，750021；
　　3.中国石油天然气管道工程有限公司，河北廊坊，065000。
　　1．引言
　　目前，采用全站仪和GPS测量技术通过大比例尺数字测图获得城市空间数据，然后利用数据库的管理软件将属性信息录入，实现一一对应是建库的最佳途径。空间数据的采集和属性信息的录入是城市信息系统建设的一项非常重要的工作，为这些数据源选择什么样的坐标系是数据库建立的基石。
　　按照（城市测量规范）规定：城市平面控制测量坐标系统的选择应以投影长度变形值不大于1/40000为原则，并根据城市地理位置和平均高程而定。可按下列次序选择城市平面控制的坐标系统:1)当长度变形值不大于1/40000时，应采用高斯正形投影统一3°带的平面直角坐标系统。2)当长度变形值大于1/40000时，可依次采用：①投影于抵偿高程面上的高斯正形投影3°带的平面直角坐标系统；②高斯正形投影任意带的平面直角坐标系统，投影面可采用黄海平均海水面或城市平均高程面；③面积小于25km2的城镇，可不经投影采用假定平面直角坐标系统。固原城市坐标系就是在满足上述规定的基础上建立的,为了使各种土地信息与城市规划部门能够资源共享，采用原有的固原城市坐标系作为城镇地籍测量的基础框架。
　　2．城市基础控制网的建立及现阶段的局限
　　2.1工程概况
　　固原市位于宁夏自治区南部山区，介于北纬37-39度之间，东经106.33度附近。近几年随着城市的发展，土地管理部门为了加强对城市土地的综合应用，提高城市可持续发展和长远布局，依据自己的实际情况建设城市土地利用管理信息系统数据库。通过该数据库的建立，面向土地信息的高效管理，集数据采集，数据处理，数据建库，数据更新维护，数据服务为一体的信息化技术得以应用到实际的工作当中去。测区地形属山地丘陵地貌，高差约100m。山上地形复杂，行走不便，居住区分布凌乱。城市当前正处于长远发展实施过程中，为了该项目的设计和施工，需建立首级控制网。考虑到工程复杂，地形起伏大及将来数据资源共享等因素，首级控制网决定采用GPS静态测量方式进行。
　　2.2网型及基本实施情况设计
　　2.2.1网形设计
　　GPS静态测量的技术设计主要依据1999年建设部发布的行业标准《城市测量规范》、2001年发布的国家标准《全球定位系统（GPS）测量规范》及工程测量合同有关要求制定的技术设计书。
　　2.2.2设计精度
　　根据项目需要和测区实际情况，选择城市四等GPS网作为测区首级控制网。考虑到实际作业要求，在网形设计上要求相邻点间至少有一个方向可以通视，以环形和三角形布网方式作为选取合格基线参与平差的依据，网平差时采用的起算数据点应尽量分布在网的周边。最好有至少三个已知控制点分布在测区外围的四个象限，若已知控制点位于测区外，则测区外缘与该已知点之间距离最好不超过20km。要求平均边长小于1km，最弱边相对中误差小于1／10000，GPS接收机标称精度的固定误差a≤15mm，比例误差系数b≤20×10－6。
　　2.2.3GPS网形规划
　　为使整个网形的点位中误差值能够均匀，最好网形能依控制点之分布规划。根据踏勘了解的实际情况和对原控制网点的分布查询，原城市坐标系的坐标原点AAAA点已经破坏，作为原四等控制网起算数据的另外两个国家三角点一个已经被破坏，一个保存完好。原四等控制网中实际标石完好的点约50%，且分布松散，不能满足本次任务的需求，急需重新建立控制网框架。实际构网控制点的分布情况，设计基准和网形如图1所示，控制网共由40个点构成，其中联测已知平面控制点3个（BBBB，CCCC）。采用6台GPS接收机进行同步观测，网形布设成多边形式。
　　
　　图1城市G#p#副标题#e#PS控制网示意图
　　2.2.4观测计划
　　根据GPS卫星的可见预报图和几何图形强度（空间位置因子PDOP），选择最佳观测时段（卫星多于4颗，且分布均匀，PDOP值小于6），并编排作业调度表。
　　2.3城市基础控制网的建立
　　由于该项目要求提供国家2000大地坐标系、1954年北京坐标系和1980西安坐标系的首级控制网坐标，同时要求利用原有的固原城市坐标系作为本次城镇地籍测量的基础框架。鉴于以上的实际情况，为了与原有的城市测量成果相互衔接，便于将来数据的共享，本次作业采用WGS-84坐标系的GPS测量基线解成果和符合国家2000大地坐标系下的高等级坐标成果作为建网平差的原始数据，进行各个坐标系下的地面网与GPS网的联合平差计算，得到网中各点在不同基准下的坐标值,尤其是城市坐标的获得。网的建立实施情况按照以下设计步骤进行。
　　2.3.1外业选点埋石
　　GPS测量测站点之间不要求一定通视，图形结构也比较灵活，因此，点位选择比较方便。但考虑GPS测量的特殊性，并顾及后续测量，选点时着重考虑以下几点：①控制点最好能两两通视，以便后续测量工作的使用；②点周围高度角15°以上不要有障碍物，以免信号被遮挡或吸收；③点位要远离大功率无线电发射源、高压电线等，以免电磁场对信号的干扰；④点位应选在视野开阔、交通方便、有利扩展、易于保存的地方，以便观测和日后使用；⑤选点结束后，按要求埋设标石，并填写点之记。
　　2.3.2外业数据采集
　　根据GPS作业调度表的安排进行观测，采用静态相对定位方式，卫星高度角大于15°，时段长度不少于30分钟，采样间隔10秒。在3个点上同时安置3台GPS接收机（对中、整平、定向），量取天线高，测量气象数据，开机观察，当各项指标达到要求时，按接收机的提示输入相关数据，则接收机自动记录，观测者填写测量手簿（按照统一的测量记录表格，严格同步观测时间，精准量测仪器的天线高并准确记录，正确填写点的标示号）。实际测量时，对参与作业的GPS接收机进行各项检测，尤其是对中基座的检测，保证重复设站的对中要求；在测区周边地带选择三个或三个以上有国家2000坐标值（或1980西安坐标值）的高等级控制点联测到GPS网中，作为网平差时的起算数据和约束条件。
　　2.3.3基线向量解算
　　选择一个具有WGS-84绝对坐标的点作为基线处理的参考点（也可以采用选取控制网中间分布的某一点，架设GPS接收机采集两个小时以上的方法获得），依据观测时间和基线的长度，选定适当的处理参数依次进行解算，并根据处理的结果判定观测质量。对各个时段同步观测满足要求的基线向量解形成的同步环、异步环、重复基线进行分析，剔除粗差解，最终确定参与网平差的基线。
　　2.3.4网平差
　　GPS控制网平差是在某一个椭球面或某一个投影面上进行的，分为无约束平差、约束平差和地面网联合平差三类。本项目选用中海达HDS2003数据处理软件包对数据进行处理。GPS网平差所用的GPS基线向量观测值及其方差协方差阵是有GPS三维基线向量换算到高斯平面的二维平差向量。因此，转换后二维基线向量网和地面网之间只存在尺度比差和残余的定向差，进行二维约束平差和联合平差时，只考虑两网之间的尺度差参数和残余的定向差参数。
　　2.3.5坐标成果实现
　　选择二维七参数转换模型，得到网中联测有国家2000坐标值的高等级控制点的1954年北京坐标进行网平差（或者直接利用二维七参数进行整体坐标数据的转换得到）。采用平面四参数模型或多项式回归模型直接得到固原城市坐标系。实际转换时，直接利用原有的城市坐标和现在的国家2000坐标成果，选取分布均匀的五个以上的点的公有坐标值反求平面四参数。最后，利用四参数恢复原有固原城市坐标系。
　　2.4已有网的局限性
　　2.4.1独立坐标系统的不足
　　我国大、中比例尺地形图采#p#副标题#e#用6°分带或3°分带的高斯-克吕格投影，根据高斯-克吕格投影的变形规律，离开中央经线越远，所产生的投影变形就越大，而大多数地区或城市不可能正好位于投影带中央。固原又同时属于第35，36这两个投影带，3°带的中央经线分别是E105°和E108°。如此对于固原这样的城市来说，1980西安坐标系不能很好地反应其空间关系，不能精确地在地图上表达其空间关系，因而不能满足大比例尺测图或工程建设的需要。因此固原有必要建立自己的独立坐标系，并在大比例尺地形图中单独使用。这就使得同一点在不同的坐标系下有不同的坐标值，使测绘资料的应用受到很大的限制，并且对GIS系统的广泛使用造成了一定的约束性，对我们国家空间数据的共享带来障碍。
　　2.4.2固原城市控制点破坏严重
　　固原原有城市测量控制网约半数以上位于楼顶或者路面的点在城市发展中遭到破坏，GPS网的完整性被破坏，原来采用的基准也被破坏，原有网已经凌乱不堪。例如原城市坐标系的坐标原点AAAA点已经破坏，作为原控制网起算数据的另外两个国家三角点其中一个已经被破坏。在解决现有城市地籍测量的同时，我们虽然可以利用原有的控制点坐标值作为检核条件，却不能作为整个网形恢复后精度评价的支撑。
　　3．GPS基准转化参数的确定
　　由于GPS网和地面网所取坐标的基准不同以及观测误差的影响，两网同名点的坐标值是不同的，为了解决这个问题，常规方法是GPS待测点与已知地方坐标的城市控制网基线联测（基线越短越精确），通过网平差求解GPS待测点的地方坐标，但如果地方控制网不开放，就需要使用或开发软件进行坐标转换。确定转换方程的关键是根据已知参考点（两类坐标系的坐标值都精确确定）求解转换参数。常用方法为七参数法：使用模型（Bursa-wolf），按照Boolsa公式，选取测区分布均匀位置的三个以上点（具有两套坐标值）求解坐标转换参数，转换参数的精度取决于选取的已知参考点的精度。利用转换参数实现坐标转化，通过统一转换参数的方式，完成固原城市坐标的恢复。
　　在GIS环境下进行多源信息的集成，将各种数据整合成统一规范的信息，从而实现数据的共享是数字地球、数字区域的必由之路，空间坐标系之间的变换与统一则是实现多源数据统一管理、无缝集成的关键。坐标转化并不是一个新的课题，随着测绘事业的发展，全球一体化的形成，越来越要求全球测绘资料的统一。由于地球曲率客观存在，传统测绘作业受到很大限制，测绘资料的统一仍然存在一定的“瓶颈”约束。
　　4．结束语
　　通过GPS在测量中的应用，得到如下体会:
　　第一、GPS控制网选点灵活，布网方便，基本不受通视、网形的限制，特别是在地形复杂、通视困难的测区，更显其优越性。但由于测区条件较差，边长较短（平均边长不到500m），基线相对精度较低，当精度要求较高时，应避免短边，无法避免时，要谨慎观测。
　　第二、GPS接收机观测基本实现了自动化、智能化，且观测时间在不断减少，大大降低了作业强度，观测质量主要受观测时卫星的空间分布和卫星信号质量的影响。但由于个别点的选定受地形条件限制，造成树木遮挡，影响对卫星的观测及信号的质量，经重测后通过。因此，应严格按有关要求选点，择最佳时段观测，并注意手机、步话机等设备的使用。
　　第三、GPS测量的数据传输和处理采用随机软件完成，只要保证接收卫星信号的质量和已知数据的数量、精度，即可方便地求出符合精度要求的控制点三维坐标。
　　第四、在求解坐标转换参数时，求解选用的已知点点位应均匀分布，最好能够包含整个测区。利用参数转换时，注意参数输入正确，并做适当的符合检查，保证转换后数学精度的可靠性。
　　参考文献
　　［1］刘大杰．全球定位系统（GPS）的原理与数据处理［M］．上海：同济大学出版社，1996．
　　#p#副标题#e#［2］北京市测绘设计研究院．CJJ73－97，全球定位系统城市测量技术规程［S］．北京：中国建筑工业出版社，1997．
　　［3］国家测绘局测绘标准化研究所．GB/T18314－2001，全球定位系统（GPS）测量规范［S］．北京：中国标准出版社，2001．