GPS在城市规划控制测量中的应用

　　摘要：随着测绘技术的不断发展，空间大地测量技术越来越受重视，其中GPS定位技术在测量各个领域得到了广泛的应用。原来的经典测量方法越来越受其空间性和时限性限制，而GPS测量技术正是突破了经典测量中的种种限制，达到全天候采集和不受空间通视条件等限制，作业效率大幅度提高，特别在城市控制测量中，由于建筑物密集等干扰因素，常规测量方法费时且精度有限，GPS更是得到充分应用。本文通过对某小区规划控制网中的应用，系统的阐述了GPS在城市规划控制测量应用中的整个过程。
　　关键词：GPS；城市规划；控制测量；控制网
　　1引言
　　在城市规划控制测量中[1]，[2]，传统的平面控制系统测量方法，因受地形、气候、通视等作业条件的限制，作业强度大，工作效率低，设计周期长。随着测绘技术的不断发展，目前这些常规方法已逐渐被使用GPS方法作为建立沿线总体控制的方法所替代。GPS城市规划控制网与大地控制网相比有其自身的特点，其制区域较小，边长短，观测时间短（从快速静态定位的几钟至一两个小时）。其布网的原则应结合测量规范，工程要求以及实地环境等多方面进行考虑。基于以上考虑，本文通过GPS在某小区规划建设的应用为例，介绍GPS在城市工程控制测量中的应用。
　　2工程概况及控制测量
　　2.1工程概况
　　某规划小区测量总面积为10平方公里，区域内主要的地形地貌为：居民地、采石场、旱地、滩涂等。测区地处城乡结合部地区，经济发达，人口密集，道路畅通，交通便利。
　　2.2控制测量
　　（1a线27条，剔除多余4条基线,重复基线4条。复测基线边长1.3km～4.4km,各边复测互差为1.7mm～12.8mm,符合规范限差≤50mm（ds≤,=,d为平均边长）的要求。由4个时段进行同步观测产生9个四边同步闭合环,6个异步闭合环，9个同步闭合环的平均相对闭合差为0.69ppm,6个异步闭合环的平均相对闭合差为1.89ppm,符合规范限差≤10ppm要求。三维自由网平差各基线向量改正数（V△X，V△Y，V△Z）的绝对值均小于53mm（≤3）限差要求，二维约束平差最弱边相对中误差1/162782，满足限差＜1/45000要求，最弱点平面中误差0.96cm,远优于5cm的限差。
　　3GPS测量的内业数据处理
　　GPS[3]，[4]，[5]，[6]网数据处理分为基线解算和网平差两个阶段。
　　3.1基线解算
　　（1）基线解算一般采用双差相位观测值，对于边长超过30km的基线，解算时也可采用三差相位观测基线平均距离为1.3～4.4ｋｍ，因此基线解算时采用双差固定解进行解算，同步观测的一个同步时段值。
　　（2）在采用多台接收机同步观测的一个同步时段中，可采用单基线模式解算，也可以只选择独立基线按多基线处理模式统一解算。
　　（3）同一级别的GPS网，根据基线长度不同，可采用不同的数据处理模型，但是0.8km内的基线须采用双差固定解。30km以内的基线，可在双差固定解和双差浮点解中选择最优结果。30km以上的基线，可采用三差解作为基线解算的最终结果。
　　在本工程中，采用Ｅ级网的标准进行布设，其基线平均距离为1.3～4.4ｋｍ，因此基线解算时采用双差固定解进行解算，同步观测的一个同步时段中，采用单基线模式解算。表１为部分基线三差解，双差解和整数解的结果比较。
　　表1部分基线三差解，双差解和整数解结果比较
　　DPS_→GPS1.2881 L1 X增量 Y增量 Z增量 距离
　　三差解 0.0052 1754.6951 2166.7587 -2370.3160 3659.5350
　　双差解 0.0052 1754.6847 2166.6885 -2370.3219 3659.4922
　　整数解 0.0061 1754.6533 2166.6909 -2370.3125 3659.4725
　　DPS_→GPS2.2882 L1 X增量 Y增量 Z增量 距离
　　三差解 0.0054 2512.1132 2243.2980 -1725.7068 3784.3312
　　双差解 0.0071 2512.1463 2243.3108 -1725.7133 3784.3637
　　整数解 0.0077 2512.1274 2243.3194 -1725.7099 3784.3547
　　DPT_→GPS6.2882 L1 X增量 Y增量 Z增量 距离
　　三差解 0.0069 -943.4567 173.4118 -1399.2496 1696.4910
　　双差解 0.0082 -943.4080 173.4243 -1399.2514 1696.4666
　　整数解 0.0089 -943.4025 173.3827 -1399.2530 1696.4606
　　DPT_→KFB_.2881 L1 X增量 Y增量 Z增量 距离
　　三差解 0.0046 718.2741 2374.5281 -3756.5981 4501.8142
　　双差解 0.0060 718.2772 2374.5121 -3756.5968 4501.8051
　　整数解 0.0068 718.2386 2374.5201 -3756.5856 4501.7938
　　DPT_→PTS_.2881 L1 X增量 Y增量 Z增量 距离
　　三差解 0.0062 103.3824 2659.5660 -4865.2045 5545.6464
　　双差解 0.0092 103.3845 2659.5487 -4865.2042 5545.6379
　　整数解 0.0108 103.3885 2659.5638 -4865.2011 5545.6425
　　3.2网平差计算
　　GPS基线向量网的平差分为三种类型：一是经典的自由网平差，又叫无约束平差，平差时固定网中某一点的坐标，平差的主要目的是检验网本身的内部符合精度以及向量之间有无明显的系统误差和粗差，同时为用GPS大地高与公共点正高联合确定GPS点的正高提供平差处理后的大地高程数据；二是非自由网平差，又叫约束平差，平差时以国家大地坐标系或地方坐标系的某些点的坐标，边长和方位角为约束条件，顾及GPS网与地面网之间的转换参数进行平差计算；三是GPS网与地面网联合平差。
　　本工程中，采用三维无约束平差和二维约束平差进行平差计算解算各GPS点的坐标。三维无约束平差：自由网平差中GPS向量提供的尺度和定向基准属于WGS—84坐标系，进行平差时，需要引入位置基准，引入的位置基准不应引起观测值的变形和改正。本工程网中采用GPS1～GPS6，PTS六个点作为网平差的位置基准进行三维无约束网平差。二维约束平差：在进行二维约束平差时，必须以国家（或地方）坐标系的一个已知点和一个已知基线的方向作为起算数据，平差时将GPS基线向量观测值及其方差阵转换到国家（或地方）坐标系的二维平面（或球面）上，然后在国家（或地方）坐标系中进行二维约束平差。转换后的GPS基线向量网与地面网在一个起算点上位置重合，在一条空间基线方向上重合。这种转换方法避免了三维基线网转换成二维基线向量时地面网大地高不准确引起的尺度误差和变形，保证GPS网转换后整体及相对几何关系的不变性。以下是本工程进行转换的参数：网的参考因子：11.4318，ｘ向平移9.5042米，ｙ向平移-72.6440米：比例：-27.8782ppm，旋转：-0.9261秒，经平差计算后得到平面距离平差值和最终的GPS点平面坐标。
　　表2部分平面距离平差值
　　起点 终点 dx dy 平距 方位角 中误差(m) 相对误差
　　  中误差(m) 中误差(m)    
　　DPT_ GPS1 0.0031 0.0033 3659.4231 225.3792 0.0045 1:809944
　　  -2570.4212 -2604.6713    
　　 GPS2 0.0037 0.0042 3784.4115 240.6644 0.0056 1:675499
　　  -1854.0763 -3299.1168    
　　 GPS6 0.0035 0.0044 1696.0466 154.5161 0.0057 1:299553
　　  -1531.0317 729.7369    
　　 KFB_ 0.0001 0.0001 4502.2329 203.7091 0.0002 1:27879304
　　  -4122.2380 -1810.3190    
　　 PTS_ 0.0001 0.0001 5546.3116 194.8328 0.0002 1:34332236
　　在内业的处理中，对经过检核超限的基线在充分分析的基础上，对其进行处理时应注意以下问题：
　　（1）无论何种原因造成一个控制点不能与两条合格独立基线相联结，则在该点上应补测或重测不少于一条独立基线。
　　（2）可以舍弃在复测基线边长较差，同步环闭合差，独立环闭合差检验中超限的基线，但必须保证舍弃基线后的独立环所含基线数，不得超过规范的规定；否则，应重测该基线或者有关的同步图形。
　　（3）由于点位不符合GPS测量要求而造成一个测站多次重测仍不能满足各项限差技术规定时，可按技术设计要求另增选新点进行重测。
　　4结论
　　（1）城市控制网改造，应根据城市的大小、控制点丢失情况选择布网方案。
　　（2）对于已知点尽量多的联测，因已知点成果精度对GPS网精度有较大影响，特别是发现二维网平差结果不理想时，可适当调整已知点，仔细分析找出质量差的点，优化成果。综合各种测量方法，首选就是空间大地测量。在城市控制网建立采用GPS定位方法，可以减少大量的人力物力，并可以提高效率，大幅提高测量精度。
　　（3）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地控制点三维坐标；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。
　　参考文献
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　　[2]张正禄.《工程测量学》[M].武汉大学出版社,2002.
　　[3]徐绍铨,张华海,杨志强,王泽.《GPS测量原理及应用》[M].武汉大学出版社,2003.
　　[4]李天文.GPS原理及应用[M].北京:科学出版社,2004.
　　[5]董昌周等.GPS在工程测量中的应用[J].浙江科技学院学报,2004,(3):16-1.
　　[6]赵永华.GPS在工程测量中的应用[J].煤炭技术,2004(3):23-3