對(duì)手持式GPS在工程測(cè)繪中的應(yīng)用淺析-科技論文發(fā)表

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對(duì)手持式GPS在工程測(cè)繪中的應(yīng)用淺析
宋潔
摘要:本文作者結(jié)合多年經(jīng)驗(yàn)，主要對(duì)于持式GPS在工程測(cè)繪過程中的應(yīng)用進(jìn)行了分析，希望得到同行的一些建議。
關(guān)鍵詞:手持式; GPS;工程測(cè)繪
1 概述
在中小比例測(cè)繪或航測(cè)調(diào)繪作業(yè)時(shí)，要進(jìn)行岸線(水邊)定位、特殊地物地貌的定位、固定標(biāo)志的尋找和部分散點(diǎn)的定位測(cè)量。采用常規(guī)儀器法施測(cè)，作業(yè)效率低且難度大，而采用GPS定位施測(cè)就能很好地解決這些問題，且更為快捷和滿足相對(duì)精度要求。
GPS定位與傳統(tǒng)的測(cè)繪方式有很大的不同。其工作原理為；
在通過地心的6個(gè)極地軌道面上，均勻分布著24顆GPS衛(wèi)星，這些衛(wèi)星全天候、實(shí)時(shí)地向地面接受設(shè)備發(fā)送衛(wèi)星星歷等定位和授時(shí)信息。用戶接收機(jī)根據(jù)接受到的衛(wèi)星信息，實(shí)時(shí)計(jì)算處理所處的位置坐標(biāo)，從而達(dá)到全球性、全天候、連續(xù)的精密三維導(dǎo)航與定位的目的。GPS定位可分為絕對(duì)定位(單點(diǎn)定位)和相對(duì)定位。GPS絕對(duì)定位的實(shí)質(zhì)即是空間距離后方交會(huì)，它又分靜態(tài)絕對(duì)定位和動(dòng)態(tài)絕對(duì)定位。絕對(duì)定位是利用待測(cè)點(diǎn)到4顆或4顆以上衛(wèi)星的距離，根據(jù)空間距離后方交匯原理確定待測(cè)點(diǎn)的WGS-84坐標(biāo)系(即1984年世界大地坐標(biāo)系)中的三維坐標(biāo)相對(duì)定位是在兩個(gè)或兩個(gè)以上的測(cè)點(diǎn)上，同時(shí)設(shè)置GPS接收機(jī)，同步跟蹤相同的GPS衛(wèi)星，確定兩點(diǎn)間在WGS-84坐標(biāo)系中的基線矢量;差分定位是相對(duì)定位的一種特殊應(yīng)用，由基準(zhǔn)站發(fā)送改正數(shù)，為用戶站接收并對(duì)其測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行改正，以獲得精確的定位結(jié)果。
差分GPS定位既克服了單點(diǎn)定位誤差較大的缺陷，又大大縮短了相對(duì)定位的觀測(cè)時(shí)間，提高了作業(yè)效率。但差分定位存在控制面積小、基準(zhǔn)站點(diǎn)多的問題。近幾年發(fā)展起來(lái)的廣域差分GPS采用誤差分離技術(shù)，實(shí)時(shí)發(fā)布鐘差改正、軌道參數(shù)改正和電離層改正，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)千公里的精確實(shí)時(shí)定位，很好地解決了上述問題。GPS測(cè)量有偽距、載波相位和多普勒三種方法，其中前兩種方法在實(shí)踐中被廣泛采用O對(duì)于靜態(tài)相對(duì)定位，尤以載波相位測(cè)量為主。
與傳統(tǒng)測(cè)繪相比，GPS有其明顯的技術(shù)優(yōu)勢(shì):①定位精度高。用載波相位做相對(duì)定位，觀測(cè)時(shí)間少于20min，可以達(dá)到±5mm的距離精度。若采用快速定位方法，觀測(cè)時(shí)間僅需1min左右，即能達(dá)到±0.1m的距離精度。②提供三維坐標(biāo)。GPS測(cè)量，在精確測(cè)定觀測(cè)站平面位置的同時(shí)，還可以精確測(cè)定觀測(cè)站的大地高程。③觀測(cè)站之間無(wú)須通視。既要保持良好的通視條件，又要保證測(cè)量控制網(wǎng)的良好網(wǎng)型結(jié)構(gòu)，一直是常規(guī)測(cè)量在實(shí)踐方面的難題之一。GPS測(cè)量可以節(jié)省常規(guī)測(cè)量所需的選點(diǎn)造標(biāo)埋石費(fèi)用，減少觀測(cè)時(shí)間，經(jīng)濟(jì)效益卡分顯著。④全天候作業(yè)。通�？稍谌魏蔚攸c(diǎn)、任何時(shí)間測(cè)區(qū)正常觀測(cè)到5顆以上衛(wèi)星連續(xù)地進(jìn)行
2 手持式GPS的相關(guān)參數(shù)及性能比測(cè)
手持式GPS的測(cè)距，采用的是載波相位平滑處理技術(shù)，其處理后的定位精度中誤差在5m左右•在導(dǎo)航功能下，定位誤差與GPS的移動(dòng)速度成正比，通常為30m左右。其自動(dòng)定位只需要2min，工作溫度為一25~ 700C、保存溫度為40~80°C，對(duì)野外環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)。
常規(guī)定位時(shí)需要設(shè)置的參數(shù)為:
（1）坐標(biāo)格式設(shè)置。一般在WGS-84，BJ-54或西安-80三種坐標(biāo)格式中任選一種(坐標(biāo)格式之間可任意轉(zhuǎn)換)；輸入使用地區(qū)所在的三度帶或六度帶的中央子午線經(jīng)度；輸入比例參數(shù)。
(2)坐標(biāo)參數(shù)的設(shè)置。一共有5個(gè)，即DX，DY，DZ，DA和DF，它們分別是大地坐標(biāo)系中X，Y，Z、對(duì)應(yīng)橢球之長(zhǎng)半軸A、對(duì)應(yīng)橢球之扁率F的改正值。
2.1 手持式GPS的相關(guān)參數(shù)的確定
手持式GPS在使用前需要確定的參數(shù)主要有7個(gè)。
（1）使用地區(qū)所在的三度帶或六度帶的中央子午線經(jīng)度。例如；采用E111~E114°，經(jīng)度不同時(shí)就要及時(shí)予以設(shè)置。
（2）比例參數(shù)。一般將scale設(shè)為l，faLseE設(shè)為500000， falsen設(shè)為0，
（3）坐標(biāo)參數(shù)。首先要計(jì)算當(dāng)?shù)氐淖鴺?biāo)參數(shù)，方法是；
①搜集使用區(qū)域GP“B”，級(jí)網(wǎng)(如果對(duì)精度要求不高，也可以是較低等級(jí))三個(gè)以上網(wǎng)點(diǎn)的WGS84坐標(biāo)系B（大地緯度），L（大地經(jīng)度），H值和我國(guó)坐標(biāo)系（如BJ-S4）B，L，H，值。
②計(jì)算不同坐標(biāo)系的三維直角坐標(biāo)值。（實(shí)際工作表）
公式為:
X= (N + H) cosBcosL:
Y二(N + H) cosBsinL:
Z二[N (1-e2) + H]sinB;
N=a/(1-e2)1/2
X，Y，Z為大地坐標(biāo)系中的三維直角坐標(biāo);a為大地坐標(biāo)系對(duì)應(yīng)橢球之長(zhǎng)半軸;e2為大地坐標(biāo)系對(duì)應(yīng)橢球第一偏心率。
③利用求出的WGS84坐標(biāo)系的X，Y，Z，a及f(對(duì)應(yīng)橢球之扁率)的平均值減去我國(guó)坐標(biāo)系的X，Y，Z，a及f的平均值，就得出了所要求的DX， DY， DZ， DA和DF值。然后將所求得的值分別輸入到手持式GPS中。
2.2 手持式GPS坐標(biāo)參數(shù)的驗(yàn)證
參數(shù)設(shè)置后，必須要進(jìn)行驗(yàn)證。方法是:在使用區(qū)域內(nèi)選擇5個(gè)和5個(gè)以上的水準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行高程實(shí)測(cè)，實(shí)測(cè)值與水準(zhǔn)點(diǎn)的采用值對(duì)比，如果最大高程偏差小于15m、平均高程偏差小于10m，則計(jì)算出的參數(shù)可用，否則，就要重新計(jì)算或查找出現(xiàn)問題的原因。
3 手持式GPS的常規(guī)應(yīng)用
常規(guī)應(yīng)用，是指在美國(guó)政府不開啟SA的情況下，不必對(duì)GPS的坐標(biāo)參數(shù)進(jìn)行本地化換算處理和比測(cè)，而直接使用的情況。
3.1 依據(jù)已知資料快速尋找實(shí)物標(biāo)志
在野外查勘中，參加人員對(duì)所查勘區(qū)域的多數(shù)測(cè)量標(biāo)志和具體地理位置不夠熟悉，在通常情況下完成這項(xiàng)工作，主要靠詢問當(dāng)?shù)鼐用窈鸵揽克麄兊闹敢齺?lái)找到日的地。配備手持式GPS 后，只需根據(jù)所收集到的相關(guān)資料和測(cè)圖，事先把有關(guān)數(shù)據(jù)輸入到GPS中，在應(yīng)用時(shí)根據(jù)需要調(diào)出數(shù)據(jù)。當(dāng)你要尋找一個(gè)位置或一個(gè)標(biāo)志時(shí)，輸入或調(diào)出待查勘點(diǎn)的位置坐標(biāo)，開啟導(dǎo)航功能，儀器的屏幕上就時(shí)刻指示著你所在的位置與查勘點(diǎn)的相對(duì)位置數(shù)據(jù)，使你快速、準(zhǔn)確、無(wú)誤地到達(dá)日的地。到達(dá)目的地或超過目的地時(shí)儀器會(huì)及時(shí)提醒你。
3.2 快速測(cè)出查勘實(shí)物標(biāo)志的平面位置和高程
當(dāng)你要測(cè)出查勘實(shí)物標(biāo)志的平面和高程位置時(shí)，你可打開儀器，設(shè)置好你所需要的數(shù)據(jù)模式，然后把手持式GPS放到待測(cè)物的中心位置，約2mm之后(此時(shí)數(shù)據(jù)顯示處于穩(wěn)定狀態(tài))即可讀得平面坐標(biāo)位置的精度(通常可達(dá)到10m以內(nèi)) ，高程的精度相對(duì)要差一些。

4 手持式GPS的拓展運(yùn)用
某區(qū)面積約1050km2范圍內(nèi)的E級(jí)GPS點(diǎn)成果，使用手持式GPS進(jìn)行了定位比測(cè)，收集到了大量的比測(cè)資料。既有平面比測(cè)成果，又有高程比測(cè)成果的測(cè)點(diǎn)24個(gè)經(jīng)比測(cè)所得的平均位移為；5.2m，最大位移為；17.8m，最小位移為；0.3m，位移中誤差為；6.3m，高程比測(cè)的中誤差為；6.4m。
根據(jù)比測(cè)資料的統(tǒng)計(jì)計(jì)算，我們可以發(fā)現(xiàn)；手持式GPS的測(cè)量精度，與測(cè)點(diǎn)所處的位置接受衛(wèi)星信號(hào)的好壞有關(guān)；同一測(cè)點(diǎn)的平面誤差與高程誤差不相關(guān)(相關(guān)系數(shù)只有0.155)；平面誤差系列與高程誤差系列能通過t檢驗(yàn)，說明兩系列為同一總體樣本。
根據(jù)所有24點(diǎn)比測(cè)數(shù)據(jù)，其中定位誤差較大的測(cè)點(diǎn)(大于10m)系處于建筑物密集、桿線較多、高大樹木等的測(cè)點(diǎn)，其天雪覆蓋率較高。如果剔除該部分測(cè)點(diǎn)，定位中誤差則更��；而且當(dāng)對(duì)于持式GPS進(jìn)行坐標(biāo)參數(shù)的計(jì)算與修正后，只要在定點(diǎn)的測(cè)量時(shí)間達(dá)到2min以上，就可使其平面定位中誤差控制在7m以內(nèi)。因此，在平面定位方面，可用其進(jìn)行1/5000及以下精度的水邊、水下定位測(cè)量或1/10000及以下精度的地形散點(diǎn)、地物地貌的平面定位測(cè)量。
5 手持式GPS使用時(shí)注意事項(xiàng)
(1)使用前要對(duì)于持式GPS進(jìn)行檢查，包括:外觀、電池、屏顯、功能等。
(2)參數(shù)的換算、設(shè)置要正確。需要驗(yàn)證的參數(shù)，必須通過驗(yàn)證后才能使用。
（3）定點(diǎn)測(cè)量與導(dǎo)航功能一定不能混為一團(tuán)，導(dǎo)航(動(dòng)態(tài))的誤差遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于定點(diǎn)測(cè)量的誤差。
（4）除定位測(cè)量前需完成初始化之外，測(cè)點(diǎn)定位作業(yè)時(shí)還應(yīng)保證在測(cè)點(diǎn)處略作停留(不得少于1min)。
（5）注意定位作業(yè)時(shí)屏顯導(dǎo)航定位精度指標(biāo)和天空覆蓋率。當(dāng)衛(wèi)星信號(hào)可能存在問題(少于4顆衛(wèi)星)或有其它影響GPS定位測(cè)量精度的因素時(shí)(如強(qiáng)電磁干擾等) ，應(yīng)暫停(等待衛(wèi)星信好轉(zhuǎn)或其它影響因素排除)或放棄定位作業(yè)。
6 結(jié) 語(yǔ)
手持式GPS，因其價(jià)格低廉、社會(huì)應(yīng)用普及應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，受到了交通、測(cè)繪、勘探、探險(xiǎn)、旅游、林業(yè)、礦產(chǎn)、水利等諸多行業(yè)領(lǐng)域的青睞。但要使其在測(cè)繪領(lǐng)域更好地發(fā)揮作用，要求我們不僅要正確設(shè)置坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)，還要嚴(yán)格按操作規(guī)程正確地操作和使用、及時(shí)地修訂和完善技術(shù)規(guī)定與操作規(guī)程，這樣才能更好地達(dá)到應(yīng)用目的。