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《测绘综合能力》精讲29页

2017-05-29  朦胧斋主人
  《测绘综合能力》精讲

  《测绘综合能力》精讲29页

  《测绘综合能力》精讲

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  大地测量概论

  1、大地测量的任务

  主要任务是建立国家或者大范围的精密控制测量网,内容包括三角测量、导线测量、水准测量、天文测量、重力测量、惯性测量、卫星大地测量以及各种大地测量数据处理等。它为大规模地形图测制及各种工程测量提供高精度的平面控制和高程控制,为空间科学技术和军事用途提供精确的点位坐标、距离、方位及地球重力资料,为研究地球形状和大小、地壳形变及地震预报等科学问题提供资料。

  2、现代大地测量的特点

  1)长距离、大范围;2)高精度;3)实时、快速;4)四维;5)地心;6)学科融合。

  3、大地测量的作用

  大地测量师组织、管理、融合和分析地球海量时空信息的一个数理基础,也是描述、构建和认知地球,进而解决地球科学问题的一个时空平台。各种测绘只有在大地测量基准的基础上,才能获得统一、协调、法定的平面坐标和高程系统,才能获得正确的点位和海拔高以及点之间的空间关系和尺度。

  4、大地测量系统与参考框架

  大地测量系统规定了大地测量的起算基准、尺度标准以及实现方式(包括理论、模型和方法)。大地测量参考框架时通过大地测量手段,由固定在地面上的点所构成的大地网(点)或其他实体(静止或者运动的物体)按相应于大地测量系统的规定模式构建的,是对大地测量系统的具体实现。大地测量系统是总体概念,大地测量参考框架是大地测量系统的具体应用形式。大地测量系统包括:坐标系统、高程系统、深度基准和重力系统。对应的大地参考框架有:坐标参考框架、高程参考框架和重力参考框架。

  5、大地测量坐标系统合大地测量常数

  大地测量坐标系统是非惯性坐标系统,根据原点位置不同,可以分为地心坐标系统和参心坐标系统,从表现形式可以分为空间直角坐标系统和大地坐标系统;空间直角坐标一般用(X,Y,Z)表示,大地坐标一般用(经度λ,纬度φ,大地高H)表示。

  注:大地高是指空间点沿椭球面法线方向至椭球面的距离。

  大地常数是指地球椭球几何和物理参数,它分为基本常识和导出常数。

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  6、参心坐标框架

  参心坐标框架是一种区域性、二维静态的地球坐标框架,是由天文大地网实现和维持的。20世纪,世界上绝大部分国家或者地区都采用天文大地网来实现和维持各自的参心坐标框架。我国在20世纪50~80年代完成了全国天文大地网,分别定义了1954北京坐标系统和1980西安坐标系统。

  7、地心坐标框架

  国家地面参考框架(ITRF)是国际地面参考系统(ITRS)的具体实现。它以甚长基线干涉测量(VLBI)、卫星激光测距(SLR)、激光测月(LLR)、GPS和卫星多普勒定轨定位(DORIS)等空间大地测量技术构成全球观测网点,经数据处理,得到ITRF点(地面观测点)站坐标和速度场等。目前,ITRF已成为国际公认的应用最广泛、精度最高的地心坐标框架。

  2000国家大地控制网是定义在ITRS2000地心坐标系统中的区域性地心坐标框架。

  8、高程基准

  高程基准定义了陆地上高程测量的起算点,区域性的高程基准可以用验潮站的长期平均海面来确定,通常定义该平均海平面的高程为零。1954年,我国确定用青岛验潮站计算的黄海平均海水面作为高程基准面,并在青岛市观象山修建了国家水准原点。1956年计算出我国水准原点高程为72.289m,我国现行的1985年国家高程基准为72.2604m。

  9、高程系统

  我国高程系统采用正常高系统,正常高的起算面是似大地水准面。

  10、高程框架

  高程框架是高程系统的实现。高程框架分四个等级:国家一、二、三、四等水准控制网。另外一种高程框架形式是通过(似)大地水准面精化来实现的。

  11、重力系统和重力框架

  重力测量就是测定空间一点的重力加速度。重力参考系统则是指采样的椭球常数及其相应的正常重力场。重力测量框架是由分布在各地的若干绝对重力点和相对重力点构成的重力控制网,以及用作相对重力尺度标准的若干条长短基线。

  12、深度基准

  深度基准面的选择与海区潮汐情况相关,常采用当地的潮汐调和常数来计算,由于各地潮汐性质不同,计算方法不同,一些国家和地区的深度基准面也不同。我国1956年以前采用最低低潮面、大潮平均低潮面和实测最低潮面等为深度基准,1957年起采样理论深度基准为深度基准面。

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  13、时间系统与时间系统框架

  空间和时间一起构成四维大地测量。

  时间系统规定了时间测量的参考标准,包括时刻参考标准、时间间隔的尺度标准。

  时间系统框架是某一区域或者全球范围内,通过守时、授时和时间频率测量技术,实现和维持统一的时间系统。

  14、常用的时间系统

  1)世界时(UT)2)原子时(AT)3)力学时(DT)4)协调时(UTC)5)GPS时(GPST)。

  15、时间系统框架

  时间系统框架是对时间系统的实现,包括以下几方面的内容:1)采用的时间频率基准;2)守时系统;3)授时系统4)覆盖范围。

  传统大地控制网

  1、传统大地控制网的建设

  传统大地测量技术建立平面大地控制网就是通过测角、侧边推算大地控制网点的坐标的,具体的方法有:三角测量法、导线测量法、三边测量法和边角同测法。我国建立天文大地网主要采用三角测量法,在西藏等困难地区采用导线测量法。

  2、三角网布设的原则

  1)分级布网、逐级控制;2)具有足够的精度;3)具有足够的密度;4)要有统一的规格。

  3、全国天文大地网整体平差

  全国天文大地网整体平差于1978年至1984年期间完成,1984年6月通过技术鉴定。建立的我国自己的1980国家大地坐标系,并为精化地心坐标提供了条件。全国天文大地网整体平差技术原则1)地球椭球参数IAG-75椭球;2)坐标系统,1980国家大地坐标系和地心坐标系;3)椭球定位于坐标轴指向,1980国家大地坐标系的椭球短轴应平行于由地球质心指向1968.0地极原点(JYD)的方向,首子午面应平行于格林尼治平均天文台的子午面,椭球定位参数以我国范围内高程异常值平均和最小为条件求定。

  4、经纬仪种类

  经纬仪一般分为光学经纬仪、电子经纬仪及全站型电子测速仪。

  5、光学经纬仪检验

  作业前由具有仪器检验资质的机构按照行业标准《光学经纬仪》(JJG414-2003)的有关规定执行。

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  6、电子经纬仪或者全站仪检验

  作业前由具有仪器检验资质的机构按照行业标准《全站型电子测速仪》(JJG100-2003)的有关规定执行。

  7、光电测距仪

  光电测距仪按测程分类,分为短程(小于3KM)、中程(3KM至15KM)、长程(15KM至60KM)。

  光电测距仪检定:作业前由具有仪器检验资质的机构按照行业标准《光电测距仪》(JJG703-2003)的有关规定执行。

  8、水平角观测的主要误差影响

  使用经纬仪在野外进行观测时,其观测误差主要于:1)观测人员引起的误差;2)外界观测条件引起的误差,如大气条件、太阳方位、地形、地物等;3)仪器精度引起的误差。

  9、水平角观测方法

  1)方向观测法;2)分组方向观测法;3)全组合测角法。

  三角测量观测与外业验算

  1、观测程序

  1)准备:安装仪器、确定仪器整置中心、测定测站点和照准点归心元素、设置测伞、整置仪器、选择零方向、编制观测度盘表等。

  2)观测,具体要求见《国家三角测量和精密导线测量规范》。

  3)观测完成,离开本点之前,应对成果进行详细的检查、整理和计算,埋封好标石。

  2、三角测量外业验算

  1)检查外业资料,包括观测手簿、观测记簿、归心投影用纸等。

  2)编制已知数据表和绘制三角锁网图。

  3)三角形近似球面边长计算和球面角超计算。

  4)归心改正计算,并将观测方向值化至标石中心。

  5)分组的测站平差。

  6)三角形闭合差和测角中误差的计算。

  7)近似坐标和曲率改正计算。

  8)极条件闭合差计算,基线条件闭合差计算,方位角条件闭合差计算等。

  三角高程测量

  1、垂直角观测方法

  垂直角观测方法有两种:中丝法和三丝法,这两种方法本质上是一样的,在实际作业中可以灵活选用。

  1)中丝法:以望远镜十字丝的水平中丝为准,照准目标测定垂直角。

  2)三丝法:以望远镜三根水平丝为准,依次照准同一目标来测定垂直角。

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  当测站上均有若干个观测方向时,应将所有方向分成若干组,每组包括2~4个方向。每组一测回的观测方法是:盘左时,依次照准改组中所有方向,并分别读取垂直度盘读数;在盘右时,依相反的次序照准该组中所有方向,读取垂直度盘读数。根据规定,各等级三角点上每一方向按中丝法观测时应测四测回,三丝法观测时应测两测回。

  2、高差计算公式

  1)单向观测高差计算实用公式

  在A点观测B点的高程为:

  h12 = S0tanα12 + CS02 + i1 - a2

  式中:S0:A、B两点间的水平距离

  C:垂直折光差与地球弯曲差综合影响的系数,又称球气差系数;

  α12:A点观测B点的垂直角;

  i1:A点仪器高;

  a2:B点觇标高。

  2)用斜距d计算高差的单向公式

  h12 = dsinα12 +((1-K)/2R)d2cos2α12 +(1-H2/R)+ i1 - a2

  式中:H2:照准点的大地高;

  d:A、B点之间的倾斜距离;

  K:折光系数

  α12:A点观测B点的垂直角;

  i1:A点仪器高;

  a2:B点觇标高。

  导线测量

  1、导线测量的布设

  导线是布设国家水平大地控制网的方法之一,导线测量分一、二、三、四等,其布设原则与三角测量类似。一、二、三、四等导线测角、测边的精度要求,应使导线推算的各元素精度与相应等级三角锁网推算精度大体一致。

  一、二等导线一般沿主要交通干线布设,纵横交叉构成较大的导线环,几个导线环连接成导线网。三、四等导线是在一、二等导线网(或者三角锁网)的基础上进一步加密,应布设为符合导线。

  2、导线测量作业及概算

  导线测量的外业和三角测量基本相同,包括选点、造标、埋石、边长测量、水平角观测、高程观测和野外验算等工作。

  1)选点、造标和埋石

  2)边长测量

  3)水平角观测

  4)垂直角观测

  5)导线测量概算

  GPS控制网等级

  1、控制网等级及其用途

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按照国家标准《全球定位系统(GPS)测量规范》(GB/T13814-2009),GPS测量按其精度分为A、B、C、D、E五级。其中:
1)A级GPS网由卫星定位连续运行基站构成,用于建立国家一等大地控制网,进行全球性的地球动力学研究、地壳变形测量和卫星精密定轨测量。
2)B级GPS测量主要用于建立国家二等大地控制网,建立地方或者城市坐标基准框架、区域性的地球动力学研究、地壳变形测量和各种精密工程测量等。
3)C级GPS测量用于建立三等大地控制网,以及区域、城市及工程测量的基本控制网等。
4)D级GPS测量用于建立四等大地控制网。
5)E级GPS测量用于测图、施工等控制测量。
2、卫星定位连续运行基准站网的布设
1)布设原则
CORS依据管理形式、任务要求和应用范围,划分为国家基准站网、区域基准站网和专业应用站网。
(1)国家基准站网
国家基准站网的布设应顾及社会发展、经济建设和自然条件因素。在即将实施的国家大地基准基础设施建设项目中,我国将在全国范围内建设360个地基稳定、分布均匀的连续运行基准站(其中:新建150个、改造60个、直接利用已有的站150个)。
(2)区域基准站网
区域基准站网是指在省、市地区建立的连续运行基准站网,主要构成高精度、连续运行的区域坐标基准框架,为省、市区域提供不同精度的位置服务和相关信息服务。区域基准站网的布设按实时定位精度而选择基准站间的距离,当采用网络RTK技术满足厘米级实时定位,其区域基准站布设间距不应超过80KM。
(3)专业应用站网
专业应用站网是由专业部门或者机构根据专业需求建立的基准网站,用于开展专业信息服务。它的布设间距主要根据专业需求,当满足实时定位分米级要求,则基准站布设间距一般在100~150KM之间。
2)基准站设计与选址
基准站设计时应根据基准站网布设原则,在图上标出设计基准站站址,同时标明基准站及其周围地区的主要地质构造、地震活动,与设计有关的地震台、人卫站,以及可以利用的GPS、大地测量网站点。
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设计完成后应进行实地踏勘选址。选址小组应由熟悉GPS、水准测量的工程师和地质工程师共同组成。基准是投资大并且需要长期稳定使用的基础设施,应该选择地质结构稳定、安全僻静、交通便利,并利用测量标志长期保存和观测的地方。同时基站周围需要有稳定、安全可靠的电源,用于接入公用和专业通讯网络。
站点应距离易产生多路径效应的地物不小于200M,应有10度以上地平高度角的卫星通视条件,距离电磁干扰区的距离不小于200M,同时要避开易产生振动的地带。
站址选定后,应设立一个标注有站名、站号、标石类型的点位标记,拍摄点位的远景、近景照片各一张,并填绘基准站点之记。
3)基础设施建设
基础设施的建设主要是依据基准站建筑整体设计及专项防护设计(如防风、防雷)完成观测墩、观测室的建造,以及电力线、通讯线等管线敷设。观测墩一般为钢筋混凝土结构,依据站址地质环境,观测墩可建为基岩观测墩或者土层观测墩。专业应用网站,根据情况也可建造屋顶观测墩。观测室面积不宜过小,设计时应考虑防水、排水、防风、防雷等因素。电力和信号管线应分别布设,预埋两种管道,并进行动物防护处理,观测室内的温度和相对湿度应满足仪器设备正常运行的要求。
4)设备配置与安装
基站设备主要由全球卫星导航系统接收机、天线、气象设备、不间断电源、通信设备、雷电防护设备、计算机和集成柜等组成。部分GPS基准站配置原子钟、卫星通信设备及空调等设备。各种设备的要求应该符合有关规范和CORS系统设计的要求。
5)数据中心
数据中心以计算机及网络技术为基础,用于数据存储、处理分析和产品服务。建设时应考虑:安全性、可靠性、保密性和可恢复性。数据中心主要由基准站网管理系统,数据处理分析系统和产品服务系统组成。其产品可以分为位置服务、时间服务、气象服务、源数据服务等类型。
6)数据通信网络
基准站网应在专用网络上构建数据通信网络,应采用TCP/IP作为数据通信协议。连接基准站的通信链路可以采用数据专线、无线扩频等通信方式,连接数据中心的通信链路可采用数据专线、卫星通信等通信方式。国家基准站网的基准数据应每日定时传输,区域基准站网和专业应用站网需要提供实时服务时,应该具备数据实时传输能力。
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GPS网布设
1、GPS网技术设计
GPS B、C、D、E级网主要是建立国家二、三、四等大地控制网,以及测图控制点。由于点位多,布设工作量大,布设前应进行设计,以获取最优的布设方案。在技术设计前应该根据任务的需要,收集测区范围内已有的卫星定位连续运行基准站、各种大地点位资料、各种图件、地质资料,以及测区总体建设规划和近期发展方面的资料。技术设计时应对上述资料分析研究,必要时进行实地勘察,然后进行图上设计。图上设计主要依据任务中规定的GPS网布设的目的、等级、边长、观测精度等要求,综合考虑已有的资料、测区地形、地质和交通状况,以及作业效率等情况,按照优化设计原则在设计图上标出新设计的GPS点的点位、点名、点号和级别,还应标出相关的各类测量站点、水准路线及主要的交通路线、水系和居民地等。制定出GPS联测方案,以及与已有的GPS连续运行基准站,国家三角网点、水准点联测方案。设计后应上交野外踏勘技术总结和测量任务书与专业设计书。
2、GPS网点选址与埋石
1)GPS网选点基本原则
GPS B级点必须选在一等水准路线结点或者一等与二等水准路线结点处,并建在基岩上,如果原有水准点附近3KM处无基岩,可选在土层上。
GPS C级点作为水准路线的结点时应选建在基岩上,如结点处无基岩或不利于今后水准联测,可选在土层上。
点位应均匀布设,所选点位应该满足GPS观测和水准联测条件。点位占地应该得到土地使用者或者管理者的同意。
2)选点的基本要求
选点人员应由熟悉GPS、水准测量的测绘工程师和地质工程师组成。选点前应该充分了解测区的地理、地质、水文、气象、交通、通信和水电等信息。实地勘察点位时,点位确定后用手持GPS接收机测定大地坐标,同时考察卫星通视环境与电磁干扰环境,确定可用标石类型,记录点之记的相关内容,树立标志牌,拍摄照片。点位应该选择在稳定的基岩、岩石、土层、建筑物顶部等能够长期保存及满足观测、扩展、使用条件的地点,并做好选点标记。选点时应该避开环境变化大、地质环境不稳定的地区,远离反射功率强大的无线电发射源、微波信道、高压线等,距离不小于200米。选点时应该避开多路径影响,点位周围应保证高度角15度以上无遮挡。绘制水准联测示意图,完成后提交选点图、点之记信息、实地选点情况说明、对埋石工作的建议。
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3)GPS点建造
B级点:基岩GPS、水准共用标石;C级点:基岩GPS、水准共用标石,或者土层GPS、水准共用标石;E级:基岩GPS、水准共用标石,或者土层GPS、水准共用标石,或者楼顶GPS、水准共用标石。
3、GPS接收机检验
作业所使用的GPS接收机及天线都必须送国家计量部门认可的仪器检定单位检定,检定合格后在有效期内使用。在某些特殊情况下或者在使用过程中发现仪器有异常情况,可以依照行业标准《全球定位系统(GPS)测量型接收机检定规程》(CH/T8016)所述方法进行检验。
4、GPS观测实施
GPS土层点埋石结束后,一般地区应该经过一个雨季,冻土深度大于0.8M的地区还应该过一个冻、解期,岩层上埋设的标石应经过一个月,方可进行观测。
1)技术要求:
最少观测4颗星,采样间隔30秒;静态观测模式,观测卫星截止高度角10度,坐标和时间系统为WGS84和UTC;B级点连续观测3个时间段,每个时间段不少于23小时;C级点连续观测不少于2个时间段,每个时间段不少于4小时;D级点连续观测不少于1.6个时间段,每个时间段不少于1小时;E级点连续观测不少于1.6个时间段,每个时间段不少于40分钟。
2)各等级大地控制网观测均要求采用双频大地型GPS接收机。
3)观测方案:
(1)基于GPS连续运行站的观测模式;(2)同步环边连接GPS静态相对定位观测模式:同步观测仪器台数不少于5台,同步环边数不大于6条,环长应不大于1500KM。
4)作业要求
架设天线时要严格整平、对中,天线定向线应指向磁北,定向误差不大于±5度;检查仪器、天线及电源的连接情况,确认无误后方可开机观测;开机后输入测站编号、天线高等测站信息;在每个时间段的观测前后各量测一次天线高,读数精确至1MM;观测手簿必须在观测现场填写,严禁事后补记和涂改编造数据;观测员应该定时检查接收机的各种信息,并在手簿中记录需填写的信息,有特殊情况时应在备注栏中注明;观测员要认真、细心操作仪器,防止人或者牲畜碰动仪器、天线和遮挡卫星信号;雷雨季节观测时,仪器、天线要注意防雷击,雷雨过境时应关闭接收机并卸下天线。
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5)数据下载与存储
观测时段结束后,应及时将观测数据下载;每天的原始数据使用一个子目录,每天的RINEX数据使用另一个子目录;原始数据域RINEX数据必须在微机硬盘中保存到上交的数据检查验收完成后,并在不同的介质上备份。
6)外业数据检查与技术总结
数据质量检查应该采用专门的软件进行,检查内容包括:观测卫星总数,数据可利用率,L1、L2频率的多路径效应影响MP1、MP2应小于0.5m,GPS接收机时钟的稳定性不低于10-8等。
技术总结编写执行CH/T1001-2005,应该包括的内容:任务的、任务内容、完成情况、测区概况、作业依据、采用的基准及已有资料利用情况、作业组织实施、仪器检验、质量控制、技术问题的处理、存在的问题和建议,体积成果内容等。
GPS RTK测量
1、临时基站RTK测量
1) GPS RTK测量过程
GPS RTK测量过程一般包括:基准站选择和设置、流动站设置、中继站的设立等。 1)基准站的观测点位的选择和系统设置
(1)GPS RTK定位的数据处理过程是基准站和流动站之间的单基线处理过程,基 准站和流动站的观测数据质量好坏、无线电的信号传播质量好坏对定位结果的影响很 大。实际野外工作时,流动站作业点是由测量任务决定的,因此基准站的选择就显得 尤为重要了。
(2)基准站的设置包括:建立项目和坐标系统管理、基准站电台频率的选择、 GPS RTK工作方式的选择、基准站坐标输入、基准站工作启动等。
2)流动站GPS的设置
流动站GPS的设置包括:建立项目和坐标系统管理、流动电台频率的选择、有关坐 标的输入、GPS RTK工作方式的选择、流动站RTK工作启动、使用RTK流动站测量地形点 等。
3)中继站电台的设立
中继电台只是转发信号,只要中继电台能够接收基准站电台信号,同时能够将其 发送给流动站使用,可以按需安排随时任意安排位置。
2、网络RTK测量
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实时网络RTK服务,是利用基准站的载波相位观测数据与流动站的观测数据进行实 时差分处理,并解算整周模糊度,由于通过差分消去了绝大部分的误差,因而可以达 到厘米级定位精度。网络RTK不需要架设基准站,并传统的RTK测量效率提高30%左右。 网络RTK根据解算模式可以分为:
1)单基站RTK技术
CORS站网由若干给CORS站组成,GPS差分信号可从各个CORS站发出,也可以从数据 中心发出。在这种网络RTK模式下,每个基准站服务于一定作用半径的GPS用户,对于 一般的RTK应用,服务半径可以达到30KM。GPS差分数据播发的数据链,可以用无线电 台,也可以用公用无线通信网络。
2)虚拟基准技术(VRS)
VRS技术是现有RTK技术的代表。采用VRS技术,基准站网子系统必修包括三个以上 的连续运行基准站,数据中心通过组合所有基准站的数据,确定整个CORS覆盖区域的 电离层误差、对流层误差、轨道误差模型等。作业时,首先通过GPRS或者CDMA无线通 信网络向数据中心发出服务请求,并将流动站的概略位置回传给数据中心,数据中心 利用与流动位置最接近的三个基准站的观测数据及误差模型,生成一个对应于流动站 概略位置的虚拟基准站(VRS),然后将这个虚拟基准站的改正数据信息发送给流动站 ,流动站再结合自身的观测数据实时解算其所在位置的精确坐标。
3)主副站技术(MAC)
主副站技术,首先选择一个基准站作为主站,并将主站所有的改正数及坐标信息 传送给流动站,而网络中其他基准站只是将其相对与主站的改正数变化及坐标差信息 传送给流动站,从而减少了传送的数据量。
VRS和MAC技术服务半径一般可以达到40KM左右。
GPS 测量数据处理
1、外业数据质量检核
GPS 外业观测数据质量检核主要包括以下内容:
1)数据剔除率。
同一时段内观测值的数据剔除率不应该超过10%。
2)复测基线的长度差。
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C、D级网基线处理和B级网外业预处理后,若某基线向量被多次重复,则任意两个基线长度差ds应该满足以下条件:
其中,σ为相应级别规定的基线中误差,计算时边长按实际平均边长计算。同一点间不同时段的基线数据(与连续运行站网)长度较差,两两比较野应该满足上式。
3)同步观测环闭合差。
第三边处理结果与前两边的代数和之间的差值,应该满足以下条件:
其中,σ为相应级别规定的基线中误差,计算时边长按实际平均边长计算。
4)独立环闭合差及符合线路坐标闭合差。
C、D级网及B级网外业基线预处理结果,其独立闭合环或符合线路坐标闭合差应满足以下条件:
其中,σ为基线测量中误差,n为闭合边数,wx = (wx2+wy2+wz2)1/2计算时边长按实际平均边长计算。
2、GPS网基线精处理结果质量检核
GPS网基线精处理结果质量检核包括以下内容:
1)精处理后基线分量及边长的重复性;
2)各时间段的比较差;
3)独立闭合环差或者附和线路的坐标闭合差。精处理结果应该满足相应规范。
3、GPS网平差
使用GPS数据处理软件进行GPS网平差,首先提取基线向量,其次进行三维无约束平差,再次进行约束平差和联合平差,最后进行质量分析和控制。
常用坐标系统
一、大地坐标系
大地坐标系是参心坐标系,其坐标原点位于参考椭球中心,以参考椭球面为基准面,用大地经度L、纬度B和大地高H表示地面点位置。过地面点P的子午面与起始子午面间的夹角叫P点的大地经度。由起始子午面起算,向东为正,叫东经(0°~180°),向西为负,叫西经(0°~-180°)。过P点的椭球法线与赤道面的夹角叫P点的大地纬度。由赤道面起算,向北为正,叫北纬(0°~90°),向南为负,叫南纬(0°~-90°)。从地面点P沿椭球法线到椭球面的距离叫大地高。大地坐标坐标系中,P点的位置用L,B表示。如果点不在椭球面上,表示点的位置除L,B外,还要附加另一参数——大地高H,它同正常高H正常及正高H正有如下关系:
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二、地心坐标系
地心坐标也是以参考椭球为基准面,地心坐标系与上述大地坐标系不同之处是,地面点P的纬度是以P的向径PO与大地赤道面的交角,这个交角称为地心纬度。地心坐标系应该满足以下4个条件:(1)原点位于整个地球(包括海洋和大气)的质心;(2)尺度是广义相对论意义下某一局部地球框架内的尺度;(3)定向为国际时间局测定的某一历元的协议地极和零子午线,称为地球定向参数(EOP);(4)定向随时间的演变满足地壳无整体运动的约束条件。
三、空间直角坐标系
以椭球体中心O为原点,起始子午面与赤道面交线为X轴,在赤道面上与X轴正交的方向为Y轴,椭球体的旋转轴为Z轴,构成右手坐标系O.XYZ,在该坐标系中,P点的位置用X,Y,Z表示。
在测量应用中,常将地球空间直角坐标系的坐标原点选在地球质心(地心坐标系)或参考椭球中心(参心坐标系),z轴指向地球北极,x轴指向起始子午面与地球赤道的交点,y轴垂直于XOZ面并构成右手坐标系。
四、站心坐标系
在描述两点间关系式,为方便直观,一般采用站心坐标系。根据坐标表示方法,有可以分为站心直角坐标系和站心极坐标系。
以P0点为中心的站心直角坐标系定义
(1)原点位于P0;
(2)U轴与过P0点的参考椭球的法线重合,指向天顶;
(3)N轴垂直于U轴,指向参考椭球的短半轴;
(4)E轴垂直于U轴和N轴,形成左手系;
(5)在站心直角坐标系下的点N、E、U坐标为改点在三个坐标轴上投影长度。
以P0点为中心的站心极坐标定义
(1)NP0E平面为基准面;
(2)极点位于P0;
(3)极轴为N轴。
点在站心极坐标系下的坐标用极距、方位角和高度角表示。
五、高斯直角坐标系
采用横切圆柱投影-高斯-克吕格投影的方法来建立平面直角坐标系统,称为高斯-克吕格直角坐标系,简称为高斯直角坐标系。高斯-克吕格投影就是设想用一个横椭圆柱面,套在旋转椭球体外面并与旋转椭球体面上某一条子午线相切,同时使椭圆柱的轴位于赤道面内并通过椭圆体的中心,相切的子午线称为中央子午线。然后将中央子午线附近的旋转椭球面上的点、线投影至横切圆柱面上去,再顺着过极点的母线,将椭圆柱面剪开,并展成平面,这个平面称为高斯-克吕格投影平面,简称高斯投影。高斯投影平面上的中央子午线投影为直线且长度不变,其余的子午线均为凹下中央子午线的曲线,其长度大于投影前的长度,离中央子午线越远长度变形越长,为了将长度变化限制在测图精度允许的范围内,通常采用6度或者3度分带法。
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高程控制网
1、水准网的布设原则及其精度
大国家高程控制网主要是指国家一、二、三、四等水准网。我国水准点的高程采用正常高系统,按照1985国家高程基准起算,青岛国家原点高程为72.260m。水准网的布设原则是由高级到低级,从整体到局部,逐级控制,逐级加密。
一等水准路线是国家高程控制网的骨干,同时也是研究地壳和地面垂直移动及有关科学研究的主要依据。一等水准路线应该沿着地质结构稳定、路面坡度平缓的交通路线布设。水准路线应该合成环,构成网状。二等水准路线是国家高程控制的全面基础,应在一等水准环内布设,二等水准路线尽量沿省、县级公路布设,如有特殊需要可以跨铁路、公路及河流布设。三、四等水准网是在一、二等水准网的基础上进一步加密,根据需要在高等级水准网内布设成附合路线、环线或者结点网,直接提供地形和各种工程建设的高程控制点。
2、水准路线的选择和水准标石的埋设
(1)图上设计
(2)实地选线和选点
(3)标石埋设
3、水准测量作业方法及误差
(1)仪器误差
(2)外界因素引起的误差
(3)观测误差
4、水准观测的程序和基本要求
(1)观测前30分钟,应将仪器置于露天阴影下,使仪器与外界的气温趋于一致;设站时,应用测伞遮蔽阳光,迁站时,应罩以仪器罩。使用数字水准仪前,还应该进行预热,预热不少于20次单次测量。
(2)对气泡式水准仪,观测前应测出倾斜螺旋的置平零点,并作标记,随着气温变化,应随时调整零点位置。对于自动安平水准仪的圆水准器,应严格置平。
(3)在连续各测站上安置水准仪的三脚架时,应使其中两脚与水准路线的方向平行,而第三脚轮换置于路线方向的左侧与右侧。
(4)除路线转弯处,每一测站上仪器与前后视标尺的三个位置,应接近一条直线。
(5)不应为了增加标尺读数,而把尺桩安置在壕坑中。
(6)转动仪器的倾斜螺旋和测微鼓时,其最后旋转方向,均应为旋进。
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(7)每一测段的往返,其测站数均为偶数。由往测转向返测时,两支标尺应互换位置,并应重新整置仪器。
(8)在高差甚大地区应选用长度稳定,标尺名义米长度偏差和划分偶然误差较小的水准尺作业。
(9)对于数字水准仪,应避免望远镜直接对准太阳,尽量避免视线被遮挡,遮挡不要超过标尺在望远镜中截长的20%,仪器只能在厂方规定的温度范围内工作,确信震动源造成的震动消失后才能启动测量键。
5、水准测量外业计算
(1)观测数据的检查
(2)外业高差和概略高程表的编算
(3)每千米水准测量的偶然中误差计算
(4)每千米水准测量的全中误差计算
重力测量设计
1、重力控制测量等级
重力控制网采用逐级控制方法,首先在全国范围内建立各级重力控制网,然后在此基础上根据各种不同目的和用途再进行加密重力测量。国家重力控制网测量分为三级:国家重力基本网,国家一等重力网,国家二等重力点。此外还有国家级重力仪标定基线。
重力基本网是重力控制网中最高级控制,它由重力基准点和基本点以及引点组成。重力基准点经多台、多次的高精度绝对重力仪测定。基本点以及引点由多台高精度的相对重力仪测定,并与国家重力基准点联测。一等重力网是重力控制网中次一级控制,由一等重力点组成,重力点由多台高精度的相对重力仪测定,并与国家重力基准点或国家重力基本点联测。二等重力点是重力控制中的最低级控制,主要是为加密重力测量而设定的重力控制点,其点位可由一台高精度的相对重力仪测定,并与国家重力基本点或一等重力点联测。
国家级重力仪标定基线主要是为标定施测所用的相对重力仪格值,分为长基线和短基线两种。重力标定基线点具有较高的精度,可以作为重力控制点使用,但在控制网中无级别。

2、重力控制测量设计原则
重力测量的目的,是建立国家重力基准和重力控制网。国家重力基准是由一定数量分布合理的重力基准点组成的重力基准网,以构成控制全国的重力测量的基准框架。重力基准点的设计首先应该先根据国家绝对重力测量的能力,确定点数,其次应该考虑点位的区域均匀分布,选择地壳板块稳定,无较大质量搬迁地区,交通便利,并远离震动的基岩上。基本重力控制点应在全国构成多边形网,点距应在500KM左右。
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一、二等重力点的布设应该满足各部门进行区域重力测量的需要,在全国范围内分布,点间距应在300KM左右,由基本重力点开始联测,可不设成附和形式、闭合形式。在条件苦难地区,也可以联测成支线形式。
长基线应基本控制全国范围内重量差,大致沿南北方向布设,两端重力值之差应大于200010-5ms-2,每个基线点应为基准点;短基线按区域布设,两端站重力值之差应大于15010-5ms-2。段差相对误差应小于510-5。短基线至少一个端点与国家重力控制点联测。
3、加密重力测量设计原则
加密重力测量主要是测定地球重力场的精细结构,为大地测量、地球物理学、地质学、地震学、海洋学和空间技术等领域所需的重力异常、垂线偏差、高程异常和空间扰动引力场等提供地球重力场数据。目前,加密重力测量的主要任务及服务对象:
(1)在全国建立5′5′的国家基本格网的数字化平均重力异常模型;
(2)为精化大地水准面,采用天文、重力、GPS水准测量方法确定全国范围的高程异常值;
(3)为内插大地点求出天文大地垂直线偏差;
(4)为国家一、二等水准测量提供正常高系统改正。
重力测量仪器及检验
1、FG5型绝对重力仪检查和调整
FG5型绝对重力仪安装要点:
(1)首先将超长弹簧三脚基座安置于测点仪器墩上,使仪器墩的测量标志位于基座中心,将超长弹簧筒置于基座上。
(2)将激光干涉仪置于超长弹簧上方。
(3)将落体舱基座安装三条支撑腿,然后架在激光干涉仪上方。将塑胶垫块置于支撑腿下方的墩面上,在塑胶垫块上分别安放托垫及玛瑙球。转动相应托垫螺旋,使落体舱顶部的两个相互垂直的水准器泡居中。
(4)根据仪器说明书的操作说明,连接各部件之间的连线,包括光纤连线,依次接通各部件电源。
FG5型绝对重力仪在工作之前主要进行以下检查和调整:
检查和调整激光稳频器、激光干涉仪和时间测量系统;
调整测量光路的垂直性;
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调整超长弹簧的参数;
熟人检验程序和观测计算程序;
输入测点有关数据(测点编号、经纬度、高程、重力垂直梯度等);
运行检验程序,检查计算机运行状态。
2、拉科斯特型相对重力仪检验与调整
我国使用拉科斯特型(简称LCR)相对重力仪,用于测定基本重力点和一等重力点。仪器在作业前及作业期间需定期对重力仪进行检验和调整:
(1)光学位移灵敏度的测定与调整;
(2)正确读数线的检验与调整;
(3)横水准器的检验与调整;
(4)电子读数零位与检流计零位的检验与调整;
(5)电子灵敏度的测定与调整;
(6)光学位移线性度的检验;
(7)电子读数线性度的检验。
3、石英弹簧重力仪检验和调整
测定二等重力点及加密重力点的相对重力仪,可以采用石英弹簧重力仪或者金属弹簧重力仪,对于石英弹簧重力仪进行如下检验和调整:
(1)面板位置的检查与调整;
(2)纵、横水准器的检验与调整;
(3)亮线灵敏度的检验与调整;
(4)量测范围的调整。
重力测量
1、重力测量
(1) 绝对重力测量
(a) 绝对重力仪观测
观测前首先要设置有关参数,包括运行命令、观测参数、仪器参数等。绝对重力仪自动运行,开始观测采集数据。
由每次下落采集的距离和时间对组成观测方程,解算出落体下落初始位置高度处的观测重力值g,绘制下落结果直方图,进行固体潮改正、气体改正、极移改正和光速有限改正,并将重力值g,进行观测高度改正,分别归算至离墩面1.3m处和墩面的观测重力值。
在测量过程中,观测员应根据测点观测环境适时察看仪器的运行情况,发现问题(如旗袍拍内衣、频率参数偏离、激光垂直度偏离等)应及时调整、改正,并认真和详细填写“FG5绝对重力测量观测记录表”。
每个点的总均值标准差应小于 ±510-8ms-2。
当获得足够数量下落个数和满足精度要求的观测结果后,才能拆解仪器,结束该点绝对重力仪观测。
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(2) 重力垂直梯度和水平梯度的测定
每个绝对重力点在测定重力值时,也应同时测定重力垂直梯度,如果该点过去未进行过水平梯度测量,则还需测定水平梯度。在测量前应对所用的重力仪进行电子(或光学)灵敏度和纵横气泡的检验,每月或大跨度转移测区时应进行电子(或光学)灵敏度、纵横水准气泡、正确读书线和电子读书线性度(或光学位移线性度)四项检验。
2、基本重力点联测
国家基本重力点(含引点)联测应采取对称联测,即:A—B—C?C—B—A,观测过程中仪器停放超过2小时,则在停放点应重复观测,以消除静态零漂。每条侧线一般在24小时内闭合,特殊情况可以放宽到48小时。每条测线计算一个联测结果。
3、一、二等重力点联测
一等重力点联测路线应组成闭合环或附合在两基点间,其测段数一般不超过5段,特殊情况下可以按辐射状布测一个一等点。联测时应采用对称观测,即:A—B—C ?C—B—A,观测过程中仪器停放超过2小时,则在停放点应重复观测,以消除静态零漂。每条侧线一般在24小时内闭合,特殊情况可以放宽到48小时。每条测线计算一个联测结果。
二等重力点联测起算点为重力基本点、一等重力点或其引点。联测组成的闭合路线或附合路线中的二等重力点数不得超过4个,在支测路线中允许支测2个二等重力点。一般情况下,二等联测应尽量采用三程循环法,即:A—B—A,B—A—B作为两条测线计算。每条侧线一般在36小时内闭合,困难地区可以放宽到48小时。
一、二等重力点联测使用LCR重力仪,每点观测程序与国家基本重力点(含引点)联测相同。一等重力点(含引点)段差联测中误差不得大于±2510-8ms-2,二等重力点段差联测中误差不得大于±25010-8ms-2。
4、加密重力点联测
加密重力点联测的起算点为各等级重力控制点,重力测线应形成闭合或附合路线,其闭合时间一般不应超过60小时,困难地区可以放宽到84小时。
5、平面坐标和高程测定
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每个重力点都必须测定平面坐标和高程。重力点坐标采用国家大地坐标系,高程采用国家高程基准。各等级的重力点的平面坐标、高程测定中误差不应超过1.0 m.
加密重力点的点位相对于国家大地控制点的平面点位中误差不得超过100m,相对精度不低于国家四等水准点的高程点的中误差不应超过1.0m,困难地区可以放宽到2.0m。
6、重力观测的数据计算及上交资料
(1)重力测量数据计算
绝对重力测量数据计算包括以下内容:
(a)墩面或离墩面1.3m高度处重力值计算;
(b)每组观测重力值计算的平均值计算及精度估算;
(c)总平均值计算及精度估算;
(d)重力梯度计算。
(2) 相对重力测量数据计算
相对重力测量数据计算包括以下内容:
(a)初步观测值的计算;
(b)零漂改正后的观测值计算。
(3) 重力测量上交资料
绝对重力测量、相对重力测量和加密重力测量应上交的资料应符合规范和技术设计的要求,资料应包括纸制与电子文档。
似大地水准面精化
1、似大地水准面概念与作用
大地水准面:也称为重力等位面,它既是一个几何面,又是一个物理面,相当于地球让完全静止的海水所包围的一个曲面。
正高:地面点沿重力线到大地水准面的距离称为正高。
根据位差理论,某带定点的正高应等于沿水准路线所测的位差除以该点的重力平均值gm,由于gm不能准确球出,所以正高在解算过程中有一定难度。为此,普遍采用待定点的正常重力值rm替换沿重力线到大地水准面的重力平均值gm,水准路线上的重力仍采用实测重力值。这样由于重力值的改变,其效果相当于高程起算面也发生了变化,即不再是大地水准面,而称为似大地水准面。似大地水准面在海洋上同大地水准面一致,但在陆地上有差别,它是正常高的起算面,地面点沿重力线到似大地水准面的距离称为正常高。以似大地水准面定义的高程系统称为正常高系统。我国目前采用的法定高程系统就是正常高系统。
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大地高:从地面点沿法线到我们采用的参考椭球面的距离。它的起算面也就是我们所采用的参考椭球面。由此可以看出当采用不同的参考椭球时,所得到的大地高也是不同的。
参考椭球面与大地水准面之差的距离称为大地水准面差距,记为N,参考椭球面与似大地水准面之差的距离称为高程异常,记为ζ。如果设地面某一点的大地高为H,它的正高为h正高,正常高为h正常高,则有:
H=h正高+N=h正常高+ζ
所以,当我们知道某一点的大地高H和h正常高,则可以求出某一点的高程异常ζ。反之,若知道某一点的大地高H和高程异常ζ,则可以求出某一点的正常高h正常高。
在传统大地测量时期,外业获取的大地测量数据均要归算到椭球面上才能进行大地测量计算,必须知道所测三角点的大地高,为此,大地测量工沿着一等三角锁段布设了天文重力水准路线,利用天文重力水准的方法计算出高程异常ζ,再利用水准联测三角点,求出三角点的正常高h正常高,按照H= h正常高+ζ,求出各三角点的大地高。由此可见,为求出三角点的大地高所付出的代价是巨大的。
而现代采用GPS定位技术,点位大地高与坐标直接求出,只要在一个区域内精确确定高程异常ζ,则可以求出正常高h正常高,改变了以前为得到点位的正常高必须进行传统水准测量。
2、似大地水准面精化方法
确定大地水准面的方法可归纳为:几何法(如天文水准、卫星测高及GPS水准等)、重力学法及几何与重力联合法(或称组合法)。目前,陆地局部大地水准面的精化普遍采用组合法,即以GPS水准确定的高精度但分辨率较低的集合大地水准面作为控制,将重力学方法确定的高分辨率但精度较低的重力大地水准面与之拟合,以达到精化局部大地水准面的目的。
似大地水准面精化设计
1、设计原则
(1)与建设现代化的国家测绘基准相结合
考虑到我国天文大地网逐渐失去控制作用,而2000国家GPS大地控制网还未构成完整的体系取代我国天文大地网,我国高程控制网现势性较差。为此,在开展精化区域似大地水准面地区按照国家测绘基准现代化的建设的总体设计布设了GPS B及网点,复测了国家二等水准路线。
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(2)全面规划和建设地方基础测绘控制网
在开展精化区域似大地水准面的地区,应全面规划和建设地方基础测绘网。布设具有一定密度和足够精度的GPS C级网,布设一定密度满足地方经济建设的二、三等水准路线。
(3)充分利用已有数据
当前,地质物探部门在全国大部分区域已进行了1:20万重力普查,我国1:5万DEM数据库也已建成,1:5万DEM数据分辨率(约0.75〞)。精华区域似大地水准面,应对上述资料充分加以利用。
(4)与国家似大地水准面精化目标一致
精化似大地水准面是大地测量的一项长期任务,在区域似大地水准面精化工作中,要考虑到成果能为今后全国似大地水准面精化所利用。为此,应规范数据采集标准,建立完整的成果档案。
2、GPS水准点边长的确定
区域似大地水准面精化后要达到GPS技术代替低等级水准测量目的,满足大比例尺测图,其精度指标应为:城市±5.0cm,平原、丘陵±8.0 cm,山区±15.0 cm。其分辨率应为2.5ˊ2.5ˊ。
在布设GPS水准点时,如果不考虑重力测量误差,可按式(2-1)计算布设GPS水准格网边长。
d=714.9mζc-1λ-1/-2 (2-1)
式中,d为GPS水准格网边长,以千米为单位;mζ为高程异常,以米为单位;λ为平均重力异常栅格分辨率,以分为单位;c为地形类别与格网平均重力异常代表误差系数,平均为0.54,丘陵为0.81,山地位1.08,高山地为1.5。
3、GPS水准点大地高测定精度
去与似大地水准面精化,其实是几何大地测量和物理大地测量的综合运用,是大地测量成果的综合利用。它的误差源主要来自4方面:
(1)GPS测定大地高的误差;
(2)水准测量误差:GPS C级网点联测三等水准,每千米测量的偶然中误差为±3.0mm,;
(3)重力测量误差:对15个省、市区域加密重力资料分析,重力值的精度大部分优于0.5毫伽;
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(4)地形数据DEM的误差:DEM格网间距在500m时,对大地水准面的影响最大为0.006m。
在未考虑水准观测起算误差的情况下,如设GPS测定的大地高差为mG,,水准测定的高程误差为ms,则GPS水准点计算的高程异常中误差为
mΖGS=(mG+ms)1/2 (2-2)
由于重力似大地水准面主要确定似大地水准面的形态和趋势,GPS水准在似大地水准面起纠正和固定与椭球体面的关系,在不顾及重力似大地水准面的确定误差的理想情况下,式(1-7-3)表明区域似大地水准面精化精度主要取决于GPS测定大地高的精度。如果城市似大地水准面精化达到±5.0cm,则布设的GPS水准点测定的大地高精度应在±3.0cm左右。
似大地水准面精化计算
1、似大地水准面计算流程
区域似大地水准面精化主要综合利用重力资料、地形资料、重力场模型与GPS水准成果,采用物理大地测量理论与方法,应用移去-恢复技术确定区域性精密似大地水准面。
2、重力归算与网格平均重力异常计算
第一次移去-恢复,计算出基础格网地面平均空间重力异常。面是由点组成,如果有足够的高程异常点,则可以组成似大地水准面,但是测量的重力点总是有限的,为了用网格状的数值来表示似大地水准面上的变化状况,则对地面上离散点重力值进行归算,利用DEM进行空间改正、层间改正、局部地形改正和均衡改正,获得高平滑度的地形均衡重力异常,通过推估内插,形成平均地形均衡重力异常的基础格网数据。再利用高分辨率的DEM将每个格网的地形均衡异常按地面重力归算的逆过程,分别减去层间改正、局部地形改正和均衡改正,恢复基础格网地面平均空间异常。
3、重力似大地水准面计算
第二次移去-恢复,计算出重力似大地面和高程异常。在计算重力似大地水准面的过程中,必须要借助地球参考重力场模型。由位系数计算出与地面格网相同分辨率的重力模型的平均空间异常,将地面空间异常减去模型重力异常得到格网残差空间异常,在残差空间异常中加上局部地形改正得到残差法耶异常。
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采用莫洛坚斯基公式对残差法耶异常进行积分计算,求出每个网格中点的惨差重力高程异常。然后利用位模型系数由FFT技术计算位模型的高程异常,并将加上残差高程异常,得到重力似大地水准面。

4、重力似大地水准面与GPS水准计算的似大地水准面拟合
(1)GPS水准计算实测似大地水准面
GPS水准为实测似大地水准面(高程异常),高程异常计算公式
ζGPS=H-h (1-7-4)
式中,H为GPS水准点大地高,单位为m;h为正常高;单位为m。
(2)任一点重力似大地水准面的计算
在完成规则格网重力似大地水准面的计算后,为完成对重力似大地水准面的拟合计算,需要计算GPS水准点的重力似大地水准面,对任一GPS水准点重力似大地水准面的计算,可采用插值法完成。
(3)区域重力似大地水准面的拟合计算
(a)由重力似大地水准面格网内插GPS水准点上的重力似大地水准面高程异常ζgra,并求解与GPS水准点上的实测似大地水准面高程异常ζGPS的差值,组成不符值序列;
(b)由不符值序列和相应GPS水准点的球面坐标组成多项式拟合“观测方程”,其中未知参数为多项式系数;
(c)按最小二乘原理求解拟合多项式系数;
(d)由拟合多项式系数和网格中心点坐标,对重力似大地水准面进行拟合纠正,即可求得适配于该区域的GPS水准网的最终似大地水准面。
上述方法主要是利用密度的重力数据和高分辨率的DEM数据,按照莫洛坚斯基解边值问题的基本思想,通过求解地面的扰动位解,推求出似大地水准面至平均椭球面的距离,即高程异常ζgra,计算出高分辨率的重力似大地水准面。然后再利用区域内一定数量的GPS水准计算的高程异常ζGPS,对重力似大地水准面进行纠正,通过最小二乘拟合成一个曲面。此方法的特点是结合重力似大地水准面高分辨率与GPS水准似大地水准面的高精度的优势,达到区域似大地水准面精化的目的。
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5、似大地水准面检验
似大地水准面检验可采用外部独立观测、对比检验的方法。即选取具有代表意义且未参与项目成果计算的点位,以不低于项目外业测量的精度要求进行GPS和水准测量,从而获得检验点的空间位置和高程异常ζGPS,通过与精化后似大地水准面模型内插出的检验点高程异常值ζ模型进行比较,检验该大地水准面模型的质量和实际应用效果。
1、工程测量的任务
工程测量包括在工程建设的勘测、设计、施工和管理各阶段所进行的各种测量工作,直接为各项建设工程的勘测、设计、施工、安装、竣工、监测以及营运管理等提供保障和服务。工程测量的工作内容包括:控制网建立、工程地形图测绘、施工放样定位、竣工测量以及工程变形测量等。
工程测量可以根据服务的对象划分为工业建设测量、铁路公路测量、桥梁测量、隧道及地下工程测量、建筑工程测量以及水利工程建设测量等。
2、工程测量的发展
(1)理论方法的发展。
(2)技术手段的发展。
(3)应用服务的发展。
3、工程控制网的定义和分类
工程控制网测量是为工程建设而建立的平面控制测量和高程控制测量的总称,其任务是根据某项具体工程建设测图、施工、竣工、管理等的需要而布设专用控制网。
工程控制网按用途可以分为:测图控制网、施工(测量)控制网、变形监测网、安装(测量)控制网、精密工程控制网等。其中,测图控制网是在工程施工前勘测设计阶段建立的,其目的主要是为测绘地形图服务。规范中测图平面控制网的等级依次分为:二、三、四等三角网,首级控制一般采用GPS网。施工控制网的点位、密度以及精度取决于建设的性质。施工控制网点的精度一般要高于测图控制网,它具有控制范围小,控制点的密度大,精度要求高,受施工干扰大等特点。变形监测控制网是在施工及运营期间为监测建筑工程对象的变形状况而建立的控制网。
此外,工程控制网按网点性质可以分为:一级网(或称水准网、高程网)、二维网(或称平面网)、三维网等;按网型可以分为:三角网、导线网、混合网、方格网等;按施测方法可以分为:测角网、测边网、边角网、GPS网等;按坐标系和基准可以分为:附和网(约束网)、独立网、经典自由网、自由网等;按其标准划分为:首级网、加密网、特殊网、专用网等。
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4、工程控制网的特点
工程控制网的特点主要包括:
(1)控制网的大小、形状、点位分布,应与工程的大小、形状相适应,点位布设要考
施工的方便,如隧道控制网一定要保证隧道两端有控制点;
(2)地面控制网的精度,不要求网的精度均匀,但要保证某一方向和某几个点的相对精度高,如隧道控制网要能保证隧道横向贯通的准确性;
(3)投影面的选择应满足“控制点坐标反算的两点间长度与实地两点间长度之差应尽能小”的要求,如隧道施工控制网一般投影到隧道贯通平面上,也可以投影到定线放样精度要求更高的平面上;
(4)可采用独立的坐标系,其坐标线应平行或垂直于建筑物的主轴线,该线通常由工艺流放方向、运输干线或主要厂房的轴线所决定。
5、工程控制网的作用
工程控制网的作用是为工程建设提供工程范围内统一的空间参照框架,为各项测量工作提供位置基准,满足工程建设不同阶段对测绘在质量、进度和费用等方面的要求。工程控制网具有控制全局、提供基准和控制测量误差积累的作用。
6、工程控制网的建立过程
工程控制网的建立步骤一般为设计、选点埋石、观测和平差计算。
(1)工程控制网的设计:根据建立控制网的目的、要求和控制范围,经过图上规划和野外选点,确定控制网的图形和决定参考基准(起始点);根据测量仪器条件拟定观测纲要(观测方法和观测值的预期精度);根据观测所需的人力、物力进行成本预算;根据控制网图形和观测精度进行目标成果的精度估算与分析,并与预定的要求相比较,作必要的方案修正。根据需要,可以进行控制网的优化设计。
(2)选点埋石:根据设计埋设标志,建立观测墩、台和观测标志。平面点标石类型包括普通标石、深埋式标石、带强制对中装置的观测墩等;水准点标石类型包括平面点标石、混凝土水准标石、地表岩石标、平峒岩石标、深埋式钢管标等。
(3)按预测纲要进行观测,按观测数据评定观测精度。
(4)对观测成果进行处理、平差计算,对目标成果的精度进行评定。
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工程控制网的布设
1、工程控制网的质量准则
(1)精度准则
精度准则主要分为:总体精度准则、点位精度和相对点位精度、未知数函数的精度、主分量和准则矩阵等5类。这些准则可根据实际工程控制网建立的需要选择其中一个或多个。
(2)可靠性准则
控制网的可靠性是指发现(或探测)观测值相差的能力(称内部可靠性)和抵抗观测值粗差对平差结果影响的能力(称外部可靠性)。
(a)内部可靠性
内部可靠性用观测值的多余观测分量来定义,它反映控制网发现观测值中粗差的能力。某观测值的多余观测分量越小,该观测值的粗差越难被发现;反之,多余观测分量越大,该观测值上较小的粗差也能发现。一个好的控制网,观测值的多余观测分量应大于0.3~0.5。
(b)外部可靠性
外部可靠性用来衡量未被发现的模型误差对控制网点坐标或其函数的影响情况,它使用影响因子来度量。影响因子越小,表示外部可靠性越好。一般情况下,影响因子在8~10之间,表明网的可靠性好。
(3)灵敏度准则
灵敏度准则是针对变形监测网提出的。灵敏度定义为:在给定的显著水平和检验功效下,通过对周期观测的平差结果进行统计检验,所能发现的某一移向量的下界值。
(4)费用准则
控制网的费用一般包括设计、造标埋石、交通运输、仪器设备、观测、计算、检查等各项费用。在控制网优化设计中,着重考虑造标埋石和观测这两项。而其他各项费用,由于随控制网设计方案改变而变化的幅度不大,可当作不变成本处理。另外,精度越高,观测值的权越大,则建网费用越高;同样,多余观测数越多,网的可靠性提高,也要以增加费用为代价。
2、工程控制网的布网原则
工程平面控制网布设原则一般为:
(1)分级布网,逐级控制。对于测图用的工程平面控制网,根据测区面积的大小,通常先在全区范围内布设精度要求最高的首级控制网,随后根据测图需要,再分区加密若干等级精度较低的控制网。用于工程建筑施工放样的专用控制网,往往分二级布设。第一级做总体控制,第二级直接为建筑物施工放样而布设。用于变形监测或其他专门用途的控制网,通常不分级,直接布设成高精度的控制网。
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(2)要有足够的精度和可靠性。工程平面控制网一般要求最低一级控制点的点位中误差能满足大比例的测图需求。一般工程建设所采用的最大比例为1:500,为使平面控制网能满足1:500比例尺测图精度要求,四等以下(包括四等)的各级平面控制的最弱边的边长中误差(或相邻点的相对点位中误差)顾及测量误差后应使碎部点的点位误差不大于图上0.1mm,由此即可算得碎部点的点位中误差应不大于5cm。这一数值可以作为测图控制网精度的设计依据。对于大型工程施工控制网和变形控制网,还应具有一定的可靠性。
(3)要有足够的点位密度。布设工程平面控制网时,要求在测区内有足够多的控制点。控制点的密度通常是用控制网的平均边长来表示。
(4)要有统一的规格。工程平面控制网一般是由不同的测绘部门独立实测的,为了能够互相利用和协调,应制定统一的规范,以便大家共同遵照执行,工程平面控制网规范主要有《城市测量规范》《工程测量规范》以及《精密工程测量规范》等。
城市与工程测图控制网是为测绘大比例尺地形图而建立的,要求相邻控制点间相对点位误差小于3cm。专门控制网是为工程建筑物的施工放样和变形观测等专门建立的,其要求具有针对性。例如,桥梁控制网对于桥梁轴线方向的精度要求应高于其他方向的精度,以利于提高桥墩放样的精度;隧道控制网则对于桥梁轴线方向的横向精度的要求应高于其他方向的精度,以利于提高隧道贯通的精度。
3、国家控制点的利用
工程控制网一般采用高斯投影方法,这样既与国际惯例相一致,也便于利用国家控制点的现有成果。
当实测边长归算到参考椭球面上及将参考椭球面上的边长归算到高斯投影面上的两次归算投影改正不能满足工程所需时,为了计算方便,可以采用任意带的独立高斯投影平面直角坐标系,归算的参考面可以自行选定。
(1)工程平面控制网坐标系的选择
在工程控制测量时,根据施工所在位置、施工范围及施工各阶段对投影误差的要求,可以采用以下几种平面直角坐标系:
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(a)国家3°带高斯平面直角坐标系;
(b)抵偿投影面的3°带高斯平面直角坐标系;
(c)任意带高斯平面直角坐标系;
(d)选择平均高程面作投影面,以通过测区中心的子午线作为中央子午线,按高斯投影计算的平面直角坐标系;
(e)假定平面直角坐标系。
(2)不同平面坐标系统间的坐标转换
为了方便利用已有资料,应将施工坐标系统与城市坐标系统或国家坐标系统建立一定的衔接和换算关系。在坐标系统的转换时,必须建立双向转换关系,使每个点在坐标系中可以自由转换。
4 、工程控制网的优化设计
(1)优化设计分类
控制网优化设计分为四4类:
(a)零件设计:为基准(起始数据)的设计,是在控制网图形和观测值的先验精度已定的情况下,选择起始数据使网的精度达到最高。
(b)一类设计:为控制网图形的设计,在控制网成果的精度要求及观测手段可能达到的精度已定的情况下,控制网图形设计的优化,即点位的最佳的观测方案。
(c)二类设计:为观测值权的设计,在控制网的图形和网的精度要求已定的情况下,设计观测值的精度,此时应受到观测值权的总和(代表测量费用)的约束、最大权(代表不能超过的最高精度)的约束和可靠性(多余观测分量不能小于某一定值)的约束。
(d)三类设计:为控制网改进的设计(加密设计),通过增删部分观测值和改变部分观测值的权,以及增删及移动点位来改善控制网成果的精度。
(2)优化设计方法
控制网优化设计有以下两种方法:
(a)解析法:它适合于各类设计,是通过数学方程的表达,用最优化方法解算。零类设计采用S-变换法;一类设计中的最佳点位确定常采用变量轮换法、梯度法等;二类和三类设计主要采用数学规划法。
(b)模拟法:又称试验修正法。它适合一、二、三类设计。对于初步确定的网形与观测精度,模拟一组起始数据与观测值,输入计算机,按间接平差原理与计算方法,组成观测值方程式、法方程方式,求逆而得到未知参数的协因数阵,并计算点位误差椭圆和相对误差椭圆的参数,与要求的精度相比较,若结果太好或不满足要求,可以通过增加或删去某些观测值、改变某些观测值的权来修改设计。当设计者输入修改信息后,计算机将实时算出协因数阵,并显示新的误差椭圆。重复这个过程,直至获得符合各项设计要求的满意的设计方案。
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4 、工程控制网的优化设计
(1)优化设计分类
控制网优化设计分为四4类:
(a)零件设计:为基准(起始数据)的设计,是在控制网图形和观测值的先验精度已定的情况下,选择起始数据使网的精度达到最高。
(b)一类设计:为控制网图形的设计,在控制网成果的精度要求及观测手段可能达到的精度已定的情况下,控制网图形设计的优化,即点位的最佳的观测方案。
(c)二类设计:为观测值权的设计,在控制网的图形和网的精度要求已定的情况下,设计观测值的精度,此时应受到观测值权的总和(代表测量费用)的约束、最大权(代表不能超过的最高精度)的约束和可靠性(多余观测分量不能小于某一定值)的约束。
(d)三类设计:为控制网改进的设计(加密设计),通过增删部分观测值和改变部分观测值的权,以及增删及移动点位来改善控制网成果的精度。
(2)优化设计方法
控制网优化设计有以下两种方法:
(a)解析法:它适合于各类设计,是通过数学方程的表达,用最优化方法解算。零类设计采用S-变换法;一类设计中的最佳点位确定常采用变量轮换法、梯度法等;二类和三类设计主要采用数学规划法。
(b)模拟法:又称试验修正法。它适合一、二、三类设计。对于初步确定的网形与观测精度,模拟一组起始数据与观测值,输入计算机,按间接平差原理与计算方法,组成观测值方程式、法方程方式,求逆而得到未知参数的协因数阵,并计算点位误差椭圆和相对误差椭圆的参数,与要求的精度相比较,若结果太好或不满足要求,可以通过增加或删去某些观测值、改变某些观测值的权来修改设计。当设计者输入修改信息后,计算机将实时算出协因数阵,并显示新的误差椭圆。重复这个过程,直至获得符合各项设计要求的满意的设计方案。
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