对手持式GPS在工程测绘中的应用浅析-科技论文发表

对手持式GPS在工程测绘中的应用浅析
宋洁
摘要:本文作者结合多年经验，主要对于持式GPS在工程测绘过程中的应用进行了分析，希望得到同行的一些建议。
关键词:手持式; GPS;工程测绘
1 概述
在中小比例测绘或航测调绘作业时，要进行岸线(水边)定位、特殊地物地貌的定位、固定标志的寻找和部分散点的定位测量。采用常规仪器法施测，作业效率低且难度大，而采用GPS定位施测就能很好地解决这些问题，且更为快捷和满足相对精度要求。
GPS定位与传统的测绘方式有很大的不同。其工作原理为；
在通过地心的6个极地轨道面上，均匀分布着24颗GPS卫星，这些卫星全天候、实时地向地面接受设备发送卫星星历等定位和授时信息。用户接收机根据接受到的卫星信息，实时计算处理所处的位置坐标，从而达到全球性、全天候、连续的精密三维导航与定位的目的。GPS定位可分为绝对定位(单点定位)和相对定位。GPS绝对定位的实质即是空间距离后方交会，它又分静态绝对定位和动态绝对定位。绝对定位是利用待测点到4颗或4颗以上卫星的距离，根据空间距离后方交汇原理确定待测点的WGS-84坐标系(即1984年世界大地坐标系)中的三维坐标相对定位是在两个或两个以上的测点上，同时设置GPS接收机，同步跟踪相同的GPS卫星，确定两点间在WGS-84坐标系中的基线矢量;差分定位是相对定位的一种特殊应用，由基准站发送改正数，为用户站接收并对其测量数据进行改正，以获得精确的定位结果。
差分GPS定位既克服了单点定位误差较大的缺陷，又大大缩短了相对定位的观测时间，提高了作业效率。但差分定位存在控制面积小、基准站点多的问题。近几年发展起来的广域差分GPS采用误差分离技术，实时发布钟差改正、轨道参数改正和电离层改正，可以实现数千公里的精确实时定位，很好地解决了上述问题。GPS测量有伪距、载波相位和多普勒三种方法，其中前两种方法在实践中被广泛采用O对于静态相对定位，尤以载波相位测量为主。
与传统测绘相比，GPS有其明显的技术优势:①定位精度高。用载波相位做相对定位，观测时间少于20min，可以达到±5mm的距离精度。若采用快速定位方法，观测时间仅需1min左右，即能达到±0.1m的距离精度。②提供三维坐标。GPS测量，在精确测定观测站平面位置的同时，还可以精确测定观测站的大地高程。③观测站之间无须通视。既要保持良好的通视条件，又要保证测量控制网的良好网型结构，一直是常规测量在实践方面的难题之一。GPS测量可以节省常规测量所需的选点造标埋石费用，减少观测时间，经济效益卡分显著。④全天候作业。通常可在任何地点、任何时间测区正常观测到5颗以上卫星连续地进行
2 手持式GPS的相关参数及性能比测
手持式GPS的测距，采用的是载波相位平滑处理技术，其处理后的定位精度中误差在5m左右•在导航功能下，定位误差与GPS的移动速度成正比，通常为30m左右。其自动定位只需要2min，工作温度为一25~ 700C、保存温度为40~80°C，对野外环境适应能力强。
常规定位时需要设置的参数为:
（1）坐标格式设置。一般在WGS-84，BJ-54或西安-80三种坐标格式中任选一种(坐标格式之间可任意转换)；输入使用地区所在的三度带或六度带的中央子午线经度；输入比例参数。
(2)坐标参数的设置。一共有5个，即DX，DY，DZ，DA和DF，它们分别是大地坐标系中X，Y，Z、对应椭球之长半轴A、对应椭球之扁率F的改正值。
2.1 手持式GPS的相关参数的确定
手持式GPS在使用前需要确定的参数主要有7个。
（1）使用地区所在的三度带或六度带的中央子午线经度。例如；采用E111~E114°，经度不同时就要及时予以设置。
（2）比例参数。一般将scale设为l，faLseE设为500000， falsen设为0，
（3）坐标参数。首先要计算当地的坐标参数，方法是；
①搜集使用区域GP“B”，级网(如果对精度要求不高，也可以是较低等级)三个以上网点的WGS84坐标系B（大地纬度），L（大地经度），H值和我国坐标系（如BJ-S4）B，L，H，值。
②计算不同坐标系的三维直角坐标值。（实际工作表）
公式为:
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为大地坐标系中的三维直角坐标;a为大地坐标系对应椭球之长半轴;e2为大地坐标系对应椭球第一偏心率。
③利用求出的WGS84坐标系的X，Y，Z，a及f(对应椭球之扁率)的平均值减去我国坐标系的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。然后将所求得的值分别输入到手持式GPS中。
2.2 手持式GPS坐标参数的验证
参数设置后，必须要进行验证。方法是:在使用区域内选择5个和5个以上的水准点进行高程实测，实测值与水准点的采用值对比，如果最大高程偏差小于15m、平均高程偏差小于10m，则计算出的参数可用，否则，就要重新计算或查找出现问题的原因。
3 手持式GPS的常规应用
常规应用，是指在美国政府不开启SA的情况下，不必对GPS的坐标参数进行本地化换算处理和比测，而直接使用的情况。
3.1 依据已知资料快速寻找实物标志
在野外查勘中，参加人员对所查勘区域的多数测量标志和具体地理位置不够熟悉，在通常情况下完成这项工作，主要靠询问当地居民和依靠他们的指引来找到日的地。配备手持式GPS 后，只需根据所收集到的相关资料和测图，事先把有关数据输入到GPS中，在应用时根据需要调出数据。当你要寻找一个位置或一个标志时，输入或调出待查勘点的位置坐标，开启导航功能，仪器的屏幕上就时刻指示着你所在的位置与查勘点的相对位置数据，使你快速、准确、无误地到达日的地。到达目的地或超过目的地时仪器会及时提醒你。
3.2 快速测出查勘实物标志的平面位置和高程
当你要测出查勘实物标志的平面和高程位置时，你可打开仪器，设置好你所需要的数据模式，然后把手持式GPS放到待测物的中心位置，约2mm之后(此时数据显示处于稳定状态)即可读得平面坐标位置的精度(通常可达到10m以内) ，高程的精度相对要差一些。

4 手持式GPS的拓展运用
某区面积约1050km2范围内的E级GPS点成果，使用手持式GPS进行了定位比测，收集到了大量的比测资料。既有平面比测成果，又有高程比测成果的测点24个经比测所得的平均位移为；5.2m，最大位移为；17.8m，最小位移为；0.3m，位移中误差为；6.3m，高程比测的中误差为；6.4m。
根据比测资料的统计计算，我们可以发现；手持式GPS的测量精度，与测点所处的位置接受卫星信号的好坏有关；同一测点的平面误差与高程误差不相关(相关系数只有0.155)；平面误差系列与高程误差系列能通过t检验，说明两系列为同一总体样本。
根据所有24点比测数据，其中定位误差较大的测点(大于10m)系处于建筑物密集、杆线较多、高大树木等的测点，其天雪覆盖率较高。如果剔除该部分测点，定位中误差则更小；而且当对于持式GPS进行坐标参数的计算与修正后，只要在定点的测量时间达到2min以上，就可使其平面定位中误差控制在7m以内。因此，在平面定位方面，可用其进行1/5000及以下精度的水边、水下定位测量或1/10000及以下精度的地形散点、地物地貌的平面定位测量。
5 手持式GPS使用时注意事项
(1)使用前要对于持式GPS进行检查，包括:外观、电池、屏显、功能等。
(2)参数的换算、设置要正确。需要验证的参数，必须通过验证后才能使用。
（3）定点测量与导航功能一定不能混为一团，导航(动态)的误差远远大于定点测量的误差。
（4）除定位测量前需完成初始化之外，测点定位作业时还应保证在测点处略作停留(不得少于1min)。
（5）注意定位作业时屏显导航定位精度指标和天空覆盖率。当卫星信号可能存在问题(少于4颗卫星)或有其它影响GPS定位测量精度的因素时(如强电磁干扰等) ，应暂停(等待卫星信好转或其它影响因素排除)或放弃定位作业。
6 结语
手持式GPS，因其价格低廉、社会应用普及应用领域不断扩大，受到了交通、测绘、勘探、探险、旅游、林业、矿产、水利等诸多行业领域的青睐。但要使其在测绘领域更好地发挥作用，要求我们不仅要正确设置坐标转换参数，还要严格按操作规程正确地操作和使用、及时地修订和完善技术规定与操作规程，这样才能更好地达到应用目的。