高等应用测量作业

作业一

姓名：武晴晴 学号：2014126042

1、 论述GPS工程控制网的特殊要求及布设特点。

答：在城市控制测量、军事工程测量、形变监测、矿山、公路、铁路控制网测量工程中，工程控制网的布设很灵活，不同的工程有不同的布设方法和要求，这主要取决于该工程控制的目的和需要。实践证明，GPS测量在工程控制网的布设中具有效率高、费用低、工期短、精度高等优越性[1]。

因为不同的工程有不同的要求,其控制网也就有轻微的差别。工程控制网的点位分布情况视工程需要而定,总的来说,工程控制网的范围和点位隔距都不是很大,点位选择的机动性较小,但对点位的要求与大面积控制网基本相同。当测区范围不太大时,由于GPS测量受地面图形影响很少,可以灵活布设,点位选择时则根据工程需要布点,而不必考虑点距及点的通视情况。一般情况下，工程控制网点不需要均匀分布,而是按其需要进行布点,可以布成一个或几个独立的点群。例如，桥位两岸无法通视,因此大桥平面控制网采用全球卫星定位技术(GPS)布设,测量方式采用高精度静态相对定位模式。同时,利用常规测量手段相辅助。由于两岸跨度大,设立的桥位控制点既要满足布网要求,同时还须满足施工放样的要求[2]。当测区范围较大时(几百平方公里),为保证控制网点的整体精度,应使用经典大地测量方法布设控制网,控制网点要与高等级控制点构成图形,并且控制网点与点之间也要构成图形,若精度要求较高时,点与点之间应构成直接边。当布设的点位不均匀时,即点间距离差别较大时,在施测过程和数据处理中应分别进行。由于许多工程完成后需要用常规测量进行测量,因此布点时根据需要确定点位的位置,并考虑其图形结构[3]。

大多数的工程控制网中，已知点应较均匀地布设在测区或测区的周围，这样利用这些已知点结算控制网点时，控制网不会发生扭曲，而且可以提高控制网点的精度。

2、 论述GPS工程控制网数据处理的特殊要求及有效的处理方法及软件。 答：边长对点位精度的影响是随着变长越长其影响越大，若变长超过40公里时，误差有明显的增大趋势，而在搞成方向更加明显。因此，若在布设GPS工程控制网时，若采用随机处理软件，不能对电离层影响进行修正时，网的边长不易超过40公里[4]。

对于路桥工程中的GPS静态应用,经常要遇到一些特殊的问题。因此需要结合工程控制网的一些自身特性,如施工控制网要考虑施工放样的方便,或某一方面精度的特定要求,网点分布不够均匀,点间高差有时较大;采用工程独立坐标系(如桥轴线坐标系、隧道坐标系等,而这些坐标系与WGS一84坐标系的指向有较大的差异,旋转角不宜作微小量处理),并且往往以工程平均高程面为计算投影

面。目前处理GPS工程网数据有以下几种方法:

(1)改善模型中对微小量数学处理的简化,不把旋转角作为微小量处理。 (2)建立独立坐标系所对应经旋转后的椭球,该椭球坐标系与独立坐标系的旋转角为微小量,把GPS基线旋转到该椭球坐标系中再进行处理。

(3)首先利用已知点的两种坐标求出近似的转换参数,利用这些参数把已知点独立坐标转换到与WGS一84坐标系具有微小旋转角的一定投影面上的高斯坐标后再进行平差计算,计算结果转换到地方独立坐标系,方差、协方差同时进行旋转变换,最终获得独立坐标系中的成果。

数据处理是将属于WGS一84坐标系的基线成果通过质量检核、平差处理、坐标转换、高程转换等各项处理,最终提供工程实用的GPS测量成果。对于某些GPS工程控制网,如桥梁、隧道控制网,常采用固定一个点的坐标、指定一个方向的方位角,并且选择相应的工程投影面,从而建立GPS工程独立坐标系,进行GPS工程控制网一点一方向平差。其平差的基本思路是:先在WGS一84坐标系中作三维无约束平差,再选取合适的中央子午线和投影面高程,将无约束平差坐标转换到高斯平面上,最后在高斯平面上通过平移旋转转换到地面网坐标系中GPS工程控制网。

目前,关于GPS的数据处理软件主要有一些商用软件(如LGO、TGO等),此外一些科研机构比如高校通常会用科研软件(如GAMIT、BERNESE、GLOBK等),但这些软件在网平差方面往往难以满足工程需要,其质量检核、成果输出等方面一般不符合国内制定的GPS作业规范的要求,在生产实践中带来一些困难。针对这些问题,在吸收国内外GPS网平差软件的经验基础上,西南交通大学研制了能满足实际工程需要的GPS网平差软件—GPSNAS。它的数据处理模型包括：参心空间直角坐标系中平差的数学模型、参心大地坐标系中平差的数学模型、高斯平面直角坐标系中平差的数学模型，对于不同的工程需要，用户可以采用不同的数学模型进行处理分析。对于线路GPS控制网，如高速铁路GPS控制网，如高速铁路GPS控制网，则可采用斜轴墨卡托投影处理方法,使GPS边长投影控制在较小的范围;对于桥梁、隧道等GPS工程独立控制网,则可采用一点一方向GPS网平差方法。本文开发的GPS网平差软件（GPSNAS)使用方便,能满足不同的GPS工程控制网平差数据处理的要求[5]。

3、 论述基于GPS技术的变形监测布网特点、有效的数据处理方法和处理软件。 答：基于GPS技术的变形监测应用广泛其中最具代表性的测量包括桥梁变形体测量和大顼变形体的测量,甚至在其他的工程应用方面,比如高层建筑物施工、矿区建设、地铁和險道施工以及地表沉降等方面也应用甚广。

GPS变形监测网的布设时,在GPS卫星的同步观测模式的情况下,对“通视条件”没有严格的要求,因而GPS变形监测网形的设计打破了传统网形设计的局限,

有很大的自由度,布设非常的灵活。依据实际变形观测过程中对精度需求的不同,可以把GPS变形监测网的布设分为以下若干常用方式:点连式连接、边点混合连接和边连式连接等。点连式是指相邻同步图形中有且仅有唯一公共点的连接方式。此方式布设的点位所构成的GPS变形监测网形一般不具备常规同步图形的闭合条件,其几何强度也不高,所构成的GPS变形监测网形一般不具备常规同步图形的闭合条件,其几何强度也不高, 因而在GPS变形监测网中并不被广泛使用。而在同步网形中,由一条公共基线的连接方式叫做边连式。该方式与点连式有很大的差异,并且该控制网的几何强度有一定的提高,且存在较多的非同步环形闭合条件以及较多数量的重复边。这种布设方案设计的控制网,相对于点连式而言,边连式的可靠性要略强一些。因此,在基于GPS变形监测网中,边连式的“网形”设计占了主导地位[6]。

随着 GPS 技术在变形监测中的广泛应用，数据处理的方法也日趋多样化。如：静态数据处理方法；单历元解算方法；动态卡尔曼滤波方法；谱分析方法：小波变换方法；神经网络方法等。各种方法的基本思想如下[7]：

（1） 静态数据处理方法：该方法以每一期观测值作为一次相对定位，通过计算

两期之间监测点的位置变化（坐标差）来测定变形量。其数据处理流程一般是：各期分别采用静态相对定位方式获得基线向量；然后进行网平差，并对观测质量进行评价和分析，以获得监测点的坐标；最后，根据监测点的两期坐标差采用统计检验方法确定该坐标差是否是变形量。

（2） 单历元解算方法[8]：该方法的基本思想是：首先确定 GPS 点的近似坐标

（要求与精确值之差不超过 2m）；第二，选择 PODP 值最小、几何图形最优的 4 颗卫星为基本卫星星座，采用 L1 载波建立 3 个双差方程。用近似坐标解算 3 个双差模糊度的实数解，并按四舍五入方法固定为整数，取± 5 周的变化构成搜索空间（共 1331 组模糊度）。对所有的模糊度组合，利用双差方程计算出相应的坐标；第三。根据计算的坐标，利用所有的测站、所有卫星的L1，L2 观测值计算模糊度函数值。将模糊度函数值大于一定数值的模糊度筛选出来，构建新的模糊度搜索空间；第四，在新的模糊度搜索空间中，根据双差方程，采用最小二乘估计方法计算残差平方和，然后采用 F 检验确定正确的模糊度。

（3） 动态卡尔曼滤波方法：关键思想是：①状态变量的引入：②建立状态方程

和观测方程；③用射影方法求最优滤波器。Kalman 滤波器给出了一套容易在计算机上实时实现的最优递推滤波算法，适合处理多变量系统和时间系统，适合处理非平稳随机过程。 （4） 谱分析方法 （5） 小波变换方法

所用的数据处理软件：高精度功能强大的科研软件杰出代表有美国麻省理工学院和美国斯克里普斯海洋地球研究所(MIT/SIO)的GAMIT/GL0BK[3]、美国喷气推进实验室的JIPSY-OASIS⑷以及瑞士伯尔尼大学天文研究所的Bernese[5]、武汉大学的PANDA。

4、 论述CORS系统组成及其关键技术、应用前景。

答：CORS 是 Continuous Operating Reference Station 的缩写，即连续运行卫星定位参考站系统，是一种基于地球空间技术、电子科学、计算机技术、网络和通讯技术等综合学科的新型卫星定位技术。

CORS 系统的基本结构是由参考站网系统、数据处理系统、信息通讯系统和用户系统组成。

目前世界上常见的 CORS 系统中主要采用的技术是网络 RTK 和网络差分，其中比较有代表性的包括了 VRS、MAC、广域差分和区域改正参数技术。下面我们将分别介绍以上四类技术[9]：

(1)虚拟参考站技术（VRS）：该技术在使用过程中会将系统获得的全部原始数据通过传输模块发送到控制中心进行数据完整性检测，参考站不会直接向用户发送任何改正信息。VRS 工作之前，用户需要向系统的控制模块发送其所处的大概位置坐标，然后系统再根据用户大概所处的位置，选择一组最优的基站，并且对要发送的信息进行整体修正，最后将修正后的差分信号传送到用户接收机。有了差分信号就能够在用户所处位置周围形成一个虚拟的参考站，然后根据虚拟参考站周围三个参考站中得到的真实观测值计算其虚拟观测值，从而解决单基站 PTK 工作过程中距离的限制，保证用户得到可靠的定位。

(2)主辅站技术 MAC：该技术是由 RTCM 委员会针对 PTK 就技术发布的一个标准，用来进行差分改正数，由一个主参考站和若干个辅助参考站组成。工作过程中各个参考站把获得的原始数据传送到系统的数据处理中心，对数据进行实时处理。数据处理中心根据接收到的用户点位信息来分析流动站所处的大概位置

[10]

，并且获得离流动站最近的主站位置信息；然后数据处理中心根据预定的算法(3)广域差分技术：广域差分在计算时将误差分成不同的类型，并且给每种

计算改正数的大小，并且将改正数发送到流动站，获得流动站的精确位置坐标。 误差定义一种模型，将不同类型误差分别发送给用户进行修正，从而提高整个系统的定位精度。广域差分技术中将系统中存在的误差分为星历误差、大气延时误差以及卫星钟差三个不同的类型，定位时数据处理中心分别计算这三项误差的大小，从而为用户得到准确的定位。

(4)区域改正参数技术：该技术使用过程中需要将参考站中获得的每一个瞬间观测数据实时传送到控制中心，数据在此进行误差分析，并且构件相应的数据误差处理模型，得到进行数据修正的参数 FKP，用来修正用户得到的导航定位参

数，提高定位精度。

CORS 技术的产生，成为数字化、信息化城市建设中数据获取的重要手段。它的发展涉及到多个领域，包括全球卫星导航定位、测绘与地理信息、计算机、通讯、气象、水力、地震、地质等，CORS 系统建立的目的是建立和维持高精度地心三维坐标参考框架，向用户各种精度、各种类型的定位服务和数据处理服务，为用户提供更高效便捷的空间数据采集办法。发展 CORS 系统，可以促进城市建设速度，对城市的管理、规划起到积极的作用，为社会各行各业提供所需的数据支持。当前的 CORS建设，建设预期是能够为规划部门、交通部门、市政建设工程、地形图更新、工程测量、气象分析预报、地震监测预报、救灾保障、农业林业普查、土地资源管理等多部门提供服务。目前建成的 CORS 系统已成功应用于以上很多领域，并且得到了很好的效果，并且对着城市建设与管理的迫切需求，推广速度突飞猛进，应用领域不断扩大[11]。 5、 论述GPS技术在摄影测量中的应用。

答：GPS为全球定位系统，其具备的卫星数量相对较多，且均匀分布排列。GPS摄影测量是收集一些摄影照片，通过对这些照片进行分析和研究，从而明确被拍摄的物体自身具备的一些基本的特点和关系。如大小、属性、形状、位置等因素之间的关系[12]。

GPS摄影测量要明确测量点构建的三维立体几何坐标，测量过程中可以获取像点的三维立体几何坐标，确保其精确度及准确度。在摄影的拍摄过程中，三角测量的原始数据是指拍摄像片时对于像点测量出来的坐标，将部分地面进行实际测量地面的控制点为坐标，在获得这些有效数据以后，采用计算的方式对地面坐标的加密点进行解答，从而满足摄影测量的基本需求。

RTK是一项最新的GPS摄影测量技术，是实时载波相位测量的简称!在摄影测量中应用 RTK技术具备优点较多: 第一，其适用范围广泛，适用于全球范围内，不会因为环境、气候、时间等客观因素影响，也不需要采用通视; 第二，快速获取精确度较高的地理位置坐标，提高了处理问题数据的能力，提升了摄影测量的效率，且同时确保获取数据的质量，在一定范围内扩充了GPS的使用领域; 第三，RTK技术提高了摄影测量数据的精密和准确程度，能够及时指导定位的精度，明确观测的质量及效果[13]。

在很早以前,设计GPS系统的主要目的是用于导航,收集情报等军事目的。但是现在的发展趋势是GPS系统不仅能够达到以上的各种目的,而且用还可以利用GPS卫星发来的导航定位信号能够进行很多很多精密的测量动态定位以及快速的速度测量和超高精度的时间测量。因此,到现在GPS系统有着越来越广阔的应用前景,它被广泛应用于好多重要领域,例如海、空和陆地的导航,高空摄影测量、导弹的制导甚至是摄影测量领域,对摄影测量领域来说,GPS卫星定位技术现在

发展的已经非常成熟,目前为止已经建立了高精度的全国性的摄影测量控制网,测定全球性的地球动态摄影测量参数;在GPS系统的应用中有摄影测量的基准,并且一定要建立此的基准,这样才能对海岛陆地联测和海洋测绘和摄影测量进行摄影测量;GPS系统在测定航空航天摄影瞬间的相机位置的应用中,实现仅有少量地面控制或无地面控制的航测快速成图,它导致了地理信息系统、全球环境遥感监测的一次技术性的革新[14]。 6、 论述GPS在海洋测绘中的应用。

答：我国海洋面积广阔，做好海洋的测绘工作有着深远的意义。在以往的海洋测绘中，通常使用罗盘定位与六分仪、测深杆、测深绳、测深铅鱼等方法进行测量，这些方法耗时耗力不说且测量精度并不高，测量出来的数据只能用作粗略的了解，无法得出高精度的数据。随着科技的发展，大量新技术应用于海洋测绘工作中，在测深方面，侧扫声呐和多波束测深系统，海洋遥感测深等技术可以得出精确的数据，应用卫星测高技术对海洋大地水准面、重力异常、海洋环流、海洋潮汐等问题进行了比较详细的探测。现今，GPS 技术在海洋精密定位和水深测量中得到了广泛的使用，使海洋测绘从测量航海要素为主，发展到测量各种专题要素的信息和建立海底地形模型的全部信息，使海洋测绘向着更高效、高精度的方向发展[15]。

GPS技术在海洋测绘中主要有以下应用：

(1)GPS技术在海洋测绘中精确定位中的应用: 现今，在我国沿海范围已经开始使用无线电指向标-差分全球定位系统（RBN\\DGPS），这一系统能够在300公里范围内进行偏差不超过5米的精确定位，能够满足现今条件下的沿岸海道的测量大比例尺绘图过程中导航与定位的要求，就其定位性而言，一般情况下的海洋测绘是足够的，但是仍然无法满足高精度测量的需求。但是使用GPS-RTK技术则不会存在这些问题，GPS-RTK技术能够保证高精度的测量，同时在使用的过程中，不必使数据链进行实时通讯。在对海洋进行精密测绘时需要从经费预算、海洋测量精度、导航实时性的需求等多方面进行综合考虑的情况下，将RBN\\DGPS和 GPS-RTK技术两者的优点进行结合而得出的技术方案能够良好的实现以上考虑。 (2)GPS技术在海洋测绘的水深测量中的相关应用: 在海洋测绘过程中，多波束水深测量系统结合GPS技术就能够精确、高效的完成对于海底地形地貌的测量和绘制。

(3)GPS与数字测深仪在海洋测绘中的实际使用：海洋测绘中的水深测量是指使用搭载在测量船上的测量系统对海洋进行水深测量从而得出的数据，测量系统主要是由专门的测量软件和电脑、GPS 接收装置、多波束水深测量仪等组成。GPS-RTK对水深的定位是通过对当前设定的或者是所要求的坐标系进行的，因此在使用的过程中需要首先进行参数的计算求解，建立在同一个坐标系下，而后才

能进行分析对比，因此，在对基站架设位置的选择时要特别注意建立在地势较高的中心区域，而后通过对测量得到的定位数据对比已知的坐标点的实际数据，通过专用软件的分析计算得出测量区域内的坐标系数[16]。

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/g65t.html