八、GPS技術(shù)在地籍平面控制測量中的應(yīng)用
GPS定位技術(shù)以其精度高、速度快、費用省、操作簡便等優(yōu)良特性被廣泛應(yīng)用于地籍控制測量中。應(yīng)用GPS衛(wèi)星定位技術(shù)建立的控制網(wǎng)叫GPS控制網(wǎng)（簡稱GPS網(wǎng)）。GPS網(wǎng)可分為兩大類：一類是全球或全國性的高精度GPS網(wǎng)，這類GPS網(wǎng)中相鄰點的距離在數(shù)千公里至上萬公里，其主要任務(wù)是作為全球高精度坐標(biāo)框架或全國高精度坐標(biāo)框架，為全球性地球動力學(xué)和空間科學(xué)方面的科學(xué)研究工作服務(wù)，或用以研究地區(qū)性的板塊運動或地殼型變規(guī)律等問題。另一類是區(qū)域性的GPS網(wǎng)，包括國家C、D、E級GPS網(wǎng)或?qū)楣こ添椖浚ㄈ绯擎?zhèn)地籍測量、水利樞紐、城市地鐵、隧道等）布測的工程GPS網(wǎng)，這類網(wǎng)的特點是控制區(qū)域有限（控制一個市或一個地區(qū)），邊長短（一般從幾百米到20km），觀測時間短（從快速靜態(tài)定位的幾分鐘至一兩個小時）。
GPS系統(tǒng)包括三大部分：空間部分——GPS衛(wèi)星星座；地面控制部分——地面監(jiān)控系統(tǒng)；用戶設(shè)備部分——GPS信號接收機。
GPS信號接收機（簡稱GPS接收機）的結(jié)構(gòu)分為天線單元和接收單元兩部分，對于測地型接收機，兩個單元一般分成兩個獨立的部件，觀測時將天線單元安置在測站上，接收單元置于測站附近的適當(dāng)?shù)胤剑秒娎|線將兩者連接成一個整機。也有的將天線單元和接收單元制作成一個整體，觀測時將其安置在測站點上。GPS接收機的任務(wù)是：捕獲到待測衛(wèi)星的信號，并跟蹤這些衛(wèi)星觀測，實時計算出測站的三維坐標(biāo)。
GPS控制網(wǎng)測量與常規(guī)地面控制網(wǎng)測量相類似，在實際工作中也可劃分為方案設(shè)計、外業(yè)實施及內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理三個階段。
1、GPS控制網(wǎng)方案設(shè)計
GPS控制網(wǎng)技術(shù)設(shè)計的主要依據(jù)是GPS測量規(guī)范（規(guī)程）和測量任務(wù)書。GPS測量規(guī)范（規(guī)程）是國家測繪行業(yè)管理部門制定的技術(shù)法規(guī)，目前GPS網(wǎng)設(shè)計依據(jù)的規(guī)范（規(guī)程）有：.1992年國家測繪局發(fā)布的測繪行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《全球定位系統(tǒng)（GPS）測量規(guī)范》；1998年建設(shè)部發(fā)布的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《全球定位系統(tǒng)城市測量技術(shù)規(guī)程》； 各部委根據(jù)本部門GPS工作的實際情況制定的其它GPS測量規(guī)程或細則。在GPS方案設(shè)計時，首先依據(jù)測量任務(wù)提交的GPS網(wǎng)的精度、密度和經(jīng)濟指標(biāo)，再結(jié)合規(guī)范（規(guī)程）規(guī)定并現(xiàn)場踏勘，具體確定各點間的連接方法，各點設(shè)站觀測的次數(shù)、時段長短等布網(wǎng)觀測方案。
2、GPS控制網(wǎng)測量精度標(biāo)準(zhǔn)及分類
對于各類GPS控制網(wǎng)的精度設(shè)計主要取決于網(wǎng)的用途。用于城市或工程的GPS控制網(wǎng) ，可根據(jù)相鄰點的距離和精度，參照1998年建設(shè)部發(fā)布的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《全球定位系統(tǒng)城市測量技術(shù)規(guī)程》中的二、三、四等和一、二級，見表3－6。
表3－6GPS測量精度分級：
等級
平均距離
(km)
a
(mm)
b
(ppm﹒D)
最弱邊相對精度
二
9
≤10
≤2
1/12萬
三
5
≤10
≤5
1/8萬
四
2
≤10
≤10
1/4.5萬
一級
1
≤10
≤10
1/2萬
二級
<1
≤15
≤20
1/1萬
注：當(dāng)邊長小于200m時，以邊長中誤差小于20mm來衡量。
3、GPS測量的外業(yè)實施
GPS測量外業(yè)實施包括外業(yè)準(zhǔn)備、數(shù)據(jù)觀測和成果整理三個階段。
（1）外業(yè)準(zhǔn)備
外業(yè)準(zhǔn)備階段的主要工作是進行技術(shù)設(shè)計和選點埋石。技術(shù)設(shè)計首先應(yīng)根據(jù)有關(guān)規(guī)程說明、測區(qū)范圍、測量任務(wù)的目的及精度要求，測區(qū)已有測量資料的狀況，以及測區(qū)所采用的參考坐標(biāo)系統(tǒng)，考慮GPS技術(shù)的特點，在實地踏勘的基礎(chǔ)上，優(yōu)化設(shè)計GPS網(wǎng)布設(shè)方案。該技術(shù)設(shè)計應(yīng)包括各點間的連接方法，設(shè)站次數(shù)和觀測時段等；還需要根據(jù)作業(yè)日期的衛(wèi)星狀態(tài)圖表，制訂作業(yè)進程安排計劃。
GPS網(wǎng)的各點之間一般不要求通視，但應(yīng)適當(dāng)考慮下一級測量對通視的要求。GPS點的點位應(yīng)選在視野開闊處，要避開高壓電線、變電站、電視臺等設(shè)施，還應(yīng)盡量選在交通方便的地方，點位附近不應(yīng)有大面積水域或不應(yīng)有強烈干擾衛(wèi)星信號接收的物體，以減弱多路徑效應(yīng)的影響。當(dāng)所選點位需要進行水準(zhǔn)聯(lián)測時，選點人員應(yīng)實地踏勘水準(zhǔn)路線，提出有關(guān)建議。
（2）數(shù)據(jù)觀測
GPS外業(yè)施測是指用GPS接收機獲取GPS衛(wèi)星信號，其主要工作包括天線設(shè)置、接收機操作和測站記簿等。
天線應(yīng)與周圍物體相隔一定的距離。天線的對中、整平和定向應(yīng)符合精度要求，并應(yīng)精確地測天線高。在作偏心觀測時應(yīng)精確測定偏心元素。
接收機操作的自動化程度相當(dāng)高，一般只需要按幾個功能鍵就可以進行測量。
天線高度偏心元素和觀測中的各種情況和問題應(yīng)正確記錄在記錄簿內(nèi)。
為了保證GPS觀測的質(zhì)量，在施測前應(yīng)對GPS進行檢測，并且宜在GPS網(wǎng)中加測部分電磁波測距邊。
（3）成果整理
外業(yè)成果整理包括GPS基線向量（一般是應(yīng)用廠家提供的商用軟件進行），并及時計算同步觀測環(huán)閉合差，非同步多邊形閉合差及重復(fù)邊的較差。檢查它們是否超過規(guī)定的限差。如果超限，應(yīng)分析其原因后，進行重測或補測。
外業(yè)數(shù)據(jù)觀測結(jié)束后，編寫技術(shù)總結(jié)，將各種技術(shù)文件、觀測手簿和計算資料整理上交。
4、GPS控制網(wǎng)平差
GPS外業(yè)計算得到了構(gòu)成基線向量的三維坐標(biāo)差ΔXij、ΔYij和ΔZij以及它們的協(xié)方差陣，它們也是GPS網(wǎng)平差計算的觀測值。
GPS基線向量觀測值ΔXij、ΔYij和ΔZij可以稱為WGS-84坐標(biāo)系統(tǒng)的三維坐標(biāo)差。在建立GPS控制網(wǎng)時，根據(jù)地區(qū)的特點和需要，建立該地區(qū)的坐標(biāo)系統(tǒng)，或采用該地區(qū)原有的坐標(biāo)系統(tǒng)。為此，常常以已有的地面已知點作為起算點。同時，為了檢驗和提高GPS控制網(wǎng)的精度，還在網(wǎng)中加測了部分高精度電磁波測距邊，有時還可能加測有其它地面觀測數(shù)據(jù)（如方位角、方向值）。所以，一般來說，GPS網(wǎng)的平差計算是GPS與地面數(shù)據(jù)的聯(lián)合平差。因此，在GPS網(wǎng)平差時，應(yīng)考慮GPS坐標(biāo)系統(tǒng)與地面參考坐標(biāo)系統(tǒng)的尺度和方位的轉(zhuǎn)換關(guān)系。
GPS網(wǎng)平差中，通常以待定點在地面參考坐標(biāo)系統(tǒng)的大地坐標(biāo)，以及尺度和方位轉(zhuǎn)換參數(shù)(Ex、Ey、Ez)等作為未知參數(shù)。由GPS網(wǎng)平差可求得地面參考坐標(biāo)系中各點的大地坐標(biāo)，然后將它們變換為相應(yīng)的高斯平面坐標(biāo)，并求得相應(yīng)的精度。
GPS控制網(wǎng)的平差一般采用商品化的軟件系統(tǒng)進行，目前GPS網(wǎng)平差軟件有兩種，一種是GPS接收機廠商送給GPS用戶的，另一種是由國內(nèi)單位自主研制開發(fā)的。
GPS定位技術(shù)以其精度高、速度快、費用省、操作簡便等優(yōu)良特性被廣泛應(yīng)用于地籍控制測量中。應(yīng)用GPS衛(wèi)星定位技術(shù)建立的控制網(wǎng)叫GPS控制網(wǎng)（簡稱GPS網(wǎng)）。GPS網(wǎng)可分為兩大類：一類是全球或全國性的高精度GPS網(wǎng)，這類GPS網(wǎng)中相鄰點的距離在數(shù)千公里至上萬公里，其主要任務(wù)是作為全球高精度坐標(biāo)框架或全國高精度坐標(biāo)框架，為全球性地球動力學(xué)和空間科學(xué)方面的科學(xué)研究工作服務(wù)，或用以研究地區(qū)性的板塊運動或地殼型變規(guī)律等問題。另一類是區(qū)域性的GPS網(wǎng)，包括國家C、D、E級GPS網(wǎng)或?qū)楣こ添椖浚ㄈ绯擎?zhèn)地籍測量、水利樞紐、城市地鐵、隧道等）布測的工程GPS網(wǎng)，這類網(wǎng)的特點是控制區(qū)域有限（控制一個市或一個地區(qū)），邊長短（一般從幾百米到20km），觀測時間短（從快速靜態(tài)定位的幾分鐘至一兩個小時）。
GPS系統(tǒng)包括三大部分：空間部分——GPS衛(wèi)星星座；地面控制部分——地面監(jiān)控系統(tǒng)；用戶設(shè)備部分——GPS信號接收機。
GPS信號接收機（簡稱GPS接收機）的結(jié)構(gòu)分為天線單元和接收單元兩部分，對于測地型接收機，兩個單元一般分成兩個獨立的部件，觀測時將天線單元安置在測站上，接收單元置于測站附近的適當(dāng)?shù)胤剑秒娎|線將兩者連接成一個整機。也有的將天線單元和接收單元制作成一個整體，觀測時將其安置在測站點上。GPS接收機的任務(wù)是：捕獲到待測衛(wèi)星的信號，并跟蹤這些衛(wèi)星觀測，實時計算出測站的三維坐標(biāo)。
GPS控制網(wǎng)測量與常規(guī)地面控制網(wǎng)測量相類似，在實際工作中也可劃分為方案設(shè)計、外業(yè)實施及內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理三個階段。
1、GPS控制網(wǎng)方案設(shè)計
GPS控制網(wǎng)技術(shù)設(shè)計的主要依據(jù)是GPS測量規(guī)范（規(guī)程）和測量任務(wù)書。GPS測量規(guī)范（規(guī)程）是國家測繪行業(yè)管理部門制定的技術(shù)法規(guī)，目前GPS網(wǎng)設(shè)計依據(jù)的規(guī)范（規(guī)程）有：.1992年國家測繪局發(fā)布的測繪行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《全球定位系統(tǒng)（GPS）測量規(guī)范》；1998年建設(shè)部發(fā)布的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《全球定位系統(tǒng)城市測量技術(shù)規(guī)程》； 各部委根據(jù)本部門GPS工作的實際情況制定的其它GPS測量規(guī)程或細則。在GPS方案設(shè)計時，首先依據(jù)測量任務(wù)提交的GPS網(wǎng)的精度、密度和經(jīng)濟指標(biāo)，再結(jié)合規(guī)范（規(guī)程）規(guī)定并現(xiàn)場踏勘，具體確定各點間的連接方法，各點設(shè)站觀測的次數(shù)、時段長短等布網(wǎng)觀測方案。
2、GPS控制網(wǎng)測量精度標(biāo)準(zhǔn)及分類
對于各類GPS控制網(wǎng)的精度設(shè)計主要取決于網(wǎng)的用途。用于城市或工程的GPS控制網(wǎng) ，可根據(jù)相鄰點的距離和精度，參照1998年建設(shè)部發(fā)布的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《全球定位系統(tǒng)城市測量技術(shù)規(guī)程》中的二、三、四等和一、二級，見表3－6。
表3－6GPS測量精度分級：
等級
平均距離
(km)
a
(mm)
b
(ppm﹒D)
最弱邊相對精度
二
9
≤10
≤2
1/12萬
三
5
≤10
≤5
1/8萬
四
2
≤10
≤10
1/4.5萬
一級
1
≤10
≤10
1/2萬
二級
<1
≤15
≤20
1/1萬
注：當(dāng)邊長小于200m時，以邊長中誤差小于20mm來衡量。
3、GPS測量的外業(yè)實施
GPS測量外業(yè)實施包括外業(yè)準(zhǔn)備、數(shù)據(jù)觀測和成果整理三個階段。
（1）外業(yè)準(zhǔn)備
外業(yè)準(zhǔn)備階段的主要工作是進行技術(shù)設(shè)計和選點埋石。技術(shù)設(shè)計首先應(yīng)根據(jù)有關(guān)規(guī)程說明、測區(qū)范圍、測量任務(wù)的目的及精度要求，測區(qū)已有測量資料的狀況，以及測區(qū)所采用的參考坐標(biāo)系統(tǒng)，考慮GPS技術(shù)的特點，在實地踏勘的基礎(chǔ)上，優(yōu)化設(shè)計GPS網(wǎng)布設(shè)方案。該技術(shù)設(shè)計應(yīng)包括各點間的連接方法，設(shè)站次數(shù)和觀測時段等；還需要根據(jù)作業(yè)日期的衛(wèi)星狀態(tài)圖表，制訂作業(yè)進程安排計劃。
GPS網(wǎng)的各點之間一般不要求通視，但應(yīng)適當(dāng)考慮下一級測量對通視的要求。GPS點的點位應(yīng)選在視野開闊處，要避開高壓電線、變電站、電視臺等設(shè)施，還應(yīng)盡量選在交通方便的地方，點位附近不應(yīng)有大面積水域或不應(yīng)有強烈干擾衛(wèi)星信號接收的物體，以減弱多路徑效應(yīng)的影響。當(dāng)所選點位需要進行水準(zhǔn)聯(lián)測時，選點人員應(yīng)實地踏勘水準(zhǔn)路線，提出有關(guān)建議。
（2）數(shù)據(jù)觀測
GPS外業(yè)施測是指用GPS接收機獲取GPS衛(wèi)星信號，其主要工作包括天線設(shè)置、接收機操作和測站記簿等。
天線應(yīng)與周圍物體相隔一定的距離。天線的對中、整平和定向應(yīng)符合精度要求，并應(yīng)精確地測天線高。在作偏心觀測時應(yīng)精確測定偏心元素。
接收機操作的自動化程度相當(dāng)高，一般只需要按幾個功能鍵就可以進行測量。
天線高度偏心元素和觀測中的各種情況和問題應(yīng)正確記錄在記錄簿內(nèi)。
為了保證GPS觀測的質(zhì)量，在施測前應(yīng)對GPS進行檢測，并且宜在GPS網(wǎng)中加測部分電磁波測距邊。
（3）成果整理
外業(yè)成果整理包括GPS基線向量（一般是應(yīng)用廠家提供的商用軟件進行），并及時計算同步觀測環(huán)閉合差，非同步多邊形閉合差及重復(fù)邊的較差。檢查它們是否超過規(guī)定的限差。如果超限，應(yīng)分析其原因后，進行重測或補測。
外業(yè)數(shù)據(jù)觀測結(jié)束后，編寫技術(shù)總結(jié)，將各種技術(shù)文件、觀測手簿和計算資料整理上交。
4、GPS控制網(wǎng)平差
GPS外業(yè)計算得到了構(gòu)成基線向量的三維坐標(biāo)差ΔXij、ΔYij和ΔZij以及它們的協(xié)方差陣，它們也是GPS網(wǎng)平差計算的觀測值。
GPS基線向量觀測值ΔXij、ΔYij和ΔZij可以稱為WGS-84坐標(biāo)系統(tǒng)的三維坐標(biāo)差。在建立GPS控制網(wǎng)時，根據(jù)地區(qū)的特點和需要，建立該地區(qū)的坐標(biāo)系統(tǒng)，或采用該地區(qū)原有的坐標(biāo)系統(tǒng)。為此，常常以已有的地面已知點作為起算點。同時，為了檢驗和提高GPS控制網(wǎng)的精度，還在網(wǎng)中加測了部分高精度電磁波測距邊，有時還可能加測有其它地面觀測數(shù)據(jù)（如方位角、方向值）。所以，一般來說，GPS網(wǎng)的平差計算是GPS與地面數(shù)據(jù)的聯(lián)合平差。因此，在GPS網(wǎng)平差時，應(yīng)考慮GPS坐標(biāo)系統(tǒng)與地面參考坐標(biāo)系統(tǒng)的尺度和方位的轉(zhuǎn)換關(guān)系。
GPS網(wǎng)平差中，通常以待定點在地面參考坐標(biāo)系統(tǒng)的大地坐標(biāo)，以及尺度和方位轉(zhuǎn)換參數(shù)(Ex、Ey、Ez)等作為未知參數(shù)。由GPS網(wǎng)平差可求得地面參考坐標(biāo)系中各點的大地坐標(biāo)，然后將它們變換為相應(yīng)的高斯平面坐標(biāo)，并求得相應(yīng)的精度。
GPS控制網(wǎng)的平差一般采用商品化的軟件系統(tǒng)進行，目前GPS網(wǎng)平差軟件有兩種，一種是GPS接收機廠商送給GPS用戶的，另一種是由國內(nèi)單位自主研制開發(fā)的。