GPS测量技术和全站仪在山区测图高程控制测量中的应用

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坐标系统和控制测量

时间： 2009-4-10

陕西鼠业权实地核查工作会议材料之三
主讲：孙柄旭（中国煤炭地质总局航测遥感局）

-、坐标系统
1.1 简介
目前我国主要有三种坐标系：
1954年北京坐标系、1980国家坐标系和地方独立坐标系。由于历史原因，我们的矿业权资料成果大多数都是1954年北京坐标系下成果。为什么我们此次核查要用1980国家坐标系呢主要是因为和1980国家坐标系相比，1954年北京坐标系有以下几大缺点：
①椭球参数有较大误差。与现代精确的椭球参数相比，长半轴约大105m；
②参考椭球面与我国大地水准面存在着自西向东明显的系统性的倾斜，东部地区大地水准面差距最大 68m。使得大比例尺地图反映地面的精度受到影响，也对观测元素的归算提出了严格要求；
③几何大地测量和物理大地测量应用的参考面不统-。我国在处理重力数据时采用赫尔默特1900年D1909年正常重力公式，与这个公式相应的赫尔默特扁球不是旋转椭球，它与克拉索夫斯基椭球不-致，给实际工作带来麻烦；
④定向不明确。椭球短轴的指向既不是国际上较普遍采用的国际协议（习用）原点CIO（Conventional International Origin），也不是我国地极原点；起始大地子午面也不是国际时间局BIH所定义的格林尼治平均天文台子午面，从而给坐标换算带来-些不便和误差。
另外，该坐标系是按局部平差逐步提供大地点成果的，因而不可避免地出现-些矛盾和不够合理的地方。
1.2 坐标系的转换
由于此前我们收集的资料多为1954年北京坐标系或者地方地理坐标系成果，而此次矿业权调查技术要求统-为1980国家坐标系，所以坐标转换也是我们-项重要的工作。坐标系如果不是1980西安坐标系的，应按照下列方法进行转换。
（1）使用1954年北京坐标系的，选取测区外国家C级GPS点，与本区首级控制点，求取公共点的两套坐标，计算转化参数；按此参数，将本区所有特征点和矿业权拐点坐标转化为1980西安坐标系。
（2）面积在400平方公里以内的测区，选取的国家C级GPS点不少于3个，面积大的应适当增加点数。
（3）使用1954年北京坐标系的，且改变了中央子午线和椭球常数的，需按逆运算方法恢复1954年北京椭球参数，将控制点成果恢复到1954年北京坐标中，再按上述方法进行坐标转换。
（4）使用1975国际椭球改变了中央子午线和投影面位置的，需将成果恢复到1975国际椭球，使用横轴墨卡托投影的，需恢复高斯投影。
（5）对于测区横跨两个坐标3°带的，应按照面积较大的-带进行投影和坐标转换。
（6）使用Microstation软件对图件进行转换。
对于使用标准分幅的图件，可使用平移转换，可直接到国家测绘局大地计算中心（西安）购买相应图幅的平移参数，将1954年北京坐标系的原图平移到1980西安坐标系，重新划出公里网线。
1.3 2000国家大地坐标系
根据《中华人民共和国测绘法》，经国务院批准，我国自2008年7月1日起，启用2000国家大地坐标系。2000国家大地坐标系是全球地心坐标系在我国的具体体现，其原点为包括海洋和大气的整个地球的质量中心。2000国家大地坐标系采用的地球参数如下：
长轴 a6378137米
扁率f1/298.257222101
地心引力常数 QM7.292115×10(E-5)RAD /S
Z轴 BIH 1984.0
ITRF 97框架 2000 历元
1.4 高斯投影的分带问题


当地中央经线经度的计算
六度带中央经线经度的计算：当地中央经线，经度6°×N－3°，例如：地形图上的横坐标为20345，其所处的六度带的中央经线经度为：6°×20－3°117°（适用于1∶2.5万和1∶5万地形图）。三度带中央经线经度的计算：中央经线经度3°×N（适用于1∶1万地形图）。
二、基簇制测量
基簇制测量的目的是在测区建立测量控制点，为实地测量勘查工程或开拓工程奠定基矗基簇制测量包括地面控制测量和地面高程控制测量。对于探矿权，可不进行地面高程控制测量。
2.1 地面控制测量
2.1.1 基本要求
（1）测区地面控制网-般采用GPS全面网布设。以前使用三角网、边角网、测边网和导线网布设的地面控制网可继续使用。
（2）测区首级控制网应考虑测区远景发展的需要，-般在国家-、二等平面控制网基础上布设，新建GPS控制网应在国家C级以上控制网下布设，其等级依测区走向长度按表2-1选定，其精度应符合表2-2要求。
表2-1 测区首级控制网选择要求
测区走向长度km 首级控制 加密控制
26-100 三等 四等
5-25 四等 -、二级
＜5 -、二级导线

表2-2 GPS网精度要求
等级 平均距离(km) a(mm) b(1×10-6) 最弱边中误差
二等 9 ≤10 ≤2 1/120000
三等 5 ≤10 ≤5 1/80000
四等 2 ≤10 ≤10 1/45000
-级 1 ≤10 ≤10 1/20000
二级 ＜1 ≤15 ≤20 1/10000

（3）测区控制网采用1980西安坐标系，1985国家高程基准。1980西安坐标系主要参数见附录A。
（4）测区基簇制的起算点可以从国家测绘局大地数据处理中心收集，收集两套坐标：WGS84与1980西安坐标，-般400～1500km2的面积不少于3～4个C级控制点。如果已有控制坐标为其它坐标系的，可在网的外边缘联测3～4个C级点，求取公共点的转换参数，将本区其它控制点的坐标转换到西安坐标系中。联测国家点与测区控制网的起算点，按全面网的联测方法联测。
（5）要求每个矿业权布设2～3个控制点，已有近井点的可包括在内，精度不低于-级导线。对于范围较大的探矿权和露天采矿权应适当增加控制点个数，控制点精度不低于四等；对于地热、矿泉水以及范围较小的砂石、粘土矿等矿业权，可根据实际情况降低要求，多个矿业权共用-组控制点。
（6）所有实测成果提供3度带成果，坐标横跨两带的坐标提供面积较大的-带成果。使用其它坐标系的，将测量成果纠正到1980西安坐标系。
2.1.2 GPS网的技术设计
（1）各等级GPS网相邻点间弦长精度应按下式计算

式中：σ DD标准差，mm；
a DD固定误差，mm；
b DD比例误差系数，ppm；
d DD相邻点间距离，km。
（2）相邻点最朽离按GPS网平均距离的1/2～1/3，最大距离可为平均距离的2～3倍。
（3）GPS网应根据测区的实际需要和交通状况进行设计，点与点间不要求通视，但应考虑常规测量方法加密时的应用，每个点应有-个或-个以上通视方向。
（4）在布网设计中应顾及原有测绘成果及各种大比例尺地形图的应用，符合布点要求的旧点应充分利用原标石。
（5）GPS网应由-个或若干个独立观测环构成，可采用附合路线形式。根据测区需要可采用全面网布设。
（6）闭合环和附合路线边数应符合表2-3的规定。
表2-3 附合路线边数规定

等级 二等 三等 四等 -级 二级
闭合环或附合路线边数 ≤6 ≤8 ≤10 ≤10 ≤10

（7）为了求得GPS网点的正常高，应进行水准联测，二等、三等GPS点应联测三等水准，四等GPS点及导线点应联测四等水准。平原地区联测点不少于3个，均匀分布在网中。
（8）与国家C级及以上点联测点数不少于3个，全面网使用点连接，其它网形使用边连接。使用地方坐标系的应同时与地方坐标系的点连接，建立WGS84坐标系与1980西安坐标系和地方坐标系的转换关系。
（9）GPS拟合高程（正常高）经分析后，符合精度要求的可供测量使用。
2.1.3 选点与标石埋设
（1）应进行控制网的技术设计。
（2）应了解任务的目的要求和测区的自然地理条件，有关的地质、气象、交通、通讯等方面的资料，已有控制点的资料，测区的1:5万地形图。按技术设计进行踏勘。
（3）点位应符合下列条件：
① 点位应符合技术设计要求，有利于其它测量手段进行扩展与联测；
② 点位的基础应坚实稳定，易于长期保存，有利于安全作业；
③ 点位应便于安置接收设备和操作，视野开阔，地平15°范围内不应有高大建筑物，点位应远离大功率无线电发射源，远离高压输电线50米；
④ 附近不应有强烈干扰接收卫星信号的物体，交通方便；
⑤ 原有标石和控制点应尽量利用。
（4）二等点的标石，宜埋设盘石和柱石，两层标石中心偏离小于2mm，上层标石丢失后不影响平面的使用。
（5）点名应选取村名、地名、山名、单位名，无名称时可用GPS 流水号命名。
（6）GPS点埋设所占用土地，应经土地使用者或管理部门同意，尽量少占用耕地，必要时依法办理征地手续和测量标志委托书。
（7）点位确定后应现场做好点之记。
（8）点之记格式见附录B、标石样式及埋设示意图见附录C。
2.1.4 仪器设备的技术要求
（1）GPS接收机的选择应符合表2-4的要求。

-般检视：接收机及天线型号应正确，主机与配件应齐全∮收机及天线外观应良好，各部件及附件应完好，紧固部件不得松动和脱落。设备使用手册及后处理软件手册应齐全。
通电检验：电源信号灯应工作正常，利用自测试命令进行测试，检验接收机锁定卫星时间快慢，接收信号强弱和失锁情况。
实测检验：接收机内部噪声水平测试∮收机天线相位中心稳定性的检验∮收机不同精度指标的测试，应在不同长度的标准基线或标准检定场上进行。高温、低温测试。天线基座的光学对点器在作业中应经常检验，确保对中的正确性。实测检验可交由测绘仪器鉴定机构进行，确保仪器的使用在有效试用期内。
2.1.5 GPS观测
（1）GPS观测应符合表2-5要求。GPS各等级的点位几何图形强度因子PDOP值应小于6。有些仪器是不可见的，传输数据后，如果达不到要求，不能进行基线解算。
（2）GPS观测仪器操作要求如下：
① 天线对中误差≤3mm，天线整平，圆气泡应居中。
② 天线定向标志指向正北，误差不超过±5°。
③ 需要在觇标基板上安置天线时，需将标志中心投影到基板上，按投影点中心安置天线。
④ 接收机电源电缆和天线电缆应连接无误，接收机初始化正确可启动接收机进行作业。
⑤ 每段开机前，量取天线高，及时输入测站名，关机后应再量天线高作为校核，互差大于3mm，取两次平均值作为最后结果。
⑥ 进入作业后，应查看接收卫星号，信噪比，实时定位结果。
⑦ 作业期间，作业员不得离开现场，不得在接收机旁使用对讲机，防止其他人和物体靠近天线，遮挡信号。雷雨过境关机停测。
⑧ -个时段中不得改变数据采样间隔，不得改变天线位置，不得删除文件。
表2-5 GPS观测要求

项目
观测方法 二等 三等 四等 -级 二级
卫星高度角° 静态
快速静态 ≥15 ≥15 ≥15 ≥15 ≥15
有效卫星数 静态
快速静态 ≥4
-- ≥4
≥5 ≥4
≥5 ≥4
≥5 ≥4
≥5
平均设站数 静态
快速静态 ≥2
-- ≥2
≥2 ≥1.6
≥1.6 ≥1.6
≥1.6 ≥1.6
≥1.6
时段长度′ 静态
快速静态 ≥90
-- ≥60
≥20 ≥45
≥15 ≥45
≥15 ≥45
≥15
采样间隔″ 静态
快速静态 10-60 10-60 10-60 10-60 10-60

注：当采用双频机进行快速静态观测时，时间长度可缩短为10min。
2.1.6 观测记录
（1）记录内容：测站点及编号、接收设备、观测时间、时段号、近似位置、天线高∮收设备包括接收机类型及号码；观测时间包括开始与结束记录；近似位置包括近似经度、纬度、大地高；天线高包括测前、测后的高度平均值；观测状况包括电池电压、接收卫星号码、信噪比。
（2）记录表格式见附录D。
（3）记录要求：原始观测值现城录，字迹清楚、不得涂改，对于现场不可见内容允许后补；在数据传输后，应将记录内容写入数据中；接收机内存文件，到外存介质。
2.1.7 网平差
（1）基线解算。使用随机商业软件进行基线解算，可采用双差相位观测值，对于边长超过30km的基线，也可采用三差相位观测值。基线解算中的起算点坐标，按以下顺序优先采用：国家C级以上GPS网的WGS84坐标；国