GPS技術在大地測量工程應用分析

馬振龍

廣東省測繪技術公司 廣東 廣州 510075

引言

近些年，由于相關科研人員的不斷努力，我國大地測量工作有了很大的進展。GPS技術在大地測量中的應用改變了傳統的測量方式，為其提供了有力的工作支持。大地測量也從原來的地面測量發展到了空中。同時隨著衛星定位系統的誕生，大地測量也開始慢慢拋棄原有的簡陋的測量技術，而逐漸開始開發和使用這一全新的技術來進行測量工作。大地測量的主要目的是對地球的形狀以及地球隨時間變化而變化的規律，是一門對精確度要求非常嚴格的學科。GPS又稱全球定位系統，具有操作簡單、精確度高、高效簡潔的特點。GPS技術在大地測量中的應用改變了傳統的測量方式，為其提供了有力的工作支持。本文從GPS技術出發，對GPS技術的測量原理、特點進行了闡述，并對GPS技術在大地測量中的應用策略進行了分析。

1 GPS技術的測量原理

GPS主要使用原理是：對于位置已知的空間目標，在利用GPS技術進行測量時，主要是通過衛星進行觀察形成后方交會，繼而通過接收數據來計算目標點的經緯坐標；如果有多臺接收機同時進行數據的接收，就會形成很多個三角網形參與平差解算，繼而計算出經緯坐標。在測量過程中，一般選用4臺以上的GPS接收機作為一套設備，再選兩臺分為一組布設GPS點。GPS定位技術以其精度高、速度快、費用省、操作簡便等優良特性被廣泛應用于大地控制測量中?？梢哉fGPS定位技術已經完全取代了用常規測角、測距手段建立大地控制網。

大地測量是一種基于測繪系統和基準的技術，測量內容包括重力場、地球形態、時空變化及位置定位等。在大地測量過程中，多數因素都會影響測量結果的可靠性和準確性。其中測量地區的地形和地勢對于測量結果的可靠性和準確性造成較大影響，因此在測量時需要注重以下問題：①室外與開闊區域地形測量時可以應用GPS技術，部分樹林、金屬物和建筑物遮蓋衛星信號，若出現上述問題，就會導致接收機不能通過衛星訊息對具體位置坐標進行計算。②在強波環境下不能應用GPS技術，由于磁力波會遮蓋衛星信息，因此會導致接收機不能獲取到足夠的衛星信息，對具體位置坐標進行計算，特別是針對高壓電塔下方。由于大地測量技術所涉及的范圍比較大，因此必須借助于人力完成所有測量工作。正是由于借助人力測量，因此會產生大量的測量任務，還會降低測量工作的效率。采用人力開展測量工作，無法保證測量精度和結果準確性，因此必須在大地測量技術中應用GPS技術。但是上述工作僅僅通過人力完成，不能提升測量質量。如今我國科技快速發展，大地測量工作的維度不再局限于地面，現已發展到空中測量領域[1]。

2 GPS技術在大地測量中的優勢

2.1 GPS技術測量的精準性

GPS定位系統最重要的特點就是精準性，且其可以根據不同的測量精度、不同的作業方式進行調整。在大地測量控制網中，各個測量點都可以直接從GPS發出的訊號中獲得三維定位的準確信息。在控制網中每個網點之間不會出現積累誤差或逐點計算的情況。

2.2 儀器操作簡單方便

現如今，隨著科技的不斷發展，GPS接收機也在做著相應的改進，一般在測量時，觀測員只需放好儀器，連接電線，量取天線的高度，觀測儀器的工作狀態即可。其他的所有的工作都可由GPS測量儀器自動完成，如衛星的發現、跟蹤、測量和記錄等等。等所有數據全部測量完之后工作人員只需要收拾好測量工具，保存好所得數據便可完成一次數據采集的任務。

2.3 在設計布點時更加靈活方便

與之前的光學經緯儀和鋼尺而言，光電測距儀和全距儀已經能準確方便地測出兩點之間的距離。但只適用于表面廣闊、沒有任何遮擋物的地區，在森林及山區則不能用此儀器測量。GPS定位系統則對被測量地區的表面沒有要求，不要求測站之間互相通視，因而不再需要建造覘標，只需要測量地區上空寬闊，且GPS定位的精準性與被測的幾何圖形沒有關聯。因此在大地測量中GPS技術的應用更具有優越性。

2.4 對環境有很強的適應性

GPS定位系統幾乎可以適應任何外界環境，對環境的要求較小。無論是高山、大海、平原甚至沙漠深處、叢林等惡劣環境下都可以體現出其精準的測量，適應性非常強。這相對于傳統的大地測量方法而言GPS更能在任何時間、任何環境下對地球進行準確測量[2]。

2.5 觀測時間短且作業所需的費用低

GPS系統為一條基線進行精密相對定位，大概需要1～3h便可以完成。如果基線長度并不是很長的話，GPS系統便可以在幾分鐘之內完成對其的快速定位。而且因為GPS進行測量時并不需要通過建立占標來進行工作，因此，在普通的大地測量任務中，GPS系統只需要整個測量任務經費的1/3經費便完成工作。

3 GPS技術在大地測量中的應用

3.1 GPS在公路放線放樣中的應用

公路、隧道、橋梁測量都屬于大地測量，在進行公路、隧道、橋梁測量過程中，主要采用GPS技術，該技術主要通過對線路放線放樣進行測量，并用計算機進行線路測量，并將所得數據傳輸到計算機中，計算機系統會自行分析數據，得出相應的放線數據，很快判斷出具體測量數據，在進行橫斷面測量過程中，首先需要斷面成型，同時按照放線步驟進行實施，便可以得出相應數據。

3.2 GPS在大地測量的選點、觀測、竣工測量中的應用

例如人為原因、環境因素、地質狀況等等，但是通過GPS技術使用，減少了這些問題發生，因為GPS技術只要保證上空視野開闊即可，就能通過經緯度進行數據分析收集，按照信息科學技術進行分析，其中GPS技術有著準確性高、數據準確、方便操作優點，所以可以避免出現各種大地測量帶來問題。

3.3 GPS技術可以實現大地測量網絡有效性的檢測和補充

以往的大地測量技術不再適應現代化發展，所以GPS技術可以實現大地測量網絡有效性的檢測和補充，利用該技術可以補充網絡測量，針對重要位置進行檢查，判斷出檢測位置是否正確，并形成較大的測量網絡，為后期發展帶來堅實的的后盾。與此同時需要針對網絡進行加密，保證其測量數據準確可靠，而且也要增加GPS測量網點，目的是將原有網絡與GPS技術相互融合發展，提供很好的環境。

3.4 GPS技術可以實現實時動態定位

GPS能夠實時進行動態定位觀測，這項技術要求標準高，技術條件要達到測繪需要，GPS測繪需要對某已知點當做基準站，在這個位置安放GPS接收機，這樣，就能夠通過現場對衛星進行搜索，然后借助無線電設備對各種信息進行收集與整理，所傳輸的信息就會鏈接測量站，流動站及基準站數值和自身觀察測量所得值，能夠全面精確的確定物象所在的三維坐標[3]。

4 GPS輔助空中三角測量在低空航測大比例尺地形測圖中技術分析

4.1 GPS輔助低空航攝系統的工作原理

圖1為自行制造的GPS輔助低空航攝系統的工作原理圖。（見文末）

圖1 GPS輔助低空航空攝影系統工作原理

4.2 GPS輔助空中三角測量的技術

根據低空攝影測量的特點，著重就GPS輔助空中三角測量影像連接點、GPS攝站坐標的獲取及其系統誤差的補償方法進行了研究。

針對低空航攝影像旋偏角大、重疊度不規則的特點，采用SIFT特征匹配與金字塔影像匹配相結合的轉點策略，自動提取測圖航線間的影像連接點；采用POS輔助影像匹配策略，首先對構架航線實施單航線GPS輔助光束法區域網平差，獲得每張影像的6個外方位元素，然后用其輔助完成構架航線與測圖航線間的自動轉點。這有效提高了攝影測量加密影像連接點的量測效率和可靠性。

針對低空航攝平臺受氣流影響、姿態變化大的特點，將機載定位雙頻GPS接收天線安裝在航攝儀的正上方，采用17h后的IGS星歷進行GPS精密單點定位，對其進行簡單的UTM投影后得到攝站平面坐標（X，Y），攝站Z坐標直接采用GPS大地高，并將所獲得的GPS攝站三維坐標直接與像點坐標進行聯合平差，很好地回避了常規GPS輔助空中三角測量必須將GPS動態定位結果轉換至測圖坐標系才能用于攝影測量區域網平差的煩瑣變換過程，大大簡化了定位GPS攝站的技術難度。

針對獲取的影像連接點和GPS攝站坐標的系統誤差，在GPS輔助光束法區域網平差中采用相應的系統誤差補償模型。對像點坐標觀測值主要是根據CCD成像特點，可選用改進的Ebner和Brown像點坐標系統誤差補償模型；對GPS攝站坐標主要采用逐條航線引入線性漂移誤差改正模型，對攝站Z坐標顧及大地水準面異常而加入平移量改正。通過在GPS輔助光束法平差迭代過程中自適應地選擇附加參數而達到消除原始觀測值系統誤差的目的，較好地保證了攝影測量加密的精度[4]。

5 結束語

GPS因其可以在野外連續不間斷作業，且操作方便移動性好，已經全面取代以前大地測繪中的測繪手段成為新的測繪方式。GPS在日常的經濟建設和人民生活中也有著廣泛的應用，GPS技術在大地測量中的應用是一項長期的工程，需要長期對GPS技術在大地測量中的應用進行探索，充分發揮GPS技術的優勢和特點，從而促進大地測量高效快速的發展。