精度评定

关键词： 试验

精度评定（精选七篇）

精度评定 篇1

脉冲雷达测量系统动态精度评定一般采用外场跟踪飞机即精度校飞的方法。该方法有如下一些缺点:一是试验周期较长,致使新雷达装备的研制周期较长;二是试验对靶场测量、时统、通信、校飞飞机等设备的配合,试验组织、协调复杂,靶场人力、物力消耗较大。仿真试验作为一种全新的试验方法,能够借助国内外先进的科学技术,模拟试验条件和环境,快速、准确、高效地完成脉冲雷达测量系统动态精度鉴定试验。因此,为了缩短脉冲雷达研制周期,使新雷达装备尽快形成战斗力,提高靶场的综合试验能力、试验效率,减少试验消耗,有必要研究快速、高效的雷达测量系统动态精度仿真试验方法。通过分析精度校飞试验工作原理、信息关系、粗略误差规律,建立相应数学模型并结合软件编程技术可实现雷达精度校飞试验高精度仿真。

1仿真校飞的总体

1.1 校飞航路的模拟

鉴于脉冲雷达精度校飞试验都是应用国军标《导弹航天器试验·外测设备的精度评定·脉冲雷达》(简称GJB1381.2-92)为标准进行试验展开和事后数据处理的,该国军标经多年靶场实践应用检验、计算方法成型。进行脉冲雷达精度评定时,为接近实战情况,往往选取以校飞飞机为跟踪目标,以激光经纬仪为标准比对设备进行精度校飞试验。校飞过程中,仅作匀速直线运动的情况是很少的,更多的是平飞时的加速、减速运动。为使飞机保持直线平飞状态,飞行员要不断地操纵调整油门和驾驶杆。加速时加大油门同时减小飞机迎角;减速时收小油门并打开减速板,增大迎角,以保持飞行姿态。由于受到空气阻力和发动机推力等合力的作用,飞机加速后会在新的平衡下匀速运动,故实际加速度的变化过程是一个从小到大再减小为零的非线性连续变化过程。此时,飞机在t时刻的速度可用二次曲线近似描述为:

$v{}_t=v{}_0+at+bt{}^2(1)$

飞机在某直线航路t时刻相对于始点的位移为:

$s{}_t=s{}_0+v{}_{0}t+\frac{1}{2}at{}^2+\frac{1}{3}bt{}^3(2)$

仿真时,可周期性令a=0,b=0,代表匀速直航飞行后,再取a≠0,b≠0的适当值进行实际飞行仿真。

1.2 校飞航迹数据的模拟

飞机沿预设的航路飞行,受气流等不确定因素影响,在空间并非完全直线飞行。同时雷达在跟踪测量时受各种干扰得到的量测信号,是带有一定噪声的随机变量,也使得量测数据在三维方向上“摇晃”,为使模拟航迹数据与实测数据相似,首先生成理想直线航路,然后随采样周期推进在此理想航路上取点,按服从一定概率分布、符合飞机校飞点迹统计规律的方法在三维坐标方向引入随机数叠加到这些点值上。从这个意义上说是可以得到理想真值的:即为理想航路上取的点值,也是GJB1381.2-92中作比对标准的“光学测量值”。而叠加随机数后形成的点值则是模拟的雷达测量值。仿真时,先预设理想直线点迹数据进行校飞仿真初始化,同时也得点迹测量真值,然后在三维方向上叠加随机数模拟真实测量值。雷达测量的量值是对许多随机噪声的综合反应(如接收装置热噪声,宇宙噪声)等,可以将输出噪声看作是许多独立的随机噪声之和。根据中心极限定理,由许多独立的随机变量(n个)之和构成的一个随机变量,当n趋近于无穷大时,它总是呈现正态分布特性,伴随雷达量测数据的输出噪声可以看作是正态分布噪声[1]。由此噪声模型,结合雷达性能参数、测量特性修改完善噪声模型,并确定噪声模型中的参数后进一步可得模拟的雷达测量值,具体如图1虚线框所示。

1.3 仿真的基础

脉冲雷达精度试验的数据处理是依GJB1381.2-92中规定的数据处理方法进行的,GJB1381.2-92中一组系统误差模型公式如下[2]:

方位系统误差:

$\begin{array}{l}\text{Δ}A{}_1(t)=A{}_{10}+a{}_{11}\sin (A{}_1(t)-A{}_{1m})\tan E{}_1(t)+\\ a{}_{12}\tan E{}_1(t)+a{}_{13}\sec E{}_1(t)+a{}_{14}\sec E{}_1(t)+\\ a{}_{15}\sin (A{}_1(t)+\theta {}_a)+a{}_{16}\text{Δ}U{}_a(3)\end{array}$

仰角系统误差:

$\begin{array}{l}\text{Δ}E{}_1(t)=E{}_{10}+e{}_{11}\cos (A{}_1(t)-A{}_{1m})+e{}_{12}+\\ e{}_{13}\cos E{}_1(t)+e{}_{14}\sin (E{}_1(t)+\theta {}_e)+e{}_{15}\text{Δ}U{}_e(4)\end{array}$

距离系统误差:

$\text{Δ}R{}_1(t)=R{}_{10}+r{}_{11}\text{Δ}t{}_y+r{}_{12}R{}_1(t)(5)$

公式中t,R1(t),A1(t),E1(t),A10,A1m等系数含义见GJB1381.2-92中详细说明。上列公式中除了R1(t),A1(t),E1(t)外,其余所有系数(A10,R10,E10,a11,e11等)均是雷达固有的不变参数或阵地标校参数(标校后为固化值)(图2),对应每台雷达的这些固有参数和标校参数反映雷达设备加工精度及研制时对误差控制程度,客观制约着测量数据质量的好坏,在极大程度上决定雷达测量精度和误差范围,而R1(t),A1(t),E1(t)是雷达动态测量值(可变的),为求出具体某台校飞雷达的精度,只要公式(3)～(5)中的设备固有参数、标校参数对应该台校飞雷达的固有参数和阵地标校值,再代入模拟产生的动态测量数据R1(t),A1(t),E1(t),然后依GJB1381.2-92中数据处理方法,就可求出该台雷达测量精度,这也可以说是一种半实物仿真。

2噪声数据的生成

随机数产生的方法很多,在VC#.net 2005语言中可利用Random类的成员函数Random.Next(0,1)来产生[0,1]间均匀分布的随机变量X～U[0,1]。随机数的生成是从种子数seed0开始,如果使用同一个种子seed0,就会生成相同的数字系列。可在VC#.Net 2005中使用与时间相关的默认构造函数Random()产生Random类,当使用Random()再次创建Random对象时就生成一个不同的序列,以此来保证产生随机序列的不同。简要代码如下:

//Create a random object with a timer-generated seed.

static void AutoSeedRandoms()

{// Wait to allow the timer to advance.

Thread.Sleep(1);

Random autoRand = new Random();

autoRand.Next(0,1);

}

在均匀分布基础上,标准正态分布随机数的产生通常用以下方法[3]:

$Y{}_m=\sqrt{-2\ln \xi {}_1}\cos (2\text{π}\xi {}_2)(6)$

其中ζ1,ζ2是两个相互独立的(0,1)上均匀分布的随机变量,由Random.Next(0,1)产生。再令:

$Y{}_m^{´}=\mu +\sigma Y{}_m(7)$

式中Ym～N[0,1],μ为数学期望,σ为均方差。此即均值和方差为定值的正态分布随机变量,Y′m～N[μ,σ2],期望Eζ=u,方差Dζ=σ2,产生随机数后作为理论值的叠加,模拟雷达测量值与真值的偏差,近似实际工作环境,仿真雷达的测量噪声。

3仿真的设计与实现

按GJB1381.2-92中航路选取原则及匀速直航校飞要求,令仿真时飞行3个直线航路,每航路来回飞行4个航次且航路高程为h=8 500 m,8 000 m,7 500 m,三条航路在xoy平面上投影与x轴成135°,航路捷径为4 km,航程相对航路捷径点±60 km(图3)。利用面向对象的VC#.net 2005语言,依GJB1381.2-92中的数据处理方法编程进行模拟校飞,仿真校飞画面如图4所示。

仿真飞机以v0=300 m/s,400 m/s速度在每条航路上来回飞行,给定s0,h,v0,a,b后,仿真时钟递进Δt=100 ms,依式(1)、式(2)在航路上每Δt得理论坐标值(x,y,h),由式(8)～(10)转换成相应(R,A,E)值即为雷达测量真值。在点值(x,y,h)的三维坐标方向上叠加由式(6)～(7)产生的正态随机值rnd x,rnd y,rnd h,再依式(11)～(13)转化为(simu R,simu A,simu E)得雷达模拟测量值(图5),如此取采样点(x,y,h),加随机量(rnd x,rnd y,rnd h),得仿真值(simu R,simu A,simu E),就相当于对目标进行一次测量。公式如下:

$\begin{array}{l}R=\sqrt{x{}^2+y{}^2+h{}^2}(8)\\ A=\{\begin{array}{l}\tan {}^{-1}(x/y),x>0,y>0\\ \text{π}+\tan {}^{-1}(x/y),x>0,y<0\\ 2\text{π}+\tan {}^{-1}(x/y),x<0,y<0\end{array}(9)\\ E=\tan {}^{-1}(h/\sqrt{x{}^2+y{}^2})(10)\end{array}$

求出航路上一系列点模拟测量值后,按图1数据处理流程进行精度计算。在数值仿真中,有关的数据处理(如系统误差修正、真值比对等精度评定的方法、内容)完全遵照GJB1381.2-92中规定。将精度数据处理过程编写为程序,通过改变校飞航路、变更初始设定数据(x,y,h)等,用多种误差统计特性值进行多次仿真,得到大量模拟测量数据,用GJB1381.2-92中的方法经计算机成批处理,获得数据处理结果,完成雷达精度校飞试验仿真。

4仿真结果示例

依上述方法对某型单脉冲雷达进行数值仿真,结果如表1所示。同时也一并选取某次试验任务中实际飞机校飞,雷达跟踪测量记录数据并按GJB1381.2-92中方法进行数据处理的结果对比列出如下:

σR≤3.0,σA≤0.40,σE≤0.40,σA⧋σE (15)

经多次数值模拟、精度评定计算后可得数据处理结果(表1中前三行):以上结果完全与所模拟的雷达研制技术参数说明书给出的结果一致,并且由表1易知仿真的数值处理结果比实际校飞数值处理结果小,这是因为计算机处理过程减少了人为因素影响,数据处理精度相应要高。

5结语

此方法利用公式(3)～(5)中变量和不变量关系,构造数学方法进行仿真,事先产生理想真值,将理想真值作为比对标准,然后引入随机数进行数值仿真,求解误差和相关数据精度评定,克服了实际校飞时无法得知理想真值缺陷,可谓独辟蹊径。以可视化、软件化方法将雷达精度校飞数据处理过程、精度统计分析程序化,编程实现仿真计算,充分利用计算机进行问题求解,提高了靶场综合试验能力和试验效率,节约了大量人力、物力和财力,具有很大的军事、经济效益。

参考文献

[1]王霄红.一种通用型的目标数据仿真[J].现代雷达,2004,26(4):32-34.

[2]GJB1381.2-92.导弹航天器试验.外测设备的精度评定.脉冲雷达[S].1993.

[3]康凤举,杨惠珍.现代仿真技术与应用[M].2版.北京:国防工业出版社,2006.

[4]章立民研究室.Visual C#2005程序开发与界面设计秘诀[M].北京:机械工业出版社,2006.

[5]孔德培,汪连栋,王国良,等.对空警戒雷达功能仿真研究[J].系统仿真学报,2003,15(9):1 300-1 303.

[6]李钦富,许小剑.相控阵雷达系统仿真模型研究[J].中国电子科学研究院学报,2007,2(2):239-243.

数字水准仪测量系统及其精度评定 篇2

数字水准仪测量系统及其精度评定

总结了数字水准仪测量系统的组成及其特点,详细分析了水准测量的精度计算方法,并结合实验给出了算例.

张恒(四川建筑职业技术学院交通与市政工程系,四川德阳,618000)

浅析不同地形区域的DEM精度评定 篇3

关键词:DEM;高速公路;公路勘测设计

中图分类号:TP352 文献标识码:A文章编号:1007-9599 (2010) 03-0000-02

DEM Accuracy Assessment on Different Terrain

Wu Yunfeng

(Xinjiang Geology and Mineral Resources Bureau GeophysicalExploration Team,Changji831100,China)

Abstract:DEM digital terrain model is the use of an arbitrary coordinate field a large selection of known X, Y, Z coordinates of points on the ground in a simple continuous statistics that, in a short, DTM is simple math of surface topography.

Keywords:DEM;Highway;Highway Survey and Design

一、数字高程模型(DEM)概述

(一)数字高程模型(DEM)的特点

1.容易以多种形式显示地形信息。

地形数据经过计算机软件处理后,产生多种比例尺的地形图、纵横断面图和立体图,而常规形图一经制作完成后,比例尺不容易改变,如要改变比例尺或者要绘制其他形式的地形图,则需要人工处理。

2.精度不会损失。

常规地图随着时间的推移,图纸将会变形,失掉原有的精度,而DEM采用数字媒介因而能保持精度不变。另外,人工方法由常规的地图制作其他种类的地图,精度会受到损失。而由DEM直接输出,精度可得到控制且不会损失。

3.容易实现自动化、实时化。

常规地图要增加和修改都必须重复相同的工序,劳动强度大而且周期长,不利于地图的实时更新,而DEM由于是数字形式的,所以增加或改变地形信息只需将修改信息直接输入到计算机,经软件处理后立即可实时化地产生各种地形图。

(二)数字高程模型(DEM)的应用

DEM作为地形表面的一种数字表达形式所具有的特点决定了DEM在勘测、摄影测量与遥感、地球科学、制图、土木工程、地质、矿业工程、地理形态、军事工程、城市规划、通讯等领域的应用日益增多,而且不断开拓新的领域。

数字高程模型在公路勘测设计中的应用潜力巨大。传统的公路设计不仅需要大量费时费力的野外勘测工作,而且所设计出的公路还不可避免地具有以下几个方面地缺陷:设计的方案不一定是经济、技术上的最优的;方案受人的主观影响较大;工作强度大,设计工作繁琐。在数字高程模型建立以后,不仅可以用于路线的优化,还可以用于路线设计、二维可视化、公路仿真等领域。

二、不同地形区域的野外地形测量

野外地形测量数据是建立数字高程模型的重要数据源,它包括平面位置数据和高程数据,笔者结合公路勘测设计的实际需要,选择几段沿公路走向的带状范围作为测量区域,这几段范围分别包含山岭、平原和丘陵这三种地貌,以便研究不同地貌条件下对数据采集和DEM精度的影响。

(一)首级控制测量

在测量范围内布设四等GPS—E级网作为测量的首级控制,四等控制点至少应有两个通视方向,GPS作业时应采用静态模式(常规静态或快速静态)观测。

首级控制测量时最好联测已有的首级网点(四等点或者GPS—E级点),以备检核。由于公路的线路较长,在数据处理时,如果遇到控制点不在同一投影带,必须先进行坐标的投影换带计算,最后求得控制点的平面坐标。

(二)图根控制测量

图根点是直接提供地形图的依据,也是修测、补测地形图的依据。所以在上一等级的控制点基础上加密布设,以满足测图的需要。分别在平坦地区、山地和丘陵地带三种地形条件下所选择的实验区范围内布设图根点,在山地和丘陵地区可以适当增加图根点的密度。采用以下步骤和方法进行图根控制测量:

(三)碎部测量

地形测量采用数字化测图,测图软件是清华三维公司的电子平板测绘系统(EPSW电子平板)。清华三维电子平板测绘系统是集扫描矢量化、数字化测绘作业、计算机成图等多种功能于一体的软件,运用该系统具有成果规范化、功效高、使用保存方便等特点,适合复杂多变地形的测绘。

(四)检查点的布设与测量

分别在平坦地区、山地和丘陵的实验地形条件下各布设大约63个检查点(这些点为非地形特征点,在整个实验区均匀布置),然后用全站仪和水准仪分别按较高的精度要求进行测量,用来检核DRM内插时的误差,同日寸也用来对RTK测量的三维坐标和全站仪三角高程进行精度评定。检查点使用比原始数据精度更高的数据,其对精度评定的影响可以不考虑。

三、不同地形区域DEM精度评定

(一)平原地区DEM精度评定

由实际测量数据统计分析结果可得到以下图表:

在平原地区,采样间隔以20米为单位,测量结果表明,20米—100米范围内,DEM内插的采样点高程中误差随着采样间距的增大而不断增加,即表明在平原地区20米、100米范围内,DEM精度随采样间隔的增加而不断降低。

(二)丘陵地区精度评定

由测量统计分析结果可得到在丘陵地区,采样间隔以10米为单位,10米—100米范围内,试验结果表明,DEM内插的采样点高程中误差随着采样间距的增大而不断增加,即表明在丘陵地区10米—100米范围内,DEM精度随采样间隔的增加而不断降低。

(三)山岭地区精度评定

由测量统计分析结果可得到在山岭地区,采样间隔以10米为单位,10米、100米范围内,试验结果表明,在10米—50米范围内,DEM内插的采样点高程中误差随着采样间隔的增大而增大,而50米、100米范围内,DEM内插的采样点高程中误差浮动范围不定,呈随机分布,不再有10米、50米范围内采样点高程中误差与采样间隔呈线性分布的规律性。

四、小结

在野外测量时包含特征点能显著提高DEM精度,尤其是在地形起伏较大的地区,所以测量时特征点必须测量;采样间距增加时平原地区的DEM的精度随着采样间隔的增加精度降低,但降低的幅度较慢;丘陵地区的DEM的精度随着采样间隔的增加精度相应降低;山岭地区DEM的精度随着采样间隔的增加精度逐渐降低,当达到一定程度后,DEM的精度降低的幅度就比较缓慢。总而言之,同样的采样间隔条件下,随着地形起伏的加剧,DEM的精度会相应降低。

参考文献:

[1]徐其福.数字高程模型在公路勘测设计中的应用.山西科技,2002

浅谈公路带状测绘及精度评定方法 篇4

1 高精度GPS-RTK三维路基对于数据的获取作业流程

带状公路的控制测量是一项复杂、繁重而又对精度要求很高的工作, 其目的在于为城市以及工程制作不同比例尺的工程地图, 从而实现安全与精确的生产与生活。在GPS没有普及到控制测量这一领域, 人们主要依赖于测绘仪、经纬仪等仪器进行小范围的局部测量, 其精度受到人们的质疑, 并且耗费的人力物力资源比较多, 在高等级公路的控制测量中经常会遇到山丘、密林等复杂的地形, 在某些特殊的情况下会出现公路设计路线与居民住宅交叉的情况。基于通视困难以及频繁的搬站这些情况, 在公路带状控制测量中笔者推荐使用基于GPS的卫星定位系统。GPS系统测量即全球定位系统, 其很多用途已众所周知, 通过提供连续高精度全天候的三维实时定位, 依赖于载波相位的转变, 实现空间、地面以及用户三者之间的相互通信, 最终实现动态定位技术。

1.1 收集测区控制点资料, 布局网络, 选择控制点

在作业之前, 应该对测区控制点的资料进行收集, 主要是基于对控制点坐标、等级、坐标系、网络性质的考虑。虽然GPS对于通视条件无特殊的要求, 但为了结果的准确, 在对公路进行控制测量时, 尽量选择通视条件比较好的点, 点与点之间不必达到通视的效果, 但是, 前提是, 每个点存在两个方向可以通视。在实施放样测量之前, 应该对原始控制点进行分析, 同时结合测区的地理位置, 对整个测区进行合理的布局与划分, 使得控制点在不同的测区区段分布较为均匀。同时应该对系统的参数进行设置, 如卫星高度角, 定义要求配置集。在对监控网进行布设时, 由于铁路公路等本身线性的特点, 使得其在纵向上长达几百公里, 而横向范围较狭窄, 因此, 利用所有的控制点来统一拟合所有测区的做法是不科学的, 高程异常变化的复杂化会对最终拟合的精度带来考验, 在此笔者建议采取人工分段的做法, 将整个现状路段划分为不同的测区, 对于每一个测段, 分别求出相应的转换参数。在对监控网进行布设时, 为了控制带状测绘的误差达到标准, 保险一点的做法是依据分布点的分布形式对监控网的网形进行整体设计。控制点数量没有硬性的规定, 但是, 由于本次测量为带状测区, 因此, 控制点的数量最好选择在大于4的范围内。采用流动台跟踪机跟踪GPS卫星信号, 并结合OTF方法求解载波相位模糊度。软件由GPS接收设备自带, 能够快速对流动站的三维坐标通过高斯投影进行坐标转换, 同时对解算的结果以及精度加以显示, 笔者接触的带状公路测量软件通常采用的是Leica一步法[1]。

1.2 数据野外放样采集、处理及其方法

通过各个地区相应的卫星预报, 选择最好的观测时间, 正确的输入线路设计的坐标体系以及各项参数, 做好数据的初始化工作。在控制测量的过程中, 时刻对质量控制因子以及系统工作状态予以监视。在求坐标转换参数时, 选择均匀的控制点, 采用GPS静态测量技术, 分段求解各段坐标转换参数, 数据的处理依赖于各公司提供的平差软件, 通过基本的基线解算算法以及相应的数学模型对得到的数据进行相应的预处理, 算出基准向量, 并对基线进行质量分析, 对初始得到的数据进行特征选择与特征提取, 从而分流出各种符合要求的文件信息, 为计算平差这个阶段做好相应的数据支持。然后利用坐标变换, 在选定的城市坐标下进行高斯投影, 从而使得预处理阶段获得的数据标准化。按照此过程循序渐进, 当整个测量结束时, 还应该对带状不同测区的外部观测数据质量进行及时的检核以及评价, 如果基线质量或者精度为达到设计阶段要求, 可以考虑重新选择控制点或者重新划分测区进行布网控制测量。在采集数据阶段, 应当注意的是, 在流动站开始工作之前, 在另一个已知点上做校核观察, 在核查没有问题的情况下, 再进行控制测量, 在观察数分钟的基础上才可以进行数据的采集工作[2]。

1.3 内业处理绘图

当数据采集以及处理过程结束之后, 工作人员负责将数据带回, 再结合当前流行的CAD或者MapGIS技术制作出此次项目测量所要得到的各种地图, 如带状数字地图、数字横断面图以及带状地面模型图[3]。

1.4 放样结果精度评价

GPS在带状公路控制测量中存在广泛的应用, 能够避免传统人工以及机械设备不准确的问题, 但是, 对于其在碎步测量中的应用, 仍然受到一定的质疑。GPS在带状公路测绘时, 依赖于卫星系统载波相位的转变, 因此, 为了得到精确的效果, GPS点应该设置在电磁波以及卫星通信不受干扰的地方, 应该选择地势位置较高且比较空旷的位置, 从而保证流动信号的散射率较低。由于RTK放样结果的精度除了依赖于基准控制点以及带状测区的划分等因素的影响之外, 还依赖于坐标系统之间坐标误差的转换, 信号接收误差以及模糊度解算算法等误差的影响, 因此, 在实际的放样工作中, 应该将放样过程与对GPS控制点比测过程进行同步, 不断地调试, 直到各点位之间不存在误差的累计, 满足项目设计初期, 带状公路精度要求为止[4]。

2 GPS用于带状公路检测的技术优势

利用常规的方法 (如导线测量, 三角测量) 进行带状公路测绘时, 其测量的范围是有限的, 由于公路本身纵向范围涉及的范围比较广, 因此, 有很多常规测量方法无法达到的地方。民事、工业以及军用控制点的交叉混杂对系统之间的兼容性提出了新的考验, 同时, 测控点完成的时期大多在上世纪50年代, 现代格局发生了变化, 以前的控制点未必适用于现在, 如果还是以传统的方式来对公路进行测控, 会发生精度误差, 传统方式对于控制点, 要求必须通视, GPS系统并没有此类苛刻的要求, 而且传统方法, 人为以及设备的因素对于最终结果的准确性影响也是很大的。GPS公路测绘技术仅仅依赖与一个人背着仪器在碎步点短暂的停留几秒钟, 输入相应的特征密码, 将得到的数据带回工作室, 并依赖于专业化的数据分析以及绘图软件即可分析以及产生结果, 自动化程度高, 结果准确, 不存在维数灾难, 整个过程是比较简洁的, 星座布置一旦完成, 便可进行24小时全天监控。

3 结语

在当前, GPS技术的发展已经到了一个全新的阶段, 操作简便, 整体来讲可以产生大的经济效益, 达到较高的精度。在带状公路测量时, GPS排除了各个控制点通视的约束, 布点灵活, 实时动态的监控, 满足了对于土地状况进行整合的现实性。GPS技术是现代化信息科学技术的结晶, 其自身的不断发展与改良, 会进一步推动公路测量乃至整个控制测量技术的变革, 由其引领的摇杆以及地理信息综合应用系统, 必将为我国“数字中国”以及“数字地球”的建设埋下伏笔。在未来几年之内, GPS连续观测基站将会遍布中国, 实现随时随地实时测量, 并最终以高精度高效率服务于控制测量, 成为一种便捷的公路测量科学工具, 服务于人类。

参考文献

[1]孔祥元, 郭际明.控制测量学[M].武汉:武汉大学出版社, 2007.

[2]陈振波, 刘健.全球定位系统在地形控制测量相关技术中的使用[J].城市建设, 2011, (3) :368-368.

[3]戴隆华, 马学良, 闻洪峰.GPS在带状控制测量应用中一些相关问题的探讨[J].测绘与空间地理信息, 2010, (6) :38-39.

精度评定 篇5

随着移动测量技术的发展日益迅速,国内外一些专家学者在移动测量精度评定方面做了很多相关研究。王万峰针对CCD影像数据精度进行了实验,分析了车速和扫描距离对影像数据的影响[6];张卡根据误差传播定律,推导了X、Y、Z三个方向上的影像坐标误差公式及点位误差公式[7];刘梅余也做了车速和摄影距离对影像数据的影响尺度分析[8];李峰用地面控制点来提高车载点云精度,取得了一定效果[9];WangJian分析了车载点云误差来源,进行了详细的理论分析[10]。然而,目前针对移动扫描点云数据精度分析方面的研究还非常少,亟需相关方面的资料和数据。本文旨在通过一系列的实验,实现对移动测量系统点云精度影响尺度的具体分析,为工程实践提供相应的参考,弥补相关研究的不足。

1 实验方案设计及数据采集

1.1 实验方案设计

移动测量系统MSS集成了GPS、LS(Laser Scanner)、IMU(Inertial Measurement Unit惯性测量单元)和CCD等多种传感器技术,具有数据获取快速化和实时化,处理自动化和数据多样化的特点[11,12]。

MSS能够快速采集目标数据,但也存在各种误差影响因素[13],如:GPS定位误差、IMU定姿误差、车速变化引起的时间同步误差、扫描本身误差、扫描距离引起的误差、外界环境影响等,这些因素会不同程度地对激光点云数据结果精度造成影响,本文将针对主要客观影响因素车速和扫描距离,对移动测量点云数据的影响尺度展开研究。

为保证实验结果的准确性和科学性,需要整体考虑MSS和外部环境等各种实验因素,分析各种因素对实验结果的影响,在此基础上设计合理的实验流程。具体实验设计操作流程如图1所示。

对移动测量数据质量进行评定,所采用的方法是将车载扫描数据与高精度测量仪器测得结果相比较。作为传统测量仪器,电子全站仪在坐标测量方面拥有绝对优势,精度已达毫米级甚至更高。所以实验中选择将高精度电子全站仪坐标测量数据作为坐标测量的“准真值”,将车载扫描数据与其进行对比,以此衡量车载扫描数据的精度。

实验中采取布设球靶标、花杆及利用建筑物特征等方式,分别对移动测量数据的点、线、面进行精度评价。实验中,相邻两标识间距均超过2m,在需要测量的特征点位处,都安置了反射片,尽可能地保证数据的准确性。

1.2 移动测量数据采集

实验所用移动测量系统包括集成了GPS、IMU、Laser Scanner等先进的传感器设备,移动平台采用的是越野车型,其中车载GPS动态测量标称精度H: 10mm+1.0ppm, V: 15mm+1.0ppm,根据选取反射率的不同,其激光扫描设备扫描范围最远可以达到30~80m。

实验时,选取一个空阔区域架设了GPS基准站,以便有足够的GPS信号来满足移动测量点云数据的实时点位信息获取。共均匀布设球面靶标8个,相邻间隔在2m以上;在实验用建筑物墙面上均匀布设若干反射片和自制平面靶标;在平行于建筑物墙面和车行方向上,利用全站仪放样了一排标杆,即花杆点位均在一条平行于车行路线的直线上,且相邻间隔在2m以上,标杆高于地面高度保持为1.1m;另外利用建筑物墙面、窗户、墙角点等特征处也作为参考对象;以上实验过程中的所有球面靶标、反射片、自制平面靶标、花杆点位及实验区建筑物所需特征点均于实验前获取了其全站仪坐标。

在数据采集前,将移动采集车开至一处能接收到不少于6颗卫星信号的地点,进行五分钟的初始化。实际采集时,首先要保持10km/h的车速,采集出扫描距离距标杆分别为5.2、11.7和37.6m时的三组数据,其中车辆扫描距离以距标杆的距离为参考基准,每次采集后均用皮尺严格测量实际扫描距离;其次,保持扫描距离为11.7m的情况下,分别采集出车速为10、30和50km/h时的三组数据。对所采集数据进行后处理,通过七参数法,将采集到的点云从大地坐标系转换到本地坐标系。

2 点云数据精度分析

由于移动测量系统最直接的测量成果就是点云的三维坐标,坐标精度自然成为点云数据质量评价的直接指标,因此,将点位误差作为判断点云数据质量的首要依据,下面将针对部分采集状况较好的移动测量点云数据进行精度分析。

2.1 点位误差分析

扫描点在三个轴向的误差为:

式(1)中,(x′,y′,z′)为移动测量坐标,(X,Y,Z)为全站仪坐标。

若测量了n个点,则点位中误差为:

表1和表2分别为车速对点位精度的影响和扫描距离对点位精度的影响的部分数据,据此可以对移动测量数据进行分析。

从表1和表2的结果分析可以看出,当车速为10km/h时,扫描距离在1.5~37.5m范围内时,点位误差最小为5.32cm,最大为16.44cm,且在一定范围内,随着车速或扫描距离的增加,扫描点云的点位误差会越来越大。

2.2 其它方面精度分析

除点位误差外,线、面扫描精度也是评价点云精度的一个比较直观的指标。图2和图3分别为车速和扫描距离对线段扫描精度的影响;图4和图5分别为车速和扫描距离对面扫描精度的影响,据此可以对移动测量数据精度进行分析。

通过图2~图5可以看出,尽管数据观测次数较少,但通过几项数据的对比可以看出,车速与扫描距离对线段、面扫描影响趋势显著,在一定范围内,随着车速或扫描距离的增加,线段、面扫描误差会越来越大,反之则越来越小;其中图4中,车速30km/h时,墙面面积差为奇异值。

3 实验精度评定与应用分析

3.1 实验精度评定

对上节的实验数据进行分析,可以得到如下结论:

(1)通过对表1、表2分析可以看出,当扫描距离固定时,随车速增大,点位误差随之增大;同样,当车速固定时,随扫描距离增大,点位误差也随之增大。对表中数据进行插值处理后,可以得到,车速30km/h时,距离约17.5m范围内,其点位精度可达到20cm;车速10km/h,扫描距离约45m内时,点位误差也可达到20cm。

(2)通过图2~图5可以看出,当车速为10km/h时,扫描距离在2.2~45.3m范围内时,线段扫描的相对误差在1/415~1/246之间逐渐增大,即当车速固定时,随扫描距离增加,线段扫描误差均增大,相对误差也增大;当扫描距离固定时,随车速增加,线段扫描误差也都增大,相对误差增大。同样,移动扫描系统对面扫描精度也有相似的影响,随车速或扫描距离的增加,面扫描精度也逐渐降低。

(注:图中标志点处数值为相应的相对误差)

(注:图中标志点处数值为相应的相对误差)

(注:图中标志点处数值为相应的相对误差)

(注:图中标志点处数值为相应的相对误差)

根据以上分析结论,车速和扫描距离对移动测量点云精度影响较大,在一定范围内,当车速或扫描距离增加时,扫描误差均随之增大,点云精度降低。

3.2 应用范围分析

通过以上实验和分析,可知车速10km/h,扫描距离在约45m范围内时,移动测量点云数据基本可以达到1∶2000地形图测图的精度要求;当车速10km/h,扫描距离在约13m范围内时,移动测量点云数据基本可以达到1∶1000地形图测图的精度要求。当车速30km/h,扫描距离在17.5m范围内时,点云数据可以达到1∶2000地形图测图的精度要求。另外,通过实验结果,可以推断出针对该移动系统扫描范围内,完全可以满足1∶1万的基础地理信息数据库快速更新的要求。

目前,在地形图测绘方面,大比例尺地形图是应用非常多的一部分,也是最花费人力物力的一部分。因此,提高MSS的总体精度,对扩大其应用领域,使之成为遥感成图、航测成图的重要补充,具有非常重要的意义。

4 结论

本文从点、线、面三个方面具体分析了车速和扫描距离对MSS点云数据精度的影响,通过点位误差、绝对误差和相对误差等指标具体而直观地实现了对MSS点云精度的评价,对MSS的工程应用起到了有益的借鉴作用。

移动测量系统可以快速获取空间三维信息,具有相当大的应用潜力和市场需求,其必将引导未来的测绘市场,引起一场测绘界的革命。目前,大比例尺地形图测绘任务繁多,费时、费力、费财,因此分析MSS的数据采集精度,对提高移动测量数据的利用效率,及其在地理空间数据快速采集和更新等方面的应用,具有重要的实际意义和研究价值。

摘要：随着移动测量技术的快速发展,移动测量系统的精度受到越来越多的关注。在分析移动测量系统误差影响因素的基础上,针对主要客观因素车速和扫描距离对移动测量点云数据的影响,设计了多种实验,从点、线、面等三个方面比较和分析了实验结果的绝对误差、相对误差和点位误差,对点云数据精度进行评定,并确定了车速、扫描距离对移动点云精度的具体影响尺度。据此给出了不同比例尺地形图测量时的移动测量方案,提高了移动测量数据的利用效率,为工程实践提供了参考。

精度评定 篇6

深基坑在施工的过程中对周边环境影响较大,施工过程中各种安全监控措施要到位,一旦发生基坑坍塌后,危害极大。深基坑的施工技术还不成熟,这就要求我们不断地加大对深基坑水平及竖向位移的研究,不断积累对深基坑监测的经验,及时把监测数据反馈于施工方,指导施工方施工,保障基坑安全施工。

1深基坑支护结构水平及竖向位移变形成因及监测

1.1水平及竖向位移变形成因

水平位移是深基坑支护结构变形值沿水平方向的分量,竖向位移主要是基坑支护结构上移或下沉,深基坑开挖机支护结构施工期间,首先要进行土方外运,会引起基坑内外产生土压力差;在周边土体及堆载的作用下,支护结构在外力的作用将产生变形,主要体现在水平位移和竖向位移两个方面。

1.2水平及竖向位移变形监测

基深基坑支护结构水平及竖向位移监测是指在基坑开挖施工过程中,借助仪器设备和其他一些手段对围护结构竖向位移、水平位移动态变化进行综合监测。通过监测数据的分析处理与计算,确定支护结构水平及竖向位移量的累计值及变化速率是否在深基坑设计要求的控制值及报警值的范围内,判断前一步施工工艺和施工参数是否符合预期要求及是否进行报警。决定是否需要对支护结构、周边构筑物和地下管线采取保护或加固措施,以确保支护结构的稳定及周边环境的安全。

2深基坑支护结构水平及竖向位移监测实践

2.1项目概况

珠海市文化馆基坑(拱北剧院)场地基地面积29 514.02m2,建筑占地面积15 219 m2,其中地上16层,地下2层,需进行基坑开挖支护。由于场地地势为北高南低,相应基坑开挖深度随地形变化为13.0~15.0,基坑周长约386 m,基坑安全等级为一级。

2.2支护结构水平及竖向位移监测的设置

2.2.1设置原则

支护结构水平及位移监测点的设置主要根据工程的重要及难易程度、监测目的、工程地质和水文地质、围护结构形式、基坑深度、施工方法、经济情况、工程周边环境等综合而定,力求在满足规范需要的前提下,少而精。

2.2.2本项目监测点设置

本项目支护结构水平及位移监测点沿围护结构布点,监测点间距15~20 m,监测点24点,设计容许限值水平位移累计值不大于50 mm,竖向位移累计值不大于60 mm。监测点布置如图1所示。

2.3竖向位移监测及精度控制

2.3.1竖向位移(沉降)监测

采用精密水准仪按二等几何水准测量各监测点的高程;依据各沉降点高程的变化得出基坑沉降变化量。结合珠海市文化馆基坑沉降点位置和基准点的相对位置关系,二等几何水准按4条独立闭合水准路线,具体路线如下:

闭合水准路径<1>:[BM1-CJ1-CJ2-CJ3-CJ4-CJ5-CJ6-CJ7-BM1]

路线长度约0.8(km),限差=±4×SQRT(0.8)=±3.577(mm);闭合水准路径<2>:[BM2-CJ12-CJ11-CJ10-CJ9-CJ8-BM2]

路线长度约0.7(km),限差=±4×SQRT(0.7)=±3.347(mm);闭合水准路径<1>:[BM2-CJ13-CJ14-CJ15-CJ16-CJ17-CJ18-CJ19-CJ20-BM2]

路线长度约1.1(km),限差=±4×SQRT(1.1)=±4.195(mm);闭合水准路径<4>:[BM1-CJ24-CJ23-CJ22-CJ21-BM1]

路线长度约0.5(km),限差=±4×SQRT(0.5)=±2.828(mm);57期次监测实际测量闭合水准路线最长为1.16 km,闭合差最大为+0.89 mm,满足规范限差为±4.308 mm。

2.3.2竖向位移监测数据采集的控制措施

使用精密天宝DINI03电子水准仪观测。按Ⅱ等水准观测的要求操作,施测方法执行同一仪器、同一路线、同一标尺、同一操作员的原则,在沉降观测前,应先测定基准点稳定性,其观测精度需满足精密水准测量的要求。为了能很好地达到二等水准的有关技术要求,故对作业人员作出以下几点要求。

1)使用的水准仪器、水准标尺,项目开始前应进行检验,项目进行中已定期检验,检验符合要求,如表1所示。

(1)i角小于和等于15″,补偿式自动安平水准仪的补偿误差△a绝对值小于和等于0.2″。

(2)水准标尺分划线的分米分划线误差和米分划间隔真长与名义长度之差,对线条式铟瓦合金标尺不大于0.1㎜。

2)各周期水准闭合路线测量,应按以下要求。

(1)观测时采用相同的观测路线和观测方法,并使用同一台(套)仪器设备,且每次固定相同观测人员、选择最佳观测时段、在基本相同的环境和条件下观测。

(2)观测时段,要避开不利天气的影响,在标尺分划线呈象清晰和稳定的环境下进行观测。

(3)观测前要检查仪器设备的性能和主要指标能否满足二等水准测量的要求。

(4)测量到监测的沉降点和基准点时测站数均应为偶数。

(5)在观测过程中发现周边地面建筑物出现开裂应绘制草图,注计位置,并复核实际的沉降的测量成果。

2.3.3竖向位移监测数据精度评定

根据本项目竖向位移累计值不大于60 mm的要求,竖向位移监测精度依据《建筑基坑工程监测技术规程》的要求为:监测点测站高差中误差小于和等于0.5 mm。文化馆基坑二等几何水准闭合水准路线[BM2-CJ13-CJ14-CJ15-CJ16-CJ17-CJ18-CJ19-CJ20-BM2]观测中测站最多的为20站。CJ20为最弱点。设最弱点精度为σ,BM2至CJ20的中误σ1,权为P,则:

由于从BM2~CJ20两端的站数均为10站,所以

使用精密天宝DINI03电子水准仪每公里往返测平均高差中误差为0.3 mm。观测最远距离为50m。则每站高差中误差最大值为

取1站的高差中误差作为单位权中误差,则:

得σ=0.12 mm

而允许的变形值50 mm,取其0.5 mm作为高差中误差,由于:0.12 mm小于0.5 mm,因此本次采用DINI03级水准仪按二等水准测量施测符合一级基坑竖向位移监测精度要求。

2.4水平位移监测及精度控制

2.4.1水平位移监测点的设置

根据珠海市文化馆基坑的监测布置图和基坑周边环境,本项目水平位移监测采用极坐标法监测,这就需在基坑周边稳固的地方布设工作基点和位移监测点。为了满足水平位移精度的测量要求,就要控制观测视线的长度,本项目视线观测长度控制在小于和等于80 m,基坑单边的长度都大于80 m,因此在基坑的四个大角都需要布设工作基点。工作基点墩位置一般都选取在在基坑的拐角角点处,这是因为在角点处基坑的变形量最小,而且在角点处可以有足够的空间布设工作基点。工作基点墩大小为:长度约为30 cm,宽度约为30 cm,高度约为120cm。埋设时要将工作基点墩的底部布设在支护桩冠顶梁上,或者在冠顶梁外部挖约1.0 m×1.0 m深度方形基础坑,在底部盘石并倒入混凝土为工作基准点的基础,墩台中间要放置主筋和扎筋,以提高工作基点的稳定性和可靠程度。在工作基点顶部埋设强制对中和整平仪器的设施。基坑顶部位移监测点的埋设类似于工作基点,但要小很多,位移监测点仅用来放置棱镜,而无需架设全站仪,位移监测墩大小为:长度约为20 cm,宽度约为20 cm,高度约为30 cm。位置布设在在基坑边的支护桩冠顶梁上,中间无需钢筋加固,顶部埋设强制对中的螺栓(可根据棱镜的规格自行加工或在仪器商处购置)。位移监测点的间距一般为沿基坑边线10~20 m布设1个位移监测点,在基坑阳角处增设监测点位,珠海市文化馆基坑共布设4个工作基点,24个位移监测点。

2.4.2水平位移监测

在珠海市文化馆基坑位移监测中,由于监测场地能够满足工作基点和观测点建墩的条件,因此采用极坐标法监测;由于埋设的工作基点和位移监测墩台均有强制对中的设施,在观测过程时不用架设脚架,省去了全站仪整平对中的过程,在提高了观测精度的同时,也提高了监测效率。

2.4.3水平位移监测数据采集精度的控制措施

1)监测仪器精度的保证措施。采用极坐标法测量水平位移对全站仪的精度要求较高,一般采用精度不低于1″的全站仪。本项目采用日本拓普康MS05高精度全站仪,测角精度为0.5″,测距精度为1.0+1 ppm,棱镜采用原厂标配。

2)监测仪器的检校措施。使用的仪器必须定期进行检定,一般基坑监测的仪器需要6个月检定1次,保证仪器的性能达到所标称的测量精度。在使用仪器时对仪器的水平角指标差(2C)和竖盘指标差(i)进行测定,一般要求2C小于和等于5″和i小于和等于5″才能进行角度测量,距离测量要求一测回读书间较差小于和等于3 mm。

3)监测方法的控制措施。监测过程按照《建筑物变形监测规范》中二级测控网进行测量,测量4个测回,测量水平角、垂直角和斜距三个基本有效计算元,对每一个计算元应进行平差计算,并给予平差改正后才能用来计算极坐标。在测量过程中距离的测量一定要采用斜距测量,避免仪器i角对距离测量精度的影响。应避免在振动干扰严重时进行观测,此时仪器2C变动将出现异常,无法达到规范限差要求。

4)监测环境的控制措施。当基坑有大型机械设备施工,引起较大震动时,应停止观测工作,避免因抖动引起的观测误差;当观测视线受到遮挡时,等遮蔽物移开后再观测,避免照准误差影响观测精度。

5)监测时间及温度的控制措施。监测时段应尽量避开中午时段,中午大气折光将影响观测精度;观测时,应量测气温和气压,在仪器测量距离时对气温和气压进行改正,保证测距的准确性。

6)初始值观测的控制措施。初始值的观测采用不同时间的同一组人员进行测量,2次测量的结果的较差要满足规范的要求,并将2次测量结果的平均数作为初始值。

7)周期监测的控制措施。要固定所采用的棱镜,避免不同棱镜间铸造误差引起的测量误差,在架设棱镜时应通过全站仪控制棱镜的朝向和仰角,使全站仪达到最佳的观测效果。

8)监测技术人员的保障措施。监测人员必须进行本项目监测方案的分析研讨,把握测量过程中的重点难点,明确测量具体步骤和措施,及时核对采集数据是否超过规范和本项目的要求,数据采集的第一手资料必须确保准确无误。

2.4.4水平位移监测数据处理精度的控制措施

通过极坐标法测量获得的位移点的坐标值不能直接和上一次测量的坐标值进行比较。这是因为水平位移量是指位移点沿垂直于基坑边线方向的偏移值,而不是观测的坐标差量。要获得垂直于基坑边线方向的偏移值通常采用图解法和坐标转换两种方法。图解法是将基坑的边线坐标测量出来,在CAD中连线绘制出基坑的形状,然后将每次测量监测点坐标录入CAD图形中,每次量测监测点到基坑边线的距离,两次距离的差值即为本次基坑的水平位移变化量。坐标转换的方法是将测量的坐标值坐标系统转化为以基坑边垂线为X轴,以基坑边线为Y轴,以初始坐标垂直于基坑边线的交点为原点建立的位移量计算参考坐标系。具体如图2所示。

测量坐标系转化为位移量计算参考坐标系属于平面坐标之间的转换,一般可以运用四参数坐标转换的方法,求出坐标转换的参数,通过计算得出监测点在参考坐标系下的坐标。坐标转换参数计算公式如下:

在计算出参考坐标系下坐标后,监测点的位移量计算为:首先假设本次监测为第(i+1)次,前次监测为第i次(i≥1),则位移量计算公式为:

根据上面的公式可以计算出Δx'即为监测点的水平位移量。如果Δx'为正数,则向基坑内侧位移,如果Δx'为负数,则向基坑外侧位移。

图解法计算水平位移量,比较简单直观,但过程需要逐点量测记录,人工录入数据量算,难以实现自动化。坐标转换的方法通过求出位移量参考坐标的的四参数,通过电脑简单编程处理,容易实现从观测数据到水平位移量的自动化处理。

2.4.5水平位移监测数据精度评定

全站仪极坐标法测量监测点坐标采用数学中极坐标原理,假设A,B为已知点,求待定点p点具体计算公式为:

根据误差传播定律,极坐标测量的中误差计算公式为:

式中ms、ma按全站仪的标称精度计算。

采用测距精度(1 mm+1.0 ppm×D)、测角精度ma为0.5″的全站仪观测距离工作基点最远距离为76.5 m处的监测点WY13,则监测点的点位中误差计算:

观测点坐标中误差为1.08 mm≤1.5 mm,满足一级基坑水平位移监测精度要求。

3实践总结

珠海市文化馆深基坑监测的过程中,支护结构的竖向位移采用几何二等水准闭合线路测量,测出各个监测点的高差,平差计算后与初始值对比计算得到竖向位移(沉降)值;在测量过程中依照规范中二等水准测量限差要求,使用DS1级精密天宝DINI0.3型电子水准仪,其竖向变形监测精度比较容易达到规范要求。水平位移采用日本拓普康MS05高精度全站仪进行极坐标法测量监测点的坐标,通过坐标差量推算水平位移量,其优点在于测量过程简单快捷,缺点在于对仪器的精度要求比较高,本次采用测角精度为0.5″仪器;另外,在监测过程中必须确保管制基点不受施工影响,以及工作基点与测点间的视距要控制在合理的范围内(本项目视距控制在80 m以内),才能保证监测精度。水平位移的测量还有视准线法、测小角法、前方交会法、极坐标法、反演小角法等,都有自己的特点,我们在选用水平位移测量方法时,既要考虑到精度和可行性,也要考虑到经济等方面的问题。在满足精度要求的前提下,尽量使用简单实用经济的方法。对于不同的施工场地,使用不同的方法,在场地条件允许的条件下也可将多种监测方法有机结合起来进行水平位移的监测。

参考文献

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[4]黄健.广州某深基坑工程监测方法与成果分析[J].广东土木与建筑,2013(7).

精度评定 篇7

在传统的办法中, 建立施工控制网通常采用三角测量方法, 近几年来又采用精密导线法。但是, 这些常规方法受到通视条件、图形条件、地形条件等诸多因素的影响。所以, 控制网在选点布网及观测等诸多过程中受到限制。

GPS建立控制网时, 由于GPS观测不受通视条件限制其网形也不像常规控制网那么严格, 故在公路测量中采用卫星测量是一种有效的办法。

GPS在测量中的应用, 有如下几个优点: (1) 观测站之间不需要通视。这就减少了测量工作中的经费和时间问题, 同时也使点位的选择变得十分灵活。

(2) 定位精度高。在小于50km的基线上, 其相对精度可以达到1PPm~2PPm, 随着基线的加长, 其定位相对精度就越高。这样的精度是一般测量手段很难达到的。

(3) 观测时间短。目前, 利用经典的静态定位方法, 完成一条基线的相对定位所需要的观测时间, 根据要求的精度不同, 一般为lh~3h。为了进一步缩短观测时间, 提高作业速度, 近年来发展的短基线 (不超过20k间快速相对定位法, 其观测时间仅需数分钟。

(4) GPS观测成果同时提供了三维坐标CGPS在精确提供测站点的平面位置的同时, 可以精确测定测站点的大地高程。这就为研究大地水准面的形状和地面点的高程开辟了新途径。

(5) GPS操作简便, 重量轻, 体积小。这就为经典测量体系中观测程序复杂、仪器笨重等不利条件提供了解决办法, 使得测量人员在很大程度上减轻了劳动强度。

(6) GPS能全天候作业。GPS在任何地点、任何时间均可以连续观测, 一般不受天气条件限制。

(7) 可以避免常规测量中需要大量砍伐森林, 破坏生态环境等问题。随着国民经济的发展, 交通工程建设发生着日新月异的变化。工程级别越高, 用常规的测量技术已不能适应高标准, 而GPS具有以上的优势, 所以已经广泛地应用在公路、铁路工程中。

某公路是连接黄冈与鄂州等城市的重要通道。该公路拓宽改建工程全长18.07公里, 拓宽后的道路从原先的双向4车道改建为双向8车道。

2 布设与实施方法研究

本工程基础平面控制采用GPS测量, 按照《公路勘测规范》 (JTC C10-2007) 中四等网技术标准实施。以二等点“G2035、G2015”作为起算点进行布网。

设计GPS网的精度为四等, 结合本工程的具体情况, 沿线路走向布设GPS点, GPS网采用边连式, 组成网中的基线有一定数量的多余观测, 以增强成果的可靠, 取“G2035、G2015”两点作为四等GPS控制网的起算点, 以取得了可靠的坐标转换参数。

根据线路情况, GPS首级网拟布设成带状大地四边形锁的形式, 点对点之间相互通视。平均400~500米左右布设1对GPS点。全线共布设107点四等GPS控制点。

控制点均选择在施工红线之外且满足通视要求和相对稳定。点位选设时避免了各种电磁波对GPS卫星信号的干扰、以及因施工的影响而产生点位的变动。控制点分布均匀, 相邻边长之比小于1/2。

GPS地面平面控制点的造埋如图1所示。

(1) GPS坐标系统及起算依据。

(1) GPS测量采用坐标系为深圳城市坐标系 (参考1954北京坐标系转换) 。

(2) 1954年北京坐标系为北京54椭球。

(2) 四等GPS控制网的主要技术指标。

(1) 每对相邻点的平均距离 (km) 1。

(2) 固定误差≤5mm。

(3) 比例误差≤3ppm。

(4) 最弱相邻点的相对中误差为1/35000。

3 观测步骤及内业解算思路探讨

3.1 使用仪器

使用6台Ashtech型静态单频GPS接收机 (标称精度为5mm+1ppm) 进行GPS网野外数据采集。

3.2 作业时基本技术要求

卫星截止高度角≥15°;同时观测有效卫星数≥4;平均重复设站数≥1.6;同时观测有效卫星数≥4;时段长度≥60min;数据采样率 (S) ≤30s。

3.3 观测方式

每时段观测均量取天线高两次, 其互差不超过3mm, 取平均值作为最后天线高。

3.4 外业数据检核

(1) 同一时段观测值的数据剔除率不易大于10%。

(2) 重复基线的测量差值。

(3) 各级GPS网同步环闭合差需符合下式规定:

(4) 各级GPS网异步环或符合路线坐标闭合差需符合下式规定:

(5) 无约束平差中, 基线分量的改正数的绝对值需符合下式规定:

式中:n为闭合环边数, σ为仪器的标称精度。

3.5 数据后处理

(1) GPS观测数据内业编辑输入相关点位信息后, 采用接收机配备的商用软件Ashtech solutions 2.5进行基线解算, 保证每一条基线都求出整周模糊度。

(2) 重复基线较差和非同步环闭合差的检核仍按外业基线检核时的要求进行。

3.6 网平差

(1) 对整网进行无约束平差并检核GPS网的观测质量。以所有独立基线组成闭合图形, 以三维基线向量及相应方差协方差阵作为观测信息, 以网一点的WGS-84系三维坐标作为起算依据, 进行全网无约束平差。

(2) 对整网进行二维约束平差。以深圳市平面控制网GPS点“G2015、2035”作为起算数据, 对控制网进行二维约束平差计算。

4 精度评定结果

(1) 环闭合差统计 (表1) 。

(2) 基线残差统计 (表2) 。

(3) 平面平差基线相对精度统计 (表3) 。

(4) gps点位中误差统计。

100%的点位精度在1.0cm以内, 其中46%精度小于0.5cm。

以上充分说明观测数据合格, 基线解算质量良好, GPS网的测量精度满足四等要求。

5 结语

随着城市建设规模日益扩大, 今后遇到高速公路拓宽改建的项目会越来越多在保证工程进度及精度要求下, 如何将GPS技术在大型工程施工控制中灵活运用是一个只得探讨的课题。通过本工程的实践笔者得到如下一些体会。

(1) GPS观测受到各种外界因素的影响有可能产生粗差和各种随机误差, 为了对GPS观测成果进行质量检查, 保证成果的可靠并恰当地评定精度, 就要求由非同步独立观测边构成闭合环或符合线路。作业时不应将非独立边作为独立观测边处理, 更不能将同步闭合环当作非同步闭合环。

(2) 对GPS网进行图型设计时, 应使闭合环的边数小于规范的规定, 仅允许个别闭合环的边数等于规范的边数, 为了使外业观测有计划的进行, 避免GPS独立边选择的随意性, 便于及时检查观测结果。宜按设计网图选定GPS独立边, 必要时, 在经过技术负责人审议后, 可根据具体情况作适当调整。

摘要：本文基于笔者多年从事GPS测量的相关工作经验, 以基于GPS的黄冈某公路平面控制网构建及精度评定方法为研究对象, 探讨了其在公路控制测量中的应用思路。论文全面分析了GPS观测的步骤和内业解算的方法, 给出了精度评定的具体的算法, 全文来自于笔者长期的工作实践, 相信对从事相关工作的同行有着重要的参考价值和借鉴意义。

关键词：公路,控制测量,GPS,精度

参考文献

[1]周忠漠, 易杰军, 周琪.GPS卫星测量原理与应用[M].北京:测绘出版社, 1995.

[2]张雨化.公路勘测设计[M].武汉:人民交通出版社, 1986.