1、探讨山地城市的 GPS 地形测量技术（永州市国土资源规划设计测绘院 湖南永州 425000） 摘要：本文结合笔者多年的从业经验，首先阐述了地形测量的方法以及 GPS 技术的应用优点，通过测量实例分析了山地城市的 GPS 地形测量技术，以供同行借鉴与参考。 关键词：山地城市；GPS 技术；地形测量；控制测量；精度 1 引言 随着我国大量农村人口涌入城市，城市居民数量急剧增加，随之我国城市的数量和规模也在相应的不断扩大。但是，由于地形地貌条件的限制，我国不少城市开始在山坡、丘陵之上修建建筑物，这就是所谓的山地城市。山地城市的地形地貌条件复杂且地势变化落差较大，部分区域更是灌木丛生，这无形中给地形测
2、量带来了极大的困扰。我国现有常用的技术：GPS 技术、测距仪、全站仪、经纬仪。其中，GPS 地形测量技术是一门新兴的检测技术。具有操作方便、测量速度快、测量精度高的特点。为了有效提高测量结果的精度，必须结合当地山地城市的特点，研究 GPS 测量技术的优化措施。 2 地形测量的方法 按所用仪器不同，有平板仪测图法、经纬仪和小平板仪联合测图法、经纬仪（配合轻便展点工具）测图法及 GPS 数据采集法等。 3 GPS 技术的应用优点 1）可操作性强。不需要固定多的人员参与，在人员少的时候，也可以进行作业。 2）测量范围广。GPS 技术测量范围可以很大。可按需要布设控制网，简化加密级别，省去联测过渡点。
3、 3）测量精度高。国内的仪器作业精度可达（12）10-6mm，国外可达 0.110-6mm，可建立比常规测量精度更高的控制网。 4）各个联测点之间不要求通视，不必建造高规标。 5）观测自动化程度高。外业用电钮操作，内业用计算机处理数据，作业时间短，效率高。 6）不受时间限制，可 24h 作业。 4 GPS 技术在地形测量中的实践应用 GPS 技术在地形测量中，不一定要遵守先控制、后测图的原则，控制测量、碎部测图可以同时进行，甚至可以先测图后控制，只是后者需将碎部成图，以控制点为基准借助成图软件进行测站纠正。 4.1 测量工序 地形测量的工序主要分为 2 个环节：一是控制测量与计算机辅助平差计算
4、；二是碎部数据采集与软件编图成图。 4.2 测量方法 控制测量：一般可选用静态 GPS 作基本控制导线（网） 。为满足测区地形图测量的需要，测区利用国家等级控制点为起始点，发展一个 E 级GPS 控制网作为该矿区的首级控制。 外业观测采用 GPS 接收机以快速静态模式进行同步观测。观测时精确量取天线高度 2 次，读数较差在 3mm 以内取中数记入接收机内，正确输入测站名称及年月日，每天观测结束后，及时将数据下载到计算机，对观测数据进行处理，符合有关规定，即可进行 GPS 网的平差计算工作。GPS 网的平差计算采用随机软件进行平差计算。观测数据导入后，进行各观测边的基线处理，在所有基线的整周模糊
5、度分解数都大于 3 后，通过GPS 网平差设置，选择其三维无约束平差进行平差，平差后其平面坐标和高程精度为：最弱点点位中误差 Dx=0.0018m，Dy=0.0055m，Dz=0.0035，最弱边相对中误差 1/423923，允许 1/20000，满足了规范所规定的要求。高程控制：本测区用 GPS 外业观测数据以 GPS 拟合高程的方式求得。地形测量：用动态 GPS 作碎部数据采集，计算机软件机助成图。 1）图根控制测量：采用数字化微机成图的方法测绘，图根控制点的选取按需要而定，在进行地形图各元素野外数据采集时，除充分利用测区已做的首级控制点以外，对于进行数据采集需要补充的测站点，用 GPS以
6、支站的形式进行测设。对所求的测站点，在使用过程中，为了使用可靠，用其他点进行了检查。 2）地形测量：测区采用全野外数据采集数字化机助成图的方法进行作业。野外数据采集采用 GPS 进行，仪器高量至公分。每一测站开始前，重合测点进行了必要的检查。野外数据点的采集在现场描绘草图，描述采集点的相关位置，属性代码与地形有关要素的关系。野外采集点均包括了地形特征点（如沟底点、制高点、各类地物点等） ，对地形图的各类要素野外采集全部结束后，方在室内机助成图。 3）地形图的编辑：野外数据采集全部结束后，在室内把野外的数据传输到微机内，利用测绘软件，根据野外绘制的草图把地物点绘制成地物，地物包括房屋、陡坎、道路
7、、电线、果园、采矿矿井等都如实编绘，陡坎分为土坎、加固坎、陡崖，道路分为大车路、机耕路、小路，电线分为高压线、低压线、通信线，坟地分为独立坟和坟群，采矿矿井分为铝矿等，分别用相应的符号和文字表示；等高线的绘制是在所有地物都编辑好以后，应用软件自动生成等高线，经多次修改补充，使其图件内容齐全、描绘合理、符号正确，符合地形图的质量要求后，提交最终地形图。 5 测量实例概况 本文山地城市 1：1000 带状土地勘测定界工程，测量区域地势变化较大、灌木丛生、森林茂密，测量条件复杂，测量困难。地势坡度较大，一般仰角分布为 2035。测量区域视野不开阔，给常规控制测量带来了很大难度，为了确保工期、保证质量
8、，我们采用了 GPS 控制测量方法。6 GPS 控制网的布设 本工程为测定山地城市公路附近地形地貌，随着公路的走向布置 GPS网点，根据公路的使用范围，在公路周围均匀分布设置，完成山地城市公路带状土地勘测。本工程要求每个 GPS 点至少和相邻的 GPS 测点可以通视。 本次一共布置了 17 个 GPS 布置点，布置等级为 E 级，基线平均长度为 270m。其中，图 1 中的 3 个已知点是业主提供的，此 3 个已知点为 D级 GPS 点，高程参考黄海高程系。 图 1 GPS 控制网布设图 7 观测时间选择 根据预报得知，想要可以接受到 4 颗以上健康卫星信号必须在09：30 之前，并且此时的图
9、像强度因子都小于 6（PDOP 值） 。为了可以最好的观测，观测人员将观测时间安排在 59 点，这段时间内进行测量可以最大程度上保证其精度。 8 GPS 控制网的外业观测 8.1 仪器装备 此次观测采用三台南方 9600 北极星单频接收机，该机型的静态定位测量精度为（5mm+1ppm.D） 。 8.2 检测注意事项 8.2.1 测区的踏勘选点检测注意事项 由于 GPS 技术的信号强度受障碍物的影响比较严重，因此对于山地城市测区的勘选点，除了要考虑交通、地面基础条件等因素外，还要注意点位周围+15以上天空障碍物情况，避免周围有强烈反射无线电信号的物体以及无线电发射源，如玻璃幕墙、水面、大型建筑、
10、电台、发射塔、离高压线、变电所等。 8.2.2 观测过程中检测注意事项 在整个观测过程中工作人员需要严格按照指令行事，在观测时必须保证有效卫星数目不得低于 4 颗，观测时间不得少于一小时；观测时需要一边观测一边填写测量手薄；从观测开始到结束，工作人员不得离开观测点，需要随时检查测量信息和卫星状态，以防止因为主机直接被太阳照射、接收机被碰撞、信号被遮挡导致观测结果出现误差。在整个观测过程中，距离测点 50m 内不准使用对讲机，10m 内不准使用电台。 8.3 观测的技术指标 使用 L1 采集方式对数据进行采集； PDOP 值不得大于 5； 卫星高度截止角不得小于 160； 数据采集间隔为 15s
11、； 任一卫星的有效观测时间大于 20min。 9 数据处理 当观测任务结束后，将观测数据输入计算机中，并对其进行基线向量处理。这样不仅可以对外业数据进行质量的检验而且可以确保外业数据的质量。本次计算机处理效果发现：作业过程中，4-5-6 的闭合差大于最大标准，经实地考察分析，发现是由于观测点选择不当导致的。6 号点选在 5 号点山脊的南面，4 号点选在 5 号点山脊的北面，导致观测卫星时各测点观测到的卫星不同步，此时需要对部分测点重新定位，这种问题在山地城市 GPS 作业中经常出现，值得工作人员注意。为了提高测量的准确性，可以通过以下措施： 去除部分有粗差的基线，并找出原因，及时进行重新观测，
12、以确保观测的精确性。 改变历元间隔。外界干扰和 GPS 机本身会导致整周跳变。此时，改变历元间隔，可以提高基线向量的解算精度。但是，随着改变历元间隔数值增大，需要的观测时间也会随之相对越长。增大高度截止角。系统默认的高度截止角为 15。适当提高高度截止角可以求出更精确的整周未知数，提高精度。随着卫星高度截止角增大，相应的噪声会随之降低。此时计算时，在保证 GDOP 值良好的前提下，要有较多的卫星参与计算。 10 GPS 的网平差以及成果评价 采用 GPS 相关软件进行网平差工作，先采用 WGS-84 大地坐标系进行三维自由网平差，保证 GPS 网自由平差内部符合精度要求，然后进行约束网平差计算
13、。最后将所有点的 WGS-84 坐标转化为 1954 年北京 37 带大地坐标。在进行网平差计算时，可以利用图 1 中-10，学校作为起算依据。 计算三维约束平差，并利用图一中无名岭的数据进行校对。经过平差后，最弱点 5 号的点位中误差为7mm，最弱势相对精度为1：285000，本次平差成果和无名岭的已知成果进行对比得到：x 方向标准差为 0.010，y 方向标准差为 0.01，这说明采用 GPS 定位技术可以建成高精度的控制网。 从上文表格二可以看出：GPS 控制网精度高，成果可靠，足以满足山地城市地形测量的需要。 11 结语 山地城市的地形勘测是一份十分艰巨的工程，一般地形测量技术在其复杂
14、地貌下难以展开，使用 GPS 地形测量技术的控制网的布设灵活方便，在可以保护植被的前提下，快速准确的完成测量。但是使用该种技术需要测量人员熟悉了解测区的地形地貌，科学合理的选点，合理选择观测时间。观测时间的正常选择，对提高 GPS 测量精度有着决定性的影响。对山区城市对山地城市选点从本次观测问题中可以看出需要避免同步环中一个点在山脊一边，另一个点在山脊另一边；一个在山头上在狭窄的山沟里，另一个在狭窄的山沟里，以免影响 GPS 测量精度。测量人员需要可以拥有吃苦耐劳精神，认真仔细的完成每一项测量流程。才可以保证观测的准确性，为山地城市建设提供准确的数据材料，加快山地城市的发展。 参考文献： 1吴红跃.GPS 控制网的布设和衡量指标分析J.科技创新与应用，2012， （09）. 2张伟振.基于 GPS 控制网的山区地形测量技术探讨J.科技资讯，2011， （03）. 3陈建兵，王俊.浅谈 GPSRTK 在地形测量中的应用J.山西建筑，2008， （14）.
