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摘要:本文主要从GPS测量技术的工作原理、GPS测量的特点及GPS测量技术在农村公路中的应用等进行论述。
关键词:GPS;农村公路;测量;误差
中图分类号:P236 文献标识码:A 文章编号:1000-8136(2009)27-0025-02
随着科学技术的不断发展,测量技术从传统的经纬仪+水准仪到全站仪+水准仪,再到 GPS测量技术,经历了一个不断更新的过程。GPS全球定位系统(Global Positioning System)是美国研制并在1994年投入使用的垒球卫星导航与定位系统。近年来,GPS系统因具有全球性、全天侯、连续性、实时性导航定位和定时功能,能为各类用户提供精密的三维坐标、速度和时间等优点,其技术的应用已遍及我国国民经济的各个领域,特别是在公路测量的应用上已经较为普遍。GPS系统在应有方面主要分为单点导航定位与相对测地定位,而对于常规测量而言,相对测地定位是主要的应用方式。在此,本文将重点谈谈GPS测量技术在农村公路的应用。
1GPS测量技术的工作原理
相对测地定位是利用L1和L2载波相位观测值实现高精度测量,其原理是采用载波相位测量局域差分法:在接收机之间求一次差,在接收机和卫星观测历元之间求二次差,通过两次差分计算解算出待定基线的长度;求解整周模糊度是其关键技术,根据算法模型,设计了静态、快速静态以及RTK等作业模式。而RTK技术代表着GPS相对测地定位应用的主流。
2GPS测量的特点
GPS系统是目前在导航定位领域应用最为广泛的系统,其可为各类用户连续提供动态目标的三维位置、三维速度及时间信息。GPS测量主要特点如下:
2.1功能多、用途广
GPS系统不仅可以用于测量、导航,还可用于测速、测时。测速的精度可达0.1 m/s,测时的速度可达几十毫微秒。其应用领域不断扩大。
2.2定位精度高
一般双频 GPS接收机基线解精度为 5 mm + 1 ppm,而红外仪标称精度为 5 mm+5 ppm,GPS测量精度与红外仪相当,但随距离的增长,GPS测量优越性愈加突出。大量试验证明,在小于50 km的基线上,其相对定位精度可达12×10-6,而在100 km～500 km的基线上可达10-6～10-7。
2.3实时定位
利用全球定位系统进行导航,即可实时确定运动目标的三维位置和速度,可实时保障运动载体沿预定航线运行,亦可选择最佳路线。特别是对军事上动态目标的导航,具有十分重要的意义。
2.4观测时间短
采用GPS布设控制网时每个测站上的观测时间一般在30 min～40 min左右,采用快速静态定位方法,观测时间更短。例如,使用 Timble4800 GPS接收机的 RTK法可在5 s以内求得测点坐标。
2.5测站之间无需通视
这是GPS技术区别于常规测量的最大优点。常规测量技术需要保持良好的通视条件,又要保障测量控制网的良好图形结构。而GPS测量只要求测站15°以上的空间视野开阔,与卫星保持通视即可。其这一优点,使得在布设长大线路施工控制网时,可省去大量的传算点、过渡点的测量,大大减少测量作业时间和费用,同时也使选点布网变得非常灵活。
2.6操作简便
GPS测量的自动化程度很高。目前,GPS接收机已趋小型化和自动化,在观测中测量员只需打开 GPS接收机、量取天线高、采集环境的气象数据、监视仪器的工作状态,而其他工作,如卫星的捕获、跟踪观测和记录等均由仪器自动完成,然后利用数据处理软件对数据进行处理,即求得测点三维坐标。观测结束时,仅需关闭电源,收好接机,便完成野外数据采集任务。
2.7可提供全球统一的三维地心坐标
经典大地测量将平面和高程采用不同方法分别施测。在GPS测量中,在精确测定观测站平面位置的同时,可以精确测量观测站的大地高程。其这一特点,不仅为研究大地水准面的形状和确定地面点的高程开辟了新途径,同时也为其在航空物探、航空摄影测量及精密导航中的应用,提供了重要的高程数据。
2.8全天候作业
GPS卫星较多,且分布均匀,保证了全球地面被连续覆盖,使得在地球上任何地点、任何时候进行项观测工作,通常情况下,除雷雨天气不宜观测外,一般不受天气状况的影响。
3GPS测量技术在农村公路中的应用
3.1农村公路调查内容
农村公路调查对象主要是县乡道路以及复合标准的村道,另外,还要对每个建制村道路的通达情况作相关的调查。在外业数据采集中主要采集的数据有各条道路的长度、路基路面宽、路面类型、所经过的村委以及村小学等标志性建筑的地理坐标、各起终点的坐标、名称以及各分段点的信息等。
3.2GPS外业数据采集流程
3.2.1准备工作
GPS在农村公路测量中应用时,可采用“边采集、边录入”的现场数据采集模式,一般情况下,一个测量小组由1人负责 GPS 接收机的开关以及掌上电脑的录入工作、1人负责相关数据和出现特殊情况时的记录工作、一名乡镇向导和一名司机共4人组成。
在采集工作出发之前,应先做好采集计划,如安排好采集行程;提前准备好已有的周边路线图作为采集底图,并打印一份供采集时参考;对需要采集的路线以及附属设施提前准备好相关已有的资料(如路线编号,起点名称,起点路基宽度及路面宽度,道路等级,路面性质,穿越了几个乡镇、建制村,沿线共有几座桥梁、大概在什么位置等),做到心中有数,提高采集效率。
在采集前,应先将GPS接收机与掌上电脑正确连接,然后通过蓝牙连接将 GPS接收到的信号反映在掌上电脑上,并确保GPS连接和信息输出正常。
3.2.2主要操作
GPS外业采集功能主要是实现公路路线、桥梁、隧道、渡口、乡镇、建制村等图形和属性一体化采集,具体包括采集新路线、路线分段、停止采集路线、继续采集路线、点采集(如桥梁、隧道、渡口、乡镇、建制村等位置和属性信息)等功能。在进行外业采集之前,在GPS采集子系统中主要操作有:
(1)打开GPS:GPS接收机与计算机连接正常并输出有效的GPS数据后,通过“打开GPS”功能,建立与GPS接收机的通信连接。
(2)关闭GPS:在e-Road系统中断开与GPS接收机的通信连接,只有在打开了GPS后才能关闭。
(3)查看GPS状态:当打开GPS后,可查看GPS当前的状态,是否正常接收卫星信号,以及GPS输出的数据是否有效等信息。
(4)采集新路线:开始采集一条路线,记录该条路线的线形、线位和调查指标信息,如果GPS已经打开并且定位后,就可以进行路线的采集。
(5)路线分段:当路线的调查指标发生变化且符合路线分段原则时,需要添加一个路段,在采集路线的过程中,在路线分界点叫司机停下,并点击计算机平面上点击“分段”按钮,并输入分段原因: 路面情况发生改变。同时还要输入分段点的相关信息。当然在其他路况发生改变时也要分段,比如路面宽度发生了明显改变,有分叉路的情况等。系统就会自动对路线进行分段。
(6)停止采集路线:在调查中还要标出各村村委以及村小学的地理坐标,在测量时只需在路线迄点处停止采集当前正在采集的路线,生成最后一个路段的讫点位置信息,并输入相关信息即可。
(7)继续采集路线:在路线采集的暂停位置继续采集路线的线形,如果在地图中存在没有采集完的路线,可以通过“继续采集路线”的功能,继续采集未采集完的路线。
(8)点采集:实现公路沿线附属设施点(如桥梁、隧道、渡口等)以及乡镇、建制村、村小学等点的地理位置和属性信息一体化采集。
通过上述功能操作,基本可以实现GPS+PC操作完美结合,在采集过程中,若因操作或人为走错路线等原因还可以进行对象属性编辑,现场及时修改或删除所采集数据信息。
3.2.3采集完毕
当天采集完毕后,首先要做好数据备份工作,建立以天为备份数据文件,同时备份到移动存储器中,以防计算机出现重大故障而使数据文件损坏,并及时将采集的数据进行必要的内业处理,防止因间隔时间过长,记录不准确,导致内业无法编辑等状况。
3.2.4经验总结
(1)GPS接收器本身时钟也存在误差和噪声,这些都影响定位的精确度。当出现比较明显的漂移时,测量人员应该叫司机先停下来,等指示箭头回归原点时再开始进行测量。
(2)当正在进行路线采集时,如果较长时间在某个地方停顿或需要离开正在采集的路线去采集其他路线、沿线乡镇、建制村时,应先使用“停止采集路线”功能暂停正在采集的路线,再采集其他路线、沿线乡镇、建制村等,然后回到暂停的位置处使用“继续采集路线”功能按原采集方向继续采集被停止采集的路线。
(3)在采集过程中,应时刻关注GPS的信号,如果连续出现“GPS无法定位”的提示时,应立即停止采集路线,以免丢失相关数据,甚至出现把数据导入 PC机后出现乱码的情况。且测量人员应立即检查GPS的电池是否没电或是GPS与计算机是否已断开连接等,待设备都已完好后,为确保数据的有效性,测量人员应进行返工。
(4)采集过程中,GPS接收机和计算机不能离得太远(一般是 10 m以上),以避免计算机无法接收GPS传过来的信号以致数据丢失。
(5)采集过程中,如测量人员下车去测标识物后,司机不能将车开动,以免出现当测量人员回来后重新测量时原点发生了改变,从而出现相应的误差的情况。
(6)采集过程中,车速不能太快,一般控制在40 km/h～60 km/h,尽量靠着路的中间行驶,尽量避免紧急刹车。
综上所述,由于GPS设备功能齐全,携带方便,易于掌握,能够彻底改变以往公路调查陈旧的工作模式,从根本上提高公路测量效率,减轻职工劳动强度。尽管GPS测量技术仍存在一些问题,但只要运用得当,其自身的缺陷仍可以克服。GPS技术的普遍应用必将促进交通工作向着精确、高效、现代化的方向发展,是今后交通工作中必不可少的工具,如广泛使用一定会取得巨大的经济和社会效益。可以说,GPS在公路领域的应用前景是无限的。
参考文献
1 王敬贵、李廷选.GPS测量的误差来源及处理技巧[J].河南测绘,2006(4)
2 张跃雷.GPS在工程测量中的应用[J].应用技术,2007(5)
The Application in the Rural Highway of GPS Measures Technology
Long Ke
Abstract: The artical described GPS operation principle, GPS of measuring technology mainly measure the application of technology in the rural highway etc..
Key words: GPS; rural highway; measurement; error
关键词:GPS;农村公路;测量;误差
中图分类号:P236 文献标识码:A 文章编号:1000-8136(2009)27-0025-02
随着科学技术的不断发展,测量技术从传统的经纬仪+水准仪到全站仪+水准仪,再到 GPS测量技术,经历了一个不断更新的过程。GPS全球定位系统(Global Positioning System)是美国研制并在1994年投入使用的垒球卫星导航与定位系统。近年来,GPS系统因具有全球性、全天侯、连续性、实时性导航定位和定时功能,能为各类用户提供精密的三维坐标、速度和时间等优点,其技术的应用已遍及我国国民经济的各个领域,特别是在公路测量的应用上已经较为普遍。GPS系统在应有方面主要分为单点导航定位与相对测地定位,而对于常规测量而言,相对测地定位是主要的应用方式。在此,本文将重点谈谈GPS测量技术在农村公路的应用。
1GPS测量技术的工作原理
相对测地定位是利用L1和L2载波相位观测值实现高精度测量,其原理是采用载波相位测量局域差分法:在接收机之间求一次差,在接收机和卫星观测历元之间求二次差,通过两次差分计算解算出待定基线的长度;求解整周模糊度是其关键技术,根据算法模型,设计了静态、快速静态以及RTK等作业模式。而RTK技术代表着GPS相对测地定位应用的主流。
2GPS测量的特点
GPS系统是目前在导航定位领域应用最为广泛的系统,其可为各类用户连续提供动态目标的三维位置、三维速度及时间信息。GPS测量主要特点如下:
2.1功能多、用途广
GPS系统不仅可以用于测量、导航,还可用于测速、测时。测速的精度可达0.1 m/s,测时的速度可达几十毫微秒。其应用领域不断扩大。
2.2定位精度高
一般双频 GPS接收机基线解精度为 5 mm + 1 ppm,而红外仪标称精度为 5 mm+5 ppm,GPS测量精度与红外仪相当,但随距离的增长,GPS测量优越性愈加突出。大量试验证明,在小于50 km的基线上,其相对定位精度可达12×10-6,而在100 km～500 km的基线上可达10-6～10-7。
2.3实时定位
利用全球定位系统进行导航,即可实时确定运动目标的三维位置和速度,可实时保障运动载体沿预定航线运行,亦可选择最佳路线。特别是对军事上动态目标的导航,具有十分重要的意义。
2.4观测时间短
采用GPS布设控制网时每个测站上的观测时间一般在30 min～40 min左右,采用快速静态定位方法,观测时间更短。例如,使用 Timble4800 GPS接收机的 RTK法可在5 s以内求得测点坐标。
2.5测站之间无需通视
这是GPS技术区别于常规测量的最大优点。常规测量技术需要保持良好的通视条件,又要保障测量控制网的良好图形结构。而GPS测量只要求测站15°以上的空间视野开阔,与卫星保持通视即可。其这一优点,使得在布设长大线路施工控制网时,可省去大量的传算点、过渡点的测量,大大减少测量作业时间和费用,同时也使选点布网变得非常灵活。
2.6操作简便
GPS测量的自动化程度很高。目前,GPS接收机已趋小型化和自动化,在观测中测量员只需打开 GPS接收机、量取天线高、采集环境的气象数据、监视仪器的工作状态,而其他工作,如卫星的捕获、跟踪观测和记录等均由仪器自动完成,然后利用数据处理软件对数据进行处理,即求得测点三维坐标。观测结束时,仅需关闭电源,收好接机,便完成野外数据采集任务。
2.7可提供全球统一的三维地心坐标
经典大地测量将平面和高程采用不同方法分别施测。在GPS测量中,在精确测定观测站平面位置的同时,可以精确测量观测站的大地高程。其这一特点,不仅为研究大地水准面的形状和确定地面点的高程开辟了新途径,同时也为其在航空物探、航空摄影测量及精密导航中的应用,提供了重要的高程数据。
2.8全天候作业
GPS卫星较多,且分布均匀,保证了全球地面被连续覆盖,使得在地球上任何地点、任何时候进行项观测工作,通常情况下,除雷雨天气不宜观测外,一般不受天气状况的影响。
3GPS测量技术在农村公路中的应用
3.1农村公路调查内容
农村公路调查对象主要是县乡道路以及复合标准的村道,另外,还要对每个建制村道路的通达情况作相关的调查。在外业数据采集中主要采集的数据有各条道路的长度、路基路面宽、路面类型、所经过的村委以及村小学等标志性建筑的地理坐标、各起终点的坐标、名称以及各分段点的信息等。
3.2GPS外业数据采集流程
3.2.1准备工作
GPS在农村公路测量中应用时,可采用“边采集、边录入”的现场数据采集模式,一般情况下,一个测量小组由1人负责 GPS 接收机的开关以及掌上电脑的录入工作、1人负责相关数据和出现特殊情况时的记录工作、一名乡镇向导和一名司机共4人组成。
在采集工作出发之前,应先做好采集计划,如安排好采集行程;提前准备好已有的周边路线图作为采集底图,并打印一份供采集时参考;对需要采集的路线以及附属设施提前准备好相关已有的资料(如路线编号,起点名称,起点路基宽度及路面宽度,道路等级,路面性质,穿越了几个乡镇、建制村,沿线共有几座桥梁、大概在什么位置等),做到心中有数,提高采集效率。
在采集前,应先将GPS接收机与掌上电脑正确连接,然后通过蓝牙连接将 GPS接收到的信号反映在掌上电脑上,并确保GPS连接和信息输出正常。
3.2.2主要操作
GPS外业采集功能主要是实现公路路线、桥梁、隧道、渡口、乡镇、建制村等图形和属性一体化采集,具体包括采集新路线、路线分段、停止采集路线、继续采集路线、点采集(如桥梁、隧道、渡口、乡镇、建制村等位置和属性信息)等功能。在进行外业采集之前,在GPS采集子系统中主要操作有:
(1)打开GPS:GPS接收机与计算机连接正常并输出有效的GPS数据后,通过“打开GPS”功能,建立与GPS接收机的通信连接。
(2)关闭GPS:在e-Road系统中断开与GPS接收机的通信连接,只有在打开了GPS后才能关闭。
(3)查看GPS状态:当打开GPS后,可查看GPS当前的状态,是否正常接收卫星信号,以及GPS输出的数据是否有效等信息。
(4)采集新路线:开始采集一条路线,记录该条路线的线形、线位和调查指标信息,如果GPS已经打开并且定位后,就可以进行路线的采集。
(5)路线分段:当路线的调查指标发生变化且符合路线分段原则时,需要添加一个路段,在采集路线的过程中,在路线分界点叫司机停下,并点击计算机平面上点击“分段”按钮,并输入分段原因: 路面情况发生改变。同时还要输入分段点的相关信息。当然在其他路况发生改变时也要分段,比如路面宽度发生了明显改变,有分叉路的情况等。系统就会自动对路线进行分段。
(6)停止采集路线:在调查中还要标出各村村委以及村小学的地理坐标,在测量时只需在路线迄点处停止采集当前正在采集的路线,生成最后一个路段的讫点位置信息,并输入相关信息即可。
(7)继续采集路线:在路线采集的暂停位置继续采集路线的线形,如果在地图中存在没有采集完的路线,可以通过“继续采集路线”的功能,继续采集未采集完的路线。
(8)点采集:实现公路沿线附属设施点(如桥梁、隧道、渡口等)以及乡镇、建制村、村小学等点的地理位置和属性信息一体化采集。
通过上述功能操作,基本可以实现GPS+PC操作完美结合,在采集过程中,若因操作或人为走错路线等原因还可以进行对象属性编辑,现场及时修改或删除所采集数据信息。
3.2.3采集完毕
当天采集完毕后,首先要做好数据备份工作,建立以天为备份数据文件,同时备份到移动存储器中,以防计算机出现重大故障而使数据文件损坏,并及时将采集的数据进行必要的内业处理,防止因间隔时间过长,记录不准确,导致内业无法编辑等状况。
3.2.4经验总结
(1)GPS接收器本身时钟也存在误差和噪声,这些都影响定位的精确度。当出现比较明显的漂移时,测量人员应该叫司机先停下来,等指示箭头回归原点时再开始进行测量。
(2)当正在进行路线采集时,如果较长时间在某个地方停顿或需要离开正在采集的路线去采集其他路线、沿线乡镇、建制村时,应先使用“停止采集路线”功能暂停正在采集的路线,再采集其他路线、沿线乡镇、建制村等,然后回到暂停的位置处使用“继续采集路线”功能按原采集方向继续采集被停止采集的路线。
(3)在采集过程中,应时刻关注GPS的信号,如果连续出现“GPS无法定位”的提示时,应立即停止采集路线,以免丢失相关数据,甚至出现把数据导入 PC机后出现乱码的情况。且测量人员应立即检查GPS的电池是否没电或是GPS与计算机是否已断开连接等,待设备都已完好后,为确保数据的有效性,测量人员应进行返工。
(4)采集过程中,GPS接收机和计算机不能离得太远(一般是 10 m以上),以避免计算机无法接收GPS传过来的信号以致数据丢失。
(5)采集过程中,如测量人员下车去测标识物后,司机不能将车开动,以免出现当测量人员回来后重新测量时原点发生了改变,从而出现相应的误差的情况。
(6)采集过程中,车速不能太快,一般控制在40 km/h～60 km/h,尽量靠着路的中间行驶,尽量避免紧急刹车。
综上所述,由于GPS设备功能齐全,携带方便,易于掌握,能够彻底改变以往公路调查陈旧的工作模式,从根本上提高公路测量效率,减轻职工劳动强度。尽管GPS测量技术仍存在一些问题,但只要运用得当,其自身的缺陷仍可以克服。GPS技术的普遍应用必将促进交通工作向着精确、高效、现代化的方向发展,是今后交通工作中必不可少的工具,如广泛使用一定会取得巨大的经济和社会效益。可以说,GPS在公路领域的应用前景是无限的。
参考文献
1 王敬贵、李廷选.GPS测量的误差来源及处理技巧[J].河南测绘,2006(4)
2 张跃雷.GPS在工程测量中的应用[J].应用技术,2007(5)
The Application in the Rural Highway of GPS Measures Technology
Long Ke
Abstract: The artical described GPS operation principle, GPS of measuring technology mainly measure the application of technology in the rural highway etc..
Key words: GPS; rural highway; measurement; error