荆江河道GPS与全站仪边长及方向改化

陈 于，胡友健，陈 刚，潘 雄

（中国地质大学（武汉）信息工程学院测绘工程系，湖北武汉430074）

荆江河道GPS与全站仪边长及方向改化

陈 于，胡友健，陈 刚，潘 雄

（中国地质大学（武汉）信息工程学院测绘工程系，湖北武汉430074）

在区域范围较大的工程测量中，需对方向和边长观测值作归化改正和投影改正，但这一点常被许多测绘工作者忽略，因而造成不能对工程测量的结果加以正确的处理，甚至怀疑观测精度不够，还需加以复测，这给工程的进度造成了不良影响。以在荆江河段河道演变监测控制测量中对方向和边长观测值作归化改正和投影改正为例,阐述了边长及方向归化改正的具体方法及改化过程，通过改化计算，同时也说明全站仪导线边长测量成果经改化后能满足后续工程勘测精度的要求。

GPS；全站仪测距；边长和方向改化计算

平面控制网的观测成果（长度、方向值）都需归算到大地水准面并投影到高斯平面上。因此，当附和导线与国家控制点连测进行检核时，也应将导线的测量成果改化到大地水准面和高斯平面上去，以统一数据和比较，当导线处于高程较高和位于投影带的边缘时更需如此。特别是当导线里程比较长时，对导线精度的影响非常明显[1、2]，也就是说长线路测量中导线改化是非常必要的。

长江荆江段河道长350多km，根据荆江河道演变监测及研究项目测量布控实施方案，于2006年10月开始布点，至08年已全面完工，累计完成D级GPS点280个、一级导线点1405个、并对10538个断面控制桩进行了制作、运输、埋设及测量，同时完成四等水准测量 702.5 km。至此，葛洲坝至城陵矾段长江两岸的平面和高程控制网已全部建立，为荆江河道演变监测及研究工作打下了坚实的基础。

在荆江河段河道演变监测中利用Trimble5700与南方测绘GPS共8台接收机进行控制测量，点位布设为5 km左右两对通视GPS点，长江南与长江北各一对，形成沿长江长约350 km的点位控制网，范围为（29° 47'17.93296"N，112 ° 18'41.62649"E）∽（29 ° 54'54.73051"N，113°11'51.70490"E）,并利用TGO软件进行坐标解算。之后在5 km的江南或江北4个GPS点之间使用 Leica TPS300全站仪测距增加导线点进行导线控制测量。最后，在此基础上进行地形测量，提供基础地形资料数据。

1 G P S控制网基线解算平差处理结果

因长江荆江河段河道长350多km，横跨两个投影带，故需分别在中央子午线111°和114°分别进行基线解算，并通过约束平差得到各GPS控制点的坐标。为方便叙述，本文针对荆江段选取其中的某一段（如图 1）进行研究，先 GPS解算，并将解算的四点即JGPSL11、JGPSL12、JGPSL13、JGPSL14作为导线测量起算已知点，将其作为附合导线测量的已知方向和检核计算，计算全站仪测量角度、距离的改化值并解算各导线点坐标。

图1 长江荆江段部分基线点形成的控制网点图（矩形框为研究区域）

采用 1954北京坐标系作为最终成果（如表 1所示）。投影参数如下：投影基准：Molodensky（三参数）大地水准面模型方法：EGM 96（Global）；椭球长半轴：6378245.000000；椭球扁率：1/298.30；高程投影面：0 m；中心纬度：000'00"N；中心经度：11400'00"E；纵轴加常数：0；横轴加常数：500000（东向加）；比例尺：1.000000。这样可以得到其中附合导线4个GPS点的坐标，为简化计算，取坐标尾数，4点坐标分别为：JGPSL12（71125.458，6384.577），JGPSL11（70711.020，6372.411），JGPSL13（75953.977，5760.162），JGPSL14（76454.010，5735.021）。

2 四等导线测量与距离改化

2.1 四等导线测量

附和导线网包括4个起算点(四等GPS点)、17个导线点。导线测量采用 Leica TPS300全站仪（测角精度2″，测距精度2 mm+2×10-6）。采用三联脚架法进行观测，全站仪采用观测、自动记录，手动记录结合，观测6个测回。

2.2 全站仪测距

为了在各控制点中加密些导线点，采用全站仪测距测角进行导线测量，观测附和导线方式进行，这种方式在5 km长的距离内，所测各边长需进行距离改化，并重新计算各导线点地坐标。在控制点JGPSL11、JGPSL12、JGPSL13、JGPSL14间加测附和导线，距离测量采用全站仪与水平角观测同步进行。在观测前量取气温、气压，温度量至0.2℃，气压量至50Pa或0.5mm Hg。观测开始前，先将气温、气压等参数输入仪器内，由仪器对边长自动进行气象改正。全站仪导线测距与测角的记录结果见图2。

加号“+”前为两导线点间距离，加号后为改化距离。

图2 全站仪闭合导线观测测距与方位角测量结果及其距离改化量与附和导线平差误差椭圆图

2.3 边长改化到高斯平面上的改正

设椭球体上有两点 P1，P2及其大地线 S，在高斯投影面上的投影为P1′，P2′及s。s是一条曲线，而连接P1′P2′两点的直线为D。如前述由S化至D所加的改正称为距离改正S，长度比 m的计算公式：,将椭球面上大地线长度S描写在高斯投影面上，变为平面长度 D。距离改化公式为：,ym取大地线投影后始末两点横坐标平均值，即。同理，根据长度比可得到更精密的距离改化公式：，该公式计算精度达到0.001 m。

3 距离和方向改化计算实例

用全站仪观测的闭合导线距离在距离改化之前是不能使5 km长的导线与GPS观测控制点在1954坐标系下高斯投影面上闭合的，因而必须进行距离改化。

3.1 平差解算后的点位精度

将所有的距离改化值加入之后，经科傻软件Cosaw in平差解算后的坐标和点位精度，见图1、表1。

表1 平差解算和引起的点位误差表

图1为在其中一GPS控制点（JGPSL13）上架设全站仪以另一GPS控制点（JGPSL14）为定向点为导线测量的起始点，经全站仪测角和量边至另一对GPS控制点（JGPSL12和GPSL11）的观测成果图，后在科傻软件Cosaw in按附合导线平差处理所得到的误差椭圆图。为了更详细表示边长改化值，在距离后加入了带有“+”的改化距离。

从表1可看出，在加入距离改化值后，经联合平差解算，引起的最大点位改正达到24.6mm。可见，当导线里程比较长时，对导线精度的影响非常明显，对长线路测量中导线改化是非常必要的。

3.2 平面闭合差计算结果分析

经在科傻软件Cosaw in针对导线角度，距离进行平差解算，可得到平面闭合差计算结果如下：角度闭合差：18.7 s，X坐标闭合差:0.0076 m，Y坐标闭合差：-0.0238 m。

总长度：6.1306 km，导线全长相对闭合差精度K为1：245102。可满足四等导线控制测量成果精度要求。

4 结 语

GPS和全站仪联合作业时，通常要对全站仪测得的距离进行改化，以与GPS测量所得距离投影到高斯平面上的距离一致。若使用 GPS或全站仪单独作业，则不涉及到距离改化的问题。在中央子午线附近，距离改化值很小，而离子午线越远，距离改化值越大。若想不进行距离改化，可适当的把投影带宽缩小，在提供坐标成果时，要特别的进行说明，以保证数据的准确性和可靠性。

[1] 刘景和，张贵文，谷云峰，等.公路测量与导线改化[J].黑龙江交通科技,1999,1:47-48

[2] 张正禄.工程测量学[M].武汉：武汉大学出版社,2005

[3] 孔祥元,梅是义.控制测量学（下册）[M].武汉：武汉测绘科技大学出版社,1998

[4] 汪建鸽，杨建华.公路测量中边长改化及Gauss投影坐标换算[J].中南公路工程，2000,12:1-2

[5] 王彩霞,薛建成.GPS在公路测量中应注意的问题[J].交通标准化,2003,08:42-45

[6] 徐广明.高斯投影及其换带、归化在高等级公路控制测量中的应用[J].水运工程,2005,07:

[7] 胡毓钜.地图投影[M].北京:测绘出版社,1981

Research on Distance and Direction Correction of GPS and Total Station M easurements in the Jingzhou Section of Yangtse River

CHEN Yu,HU Youjian,CHEN Gang,PAN Xiong
（Depart ment of Surve yin gand Map ping Inf or mati on,Faculty of In for mati on Engi nee ring，China Uni versity of Geosci ences,Wu han 430074,China）

This paper illustrates the course of distance and direction correction of GPS and Total Station measurements in the evolvement monitoring of Jingzhou section of Yangtse River.Thiscan be often ignored in the engineering survey, and thus some data can't beh and led correctly, and this may cause person to doubt observation precision is not enough, or need to be re-measurement,which gives the progress of the project a negative impact.This paper illustrates the specific methods and process correction of distance and direction, and after the correction computation,the outcome can meet the requirements of precision engineering.This shows that it is necessary to do distance and direction correction in long distance range.

GPS;coordinates computing;distance measurement;distance correction

2010-03-23

项目来源：国家自然科学基金资助项目 (40974002)；中央高校基本科研业务费专项资金资助项目（CUG090110)。

P228.42

B

1672-4623(2010)02-0049-03

陈于，博士，讲师，研究方向为3S技术集成与应用，国土资源遥感。