山区地形施测一级GPS 测量的特点分析

陈胜利

（阜阳市测绘院，安徽 阜阳 236001）

0 引言

山区地形起伏较大，待定点间通视、近地面大气密度、透明度、折光影响成为以往导线测量、三角测量、高程引测的较大障碍，而网形设计、传算边角观测的各项误差也限制着成果的精度。 GPS 测量由于全天候、精度高、省费用等鲜明优点[1]，已成为目前测绘单位首选的基础控制测量方式。 特别是相对定位的精度基本上与待定点间构成网形无关，以及不需通视等，使得GPS 测量具有很大的灵活性。 本文着重叙述在山区施测一级GPS 测量过程及保证精度、减小误差、提高效率的方法。 日前，阜阳市测绘院受瑞安市规划建设局委托，为了满足瑞安市农村村庄规划和建设的需要，施测瑞安市境内50 个村约10km21：500 比例尺地形图。

1 山区地形GPS 网形设计

1.1 基础条件

该测区处于东经120°15′至120°33′范围内，以山区地貌为主，村庄多分布在山岙里，且比较分散，相距1～10km 不等，但多数村庄均有沥青或水泥路可到达。 为满足1：500 比例尺数字化地形图施测需要，本测区在四等以上平面控制点基础上，直接布设一级GPS 网作为基础控制， 原则上1km2不少于16 个固定点。 由1：70 000 比例尺的瑞安市行政区划图可知，施测的50 个村约分布在500km2范围内。

由于以上客观原因，为满足数字化地形图施测以及点位精度要求，阜阳市测绘院决定采用标称精度： 水平精度为5 mm+1 ppm*D， 高程精度为10 mm+2 ppm*D 的四台套北极星9 600 型GPS 测量系统，采用静态相对定位的作业模式施测。

已有资料： 测区内有3 个1998 年同网平差的已知四等控制点。 采用1954 年北京坐标系，参考椭球几何参数，中央子午线经度为120°。

1.2 布点与联网

此控制网施测的目的是为了满足进一步加密控制和数字化地形图施测的需要。 依据CJJ73-2010《卫星定位城市测量规范》，考虑到村庄相距较远且多分散在山脚、山岙等因素，原则上每个村庄布设3个点，且其中2 个点保证通视。 计划布设124 个未知点，采用点连式作为该网的基本图形。 综合误差传播定律、布点构成的网形几何强度，为保证GPS网进行约束平差后点位坐标精度的均匀性以及减少尺度比误差影响，对已知等级控制点，除纳入整网观测外，也适当构成长边图形。 距已知点较远的未知点、 网边缘地区的未知点一般采用边连式，以增加重复基线、非同步图形闭合条件。 这样既可以减少外业工作量、降低成本，又能够保证网的几何强度，提高网的可靠性指标。

2 GPS 测量的外业实施特点分析

2.1 GPS 短基线测量的主要误差来源

对于短基线来说，由于基线两端点之间的距离较短，进行数据处理时采用差分的形式。 电离层和对流层对信号的延迟对基线两端点的影响大致相同， 星历误差对短基线的两个测站的影响基本相同，均可忽略[2]。 因此，短基线测量的主要误差来源是：多路径误差，天线相位中心位置的偏差，接收机的位置误差，地面起始点的误差，卫星的PDOP 值[3]。

2.2 山地GPS 选点

选择合适站址的目的主要是消除GPS 信号的传播误差， 北极星9600 型接收机内置扁平微带有源高增益天线和抑制板，可控制高度截止角（通常15°）以下的反射波，可显著削弱多路径误差。但是由于村庄多分散在山脚、山岙，且3、4 层建筑物林立，为满足村庄数字测图需要，除依据CJJ73-2010《卫星定位城市测量规范》关于选点的要求外，因客观原因，不可避免地有部分点选择在山坡上或存在障碍现象。 对于周围有高于10°障碍物的点，必须绘制GPS 点的环视图。

2.3 山地GPS 观测

观测时段：基线长度原则上在5 km 以内，观测45 min，5～10 km，观测60 min。 采样间隔15 S，高度截止角15°[4]。

观测实施：根据近一个月星历预报，选择卫星的PDOP 值较小的时段观测，同时根据具体点位情况、参考GPS 点环视图、基线长度等因素，制订观测计划和每天观测表。 特别小组成员可根据实地情况提出建议，由组织协调人员现场有选择地增加观测时段长度。

2.4 山地GPS 数据处理

每天观测结束后，下载观测数据。 按规程、技术设计及时对外业全部资料进行全面检查和验收，包括：成果是否符合调度命令和规程要求，观测数据质量分析是否符合实际等。

采用随机软件进行基线处理，以合格双差固定解作为本次短基线处理的合格解。 对于软件未能解算出合格解的基线的处理，可改变解算条件，重新解算：（1）改变历元间隔。 采集高质量的载波相位观测值，是解决周跳问题的根本途径，适当增加采集密度是诊断和修复周跳的重要措施。 对基线同步观测时间较短的测点，可缩小历元间隔，让更多的数据参与计算；若基线同步观测时间长，可增加历元间隔，减少参与计算的含有质量差数据；若数据周跳较多，可增加历元间隔，使解算时跳过中断的数据，继续解算。 若点位环视图有障碍，可增大高度截止角、减少历元间隔。 （2）改变高度截止角。 同步观测时间较长，观测卫星较多、GDOP 较小，根据点位环视图有障碍，就增加高度截止角解算；若同步观测时间短， 在软件默认解算条件下观测卫星不足，GDOP 较大，点位环视条件好时，可降低高度截止角进行解算。 （3）禁用无效历元。 参考基线解算报表，若卫星健康状况恶劣，卫星信号经常失锁，整周模糊度搜索失败，禁用无效历元，同时注意控制同一时段观测值的数据剔除率，使之小于数据总量的10%。顾及时段中信号间断引起的数据剔除、劣质观测数据的发现及剔除、星座变化引起的整周未知参数的增加等，可重新解算。

然后，对所有解算出合格固定解的基线进行检核：（1）每个时段同步观测数据检核；（2）重复观测边检核；（3）同步观测环检核；（4）异步环检核。 当发现以上各步检核超过限差，应分析原因，经平差处理后，单位权中误差一般值为0.05 周以下；短基线双差实数解、双差固定解之间的基线向量坐标通常要求其差小于5cm[3]。

2.5 山地GPS 野外返工

对经过检核以及综合分析各种客观因素基础上超限的基线，须进行野外返工。 由于控制面积大、交通不便等因素，应分步考虑返工：（1）无论何种原因， 造成一个控制点不能与两条独立基线相连接，都纳入第二天观测计划，适当调整观测网形，补测或重测不少于一条独立基线。 （2）当舍弃（在复测基线边长差、同步环闭合差、独立环闭合差检验中超限的）基线后的独立环所含基线数超过10、由于点位不符合GPS 测量要求而造成一个测站多次重测仍不能满足各项限差技术规定时，在整网观测完后重测基线、有关同步图形，或按技术设计要求，另增选新点，进行重测。

3 结语

综上所述，针对影响山区一级GPS 测量的客观因素，应认真分析主要误差来源，选择设计合适的网形。 经过小组成员的共同协作， 参考星历预报、GPS 点环视图、基线长度，特别是观测小组成员现场反馈的测站信息，选择变更观测时段长度甚至待定点位置，可有效减少山区交通、地形给GPS 测量带来的不利因素，在保证精度的基础上，减少外业工作量、提高效率、降低成本。

[1] 李天文. GPS 原理及应用[M]. 北京：科学出版社，2003：4-5.

[2] 刘基余，李征航，王跃虎，桑吉章. 全球定位系统原理及其应用[M]. 北京：测绘出版社，1993：127-154.

[3] 徐绍铨，张华海，杨志强，王泽民. GPS 测量原理及应用[M]. 武汉：武汉大学出版社，1998：87-132.

[4] CJJ73-2010，卫星定位城市测量规范[S].