GPS技术在大地测量工程应用分析

马振龙

广东省测绘技术公司 广东 广州 510075

引言

近些年，由于相关科研人员的不断努力，我国大地测量工作有了很大的进展。GPS技术在大地测量中的应用改变了传统的测量方式，为其提供了有力的工作支持。大地测量也从原来的地面测量发展到了空中。同时随着卫星定位系统的诞生，大地测量也开始慢慢抛弃原有的简陋的测量技术，而逐渐开始开发和使用这一全新的技术来进行测量工作。大地测量的主要目的是对地球的形状以及地球随时间变化而变化的规律，是一门对精确度要求非常严格的学科。GPS又称全球定位系统，具有操作简单、精确度高、高效简洁的特点。GPS技术在大地测量中的应用改变了传统的测量方式，为其提供了有力的工作支持。本文从GPS技术出发，对GPS技术的测量原理、特点进行了阐述，并对GPS技术在大地测量中的应用策略进行了分析。

1 GPS技术的测量原理

GPS主要使用原理是：对于位置已知的空间目标，在利用GPS技术进行测量时，主要是通过卫星进行观察形成后方交会，继而通过接收数据来计算目标点的经纬坐标；如果有多台接收机同时进行数据的接收，就会形成很多个三角网形参与平差解算，继而计算出经纬坐标。在测量过程中，一般选用4台以上的GPS接收机作为一套设备，再选两台分为一组布设GPS点。GPS定位技术以其精度高、速度快、费用省、操作简便等优良特性被广泛应用于大地控制测量中。可以说GPS定位技术已经完全取代了用常规测角、测距手段建立大地控制网。

大地测量是一种基于测绘系统和基准的技术，测量内容包括重力场、地球形态、时空变化及位置定位等。在大地测量过程中，多数因素都会影响测量结果的可靠性和准确性。其中测量地区的地形和地势对于测量结果的可靠性和准确性造成较大影响，因此在测量时需要注重以下问题：①室外与开阔区域地形测量时可以应用GPS技术，部分树林、金属物和建筑物遮盖卫星信号，若出现上述问题，就会导致接收机不能通过卫星讯息对具体位置坐标进行计算。②在强波环境下不能应用GPS技术，由于磁力波会遮盖卫星信息，因此会导致接收机不能获取到足够的卫星信息，对具体位置坐标进行计算，特别是针对高压电塔下方。由于大地测量技术所涉及的范围比较大，因此必须借助于人力完成所有测量工作。正是由于借助人力测量，因此会产生大量的测量任务，还会降低测量工作的效率。采用人力开展测量工作，无法保证测量精度和结果准确性，因此必须在大地测量技术中应用GPS技术。但是上述工作仅仅通过人力完成，不能提升测量质量。如今我国科技快速发展，大地测量工作的维度不再局限于地面，现已发展到空中测量领域[1]。

2 GPS技术在大地测量中的优势

2.1 GPS技术测量的精准性

GPS定位系统最重要的特点就是精准性，且其可以根据不同的测量精度、不同的作业方式进行调整。在大地测量控制网中，各个测量点都可以直接从GPS发出的讯号中获得三维定位的准确信息。在控制网中每个网点之间不会出现积累误差或逐点计算的情况。

2.2 仪器操作简单方便

现如今，随着科技的不断发展，GPS接收机也在做着相应的改进，一般在测量时，观测员只需放好仪器，连接电线，量取天线的高度，观测仪器的工作状态即可。其他的所有的工作都可由GPS测量仪器自动完成，如卫星的发现、跟踪、测量和记录等等。等所有数据全部测量完之后工作人员只需要收拾好测量工具，保存好所得数据便可完成一次数据采集的任务。

2.3 在设计布点时更加灵活方便

与之前的光学经纬仪和钢尺而言，光电测距仪和全距仪已经能准确方便地测出两点之间的距离。但只适用于表面广阔、没有任何遮挡物的地区，在森林及山区则不能用此仪器测量。GPS定位系统则对被测量地区的表面没有要求，不要求测站之间互相通视，因而不再需要建造觇标，只需要测量地区上空宽阔，且GPS定位的精准性与被测的几何图形没有关联。因此在大地测量中GPS技术的应用更具有优越性。

2.4 对环境有很强的适应性

GPS定位系统几乎可以适应任何外界环境，对环境的要求较小。无论是高山、大海、平原甚至沙漠深处、丛林等恶劣环境下都可以体现出其精准的测量，适应性非常强。这相对于传统的大地测量方法而言GPS更能在任何时间、任何环境下对地球进行准确测量[2]。

2.5 观测时间短且作业所需的费用低

GPS系统为一条基线进行精密相对定位，大概需要1～3h便可以完成。如果基线长度并不是很长的话，GPS系统便可以在几分钟之内完成对其的快速定位。而且因为GPS进行测量时并不需要通过建立占标来进行工作，因此，在普通的大地测量任务中，GPS系统只需要整个测量任务经费的1/3经费便完成工作。

3 GPS技术在大地测量中的应用

3.1 GPS在公路放线放样中的应用

公路、隧道、桥梁测量都属于大地测量，在进行公路、隧道、桥梁测量过程中，主要采用GPS技术，该技术主要通过对线路放线放样进行测量，并用计算机进行线路测量，并将所得数据传输到计算机中，计算机系统会自行分析数据，得出相应的放线数据，很快判断出具体测量数据，在进行横断面测量过程中，首先需要断面成型，同时按照放线步骤进行实施，便可以得出相应数据。

3.2 GPS在大地测量的选点、观测、竣工测量中的应用

例如人为原因、环境因素、地质状况等等，但是通过GPS技术使用，减少了这些问题发生，因为GPS技术只要保证上空视野开阔即可，就能通过经纬度进行数据分析收集，按照信息科学技术进行分析，其中GPS技术有着准确性高、数据准确、方便操作优点，所以可以避免出现各种大地测量带来问题。

3.3 GPS技术可以实现大地测量网络有效性的检测和补充

以往的大地测量技术不再适应现代化发展，所以GPS技术可以实现大地测量网络有效性的检测和补充，利用该技术可以补充网络测量，针对重要位置进行检查，判断出检测位置是否正确，并形成较大的测量网络，为后期发展带来坚实的的后盾。与此同时需要针对网络进行加密，保证其测量数据准确可靠，而且也要增加GPS测量网点，目的是将原有网络与GPS技术相互融合发展，提供很好的环境。

3.4 GPS技术可以实现实时动态定位

GPS能够实时进行动态定位观测，这项技术要求标准高，技术条件要达到测绘需要，GPS测绘需要对某已知点当做基准站，在这个位置安放GPS接收机，这样，就能够通过现场对卫星进行搜索，然后借助无线电设备对各种信息进行收集与整理，所传输的信息就会链接测量站，流动站及基准站数值和自身观察测量所得值，能够全面精确的确定物象所在的三维坐标[3]。

4 GPS辅助空中三角测量在低空航测大比例尺地形测图中技术分析

4.1 GPS辅助低空航摄系统的工作原理

图1为自行制造的GPS辅助低空航摄系统的工作原理图。（见文末）

图1 GPS辅助低空航空摄影系统工作原理

4.2 GPS辅助空中三角测量的技术

根据低空摄影测量的特点，着重就GPS辅助空中三角测量影像连接点、GPS摄站坐标的获取及其系统误差的补偿方法进行了研究。

针对低空航摄影像旋偏角大、重叠度不规则的特点，采用SIFT特征匹配与金字塔影像匹配相结合的转点策略，自动提取测图航线间的影像连接点；采用POS辅助影像匹配策略，首先对构架航线实施单航线GPS辅助光束法区域网平差，获得每张影像的6个外方位元素，然后用其辅助完成构架航线与测图航线间的自动转点。这有效提高了摄影测量加密影像连接点的量测效率和可靠性。

针对低空航摄平台受气流影响、姿态变化大的特点，将机载定位双频GPS接收天线安装在航摄仪的正上方，采用17h后的IGS星历进行GPS精密单点定位，对其进行简单的UTM投影后得到摄站平面坐标（X，Y），摄站Z坐标直接采用GPS大地高，并将所获得的GPS摄站三维坐标直接与像点坐标进行联合平差，很好地回避了常规GPS辅助空中三角测量必须将GPS动态定位结果转换至测图坐标系才能用于摄影测量区域网平差的烦琐变换过程，大大简化了定位GPS摄站的技术难度。

针对获取的影像连接点和GPS摄站坐标的系统误差，在GPS辅助光束法区域网平差中采用相应的系统误差补偿模型。对像点坐标观测值主要是根据CCD成像特点，可选用改进的Ebner和Brown像点坐标系统误差补偿模型；对GPS摄站坐标主要采用逐条航线引入线性漂移误差改正模型，对摄站Z坐标顾及大地水准面异常而加入平移量改正。通过在GPS辅助光束法平差迭代过程中自适应地选择附加参数而达到消除原始观测值系统误差的目的，较好地保证了摄影测量加密的精度[4]。

5 结束语

GPS因其可以在野外连续不间断作业，且操作方便移动性好，已经全面取代以前大地测绘中的测绘手段成为新的测绘方式。GPS在日常的经济建设和人民生活中也有着广泛的应用，GPS技术在大地测量中的应用是一项长期的工程，需要长期对GPS技术在大地测量中的应用进行探索，充分发挥GPS技术的优势和特点，从而促进大地测量高效快速的发展。