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1、 gps技術(shù)在水利控制測(cè)量中的應(yīng)用 王永 白錫銀 趙東陽(yáng)【摘 要】在水利工程應(yīng)用中,需要經(jīng)過科學(xué)的測(cè)量,然后再進(jìn)行相應(yīng)的工程選址和設(shè)計(jì),進(jìn)行工藝對(duì)比等一系列工作。在施工過程中,需要對(duì)水工建筑進(jìn)行放樣測(cè)量,保證工程的質(zhì)量。要水利工程的高精度測(cè)量,就要用到gps 技術(shù)進(jìn)行高精度測(cè)量,這種技術(shù)目前比較成熟,在水利工程的應(yīng)用上,發(fā)揮著很大作用。【關(guān)鍵詞】gps技術(shù);水利工程;控制測(cè)量引言實(shí)施水利工程測(cè)量工作時(shí),應(yīng)使用更為先進(jìn)的測(cè)量設(shè)備與方式,再加之社會(huì)生產(chǎn)力的不斷發(fā)展,必須不斷提高生產(chǎn)力,以促進(jìn)我國(guó)生產(chǎn)與生活工作的科學(xué)性發(fā)展。為不斷提高水利工程測(cè)量質(zhì)
2、量,應(yīng)充分利用好gps技術(shù),且該種技術(shù)具有高精度、高效率、低成本等多種優(yōu)勢(shì),進(jìn)而受到用戶的廣泛歡迎。借助gps技術(shù),定位更為精準(zhǔn),可獲取厘米級(jí)的定位點(diǎn),特別是rtk能在短暫的幾秒中即可獲取高精度的定位數(shù)據(jù)信息,此種技術(shù)在整個(gè)水利工程測(cè)量之中的應(yīng)用效果是很理想的。一、gps工作原理gps系統(tǒng)屬于全球定位技術(shù),該技術(shù)已日趨成熟,逐漸運(yùn)用于工業(yè)、軍事、礦產(chǎn)、建筑等各個(gè)領(lǐng)域,目前已獲得較為明顯的成果。該技術(shù)具有高精度與高效率的優(yōu)點(diǎn),對(duì)于傳統(tǒng)工程測(cè)量,通常需布置控制網(wǎng),實(shí)施樁位放樣,大多使用全站儀、測(cè)距儀等儀器。而gps系統(tǒng)完全不考慮氣候因素,不受地形環(huán)境影響,確保工程測(cè)量能夠高精度與高效率。主要由六個(gè)
3、方面表現(xiàn):首先,動(dòng)態(tài)分析樁位放樣,樁位精確度誤差可控制于厘米級(jí)。其次,構(gòu)建放樣平臺(tái)。利用gps技術(shù),可構(gòu)建放樣平臺(tái),在施工平臺(tái)中設(shè)置鋼管樁放樣,有利于減少外業(yè)測(cè)量時(shí)間。第三,偏心檢查。為確保精確度,可實(shí)現(xiàn)一物兩用,利用樁位偏心檢查技術(shù),使工程測(cè)量效率顯著提升。使用gps技術(shù)需注意,部分測(cè)量數(shù)據(jù)不能夠直接獲取,必須與其它測(cè)繪儀器相結(jié)合,方可順利完成工程測(cè)繪。第四,gps與傳統(tǒng)測(cè)繪技術(shù)可有效結(jié)合,實(shí)現(xiàn)測(cè)量定點(diǎn)與定時(shí),現(xiàn)階段,通常采用靜態(tài)定位技術(shù)與快速的靜態(tài)定位技術(shù)。若采用靜態(tài)定位,需確保觀測(cè)時(shí),不改變接收機(jī)的位置,因?yàn)橛?jì)算過程,接收機(jī)位置與時(shí)間無(wú)關(guān),主要在工程頂線、基礎(chǔ)測(cè)量等高精度測(cè)量中使用。另外
4、,因靜態(tài)定位的觀測(cè)時(shí)間一般較長(zhǎng),若無(wú)特殊精度需求,在工程測(cè)量中不建議使用該技術(shù)。由于觀測(cè)時(shí)間長(zhǎng),進(jìn)而研發(fā)了快速靜態(tài)定位技術(shù),該技術(shù)利用載波香味,觀測(cè)值可控制于毫米級(jí),通過幾個(gè)歷元觀測(cè),可達(dá)到厘米級(jí)定位需求。第五,gps信號(hào)。gps衛(wèi)星發(fā)射兩種頻率的載波信號(hào),即頻率為1575.42mhz的l1載波和頻率為1227.60hmz的l2載波,它們的頻率分別是基本頻10.23mhz的154倍和120倍,它們的波長(zhǎng)分別為19.03cm和24.42cm。在l1和l2上又分別調(diào)制著多種信號(hào),第六,靜態(tài)定位。所謂靜態(tài)定位,就是在進(jìn)行g(shù)ps定位時(shí),認(rèn)為接收機(jī)的天線在整個(gè)觀測(cè)過程中的位置是保持不變的。也就是說,在數(shù)
5、據(jù)處理時(shí),將接收機(jī)天線的位置作為一個(gè)不隨時(shí)間的改變而改變的量。在測(cè)量中,靜態(tài)定位一般用于高精度的測(cè)量定位,其具體觀測(cè)模式多臺(tái)接收機(jī)在不同的測(cè)站上進(jìn)行靜止同步觀測(cè),時(shí)間由幾分鐘、幾小時(shí)甚至數(shù)十小時(shí)不等。二、gps誤差分析在gps定位中,影響觀測(cè)量精度的主要誤差來(lái)源,可分為四類:與gps衛(wèi)星有關(guān)的誤差:主要包括衛(wèi)星中的誤差和衛(wèi)星的軌道誤差。與信號(hào)傳播有關(guān)的誤差:主要包括大氣折射誤差和多路徑效應(yīng)。與接收設(shè)備有關(guān)的誤差:主要包括觀測(cè)誤差、接收機(jī)鐘差、天線中心誤差和載相位觀測(cè)的整周不定性影響。其它誤差:地球自轉(zhuǎn)的影響;地球潮汐的影響等。根據(jù)誤差產(chǎn)生的原因不同而采取不同的措施,其中包括:引入相應(yīng)的未知參數(shù)
6、,在數(shù)據(jù)處理中聯(lián)同其它未知參數(shù)一并解算;建立系統(tǒng)誤差模型,對(duì)觀測(cè)量加以修正;將不同觀測(cè)站,對(duì)相同衛(wèi)星的同步觀測(cè)值求差,以減弱或消除系統(tǒng)誤差的影響;簡(jiǎn)單地忽略某些系統(tǒng)誤差的影響。gps測(cè)量主要誤差控制范圍見下表:三、gps 技術(shù)在水利應(yīng)用特點(diǎn)水利工程在gps 技術(shù)應(yīng)用上,借助于gps 衛(wèi)星定位,能夠?qū)崿F(xiàn)工程的精確定位。gps 系統(tǒng)主要有三個(gè)部分構(gòu)成,分別是空間和用戶、地面設(shè)備方面,其中空間部分主要是距離地面2000 千米高度有二十四顆衛(wèi)星在軌道上,實(shí)現(xiàn)全天候的控制和觀測(cè),隨著大氣摩擦的影響,導(dǎo)航精度上會(huì)有一定的偏差。對(duì)于地面控制系統(tǒng)中,有地面監(jiān)測(cè)中心和主要控制站以及地面天線等,地面控制系統(tǒng)主要是
7、接收衛(wèi)星發(fā)布的信號(hào),然后測(cè)量衛(wèi)星軌道以及相距距離。還有用戶設(shè)備,主要是gps信號(hào)接收機(jī),這種設(shè)備能夠精確獲取衛(wèi)星信號(hào),同時(shí)經(jīng)過內(nèi)部的處理和計(jì)算機(jī)分析后,能夠有效獲取用戶坐標(biāo)。gps 技術(shù)的適應(yīng)性非常好,且能夠應(yīng)用到許多行業(yè)中,和一般的測(cè)量技術(shù)比較而言,其自身具備更多的高科技優(yōu)點(diǎn)。gps 技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)高度自動(dòng)化,且操作上比較簡(jiǎn)單、方便,在測(cè)量的過程中,只需一點(diǎn)簡(jiǎn)單動(dòng)作,例如操作連接電纜線工作,放置相關(guān)儀器等,這些工作都是非常簡(jiǎn)單,即可實(shí)現(xiàn)gps 技術(shù)的自動(dòng)化跟蹤。同時(shí),還可以不間斷的全天候提供導(dǎo)航服務(wù)和各種測(cè)量工作,且觀測(cè)需要的時(shí)間很短,能夠獲得較高精度的測(cè)量數(shù)據(jù)。gps技術(shù)應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)概括而言,
8、主要表現(xiàn)在四個(gè)方面:(1)測(cè)量效率非常高測(cè)量效率高是gps 測(cè)量技術(shù)的一大優(yōu)點(diǎn),使用gps 測(cè)量時(shí),僅用幾秒就可以獲得準(zhǔn)確的三維定位,在衛(wèi)星信號(hào)不穩(wěn)定的情況下,其也可以在幾分鐘內(nèi)完成測(cè)量,可見速度之快,效率之高。使用了gps 測(cè)量技術(shù),每天可以提高70%以上的效率。(2)測(cè)量精度非常高gps 測(cè)量技術(shù)能為用戶提供高精度的三維定位,并且在不受任何天氣狀況的影響。利用gps 靜態(tài)定位技術(shù)測(cè)量時(shí),測(cè)量誤差僅僅34 毫克/ 升,而在不超過20 公里的距離測(cè)量時(shí),測(cè)量誤差也僅為幾厘米。(3)工作強(qiáng)度非常小傳統(tǒng)的測(cè)量設(shè)備在進(jìn)行工作時(shí),受外界的影響很大,特別是受地貌、地形、地物的影響,這都增加了測(cè)量人員的勞
9、動(dòng)強(qiáng)度。然而gps 測(cè)量技術(shù)就沒有這個(gè)缺陷,它不受天氣、地形的影響,可以在短時(shí)間內(nèi)對(duì)大面積不規(guī)則的復(fù)雜區(qū)域進(jìn)行測(cè)量。(4)無(wú)需通視gps 測(cè)量技術(shù)不需要互相通視,彌補(bǔ)了傳統(tǒng)測(cè)量的缺陷。只要測(cè)量地點(diǎn)地形平坦開闊,衛(wèi)星信號(hào)不受干擾,就能靈活方便地進(jìn)行測(cè)量。四、gps技術(shù)在水利控制測(cè)量中的應(yīng)用1、建立工程控制網(wǎng)工程控制網(wǎng)作為工程管理和建設(shè)的基礎(chǔ),其類型及精度與工程項(xiàng)目的規(guī)模和性質(zhì)均有密切的聯(lián)系。通常情況下,工程控制網(wǎng)的覆蓋面越小,點(diǎn)位密度越大,對(duì)于精確度得要求也就越高。邊角網(wǎng)是最為常用的方法之一。采用 gps 定位的方法構(gòu)建控制網(wǎng),對(duì)于點(diǎn)位選擇的限制較少,測(cè)量精度較高,且具有時(shí)間短和費(fèi)用低等諸多優(yōu)點(diǎn)
10、。在工程首級(jí)控制網(wǎng)中應(yīng)用廣泛。應(yīng)用gps 技術(shù)進(jìn)行控制網(wǎng)建立,一般多采取載波相位靜態(tài)差分技術(shù),以保持毫米級(jí)得測(cè)量精度。采用gps 技術(shù)建立施工控制網(wǎng)以及工程控制網(wǎng)均擁有十分明顯的優(yōu)勢(shì)。道路施工和勘探控制網(wǎng),具有橫窄、縱長(zhǎng)的特點(diǎn)。通常采取三角鎖、導(dǎo)線的方式,并常常需要進(jìn)行分段實(shí)施,以防止誤差積累。采取gps 技術(shù),因?yàn)辄c(diǎn)與點(diǎn)之間沒有通視的需要,能夠敷設(shè)較長(zhǎng)的三角鎖,實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離線路坐標(biāo)控制的一致性。2、選點(diǎn)與立標(biāo)gps水利測(cè)量時(shí)應(yīng)該遵循四大原則:1)測(cè)量點(diǎn)選擇交通便利、周圍無(wú)障礙物的地方,視野開闊保證有足夠的視場(chǎng);另外測(cè)量點(diǎn)地面基礎(chǔ)牢固,而且易于下次找到,保存測(cè)量點(diǎn)的位置。2)測(cè)量點(diǎn)選擇在至少20
11、0米內(nèi)沒有大功率無(wú)線電發(fā)射源;離高壓線的距離不得小于50m,以避免高壓線產(chǎn)生的電磁場(chǎng)對(duì)gps信號(hào)的干擾。3)測(cè)量點(diǎn)選擇在無(wú)強(qiáng)烈干擾衛(wèi)星信號(hào)接收的物體,如大面積水域是強(qiáng)烈的干擾物,因此要避免大面積水域。如此選擇的目的是為了避免多路徑效應(yīng)。4)測(cè)量點(diǎn)選擇時(shí),有就測(cè)量點(diǎn)不選新的測(cè)量點(diǎn)。使用舊的測(cè)量點(diǎn)前對(duì)舊點(diǎn)的穩(wěn)定性和完整性進(jìn)行檢查,符合要求繼續(xù)使用。另外gps網(wǎng)點(diǎn)要鋪設(shè)標(biāo)志性的標(biāo)石。為準(zhǔn)確標(biāo)定點(diǎn)位,另外選擇標(biāo)石也有要求,選擇的標(biāo)石要穩(wěn)定、堅(jiān)固以便長(zhǎng)久使用。預(yù)埋標(biāo)石后及時(shí)標(biāo)記和更新選點(diǎn)網(wǎng)圖。3、平面控制測(cè)量gps與edm導(dǎo)線結(jié)合的方法對(duì)于高水頭的水利工程,輸水隧洞的控制是整個(gè)工程的核心。由于水利工程處
12、位于山地狹谷這種特殊的位置,采用gps測(cè)量往往受到地形條件的限制,不能直接在壩址、進(jìn)出洞口(支洞)、廠房等關(guān)鍵位置上施測(cè),而只能在附近山脊等開闊處選取合適的點(diǎn)位,再用edm導(dǎo)線延伸至需要的位置上。在各施工區(qū)如壩址、洞口、廠房等處布點(diǎn)時(shí),每處至少布設(shè)23個(gè)點(diǎn),并使各相鄰點(diǎn)互相通視,最好能組成一個(gè)三角形,以便檢驗(yàn)測(cè)量成果的精度。常用的方法有:用全站儀測(cè)量?jī)牲c(diǎn)間的平距與gps二維約束邊長(zhǎng)進(jìn)行比較,用全站儀測(cè)量單角與gps坐標(biāo)反算角度值進(jìn)行比較等。測(cè)距導(dǎo)線作為水利工程的地表控制是非常合適的,一方面全站儀在生產(chǎn)單位已得到全面的普及,同時(shí)它又有良好的測(cè)角、測(cè)距精度;另一方面,測(cè)距導(dǎo)線選點(diǎn)的自由度大,能在所
13、需的地方布點(diǎn),并能一次性完成平面和高程控制測(cè)量。為提高隧洞的貫通精度,減少壩址與廠房間控制點(diǎn)的數(shù)量,導(dǎo)線宜布設(shè)成直伸型。通常采用的有閉合導(dǎo)線:雙支導(dǎo)線和單支導(dǎo)線,需要強(qiáng)調(diào)的是,當(dāng)長(zhǎng)度在2000m以內(nèi)時(shí),可用單支導(dǎo)線(一級(jí)導(dǎo)線的觀測(cè)要求)控制;當(dāng)長(zhǎng)度大于2000m時(shí),應(yīng)用閉合或雙支導(dǎo)線作控制。4、擬合高程測(cè)量水利工程中采用gps高程測(cè)量與幾何水準(zhǔn)相比較,具有許多優(yōu)越性,主要表現(xiàn)在電間無(wú)須通視、觀測(cè)操作簡(jiǎn)單、網(wǎng)型連接要求不嚴(yán)、減輕外業(yè)作業(yè)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度、提高工作效率,具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。在平原或丘陵地區(qū)的一般工程測(cè)量中,完全可以用gps高程擬合的方法代替四等水準(zhǔn)或普通幾何水準(zhǔn)測(cè)量。在帶狀
14、測(cè)區(qū),高程擬合采用線性擬合更合適,而在面狀地區(qū),則不太合適。在山區(qū)gps網(wǎng)中,只要聯(lián)測(cè)適量的幾何水準(zhǔn),利用數(shù)值擬合法求解gps正常高,可以達(dá)到山區(qū)四等水準(zhǔn)的要求。gps高程控制網(wǎng)的設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)高程異常的變化情況,對(duì)水準(zhǔn)聯(lián)測(cè)進(jìn)行設(shè)計(jì),應(yīng)做到精心設(shè)計(jì)、精心觀測(cè)和精心解算。聯(lián)測(cè)的幾何水準(zhǔn)應(yīng)分布于線型網(wǎng)的兩端和中部。如果是區(qū)域網(wǎng)應(yīng)均勻分布于周邊和網(wǎng)的內(nèi)部。這樣布設(shè)擬合的精度最好、最合理。網(wǎng)型傳遞應(yīng)采用網(wǎng)連式,高程的傳遞應(yīng)采用符合方式進(jìn)行高程推算。控制點(diǎn)的選點(diǎn)應(yīng)盡量選擇適合gps觀測(cè)的環(huán)境,以保證觀測(cè)質(zhì)量。減少外業(yè)的返工率和作業(yè)時(shí)間。同時(shí)作好星歷預(yù)報(bào),計(jì)劃好觀測(cè)時(shí)間,確保衛(wèi)星數(shù)量和接收數(shù)據(jù)的質(zhì)量?;€數(shù)據(jù)
15、處理必須細(xì)心,保證參加高程控制擬合計(jì)算的基線全部同過qa和tau測(cè)試,對(duì)于未通過的基線應(yīng)根據(jù)是否影響高程傳遞進(jìn)行補(bǔ)測(cè)。采用的已知水準(zhǔn)點(diǎn)越多,擬合精度就越高。在實(shí)際應(yīng)用中,對(duì)于線狀測(cè)區(qū),平均每48km應(yīng)該有一個(gè)幾何水準(zhǔn)點(diǎn)參與擬合;對(duì)于面狀測(cè)區(qū),平均每10km2應(yīng)該有一個(gè)幾何水準(zhǔn)點(diǎn)參與計(jì)算,這些點(diǎn)應(yīng)盡可能包圍所有的擬合點(diǎn)。在地形復(fù)雜的測(cè)區(qū),應(yīng)適當(dāng)增加水準(zhǔn)重合點(diǎn)觀測(cè)。5、測(cè)量水下地形測(cè)量水下地形基本步驟為,連接電腦、測(cè)探儀、gps等設(shè)備,導(dǎo)航軟件定位測(cè)量船,指導(dǎo)測(cè)量設(shè)備運(yùn)行在指定航線上,通過測(cè)深儀和gps在筆記本電腦中導(dǎo)入實(shí)時(shí)測(cè)量數(shù)據(jù),然后利用海洋測(cè)量軟件來(lái)導(dǎo)出文件或者形成地形圖,最后利用南方促會(huì)c
16、ass7.0 地形地籍成圖軟件進(jìn)行繪制。從實(shí)際情況來(lái)說,測(cè)量水下地形中應(yīng)用gps技術(shù),能夠適當(dāng)增加測(cè)量精度,降低施工周期和工作量,數(shù)字化地形圖為以后管理和建立地理信息系統(tǒng)奠定基礎(chǔ)。6、外業(yè)觀測(cè)外業(yè)觀測(cè)是指采集來(lái)自gps接收機(jī)的數(shù)據(jù)信號(hào),其作業(yè)過程大致可分為天線安置、接收機(jī)操作隔閡觀測(cè)記錄。外業(yè)觀測(cè)按照擬定的觀測(cè)計(jì)劃嚴(yán)格進(jìn)行實(shí)施。為了觀測(cè)任務(wù)順利地完成,在觀測(cè)外業(yè)之前,還要對(duì)所選定的接收設(shè)備進(jìn)行嚴(yán)格的檢驗(yàn)。實(shí)現(xiàn)精密定位的重要條件之一是天線的妥善安置,其具體內(nèi)容包括:整平、對(duì)中、量取天線高和定向。目前gps接收機(jī)自動(dòng)化程度相當(dāng)高,能順利地自動(dòng)完成高程測(cè)量工作,一般僅需按動(dòng)若干功能鍵;并且顯示屏上均
17、有提示,做到實(shí)時(shí)記錄。7、外業(yè)測(cè)量的誤差分析1)系統(tǒng)誤差儀器的精密度和外界條件變好是系統(tǒng)誤差產(chǎn)生的兩個(gè)主要原因。例如,量距時(shí)所用的鋼尺存在尺長(zhǎng)誤差,則每量一整尺距離就產(chǎn)生一個(gè)相應(yīng)的誤差;同樣當(dāng)溫度變化時(shí)會(huì)引起鋼尺的長(zhǎng)度變化,其引起量距誤差為濕皮變化值的函數(shù),這些都是系統(tǒng)誤差。系統(tǒng)誤差具有象積性質(zhì),而且一般總是可以預(yù)期出現(xiàn),并按其出現(xiàn)的規(guī)律采取相應(yīng)的措施以消除和減弱它的影響。例如,鋼尺量距時(shí),先檢定鋼尺,求出尺長(zhǎng)改正數(shù),在觀測(cè)時(shí)測(cè)定溫度,然后在測(cè)量結(jié)果中將尺長(zhǎng)修正,即可消除尺長(zhǎng)誤差和溫度變化對(duì)距離的影響。2)偶然誤差偶然誤差是由于人、儀器和外界條件等多方面因素引起的,但不能確知其產(chǎn)生的具體原因,
18、具有隨機(jī)性。例如,無(wú)論是水準(zhǔn)測(cè)量,還是角度側(cè)量,用望遠(yuǎn)鏡的十字絲照準(zhǔn)目標(biāo)時(shí),由于望遠(yuǎn)鏡的分辨能力、放大倍率的限制以及空氣透明度、目標(biāo)折射率等影響,使照準(zhǔn)目標(biāo)或偏左或偏右產(chǎn)生照準(zhǔn)誤差,也使估讀數(shù)值變化不定產(chǎn)生讀數(shù)誤差。這些誤差都屬于偶然誤差。偶然誤差的大小和符號(hào)隨著各種偶然因索的綜合影響在不斷地變化,不同于系統(tǒng)誤差,它不能夠用有效的方法來(lái)消除,但可以進(jìn)行總體控制,因?yàn)檫@種誤差總體而言,服從一定的統(tǒng)計(jì)規(guī)律,可利用概率論和數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法來(lái)分析。四、gps技術(shù)在水利工程測(cè)量中的應(yīng)用前景隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速增長(zhǎng)的西部大開發(fā)的實(shí)施,我省的水利工程建設(shè)迎來(lái)前所末有的發(fā)展機(jī)遇,這就對(duì)勘測(cè)設(shè)計(jì)提出了更高的要求。隨著水利工程勘測(cè)設(shè)計(jì)行業(yè)軟件技術(shù)和硬件設(shè)備的發(fā)展,水利工程勘測(cè)設(shè)計(jì)已實(shí)現(xiàn)cad化,有些軟件本身還要求提供地面數(shù)字化測(cè)繪產(chǎn)品的支持;建立勘測(cè)、設(shè)計(jì)、施工、后期管理一體化的數(shù)據(jù)鏈,減少數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)抄、輸入等中間環(huán)節(jié),是水利工程勘測(cè)設(shè)計(jì)內(nèi)外業(yè)一體化的要求,也是影響水利勘測(cè)設(shè)計(jì)技術(shù)發(fā)展的瓶頸所在。目前水利工程勘測(cè)中雖已采用電子全站儀和電子水準(zhǔn)儀等先進(jìn)儀器設(shè)備,但常規(guī)測(cè)量方法受橫向通視和作業(yè)條件的限制,作業(yè)強(qiáng)度大,且效率低,大大延長(zhǎng)了設(shè)計(jì)周期??睖y(cè)技術(shù)的進(jìn)步在于設(shè)備引進(jìn)和技術(shù)改造,在目前的技術(shù)條件下引入gps技術(shù)應(yīng)當(dāng)是首選。當(dāng)前,用gps靜態(tài)或快速靜態(tài)方法建立沿線總體控制測(cè)量,
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