測量學-第7章控制測量課件

第7章控制測量

本講主要內(nèi)容控制測量概述導線測量三、四等水準測量三角高程測量GNSS控制測量控制測量概述有關名詞小地區(qū)：不必考慮地球曲率對水平角和水平距離影響的范圍?？刂泣c：具有精確可靠平面坐標或高程的測量基準點?？刂凭W(wǎng)：由控制點分布和測量方法決定所組成的圖形或路線。控制測量：為建立控制網(wǎng)所進行的測量工作?？刂茰y量目的與作用為測圖或工程建設的測區(qū)建立統(tǒng)一的平面和高程控制網(wǎng)控制誤差的積累作為進行各種細部測量的基準控制測量概述控制測量分類按內(nèi)容分：平面控制測量、高程控制測量按精度分：一等、二等、三等、四等；一級、二級、三級按方法分：天文測量、常規(guī)測量(三角測量、導線測量、水準測量)、衛(wèi)星定位測量平面控制測量：測定點位的平面位置(x,y)

GPS衛(wèi)星定位、導線測量、三角測量、三邊測量、邊角測量高程控制測量：測定點位的高程H水準測量、三角高程測量、GPS高程測量三、國家基本控制網(wǎng)國家平面控制網(wǎng)采用逐級控制、分級布設的原則，分一、二、三、四等。主要由三角測量法布設，在西部困難地區(qū)采用導線測量。國家一、二等網(wǎng)合稱為天文大地網(wǎng)。我國天文大地網(wǎng)于1951年開始布設，1961年基本完成，1975年修補測工作全部結束，全網(wǎng)約有5萬個大地點。國家高程控制網(wǎng)采用逐級控制、分級布設的原則，分為一、二、三、四等其中一、二等水準測量稱為精密水準測量。一等水準是國家高程控制的骨干，沿地質構造穩(wěn)定和坡度平緩的交通線布滿全國，構成網(wǎng)狀。全長為93000多km，包括100個閉合環(huán)，環(huán)的周長為800~1500km。二等水準是國家高程控制網(wǎng)的全面基礎，一般沿鐵路、公路和河流布設二等水準環(huán)線布設在一等水準環(huán)內(nèi)，每個環(huán)的周長為300~700km，全長為137000多km，包括822個閉合環(huán)。沿一、二等水準路線還要進行重力測量，提供重力改正數(shù)據(jù)。三、四等水準直接為測制地形圖和各項工程建設用。三等環(huán)不超過300km四等水準一般布設為附合在高等級水準點上的附合路線，其長度不超過80km。四、城市控制網(wǎng)在城市地區(qū)建立的控制網(wǎng)成為城市控制，一般分級布設為城市大比例尺測圖、城市規(guī)劃、市政工程建設等服務分為城市平面控制網(wǎng)和城市高程控制網(wǎng)五、工程控制網(wǎng)為工程建設而布設的測量控制網(wǎng)稱為工程控制網(wǎng)按用途可分為：測圖控制網(wǎng)、施工控制網(wǎng)、變形監(jiān)測控制網(wǎng)按類型可分為：平面控制網(wǎng)和高程控制網(wǎng)六、圖根控制網(wǎng)為大比例尺測圖而建立的控制網(wǎng)稱為圖根控制網(wǎng)按類型可分為：平面控制網(wǎng)和高程控制網(wǎng)導線測量導線由測量人員根據(jù)測量任務在測區(qū)內(nèi)選定若干控制點，組成的多邊形或折線稱導線，這些點稱導線點。導線測量的目的主要是確定導線點的平面坐標——

平面控制測量導線的形式

閉合導線起訖于同一已知點的導線，稱為閉合導線。它有3個檢核條件：一個多邊形內(nèi)角和條件和兩個坐標增量條件。AB12345三角點（已知控制點）導線點附合導線布設在兩個已知點之間的導線，稱為附合導線。它有3個檢核條件：一個坐標方位角條件和兩個坐標增量條件。ABCD1234三角點（已知控制點）導線點支導線由一已知點出發(fā)，即不附合也不閉合，支導線只有必要的起算數(shù)據(jù)，沒有檢核條件，它只限于在圖根導線中使用，且支導線的點數(shù)一般不應超過3個。支導線1-11-2導線測量外業(yè)、內(nèi)業(yè)導線測量的外業(yè)工作1.踏勘選點，布網(wǎng)設計（通視、點位易于保存、視野開闊、均勻分布在測區(qū)）2.埋石（埋樁）、編號、作點之記3.測量導線邊長4.觀測水平角（聯(lián)接角和折角）1∠AB1為聯(lián)接角∠1、∠2∠3、∠4、∠5∠5B1均為折角AB2345例：導線測量的內(nèi)業(yè)工作（以閉合導線為例）1.整理外業(yè)數(shù)據(jù)，繪制略圖按照實際方位、折角、距離繪出略圖AB23451NαABβ1β2β3β4β5β62.角度閉合差的計算與調整閉合圖形條件：∑β理=（n-2）180°

閉合圖形條件：∑β測=β1+β2+β3+…βn

閉合差：fβ=∑β測－∑β理容許誤差：f容=±40″如果fβ＜f容，則進行調整，方法：將閉合差反其符號，平均分配到各水平角上檢核：改正后內(nèi)角和：∑β測′

=β1′

+β2′

+…βn′=∑β理3.用改正后的導線內(nèi)角推算各邊的坐標方位角注意：一定要推算到原已知方位角上進行驗算！4.坐標增量的計算坐標增量導線邊長方位角5.坐標增量閉合差的計算理論值：計算值：閉合差：導線全長閉合差：6.坐標增量相對閉合差的計算7.坐標增量閉合差的調整例：驗算8.計算改正后的坐標增量例：驗算9.計算各導線點的坐標注意：一定要計算到原已知坐標點上進行驗算！！閉合導線計算完畢，附合導線計算方法與閉合導線方法雷同，但有兩處不同。計算附合導線坐標的兩處不同ABCD1234αABαCD已知方位角已知方位角折角（水平角）β3β4β5β6βB2.坐標增量閉合差的計算不同1.角度閉合差的計算不同3.算例三、四等水準測量概述小地區(qū)一般以三等或四等水準網(wǎng)作為首級高程控制地形測量時再用圖根水準測量或三角高程測量進行加密三、四等水準點的高程應從附近的一、二等水準點引測，布設成附合或閉合水準路線點位應選在土質堅硬、便于長期保存和使用的地方，并應埋設水準標石也可用埋設了標石的平面控制點作為水準點水準點應繪制點之記三、四等水準測量的技術要求三、四等水準測量儀器及水準尺三、四等水準測量的方法1.采用雙面尺法作測站檢核2.每站觀測次序：后視(黑面)

上絲讀數(shù)，下絲讀數(shù)，中絲讀數(shù)前視(黑面)

上絲讀數(shù)，下絲讀數(shù)，中絲讀數(shù)前視(紅面)

中絲讀數(shù)后視(紅面)

中絲讀數(shù)后視尺前視尺三、四等水準測量的方法三、四等水準測量觀測應在通視良好、望遠鏡成像清晰及穩(wěn)定的情況下進行。1)一站觀測順序①在測站上安置水準儀，后視水準尺黑面用上、下視距絲讀數(shù)，記入表7-12中(1)、(2)位置旋轉微傾螺旋，使管水準氣泡居中，用中絲讀數(shù)，記入表7-12中(3)位置②前視水準尺黑面，用上、下視距絲讀數(shù)，記入表7-12中(4)、(5)位置旋轉微傾螺旋，使管水準氣泡居中，用中絲讀數(shù)，記入表7-12中(6)位置③前視水準尺紅面，旋轉微傾螺旋，使管水準氣泡居中用中絲讀數(shù)，記入表7-12中(7)位置④后視水準尺紅面，旋轉微傾螺旋，使管水準氣泡居中用中絲讀數(shù)，記入表7-12中(8)位置。以上觀測順序簡稱為后、前、前、后。2)一站計算與檢核①視距計算與檢核后視距離(9)={(1)-(2)}÷10前視距離(10)={(4)-(5)}÷10計算前、后視距差(11)：(11)=(9)-(10)三等水準，(11)不超過3m，對于四等水準，(11)不超過5m。計算前、后視視距累積差(12)：(12)=上站(12)+本站(11)三等水準，(12)不超過6m，四等水準，(12)不超過10m。②水準尺讀數(shù)檢核同一水準尺黑面與紅面讀數(shù)差的檢核：(13)=(6)+K-(7)(14)=(3)+K-(8)K為雙面水準尺的紅面分劃與黑面分劃的零點差本例，106尺的K=4787mm，107尺的K=4687mm三等水準，(13)、(14)不超過2mm；四等水準，(13)、(14)不超過3mm。③高差計算與檢核按前、后視水準尺紅、黑面中絲讀數(shù)分別計算一站高差：黑面高差(15)={(3)-(6)}÷1000紅面高差(16)={(8)-(7)}÷1000紅黑面高差之差(17)=(15)-{(16)±0.1}=(14)-(13)對于三等水準，(17)不超過3mm，對于四等水準，(17)不超過5mm。紅、黑面高差之差在容許范圍以內(nèi)時，取其平均值作為該站的觀測高差：(18)={(15)+(16)}/2三、四等水準測量成果處理內(nèi)容：根據(jù)已知點高程和水準路線的觀測高差，求出待定點的高程值附合水準路線、閉合水準路線的計算方法與等外水準路線相同。其成果處理方法是一種近似的成果處理方法。三、四等水準網(wǎng)的成果處理：《城市測量規(guī)范》規(guī)定，各等級高程控制網(wǎng)(指一、二、三、四等水準網(wǎng))應采用條件平差或間接平差進行成果計算，條件平差或間接平差是符合最小二乘原理的嚴密平差方法，可用專用平差計算軟件進行計算，已經(jīng)超出了本書的范圍。三角高程測量當?shù)匦胃叩推鸱?、兩點間高差較大而不便于進行水準測量時三角高程測量分為光電測距三角高程測量和經(jīng)緯儀三角高程測量，前者可以代替四等水準測量，后者主要用于山區(qū)圖根高程控制。GNSS控制測量GNSS概述GNSS是Global

NavigationSatelliteSystem的簡稱，是全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)的統(tǒng)稱。它可以向全球用戶提供連續(xù)、實時、高精度的三維位置、三維速度和時間信息。1957年10月，世界上第一顆人造地球衛(wèi)星發(fā)射成功1964年，美國建成為軍用艦艇導航服務的“海軍導航衛(wèi)星系統(tǒng)”(NavyNavigationSatelliteSystem，簡稱NNSS),又稱為“子午衛(wèi)星導航系統(tǒng)”1973年12月，美國開始研制新一代導航衛(wèi)星系統(tǒng),英文全稱為“NavigationbySatelliteTimingAndRanging/GlobalPositioningSystem(NAVSTAR/GPS)”,中文意思是“用衛(wèi)星定時和測距進行導航/全球定位系統(tǒng)”，簡稱GPS1995年前蘇聯(lián)建設成功GLONASS定位系統(tǒng)歐盟于2004年開始研制，計劃2013年建成以民用為主的全球導航定位系統(tǒng)GALILEO系統(tǒng)中國于2003年建成北斗一號衛(wèi)星系統(tǒng)，目前正在建設第二代北斗導航衛(wèi)星系統(tǒng)，計劃2012年建成區(qū)域系統(tǒng)，2020年建成全球系統(tǒng)GPS基本定位原理被動式無線電定位技術利用距離交會的原理確定接收機的三維位置及鐘差GPS系統(tǒng)的構成空間部分（空間段）成員：衛(wèi)星星座。作用：發(fā)送信號，用于測距和告知自身位置。控制部分（控制段）成員：主控站、監(jiān)測站、注入站。作用：監(jiān)控、操縱系統(tǒng)，預報衛(wèi)星軌道和鐘差。用戶部分（用戶段）成員：接收機及輔助設備。作用：接收信號，用于定位、測速和授（守）時?？臻g段（SpaceSegment）GPS星座由24顆GPS衛(wèi)星組成，6個軌道面軌道高度約20000km，軌道周期11h58min，衛(wèi)星地面軌跡每天提前4min重復一次軌道傾角55°GPS衛(wèi)星有效載荷：原子鐘，信號生成、發(fā)射裝置，存儲器、處理器信號：兩個頻率的載波（L1:1575.42MHz，L2:1227.60MHz），兩種測距碼（C/A碼和P碼）和導航電文控制段（ControlSegment）主控站1個：位于美國本土科羅拉多?斯平士的聯(lián)合空間執(zhí)行中心注入站3個：分別位于大西洋的阿森松群島、印度洋的狄哥伽西亞和太平洋的卡瓦加蘭3個美軍基地監(jiān)測站5個：除了位于1個主控站和3個注入站以外，還在夏威夷設立了1個監(jiān)測站用戶段（UserSegment）用戶段包括各種GPS用戶接收設備和相應的數(shù)據(jù)處理軟件GPS接收機包括接收天線、主機和電源GPS接收機的類型

1.測量型（單頻接收機/雙頻接收機）

2.導航型

3.授時型

4.測姿性GPS衛(wèi)星信號選用兩個載波頻率

fL1=1575.42MHz,λ1=19.05cm

fL2=1227.60MHz,λ2=24.45

兩個頻率可測定電離層延遲，消除電離層延遲誤差采用偽隨機躁聲碼擴頻技術C/A碼the“clear/access”or“coarse/acquisition”

code用于碼分多址、捕獲衛(wèi)星、粗測距、有一定抗干擾能力的明碼，提供民用P碼：the“private”or“precise”

or“protected”code,用于碼分多址、捕獲衛(wèi)星、有強抗干擾能力的軍碼，供軍事使用C/A碼和P碼比較測量衛(wèi)星至接收機的距離GPS接收機的觀測數(shù)據(jù)觀測數(shù)據(jù)類型：星歷文件：每小時更新的觀測衛(wèi)星星歷觀測值文件：每歷元、每顆衛(wèi)星偽距、載波相位觀測值及多普勒頻移。測站信息文件：測站名，天線高，氣象參數(shù)(氣溫，氣壓，濕度等)觀測數(shù)據(jù)文件格式：一般采用RINEX格式主要的原始觀測數(shù)據(jù)：一、與衛(wèi)星有關誤差衛(wèi)星星歷誤差（軌道誤差）衛(wèi)星鐘差相對論效應

二、信號傳送誤差電離層延時對流層延時多路徑效應三、觀測及接收設備誤差接收機鐘差接收機噪聲天線相位中心誤差天線安置誤差四、其它誤差地球固體潮地球海潮美國SA政策GPS觀測值誤差分類GPS衛(wèi)星定位方法分類偽距定位和載波相位定位偽距定位：不存在整周模糊度的問題，數(shù)據(jù)處理簡單,精度低,廣泛應用于導航領域載波相位定位：所采用的觀測值L1、L2或它們的某種線性組合。精度高，一般優(yōu)于2mm，缺點是由于存在周跳和整周模糊度的問題，使得數(shù)據(jù)處理過程復雜。絕對定位和相對定位絕對定位（單點定位）：采用一臺接收機進行定位，一般采用偽距定位，用于導航和精度要求不高的應用中。相對定位（差分定位）：采用兩臺以上的接收機，通過差分可以消除或減弱同步觀測值之間的多種誤差，可以獲得極高的精度動態(tài)定位和靜態(tài)定位動態(tài)定位：定位接收機的天線在整個定位過程中的位置是變化的。靜態(tài)定位：定位時接收機的天線在整個定位過程中的位置是保持不變的實時定位和非實時定位實時定位是根據(jù)接收機觀測到的數(shù)據(jù)，實時地解算出接收機天線所在的位置。實時定位通常采用偽距單點定位，也可以采用偽距差分定位（RTD）或實時載波相位差分定位（RTK）。非實時定位又稱后處理定位，它是通過對接收機接收到的數(shù)據(jù)進行后處理以進行定位的方法。靜態(tài)定位通常采用后處理定位。動態(tài)定位則通常采用實時定位。目前常用的幾種GPS定位方式定位方式觀測值定位模式運動狀態(tài)處理模式精度單點定位偽距絕對定位動態(tài)實時幾米至百余米（SA時）偽距差分（RTD）偽距相對定位動態(tài)實時米級，最好至亞米級靜態(tài)定位偽距/載波相位相對定位靜態(tài)后處理厘米至毫米級實時動態(tài)定位（RTK）偽距/載波相位相對定位動態(tài)實時一般為厘米級網(wǎng)絡RTK偽距/載波相位相對定位動態(tài)實時一般為厘米級精密單點定位偽距/載波相位絕對定位動態(tài)實時分米或厘米級目前常用的幾種GPS定位方式GPS定位的特點全球、全天候作業(yè)：可在全球任何地方、一天24小時內(nèi)的任何時間進行。測站間無須通視：可節(jié)省大量的造標費用。由于無需點間通視，點位可根據(jù)需要，可稀可密，選點甚為靈活，也可省去經(jīng)典控制測量中的傳算點、過渡點的測量工作?？商峁┤S坐標:GPS可同時精確測定測站點的三維坐標(平面+大地高)。通過局部大地水準面精化，GPS水準可滿足四等水準測量的精度。定位精度高:相對定位精度在50km以內(nèi)可達10-6

，100-500km可達10-7

，1000km可達10-9

。在300-1500m工程精密定位中，1小時以上其平面位置誤差可達1mm。觀測時間短，定位速度快:20KM以內(nèi)快速靜態(tài)相對定位，僅需15-20分鐘；RTK測量時，當每個流動站與參考站相距在15KM以內(nèi)時，流動站觀測時間只需1-2分鐘。采樣率高,可達50Hz；功能多、應用廣:可用于測量、導航，精密工程的變形監(jiān)測，還可用于測時（20ns)，測速（0.1m/s），測姿態(tài)（1m,0.10),測方位，測電離層電子含量，測大氣水蒸氣含量；用戶無限，操作簡便、體積小，重量輕，價格便宜。應用GPS進行控制測量主要參考依據(jù)：全球定位系統(tǒng)(GPS)測量規(guī)范GBT18314一2009全球定位系統(tǒng)城市測量技術規(guī)程(送審稿)工程測量規(guī)范GB50026-2007GNSS控制網(wǎng)GNSS國家控制網(wǎng)一般分為A、B、C、D、E級GNSS城市控制網(wǎng)分為CORS網(wǎng)和GNSS網(wǎng)。GNSS網(wǎng)按相鄰站點的平均距離和精度應劃分為二、三、四等及一、二級網(wǎng)。GNSS工程控制網(wǎng)分為二、三、四等及一、二級網(wǎng)CORS網(wǎng)應單獨布設；GNSS網(wǎng)可以逐級布網(wǎng)、越級布網(wǎng)或布設同級全面網(wǎng)應用GPS進行控制測量應用GPS進行控制測量GNSS控制網(wǎng)的主要技術要求二、三、四等網(wǎng)相鄰點最小距離不應小于平均距離的1/2；最大距離不應超過平均距離的2倍。一、二級網(wǎng)的距離可在上述基礎上放寬一倍。應用GPS進行控制測量應用GPS靜態(tài)定位進行控制測量1.制定工作計劃書任務來源、任務目的、任務要求、精度指標、作業(yè)區(qū)環(huán)境、高精度控制點情況、交通狀況、通信狀況、電力狀況、采用儀器型號與指標、控制點布設方案、采用作業(yè)模式、作業(yè)組數(shù)及裝備、野外作業(yè)詳細計劃書、內(nèi)業(yè)處理方案、成果提交方式、成果提交日期等。2.外業(yè)觀測野外踏勘選點、埋標石、做點之記、天線周圍環(huán)視圖；儀器撿驗；野外作業(yè)詳細計劃；野外觀測。3.外業(yè)觀測成果預處理同步環(huán)檢驗、異步環(huán)檢驗、重復邊檢驗。4.內(nèi)業(yè)處理基線解算、GPS網(wǎng)平差、GPS網(wǎng)和地面網(wǎng)聯(lián)合平差、坐標轉換、投影變換。5.工作總結、成果報告外業(yè)觀測1.天線安置：對中1mm、整平、方向指北（<5°）量天線高≤3mm（三次）2.正確接通電源，天線3.開機：設置參數(shù)：最少定位衛(wèi)星數(shù)4顆，最低高度角15°，采樣間隔15秒或20秒，30秒，檢查內(nèi)存；電源電量；4.輸入測站名、文件名、時段數(shù)、天線高5.觀看儀器工作狀態(tài)：捕捉衛(wèi)星（搜索）；跟蹤、鎖定衛(wèi)星數(shù)；三維定位值；PDOP值；定位精度作業(yè)期間不能關電源和沒備、人員走動不要遮擋天線6.測試結束，關電源。數(shù)據(jù)處理流程四個階段數(shù)據(jù)傳輸格式轉換（可選）基線處理網(wǎng)平差影響基線解算結果質量的因素觀測值的質量精度、采樣率、周跳發(fā)生的頻度、受包括多路徑在內(nèi)的干擾效應影響的程度觀測的幾何條件衛(wèi)星的數(shù)量、分布及星座的變化衛(wèi)星軌道數(shù)據(jù)的質量數(shù)據(jù)處理的模型和方法數(shù)學模型函數(shù)模型和隨機模型的優(yōu)劣算法

周跳探測與處理算法、模糊度確定等算法的效能高低，以及解的穩(wěn)定性等應用GPSRTK進行控制測量GNSSRTK平面測量按精度劃分為二級、三級、圖根和碎部，布設的平面RTK控制點應滿足擴展的需要。RTK測量的平面點位中誤差（相對于起算點）不得大于±5cm。電瓶數(shù)傳電臺數(shù)傳電臺天