GPS在数字地形图测绘的应用毕业设计.docx
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GPS在数字地形图测绘的应用毕业设计
毕业设计说明书
专业：
工程测量与监理
班级：
测量09501
姓名：
2013年12月22日
毕业设计任务书
设计题目：
GPS在数字地形图测绘的应用
设计条件及要求：
毕业实习是我们在校内完成教学计划所规定的全部课程和实习、实验、课程设计以后的一次综合性生产技能锻炼实习。
其目的是巩固和运用所学的全部知识，特别是测绘专业的理论知识和课程实践，通过参加实际工作，了解和掌握本专业的基本知识，锻炼分析问题和解决问题的实际能力。
设计时间：
自12月22日至12月28日
设计指导人：
杜强
教研室主任：
李孝文
系主任：
蔚永宁
指导人评语：
指导人：
______________
年月日
评阅人评语：
评阅人姓名：
_____________
技术职称：
______________
所属单位：
______________
年月日
毕业设计答辩委员会
毕业设计成绩评定书
专业班级：
测量09501班姓名：
吴翔
毕业设计题目：
GPS在数字地形图测绘的应用
经毕业设计答辩，评定________________同学的
毕业设计成绩为_______________。
毕业设计答辩委员会
主任委员：
_________
年月日
第1章绪论
1.1引言
数字化测图是近几年随着计算机、地面测量仪器、数字化测图软件的应用而迅速发展起来的全新内容,广泛用于测绘生产、水利水电工程、土地管理、城市规划、环境保护和军事工程等部门。
数字化测图作为一种全解析机助测图技术,与模拟测图相比具有显著优势和发展前景,是测绘发展的技术前言。
目前许多测绘部门已经形成了数字图的规模生产。
作为反映测绘技术现代化水平的标志之一,数字测图技术将逐步取代人工模拟测图,成为地形测图的主流。
数字测图技术的应用发展,极大的促进了测绘行业的自动化和现代化进程，使测量的成果不仅有绘在纸上的地形图,还有方便传输、处理、共享的基础信息,即数字地图，它将为信息时代地理信息的应用发展提供最可靠的保障。
1.2地形图测绘
地形图的测绘主要作业过程均为三个步骤：
数据采集，数据处理及地形图的数据输出（打印图纸、提供软目前在我国，获取数字地图的主要方法有三种：
原图数字化，航测数字成图，地面数字测图。
但盘等）。
这里我们主要讲述一下地面数字化。
在没有合乎要求的大比例尺地图的地区或该地区测绘经费比充足，可直接采用地面数字测图的方法，该方法也称为内外业一体化数字测图，是我国目前个测绘单位用得最多的数字测图方法。
采用该方法所得到的数字地图的特点是精度高，只要采取一定的措施，重要地物相对于邻近的控制点的精度控制在5cm内是可以做到的。
但它所耗费的、物力与财力也是比较大的。
随着测绘科学技术的发展,传统的测图方法正逐步被不断涌现的新仪器、新设备、新技术、新方法所取代。
GPS进行数字化测绘地形图就是一种行之有效的新方法。
随着GPS定位精度的提高、硬件性能的改善,GPS得到越来越广泛的应用。
它不要站间通视,也无需庞大的作业队伍,精度高、作业快、费用省、应用灵活。
一些先进的接收机和天线技术把外业观测时间压缩到最短的同时,仍能获得最优的数据,在灵敏度、可靠性、抗干扰能力方面都有优异的表现。
静态、快速静态通过载波相位差分可以达到很高的精度（10-6D～10-8D）。
GPS技术能实时提供观测点的三维坐标,并达到厘米级的精度。
它的普及极大地拓展了GPS的使用空间,使GPS从只能做控制测量的局面中摆脱出来,而开始广泛运用于工程测量。
现在商用GPS接收机可实现20Hz高速独立采样与输出,整周未知数初始化时间仅需8S,并提供独立检核,内置锂电池可支持1个工作日连续作业。
GPS及电子计算机的普及，及它们在测量仪器中的比例逐渐增大，它们在数字地形图、地籍图的应用也在日趋广泛。
地形图的成图方法正在逐步的由传统的白纸法成图像数字测图方向发展。
特别是我国的东部沿海发达地区，数字测图几乎占据了大部分的地形图测绘。
在地形测量中,传统的方法是经纬仪配合小平板仪的方法,在小平板仪上进行展点,再通过手摇数字化仪得到数字化图,由于受到人为操作误差的影响,误差可达到0.12mm以上,对大比例尺的地形图的精度影响比较大。
随着GPS系统的不断改进,已经达到了比较满意的精度要求,可以满足常规测量的要求,尤其对于开阔的地段（主要是田野、公路、河流、沟、渠、塘等）直接采用全球卫星定位系统中的实时动态定位GPS）测量模式进行全数字野外数据采集。
对于树木较多或房屋密集的村庄等,采用GPS测定图根点,通过全站仪的采集碎部点。
1.3GPS系统简介
1.3.1GPS简介
GPS实时动态测量系统,它是集技术、数字通讯技术、无线电技术和GPS测量定位技术为一体的组合系统;它是GPS测量技术发展中的一个新突破。
GPS定位精度高,可以全天侯作业,每个点的误差均为不累积的随机偶然误差。
实时动态测量的基本思路是:
在基准站安设一台GPS接收机,对所有可见GPS卫星进行连续的观测,并将观测数据通过无线电传输设备实时地发送给用户观测站（流动站）;在流动站上,GPS接收机在接收卫星信号的同时,通过无线电接收设备,接收基准站传输的观测数据,然后根据相对定位的原理实时地计算并显示出流动站的三维坐标及精度。
1.3.2GPS系统的组成
GPS系统由基准站、若干个流动站及无线电通讯系统三部分组成。
基准站包括GPS接收机、GPS天线、无线电通讯发射系统、供GPS接收机和无线电台使用的电源（汽车用12伏蓄电瓶）及基准站控制器等部分。
流动站由以下几个部分组成:
GPS接收机、GPS天线、无线电通讯接听系统、供GPS接收机和无线电使用的电源及流动站控制器等部分。
1.3.3GPS基本原理
GPS系统包括三大部分:
地面监控部分、空间卫星部分、用户接收部分,各部分均有各自独立的功能和作用,同时又相互配合形成一个有机整体系统。
对于静态GPS测量系统,GPS系统需要二台或二台以上接收机进行同步观测,记录的数据用软件进行事后处理可得到两测站间的精密WGS-84坐标系统的基线向量,经过平差、坐标转换等工作,才能求得未知的三维坐标。
现场无法求得结果,不具备实时性。
基准站把接收道的所有卫星信息（包括伪距和载波相位观测值）和基准站的一些信息（如基站坐标天线高等）都通过无线电通讯系统传递到流动站，流动站在接收卫星数据的同时也接受基准站传递的卫星数据。
流动站完成初始化后,把接收到的基准站信息传送到控制器内并将基准站的载波观测信号进行差分处理,即可实时求得未知点的坐标。
第2章GPS在地形图测绘中的应用
2.1参考基准和作业依据
2.1.1坐标系统和高程系统
（1）平面坐标：
1980西安坐标系；
（2）高程基准：
1985年国家高程基准；
（3）世界大地坐标系（WGS84）：
ITRF97参考框架，参考历元：
2000.00；
（4）重力系统：
2000国家重力基本网；
（5）地球重力场模型：
EGM96、WDM94。
2.1.2作业依据
（1）《城市测量规范》（CJJ8-99），1999年建设部；
（2）《全球定位系统城市测量技术规程》（CJJ73-97），建设部；
（3）《1：
500、1：
1000、1：
2000比例尺地形图图式》（GB/T7929-1995）；
（4）《测绘产品检查验收规定》CH1002-95；
（5）《测绘产品质量评定标准》CH1003-95；
（6）技术设计书。
2.1.3控制测量
1、四等GPS控制网技术要求
（1）四等GPS网应布成具有独立检核条件的图形（如三边形、四边形、五边形、导线网形等）。
（2）四等GPS网的主要技术要求执行下表规定。
表2.1四等GPS网的主要技术要求
等级
平均距离
（km）
固定误差
（a）
比例误差系数
（1×10-6）
最弱边相对中误差
四等
2
≤10
≤10
1/45000
注：
当边长小于200m时，边长中误差应小于20㎜。
（3）四等GPS定位测量的作业基本技术要求执行下表规定。
表2.2四等GPS定位测量基本技术要求规定
项目
等级
观测方法
四等
卫星高度角（°）
静态
≥15
有效观测卫星数
静态
≥4
平均重复设站数
静态
≥1．6
时段长度（min）
静态
≥45
数据采样间隔（s）
静态
10～60
（4）四等GPS控制网的点位应满足GPS观测要求，同时顾及后续使用常规仪器进行加密测量的需要，所选的点必须保证有2个以上方向通视。
（5）四等GPS控制网观测采用4台徕卡双频动态GPS接收机进行，基线解算和网平差使用随GPS接收机的软件进行，计算结果取位至小数点后3位。
（6）四等GPS控制点应埋石，并做点之记。
沥青或水泥地面采用规格为12cm刻有十字的钢桩标石。
其余采用规格为20×40×40cm，中间放置钢筋标志的混凝土桩标石。
（7）四等GPS控制点应参照《城市测量规范》规定，测量其高程。
2、一、二级GPS网技术要求
（1）一、二级GPS控制网的点位应满足GPS观测要求，同时顾及后续使用常规仪器进行加密测量的需要，所选的点必须保证有2个以上方向通视。
（2）一、二级GPS网的主要技术要求执行下表规定。
表2.3一、二级GPS网的主要技术要求
等级
平均距离
（km）
固定误差
（a）
比例误差系数
（1×10-6）
最弱边
相对中误差
一级
1
≤10
≤10
1/20000
二级
＜1
≤15
≤20
1/10000
注：
当边长小于200m时，边长中误差应小于20㎜。
（3）一、二级GPS定位测量的基本技术要求执行下表规定。
表2.4一、二级GPS定位测量基本技术要求规定
项目
等级
观测方法
一级
二级
卫星高度角（°）
快速静态
≥15
≥15
有效观测卫星数
快速静态
≥5
≥5
平均重复设站数
快速静态
≥1．6
≥1．6
时段长度（min）
快速静态
≥15
≥15
数据采样间隔（s）
快速静态
10～60
10～60
（4）一、二级GPS控制网观测采用3台徕卡双频动态GPS接收机进行，基线解算和网平差使用随GPS接收机的软件进行，计算结果取位至小数点后3位。
（5）一、二级GPS控制点应埋石，并做点之记。
沥青或水泥地面采用规格为12cm刻有十字的钢桩标石。
其余采用规格为20×40×40cm，中间放置钢筋标志的混凝土桩标石。
（6）采用高斯投影，选择通过其余建制镇中心的中央子午线，并将距离改算到其余建制镇平均高程面上。
（7）一、二级GPS控制点应参照《城市测量规范》规定，测量其高程。
2.2仪器及软件
2.2.1测绘软件的选择
对于一个测绘单位而言，数字测图的一个重要的问题是选择好适合于本单位使用的测绘软件。
因为往往的这个单位用起来很好的软件，到了别的单位却不一定适用，所以每个单位对于软件的选择问题应具体问题具体分析，不能人云亦云。
衡量一个成图软件的标准，首先要看该软件是否适合本单位的实际情况；二要看其可操作性，是否界面友好，简便易学等等；三要看其提供的功能是否适合于本单位。
现在的测绘软件用得最多的主要有三种：
一是以清华山维公司与清华大学土木系联合开发的测霸EPSW（ElectronicPlanetableSurveyingandMappingsystem）系列；二是武汉瑞得测绘自动化公司的RDMS系列；三是广州南方测绘仪器公司与广州开思公司的CASS系列与SCS系列。
下面简单早已下比较分析。
对于已经熟悉AUTOCAD的用户而言，CASS系列与SCS系列是一个不错的选折，因为它们基于AUTOCAD平台开发的，AUTOCAD的所有功能它都可以用，而AUTOCAD则是世界上大家所共认的绘图平台，其编辑功能是有目共睹的[5]。
CASS与SCS的功能差不多，各有所长与所短。
CASS的服务可以说是一个电话随叫随到，而SCS的服务在近段时间内是无法与其相提并论的。
它们均提供三种作业方式：
电子平板方式、原图数字化方式及内外业一体化。
再CAD的基础上，开发了许多功能，如量算定点、图形复制、绘制多功能复合线等。
除此之外，还提供了地藉表格会制与图纸等功能。
对于那些即想用电子平板方式作业，又能在市内编辑成图的单位而言，可以选它。
当然这些软件功能会随着时间的推移而逐步完善。
对这些软件的认识也只是本人的一管之见。
2.2.2CASS软件开发的背景
目前上的数字成图软件较多，CASS软件便是其中之一。
该软件是南方测绘仪器有限公司在AutoCAD2002上开发的新一代数字化地形地籍成图软件，它彻底打通了数字化成图系统与,GIS的接口，是信息产业部门认可并普遍使用的通用软件，可实现地形地物数据的自动输入、处理、分析、显示、输出，其市场占有率较高。
2.3地形图测绘基本要求、内容和取舍
2.3.1基本要求
1、比例尺
测图比例尺为1：
500。
2、作业方式
采用南方CASS公司研制的CASS6.1系统，利用全站仪进行全野外数字化测量。
3、地形图的精度要求
（1）测站点相对于邻近图根点的点位中误差，不得大于图上0.3mm。
（2）地物点相对于邻近图根点的点位中误差不大于图上0.5mm，邻近地物点间距中误差不大于图上±0.4mm。
2.3.2地形图的内容及取舍
（1）各等级控制点，按《规范》和《图式》规定符号表示。
（2）房屋
房屋外框线通常由底层的外墙体确定，有柱者以柱外角为准测绘，房屋一般不综合，应逐个表示。
各类建筑物及主要附属设施原则上按实地轮廓准确表示，当房屋轮廓凸凹小于0.1米，简单房屋小于0.3米时也可直接连线，但必须确切反映房屋排列特征。
街道两侧临时性的房屋不表示，院内简陋的小于6平方米的小房可不表示。
房屋要注记层次和结构，整幢房屋不同层次的或不同结构的用实线分隔表示。
房屋结构注记一般为“砼”、“混”、“砖”、“土”等。
砖混结构2层以上的房屋注记为“混”，如：
“混2”。
落地阳台按房屋外围测绘。
大于6m2层的室外楼梯应表示。
（3）独立地物以相应符号表示，有专有名称的要注明。
（4）管线和栅栏
杆架为铁塔的超过35KV以上的高压线路应连线表示。
跟权属有关的围墙、栅栏、铁丝网、活树篱笆应表示，围墙高度1米以上的要求表示。
（5）道路
测区内的公路、大车路、乡村路、小路、内部道路以相应符号表示。
有名称的应注记名称。
等级以上的公路应注记公路等级代码。
大车路、乡村路取其平均宽度测绘，小路只表示固定的，地块中临时小路不表示。
道路通过居民地时中断，应按真实位置绘出。
堤顶、双线田埂上的大车路、乡村路、小路不绘，道路符号在与堤、埂相接处断开。
经过村庄的水泥路用街区线表示或以房边代替。
（6）水系
河流及沟渠、池塘应按实况用《图式》相应符号表示，水渠内径宽度大于1米的用双线渠表示，小于1米的用单线渠表示，渠水流向应表示准确。
居民地外围的水井应准确表示。
河流两岸的抽水站房子注“抽”，抽水机用相应符号表示。
（7）地貌土质
各种天然形成和人工修筑的坡、坎其坡度在70°以上时，按陡坎表示；70°以下时可表示为斜坡。
坡、坎只表示比高在1.0米以上的。
加固的坡、坎以加固符号表示。
（8）正确表示各种植被，并以地类界圈出其范围，林地、果园除配置符号外，注记树种。
（9）正确调注厂矿企事业单位、居民地、河流、沟等地理名称。
第3章GPS数字测图的实施
3.1数字测图的外业工作的实施
3.1.1作业技术依据
《全球定位系统城市测量技术规程》（CJJ73—79）;《城市测量规范》（CIJ8—99）,《1∶500,1∶1000,1∶2000地形图图式》;GB/T7929—1995。
平面基准采用1954年北京坐标系;高程基准采用1956年黄海高程系。
3.1.2GPS（RTK）配合全站仪的施测过程介绍
1、测区的基本情况
本测区位于某市，较为便利，测区地势较为平坦,测区内树木较多给测量工作带来一定的困难。
测区布设4个已知的三等GPS控制点，作为测区平面控制的起算点。
2、收集测区的资料
进入测区之前要收集测区控制点资料，包括控制点的坐标、等次、中央子线、坐标系统，是常用控制网还是GPS控制网、控制点的点之记、控制点的地形和周围环境是否可作为RTK基准参考站。
3、RTK基准站的设定
为了保证RTK测量的精度和速度，选择一个环境良好的基准站是至关重要的，也是顺利实施RTK的关键，基准站的安置应满足下列条件：
基准站应有正确的已知坐标。
基准站应选在点位稳固、方便架设仪器的地方。
基准站应选在地势较高（也不必太高，还要交通方便），较为开阔
周围无高度角超过10°的障碍物，有利于卫星信号的接收和数据链的发送的位置。
为防止数据链丢失以及多路径效应的影响，基准站周围应无GPS信号反射物（大面积水域，大型建筑物等）、高压线、电视台、无线电发射台、微波站等干扰源。
基准站设置的过程：
（1）在基准站对中整平安置好拓普康GPS接收机，连接发射电台、电台天线和电瓶，量取GPS天线高；
（2）GPS开机，Ranger手簿开机，运行手簿上的SurveyPro软件，选择屏幕上的“CreateaJob……”，设置好点名、长度单位和角度单位，然后选择“Finish”按扭，随后设置“Settings”和“Survey”，选择好手簿上的参数，最后进入“Basesetup”页面，输入仪器高和该点的坐标，按“OK”键后，关闭该窗口，基准站设置便操作完毕。
（3）GPS测量基准站的操作流程如图3.1所示。
图3.1GPS基准站的操作流程
GPS基准站接线图如图3.2所示。
图3.2基准站接线图
4、GPS流动站设置
（1）把发射电台、电台天线、手簿和电池连接好；
（2）GPS开机，Ranger手簿开机，运行手簿上的“SurveyPro”软件，点击“CreateNewJob……”键，输入点名：
RTK—ROVER，往下选择角度单位和长度单位；点击“Finish”按扭，进入另一个窗口，选择该窗口中的“NEW”点击“Settings”，从而设置参数，设置完毕以后，返回到最初页面，即RTK流动站设置完毕。
（3）GPS流动站的操作流程如图3.3所示。
连接流动站背包
图3.3GPS流动站操作流程图
5、图根控制测量
测区XXKm²共布设图根点X点。
图根点测设采用目前比较先进的RTK实时定位系统进行布设，仪器使用南方灵锐S82接收机进行作业。
观测过程中，在不同的观测站上，首先对等级点进行检测，检查其坐标及高程精度满足要求后才开始新的作业。
在局部隐蔽或建筑密集区，则采用图根辐射的方法进行图根点加密。
采用GPS-RTK卫星快速定位方法测设图根点时，每点至少有1个以上的通视方向；联测了3个以上等级控制点作为校正点，并至少对一个以上的控制点用RTK测量的三维坐标与已知值进行比较，平面较差在5cm以内，高程较差在7cm以内时，才进行RTK图根测量。
测量中流动站与基准站间的距离均未超过5Km，流动站的测量范围均在校正点控制的范围内。
观测前直接在仪器上设置各类参数，所采集的数据自动记录，观测数据等一系列的改正及坐标计算均由仪器自动完成，作业结束后传输坐标到计算机内。
图根辐射点的布设、观测及计算：
本测区采用全野外数字化测图，图根辐射点在施测过程中，根据实地测图的需要进行布设，其观测数据等一系列的参数设置、改正及坐标计算均由仪器自动完成，然后通讯到计算机内。
6、控制测量
（1）GPS点的选择及GPS控制网的布设
考虑测区范围较小,依据全球定位系统测量规范及GPS点位布设的要求，本次布网以E级GPS控制网作为测区的首级控制。
该网布设了4个E级GPS控制点，分布在测区的边界的主干道上。
本GPS控制网以同步环为基本单元,采用边连接方式。
（2）GPS的外业观测
采用三台南方GPS接收机按照规范和要求已静态方式进行同步观测。
观测时按照观测前做好的观测计划利用对讲机相互联络,同时开机并认真及时地逐项填写测量手簿中的各项内容。
（3）GPS基线向量的解算
GPS基线向量的解算采用南方公司提供的随机软件进行。
对当天采集的数据在当天晚上及时地传输到计算机中,并检查外业记录和输入点号、点名。
检查测前和测后天线高是否有变,取其均值输入天线高,对同步环、异步环闭合差及复测基线进行检查,以便发现不合格成果。
根据情况决定淘汰、重测或补测,该网各条基线均符合精度要求。
（4）GPS平差计算及检核
GPS控制网的平差计算也采用南方公司提供的随机软件进行。
三维无约束平差采用WGS84椭球,参考坐标系采用WGS84坐标系。
根据基线解算成果,首先进行三维无约束平差,然后以G16和G17两个三等已知GPS点的平面坐标和高程作为该网的起始数据进行三维约束平差。
（5）高程检测
在测图前,用GPS对两个已知的水准点进行检测，G16点的已知高成为100.00m检测值为100.01；G17点已知高程为99.99m检测值为100.01m与已知值相比较，均在限差范围内，说明利用GPS进行图根高程测量精度是可靠的。
（6）图根控制测量
观测待定点之前我们设置机内精度，我们设置机内精度指标预设位点位中误差+2.0cm，高程中误差+3.0cm。
观测时注意点位几何图形强度因子，每个控制点观测两次，双观测值的点位坐标差值≤+5cm，取中数作为最终结果。
为了科研需要，所有控制点均施测水准高程（外围三等内部四等），所以我们在观测时随时检查点的GPS高程。
在数字测图时，对所有的控制电（包括E级点）进行了GPS观测。
经过比较后可以看出，平面精度完全可以满足城市一等要求，待定点举起算点（基准点）超过1公里时，GPS观测高程百分之九时可以满足四等要求（作业半径小于6公里），GPS高程完全可以满足图根点和地形测图的需要。
7、碎部测量
数字测图中，碎部测量的主要方法为极坐标法，在实测得多数碎部点的坐标后，可以用软件中的方向交会、距离交会、十字尺测量法或两算定点等方法来取得其余各点的坐标，在辅以软件中的偏移、拷贝、延伸等功能，得到最后的图形。
在本次地形图测绘中，没有专门进行图根控制测量这一环节，而是利用GPS实时动态定位功能随时为全站一测图提供图根点。
按照《城市测量规范》中地形测量的要求进行地形图的碎部测量。
测量方法是全站型速测仪与动态全球定位系统GPS联合进行地形要素的自动采集和存储,并通过成图软件进行机助成图。
对于开阔的地段（主要是田野、公路、河流、沟、渠、塘等）直接采用全球卫星定位系统中的实时动态定位（GPS）测量模式进行全数字野外数据采集。
实地绘制地形草图,对于树木较多或房屋密集的村庄等采用GPS给定图根点位,利用全站仪采集地形、地物等特征点,实地绘制草图,回到室内将野外采集的坐标数据通过数据传输线传输到计算机,根据实地绘制成草图,经人机交互编辑后由计算机自动生成数字地图。
8、外业操作的一些注意事项
（1）在地形测图中,对全球卫星定位系统基准站的要求：
1）应将基准站架设在测区的中央,并远离高压线和无线
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