CN110763211B - 工程高精度测绘*** - Google Patents

Abstract

本发明公开了工程高精度测绘***，包括机动式基准站、DGPS差分定位与导航***、R系列测量型GPS***和通信数据链设备，所述机动式基准站包括硬件***、数据处理软件、数据链***，所述硬件***包括测量***、数据传输***、机动式工程车，所述数据处理软件包括导航模块、数据融合模块、数据处理模块及辅助模块；本发明自主研制了***软件，解决了不同领域不同测量对象数据采集、数据融合与算法的难题，建立了特种工程测绘技术方法。可高效组网实施测绘任务，满足了任务对高精度测量的特殊要求，测量成果达到国家规范标准且高效、可靠。

Description

工程高精度测绘***

技术领域

本发明涉及一种测绘***，具体是工程高精度测绘***。

背景技术

在承担的野外多学科领域科研任务中，高精度基础地理信息测量已成为完成各类科研任务重要技术支撑。与常规测绘生产不同，外业科研任务对基础地理信息需求具有以下特点：1、测量对象多学科种类。科研领域的主要测绘需求：工程测量、大地测量、数字摄影测量与数字化制图、大比例尺地形图测绘，天文大地测量，地质勘探与地球物理剖面与数字化放样测量等。涉及多个测绘学科理论与技术，测量技术难度和工作量都很大，对人员的技术素质和设备都有很高要求，必须有针对性地开展综合技术研究。2、高时效性和高精度。测绘时段受到任务时间窗口限制、测量项目多、测量对象各异且超常规、需快速完成高精度测量，并提交成果。特种工程要求实时高程测量达到厘米级精度，该精度是国家四等水准指标。常规测量采用几何水准法，耗时低效，难以做到实时提供数据。而GPS实时测量大地高数据，与我国现行高程***不匹配，不能直接应用于工程，须研究解决GPS测量高程数据实时应用问题。3、高质量和高可靠性。科研任务具有不可逆的特性，注定了与任务相关的各项测绘项目必须做到高质量高可靠性和万无一失。野外自然环境恶劣，测量***应运行稳定和耐用可靠。

由于常规光学测绘设备主要功能是针对相对专一的工程测量或测绘产品生产，不能完全满足野外科研测绘需求，必须针对多学科领域野外科研任务综合需求和工程测绘技术难点，设计并建立适用、高效、可靠的野外科研测绘***。

发明内容

本发明的目的在于提供工程高精度测绘***，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种工程高精度测绘***，包括机动式基准站、DGPS差分定位与导航***、R系列测量型GPS***和通信数据链设备，所述机动式基准站包括硬件***、数据处理软件、数据链***，所述硬件***包括测量***、数据传输***、机动式工程车，所述数据处理软件包括导航模块、数据融合模块、数据处理模块及辅助模块。

作为本发明进一步的方案：所述导航模块通过对过往数据提取利用当前点偏差技术实现导航路线设定。

作为本发明进一步的方案：所述数据融合模块可提取重要点位数据并进行数据匹配。

作为本发明进一步的方案：所述数据处理模块对数据提取并进行坐标转换后可进一步对数据进行误差分析与处理。

作为本发明再进一步的方案：所述辅助模块包括输出与打印、距离测量、数据查询与浏览、数据储存。

作为本发明再进一步的方案：所述数据链***包括GPS天线、GPS接收机、调制解调器、无线电发射机、发射天线，所述调制解调器将差分改正值调制到规定频段经无线电发射机功放后，通过发射天线输出。

作为本发明再进一步的方案：所述发射天线的最大传输距离为28.9km。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、自主研制了***软件，解决了不同领域不同测量对象数据采集、数据融合与算法的难题，建立了特种工程测绘技术方法。可高效组网实施测绘任务，满足了任务对高精度测量的特殊要求，测量成果达到国家规范标准且高效、可靠。

2、研究建立了高精度坐标转换模型，将3～5m的转换精度提高到亚米级，解决了原有转换参数精度低、不能满足任务要求的难题。

3、建立了区域似大地水准面精化拟合模型，用数学曲面逼近似大地水准面，实现了GPS高程测绘数据工程实时应用。

4、采用联合水准法，集成GPS测量、高精度水准测量、全站仪导线和方位测量技术，克服了任务时间窗口限制及不良环境因素对测量的影响，高时效地获得了大地天文测量数据，技术指标优于任务要求。

附图说明

图1为主要研究内容框图。

图2为高精度数据采集与处理***总体图。

图3为GPS数据处理***与导航软件框图。

图4为数据链***示意框图。

图5为GPS差分定位与导航***外业工作示意图。

图6为***软件组成。

图7为***界面。

图8为转换参数。

图9为误差分析曲线图。

图10为三种拟合方法高程异常中误差。

图11为丘陵地区拟合高程异常二次曲面建模图。

图12为中低山区拟合高程异常二次曲面建模图。

图13为三个地貌复合精度。

图14为环闭合差和四等水准限差。

图15为某阵地垂线偏差计算成果。

图16为某阵地天文方位角计算结果。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例中，工程高精度测绘***，包括机动式基准站、DGPS差分定位与导航***、R系列测量型GPS***和通信数据链设备，机动式基准站包括硬件***、数据处理软件、数据链***，硬件***包括测量***、数据传输***、机动式工程车，数据处理软件包括导航模块、数据融合模块、数据处理模块及辅助模块。

导航模块通过对过往数据提取利用当前点偏差技术实现导航路线设定。

数据融合模块可提取重要点位数据并进行数据匹配。

数据处理模块对数据提取并进行坐标转换后可进一步对数据进行误差分析与处理。

辅助模块包括输出与打印、距离测量、数据查询与浏览、数据储存。

数据链***包括GPS天线、GPS接收机、调制解调器、无线电发射机、发射天线，调制解调器将差分改正值调制到规定频段经无线电发射机功放后，通过发射天线输出。

发射天线的最大传输距离为28.9km。

本发明通过对多种高新测量方法集成应用关键技术研究，综合工程测量、大地测量及天文测量的核心技术，提出GPS静态测量控制与RTK(及PPK)结合、天文测量与大地测量结合以及高精度外业实测数据与最小二乘法迭代理论计算的解决方案，建立了高精度科研测绘生产信息采集与数据编辑***，实现了不同任务需求不同测量对象高精度高效益工程测量，推动了工程测绘技术能力的提高。

本说明书将全面总结工程高精度测绘***研制与建立的关键技术，以及科研任务测绘保障中解决的关键技术难题。基于大地测量学理论，总结各阶段各个研究项目和测量工程实践中应用的技术理论和建立的技术方法,对测绘技术能力提升有很好的推广与应用价值。

研究思路

随着科研任务向多领域并行发展，工程测绘从单纯工程测量拓展到多个测绘学科精密测量。主要研究内容分六大部分，见图1。

以集成优化的***组成和有效的技术方法，满足多学科野外科研任务测绘需求，是贯穿***研制整个过程的核心问题和技术难点之一。按照常规测绘***与技术方法，满足多学科野外科研任务测绘技术需求，需要大量的高精度专业测量设备，投入大量经费和人力，效费比相对较低。

分析野外科研测绘项目各类需求，不论工程测量、大地天文测量或大比例尺地形图测绘，虽然测量对象不同，但其技术原理均基于大地测量学理论，以及基于测量学原理建立的测量技术和测量***。因此，根据大地测量原理，即可将各类复杂测量归化到测量地球表面确定点、确定面或确定物体的三维空间数据，再依据天体和地球体之间密不可分的几何关系，用数学机理求解其它所用数据。

据此，各类专用设备可简化为基础测量核心设备，通过合理优化集成，配合数据处理软件和有效的技术方法，达到科研任务测绘要求。并通过科研项目和工程测量任务的实施，检验***适用性，进一步完善***。

关键技术及解决的难题

依据大地测量理论，主要围绕***优化设计、集成应用技术、数据接口与数据融合、误差分析与处理技术、***软件开发、GIS***及导航***研发等关键技术开展了研究工作。

***硬件构成与研制

***集成了大地测量核心设备：高精度测量型GPS、全站仪和水准测量、全数字摄影测量等设备，结合自主研制和改造的硬件设备，使***具备了精干高效、高精度和多功能的特点。

工程高精度测绘***硬件构成

工程高精度测绘***由自主研制的机动式基准站为核心、集成安装DGPS差分定位与导航***、R系列测量型GPS***和通信数据链设备等软硬件联合组成，部分硬件构成设备见图2。

机动式基准站研制

研制目的

在工程测量及天文大地测量中，为提高GPS测量精度，采用差分定位测量DGPS(Differential Global Positioning System)。差分定位测量可将GPS伪距测量精度从±10m提高到厘米级(实时差分)或优于毫米级(后处理差分)。按不同的数据处理方式，DGPS可分为：①实时DGPS测量。各测量站之间GPS数据实时传输，实时解算各测量站三维坐标；②后处理DGPS测量。各测量站之间不进行实时数据传输，外业测量结束后，对所有数据进行联合处理，求得各测量站在各个时元的三维坐标。

无论哪种测量方式，均需一个或多个相对固定的基准站。根据差分原理，基准站计算各测站位置改正数(实时差分测量)，发送给各测站，修正各测站定位误差，达到提高定位精度的目的。但在荒无人烟的戈壁滩，没有信标、移动通信蜂窝网或Ominstar广域差分等数据源依托，必须研制适合于野外科研任务测绘的DGPS基准站。

基准站构成和主要技术指标

根据野外科研任务测绘需求，基准站应是车载机动式并具有良好越野性能(专用工程车)。具备局域差分功能，可实现实时差分和后处理差分测量两种方式，厘米级实时差分精度、优于毫米级后处理精度，以适应不同任务测绘要求。无线数据链传输距离应≤50km，全向天线、抗10级左右大风。

机动式基准站主要由硬件***、数据处理软件和数据链***组成。①硬件***由测量***、数据传输***、机动式工程车组成，见图2。②软件由导航模块、数据融合模块、数据处理模块和辅助模块组成，见图3。

数据链***

数据链***主要由调制解调器和无线电发射机组成，调制解调器将差分改正值调制到规定频段，经无线电发射机功放后，通过发射天线输出，见图4。

硬件设计与研制

车辆改装

选用越野性能好的越野车(如依维柯NJ2045)改装成工程车，安装工作台、GPS天线和数据链天线等设施，见图2。

数据链模块设计与研制

1、确定传输距离；根据大地测绘学原理，地球曲面在50km为半径范围内的正射投影近似为平面，其坐标转换参数相等；因此，传输距离≤50km；

2、设计计算发射功率与发射天线高度；发射功率、发射天线高度与发射天线增益是相互关联的参量；全向发射天线设计增益8db；按发射频段(400MHz～500MHz)、传输距离等数据设计发射功率30W；根据传输距离、工程车载荷性能与抗侧风强度，计算发射天线升降杆参数:根据发射天线高度计算最大视距：

式(1)中，R_sr最大视距km，R地球等效半径km，H_a、H_b发射和接收天线高度m；

根据发射功率、频段、天线增益及接收灵敏度求最大传输距离；公式为：

L_OS＝32.44+logL(km)+logf(MHz) (2)

式(2)中，L_OS总损耗dBm，L距离km，f发射频率MHz；

软件构成

***软件由数据后处理、数据融合与导航、GPS水准拟合、GIS***、航空影像测图与数字化测图组成；

软件功能

(1)数据后处理软件：外业观测数据解算，主要流程:数据传输、基线解算和网平差；将同一时段n个测站同步观测n(n-1)/2条基线向量观测数据，与GPS广播星历或精密星历、计算并消除误差；经基线解算，求得其两两测站间三维坐标差，以基线向量估值及验后方差-协方差表示，应用于网平差；网平差将起算点绝对坐标引入基线，解算大地坐标，并估算精度；

(2)数据融合：不同类型测量数据预处理，数据格式转换与坐标转换；

(3)导航软件：兼有导航和道路管线工程实时工程测量、实时坐标转换、距离测量和数据输出功能，精度达到厘米级；兼容矢量地图、卫星影像、扫描图片三种格式导航地图；

(4)GPS水准拟合软件：建立GPS水准高程拟合模型，在该区域替代常规几何水准测量，实现GPS测量三维数据直接用于工程；

(5)GIS***研发：基于组件集成技术开发的分布式GIS应用***，集信息输入、数据库管理及空间数据查询与分析为一体，建立空间数据库，实现了空间地理信息数据与所需分析处理的数据集成、可视化表达、制作专题图、空间查询与统计分析功能；

(6)航空影像测图：通过基于严密数学模型的内定向、相对定向和绝对定向技术，恢复航片与地面的几何关系，实现航空和卫星影像数字测图；

(7)数字化测图：数字化4D测绘产品生产，数字化4D包括数字高程模型DEM、数字正射影像DOM、数字线划地图DLG、数字栅格地图DRG；

***软件研发

数据融合与导航软件

(1)地理数据与数据结构分析

①矢量数据：包括等高线、道路和导航路线数据；以点线的方式描述，以二进制定义矢量文件结构；

②格网数据：是地图数据查询和数据投影的基本数据；将地图数据按等间距网格分割处理；数据来源于工作区数字高程模型，采用sufer GRID定义格网文件结构，以二进制描述；

③点数据：将重要作业点、重要地物标记在地图上行，并加以简要说明；

(2)导航模块：采用文档视结构，主视数据表现从视控制窗口，通过菜单和工具条控制；用不同格式地形图、影像图和各类图片作为投影地图，快速应用于导航或工程测量；

(3)坐标转换模块：WGS84坐标需转换到C80、BJ54、CGCS2000坐标***或区域坐标***；基础地理信息资料是BJ54坐标系，需实施WGS84坐标系到BJ54坐标系转换，公式(3)、(4)：

式(3)中，(x,y,z)_坐标1与(x,y,z)_坐标2同一点在两个坐标系坐标，x₀，y₀，z₀坐标系2原点在坐标系1坐标值；Rx，Ry，Rz绕x轴，y轴，z轴旋转矩阵；同一坐标系，大地坐标与高斯平面坐标互换公式(4)：

误差分析与处理模块；

误差分析以我国常用的中误差来衡量观测结果精度，对测量数据进行误差分析和处理，用数表和曲线形式输出，误差曲线符合正态分布：

式(5)-式(7)中，δ_x、δ_y、δ_p-垂直和水平方向、位置(点)均方误差(m)；x₀、y₀、x_p0、y_p0-测量点基准坐标值，(m)；x_i、y_i、x_pi、y_pi-测量点测量坐标值，(m)；

复杂地形区域GPS水准拟合模型建立与软件开发

GPS测量以WGS84椭球为基准面；

GPS水准高程拟合基本原理

①平面拟合基本原理：在小区域且较为平坦的范围内，大地水准面近似看作一个平面，用平面拟合模型逼近局部似大地水准面；设某已知点的高程异常(ξ)与该点的平面坐标(x，y)存在如下关系式：

ξ＝a₀+a₁X+a₂Y (8)

如a₀，a₁，a₂已知，则可推导出平面拟合模型；

②二次曲面拟合法基本原理：测区内布设较多GPS点时，用数学曲面拟合法求未知点的正常高：根据已知点平面坐标(x，y)和ξ值，采用一个二次曲面来逼近似大地水准面，再内插出未知点ξ值，求出点的正常高；对于GPS/水准联测点，拟合模型为：

ξ＝a₀+a₁X+a₂Y+a₃X²+a₄Y²+a₅XY (9)

同样，如a₀～a₆已知，则可推导出二次曲面拟合模型；

③多面函数法基本原理：任何数学表面和不规则圆滑表面，总可用一系列有规则的数学表面的和以任意精度逼近；多面函数的一般形式为：

式中β_j为待定参数，F(x,y,x_i,y_i)为核函数，有多种形式，一般采用对称函数，常用核函数有正双曲面和倒双曲面两种；

设有n个己知点(x_i，y_i)(i＝1,2…n)，选其中m(m≤n)个点为核函数核心点(x_j，y_j)(j＝1,2…m)，并令Q_ij＝F(x_i,y_i,x_j,y_j)，式(9)变成式(11)：

GPS水准高程拟合模型应用与精度评定

①模型应用：为考量各种GPS水准拟合方法对不同地形的适宜性，选取丘陵区、中低山区及兼有深沟和高山的三个测区，按照在测区均匀选取GPS水准点的原则，采用以上三种方法分别进行拟合，以确定合适区复杂地形区域的水准拟合方法；

求得各场地高程异常数学模型；

②精度评定；从内外符合精度两项指标，评定以上拟合模型精度；

根据参与建立拟合模型的GPS/水准点控制点高程异常值，和拟合后得到该点的高程异常值求得拟合残差v，评定高程拟合精度，称为内符合精度，用于检查GPS水准拟合本身精度；以最小二乘法原理定义为：

式(12)中，ζ′为拟合值，ζ为已知值，μ_内为内符合精度，n为参与计算点数量；

选择测区内未参与建立拟合模型的GPS/水准控制点作为检查点，根据检查点的高程异常和拟合高程异常之差ν，评定高程拟合精度，称为外符合精度，用于检查GPS水准拟合对于整个测区的拟合精度；其公式定义为：

式(13)中，μ_外为外符合精度，n为参与计算的检查点数量；

将GPS点组成闭合水准路线，按四等水准测量闭合差限差公式，求出四等水准测量闭合限差，即GPS拟合限差；

天文经纬度归算

联合水准法是依据地面点的铅垂线与参考椭球相应法线之间的密切关系，采用GPS静态测量获得测站大地纬度B、经度L，基于几何大地测量理论求解天文经纬度；根据地球重力分布原理，垂线偏差ε、η在以测站中心点为起点半径为2km内基本不变；若求得垂线偏差数据，将GPS静态测量获得的B、L，代入式(14)，可将测站大地经纬度归算到天文经纬度：

式(14)中，

-天文纬度，(°)；λ-天文经度，(°)；ε、η-垂线偏差在子午圈和卯酉圈上的分量，(°)；B-大地纬度，(°)；L-大地经度，(°)；

GPS水准法计算垂线偏差

垂线偏差是地面点垂线方向同正常重力方向之间夹角，也是正常重力方向同椭球面法线之间夹角；无重力测量条件时，采用与重力密切相关的高程异常数据推求垂线偏差；高程异常由GPS测量或GPS水准拟合法得到；

某阵地GPS静态测量的基线两端点有垂线偏差μ₁和μ₂，在基线方向上的分量分别为δ₁及δ₂，根据地球椭球基本参数之间的几何关系有：

δ_i＝ε_icosA_i+η_isin A_i (15)

式(15)中，A_i为端点的大地方位角；在垂线偏差为已知时，基线两端点的似大地水准面之差即高程异常差为：

Δζ＝-(δ₁+δ₂)×D/2 (16)

式(16)中，D为基线长；根据垂线偏差ε、η在小区域基本不变原理，有δ₁＝δ₂＝δ，故为：

δ＝-Δζ/D (17)

水准法测得基线两端点正常高，GPS测得大地高，获取高程异常差Δζ，基线长D、大地方位角A，可求得垂线偏差，将大地坐标转换为天文坐标；

天文方位角归算

根据测得或数学归算得到的大地经度、大地方位角和天文经纬度算得天文方位角a：

式(18)中，a-天文方位角，(°)；A-大地方位角，(°)；

归算精度与结论

根据以上原理，用某阵地已有天文点大地经纬度、大地方位角、天文经纬度及天文方位角，归算垂线偏差分量和天文方位角，并将归算结果与已知成果进行分析比对，以检验精度。

由表2-6可见，误差<±1.5″，优于任务要求的技术指标。

结论：集成应用GPS测量、高精度水准、全站仪导线和方位角测量，成功地获得了所需的天文坐标数据，点位精度达到：平面中误差≤±毫米级、高程中误差≤±1厘米，水平方位角中误差±≤3″(最高≤±1″)、垂直方位角中误差±≤2″(最高≤±1″),完全达到测控网基准技术指标要求，解决了高效益获得天文坐标的难题。

基于GIS的综合信息***研制概况

***构成与实现的功能：由电子地图控制与显示、电子地图布局输出、GIS查询分析、MIS管理和帮助6个子***构成。具备GIS空间分析和查询、专题图制作、等值面积计算、属性统计分析和三维地形建模等功能。

主要应用

以较少投入，综合实现工程测量、大地天文测量、大比例尺地形图测绘、数字摄影测量和数字化制图，大幅提升和拓展了野外科研工程测绘技术能力。成功应用于工程测量、地质勘察与物探等项目，完成了大比例尺数字线划图DLG、DEM、DOM，天文大地基础控制网，区域GPS水准拟合研究、车载GPS实时差分定位与导航系等工作，有效解决了野外科研对高精度基础地理信息测量迫切需求。目前已完成百余项工程测绘任务和科研项目，保证了各种工程特殊需求。

结论

该***的建成，实现了不同任务需求不同测量对象高质量、高精度和高效益测量。

(1)自主研制了***软件，解决了不同领域不同测量对象数据采集、数据融合与算法的难题，建立了特种工程测绘技术方法。可高效组网实施测绘任务，满足了任务对高精度测量的特殊要求，测量成果达到国家规范标准。

(2)研究建立了高精度坐标转换模型，将3～5m的转换精度提高到亚米级，解决了原有转换参数精度低、不能满足任务要求的难题。

(3)建立了区域似大地水准面精化拟合模型，用数学曲面逼近似大地水准面，实现了GPS高程测绘数据工程实时应用。

(4)采用联合水准法，集成GPS测量、高精度水准测量、全站仪导线和方位测量技术，克服了任务时间窗口限制及不良环境因素对测量的影响，高时效地获得了大地天文测量数据，技术指标优于任务要求。

Claims (1)

1.一种工程高精度测绘***，包括机动式基准站、DGPS差分定位与导航***、R系列测量型GPS***和通信数据链设备，所述机动式基准站包括硬件***、数据处理软件、数据链***，所述硬件***包括测量***、数据传输***、机动式工程车，所述数据处理软件包括导航模块、数据融合模块、数据处理模块及辅助模块；所述导航模块通过对过往数据提取利用当前点偏差技术实现导航路线设定；所述数据融合模块可提取重要点位数据并进行数据匹配；所述数据处理模块对数据提取并进行坐标转换后进一步对数据进行误差分析与处理；所述辅助模块包括输出与打印、距离测量、数据查询与浏览、数据储存；所述数据链***包括GPS天线、GPS接收机、调制解调器、无线电发射机、发射天线，所述调制解调器将差分改正值调制到规定频段经无线电发射机功放后，通过发射天线输出；

数据链***包括GPS天线、GPS接收机、调制解调器、无线电发射机、发射天线，调制解调器将差分改正值调制到规定频段经无线电发射机功放后，通过发射天线输出；

数据链***

数据链***主要由调制解调器和无线电发射机组成，调制解调器将差分改正值调制到规定频段，经无线电发射机功放后，通过发射天线输出；

硬件设计与研制

车辆改装

选用越野性能好的越野车改装成工程车，安装工作台、GPS天线和数据链天线设施；数据链模块设计与研制

1、确定传输距离；根据大地测绘学原理，地球曲面在50km为半径范围内的正射投影近似为平面，其坐标转换参数相等；因此，传输距离≤50km；

2、设计计算发射功率与发射天线高度；发射功率、发射天线高度与发射天线增益是相互关联的参量；全向发射天线设计增益8db；按发射频段400MHz～500MHz、传输距离等数据设计发射功率30W；根据传输距离、工程车载荷性能与抗侧风强度，计算发射天线升降杆参数:根据发射天线高度计算最大视距

式(1)中，R_sr最大视距km，R地球等效半径km，H_a、H_b发射和接收天线高度m；

根据发射功率、频段、天线增益及接收灵敏度求最大传输距离；公式

L_OS＝32.44+logL(km)+logf(MHz) (2)

式(2)中，L_OS总损耗dBm，L距离km，f发射频率MHz；

软件构成

***软件由数据后处理、数据融合与导航、GPS水准拟合、GIS***、航空影像测图与数字化测图组成；

软件功能

(1)数据后处理软件；外业观测数据解算，主要流程:数据传输、基线解算和网平差；将同一时段n个测站同步观测n(n-1)/2条基线向量观测数据，与GPS广播星历或精密星历、计算并消除误差；经基线解算，求得其两两测站间三维坐标差，以基线向量估值及验后方差-协方差表示，应用于网平差；网平差将起算点绝对坐标引入基线，解算大地坐标，并估算精度；

(2)数据融合；不同类型测量数据预处理，数据格式转换与坐标转换；

(3)导航软件；兼有导航和道路管线工程实时工程测量、实时坐标转换、距离测量和数据输出功能，精度达到厘米级；兼容矢量地图、卫星影像、扫描图片多种格式导航地图；

(4)GPS水准拟合软件；建立GPS水准高程拟合模型，在该区域替代常规几何水准测量，实现GPS测量三维数据直接用于工程；

(5)GIS***研发；基于组件集成技术开发的分布式GIS应用***，集信息输入、数据库管理及空间数据查询与分析为一体，建立空间数据库，实现了空间地理信息数据与所需分析处理的数据集成、可视化表达、制作专题图、空间查询与统计分析功能；

(6)航空影像测图；通过基于严密数学模型的内定向、相对定向和绝对定向技术，恢复航片与地面的几何关系，实现航空和卫星影像数字测图；

(7)数字化制图；数字化4D测绘产品生产,数字化4D包括数字高程模型DEM、数字正射影像DOM、数字线划地图DLG、数字栅格地图DRG；

***软件研发

数据融合与导航软件

(1)地理数据与数据结构分析

①矢量数据；包括等高线、道路和导航路线数据；以点线的方式描述，以二进制定义矢量文件结构；

②格网数据；是地图数据查询和数据投影的基本数据；将地图数据按等间距网格分割处理；数据来源于工作区数字高程模型，采用sufer GRID定义格网文件结构，以二进制描述；

③点数据；将重要作业点、重要地物标记在地图上行，并加以简要说明；

(2)导航模块；采用文档视结构，主视数据表现从视控制窗口，通过菜单和工具条控制；用不同格式地形图、影像图和各类图片作为投影地图，快速应用于导航或工程测量；

(3)坐标转换模块；WGS84坐标需转换到C80、BJ54、CGCS2000坐标***或区域坐标***；基础地理信息资料是BJ54坐标系，需实施WGS84坐标系到BJ54坐标系转换，公式(3)、(4)；

式(3)中，(x,y,z)_坐标1与(x,y,z)_坐标2同一点在两个坐标系坐标，x₀，y₀，z₀坐标系2原点在坐标系1坐标值；Rx，Ry，Rz绕x轴，y轴，z轴旋转矩阵；同一坐标系，大地坐标与高斯平面坐标互换公式(4)；

误差分析与处理模块；

误差分析以我国常用的中误差来衡量观测结果精度，可对测量数据进行误差分析和处理，用数表和曲线形式输出，误差曲线符合正态分布；

式(7)中：δ_x、δ_y、δ_p-垂直和水平方向、位置点均方误差单位为m；x₀、y₀、x_p0、y_p0-测量点基准坐标值，单位为m；x_i、y_i、x_pi、y_pi-测量点测量坐标值，单位为m；

复杂地形区域GPS水准拟合模型建立与软件开发

①平面拟合基本原理；在小区域且较为平坦的范围内，大地水准面近似看作一个平面，用平面拟合模型逼近局部似大地水准面；设某已知点的高程异常ξ与该点的平面坐标(x，y)存在如下关系式

ξ＝a₀+a₁X+a₂Y (8)

如a₀，a₁，a₂已知，则可推导出平面拟合模型；

②二次曲面拟合法基本原理；测区内布设较多GPS点时，用数学曲面拟合法求未知点的正常高：根据已知点平面坐标(x，y)和ξ值，采用一个二次曲面来逼近似大地水准面，再内插出未知点ξ值，求出点的正常高；对于GPS/水准联测点，拟合模型为

ξ＝a₀+a₁X+a₂Y+a₃X²+a₄Y²+a₅XY (9)

同样，如a₀～a₆已知，则可推导出二次曲面拟合模型；

④多面函数法基本原理；任何数学表面和不规则圆滑表面，总可用一系列有规则的数学表面的和以任意精度逼近；多面函数的一般形式为

式中β_j为待定参数，F(x,y,x_i,y_i)为核函数，有多种形式，一般采用对称函数，常用核函数有正双曲面和倒双曲面两种；

设有n个己知点(x_i，y_i)，(i＝1,2…n)，选其中m个点为核函数核心点(x_j，y_j)，(j＝1,2…m)，其中m≤n，并令Q_ij＝F(x_i,y_i,x_j,y_j)，式(9)变成(11)

其特征在于：

GPS水准高程拟合模型应用与精度评定

①模型应用：为考量各种GPS水准拟合方法对不同地形的适宜性，选取了丘陵区、中低山区及兼有深沟和高山的三个测区，按照在测区均匀选取GPS水准点的原则，采用以上三种方法分别进行拟合，以确定合适区复杂地形区域的水准拟合方法；求得各场地高程异常数学模型；

②精度评定；从内外符合精度两项指标，评定以上拟合模型精度；

根据参与建立拟合模型的GPS/水准点控制点高程异常值，和拟合后得到该点的高程异常值求得拟合残差v，评定高程拟合精度，称为内符合精度，用于检查GPS水准拟合本身精度；以最小二乘法原理定义为

式(12)中ζ′为拟合值，ζ为已知值，μ_内为内符合精度，n为参与计算点数量；

选择测区内未参与建立拟合模型的GPS/水准控制点作为检查点，根据检查点的高程异常和拟合高程异常之差ν，评定高程拟合精度，称为外符合精度，用于检查GPS水准拟合对于整个测区的拟合精度；其公式定义为

式(13)中μ_外为外符合精度，n为参与计算的检查点数量；

将GPS点组成闭合水准路线，按四等水准测量闭合差限差公式，求出四等水准测量闭合限差，即GPS拟合限差；

天文经纬度归算

联合水准法是依据地面点的铅垂线与参考椭球相应法线之间的密切关系，采用GPS静态测量获得测站大地纬度B、经度L，基于几何大地测量理论求解天文经纬度；根据地球重力分布原理，垂线偏差ε、η在以测站中心点为起点半径为2km内基本不变；若求得垂线偏差数据，将GPS静态测量获得的B、L，代入式(14)，可将测站大地经纬度归算到天文经纬度；

其中，

-天文纬度，天文纬度单位为°；λ-天文经度，天文经度单位为°；ε、η-垂线偏差在子午圈和卯酉圈上的分量，垂线偏差在子午圈和卯酉圈上的分量的单位为°；B-大地纬度，大地纬度单位为°；L-大地经度，大地经度单位为°；

GPS水准法计算垂线偏差

垂线偏差是地面点垂线方向同正常重力方向之间夹角，也是正常重力方向同椭球面法线之间夹角；无重力测量条件时，采用与重力密切相关的高程异常数据推求垂线偏差；高程异常由GPS测量或GPS水准拟合法得到；

某阵地GPS静态测量的基线两端点有垂线偏差μ₁和μ₂，在基线方向上的分量分别为δ₁及δ₂，根据地球椭球基本参数之间的几何关系有

δ_i＝ε_icosA_i+η_isinA_i (15)

式(15)中A_i为端点的大地方位角；在垂线偏差为已知时，基线两端点的似大地水准面之差即高程异常差为

Δζ＝-(δ₁+δ₂)×D/2 (16)

式(16)中,D为线长；根据垂线偏差ε、η在小区域基本不变原理，有δ₁＝δ₂＝δ，故为

δ＝-Δζ/D (17)

水准法测得基线两端点正常高，GPS测得大地高，获取高程异常差Δζ，基线长D、大地方位角A，可求得垂线偏差，将大地坐标转换为天文坐标；

天文方位角归算

根据测得或数学归算得到的大地经度、大地方位角和天文经纬度算得天文方位角a

式(18)中，a-天文方位角，天文方位角单位为°；A-大地方位角，大地方位角单位为°；

归算精度与结论

根据以上原理，用某阵地已有天文点大地经纬度、大地方位角、天文经纬度及天文方位角，归算垂线偏差分量和天文方位角，并将归算结果与已知成果进行分析比对，以检验精度。

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