第五章 大地测量的基本技术与方法

第五章大地测量的基本技术与方法徐卓揆公路工程学院国家平面大地控制网建立的基本原理国家高程控制网建立的基本原理工程测量控制网建立的基本原理大地测量（控制测量）仪器精密角度测量方法精密水准测量的方法一、建立国家平面控制网的基本方法1、常规大地测量法1）、三角测量法：测角网、测边网、边角网网形：大地四边形，中点多边形，三角锁及其组合网形。三角网的元素：起算元素：已知坐标、边长、方位角观测元素：测角网：方向(角度)测边网：边长边角网：角度和边长优缺点：优点：图形简单，结构强，几何条件多，便于检核，精度高。缺点：易受外界影响，布设困难，费用相对较高，推算边离起算边越远精度越低§5.1-国家平面大地控制网建立的基本原理大地四边形中点多边形三角锁2）、导线测量：单导线，结点导线、导线网•导线网的形状由多边形组成，测定网的所有边长和角度。需要一个其始点坐标和起始方位角或已知两点以上的坐标。对网形没有要求，但短边优先联测。DABCEFG优缺点：优点：布设灵活，受外界条件影响小，观测量少，费用相对较少，边长精度均匀。缺点：结构简单，检核条件少，可靠性不高，控制面积不大§5.1-国家平面大地控制网建立的基本原理3、现代定位新技术1）、GPS测量：已普遍应用GPS控制网的形状由多边形组成，测定网中所有的GPS基线向量。至少需要一个起始点的三维空间坐标和起始方位角或已知两点以上的坐标（其中1点为三维空间坐标）。对网形没有要求，但短边优先联测。2）、甚长基线干涉测量（VLBI）3）、惯性测量2、天文测量法1）、通过对天体（恒星）的观测，测定地面点的位置（天文经度、天文纬度、天文方位角），进一步计算大地经度、大地纬度、大地方位角。2）、简单、误差不会累积、定位精度不高，不是大地测量的主要方法，但在大地网中仍需每隔一定距离测一点的天文经度、天文纬度、至另一点天文方位角，用来控制水平角测量误差的累积。§5.1-国家平面大地控制网建立的基本原理上海港GPS扩展网网图§5.1-国家平面大地控制网建立的基本原理1、大地控制网应从高到低，分级布设、逐级控制三角网：分一、二、三、四级，低一级三角网是在上一级的基础上加密而成。GPS网：分A、B、C、D、E五级，其中B、C、D、E相当于常规大地测量的一、二、三、四级。2、大地控制网应有足够的精度。绝对精度：国家三角网的精度，应能满足大比例尺测图的要求。在图上应不超过±0.1mm，相对于地面点的点位误差则不超过±0.1Nmm(N为测图比例尺分母)。相对精度：为使国家三角点的误差对图点的影响可以忽略不计，应使相邻国家三角点的点位误差小于(1/3)×0.1Nmm。二、建立国家平面大地控制网的基本原则§5.1-国家平面大地控制网建立的基本原理GPS测量中，相邻点间弦长精度计算式为：其中：σ—标准差，㎜；a—固定误差，㎜；b—比例误差系数，ppm;d—相邻点间距离，km。§5.1-国家平面大地控制网建立的基本原理3.大地控制网应有一定的密度国家三角网是测图的基本控制，故其密度应满足测图的要求。三角点的密度，是指每幅图中包含有多少个控制点。4、大地控制网应有统一的技术规格和要求按照国家制定的相关《测量规范》进行作业。GPS网点的密度要求：§5.1-国家平面大地控制网建立的基本原理1、常规大地测量方法布设国家三角网1）、一等三角锁系布设方案基本上是沿经纬线方向构成纵横交叉网状，采用三角锁（大地四边形或中点多边形），锁段长一般为200km。平均边长山区一般为25km，平原一般为20km，测角中误差应＜±0.7″，三角形内角应≥40°，传距角应＞30°。起始边相对中误差优于1：35万。三、国家平面大地控制网的布设方案§5.1-国家平面大地控制网建立的基本原理2）、二等三角锁、网布设方案二等基本锁+二等网。二等基本网平均边长为15～20km，测角中误差应＜±1.2″；二等补充网平均边长为13km，测角中误差应＜±2.5″。§5.1-国家平面大地控制网建立的基本原理3）、三、四等三角网布设方案①、插网法：在高等级三角网布设次一等级的三角网②、插点法：在高等级三角网的三角形内插入低等级的点三等网的平均边长为8km，测角中误差应≤±1.8″；四等网平均边长为2～6km，测角中误差应≤±2.5。§5.1-国家平面大地控制网建立的基本原理4）、我国天文大地网基本情况简介我国疆域辽阔，地形复杂。除按上述方法布设大地网外，在特殊困难地区采用了相应的方法，在青藏高原困难地区，采用相应精度的一等精密导线代替一等三角锁；连接辽宁半岛和山东半岛的一等三角锁，布设了边长为113km的横跨渤海湾的大地四边形；卫星大地测量方法联测了南海诸岛，使这些岛也纳入到统一的国家大地坐标系中。我国统一的国家大地控制网的布设工作开始于20世纪50年代初，60年代末基本完成，历时20多年。共布设一等三角锁401条，一等三角点6182个，构成121个一等锁环，锁长7.3万km。一等导线点312个，构成10个导线环，导线环总长约1万km。1982年完成了天文大地网整体平差，网中包括一等三角锁系，二等三角网，部分三等网，共48433个大地控制点，500条起始边和近1000个正反起始方位角的311198的方向观测值，1404条导线测距观测值。平差结果表明：网中离大地原点最远点的点位中误差为±0.9m，一等方向中误差为±0.46秒。采用条件联系数法和附有条件的间接观测平差法两种方案独立进行平差，两种方案平差后所得结果基本一致，坐标最大差为4.8cm。这充分说明我国天文大地网的精度较高，结果可靠。§5.1-国家平面大地控制网建立的基本原理2、利用现代测量技术建立国家大地测量控制网1）、EPCH92中国GPS大会战是一次全国性的精密GPS定位会战，完成了92GPSA级网的布设，是国家高精密卫星大地网的骨架。建立了我国新一代地心参考框架。2）、96GPSA级网对92GPSA级网的改造，尽量增埋了新点。3）、国家高精度GPSB级网在国家GPSA级网的控制下建立的，共有818个点。§5.1-国家平面大地控制网建立的基本原理3、国家平面大地控制网的布设主要工作：技术设计，实地选点，建造觇标，标石埋设，距离测量，角度测量，平差计算。1）、技术设计：a）、收集、整理已有的测绘成果资料b）、确定所采用的坐标系和起算数据c）、实地踏勘：d）、图上设计：在图上拟定控制点的位置和网的图形结构。基本要求技术方面，边长、角度、图形要符合规范，点位土质坚实，视野开阔，视线避免斜坡、大河、大湖、高大物体等。经济方面，充分利用已有控制点和有利地形，节约费用。安全方面，点位离公路，铁路，高压线要有一定距离。基本方法步骤展绘已知点，新点扩展，保证通视（传统网），拟定水准联测路线，估算控制网中各推算元素的精度，设计完成后全面检查。§5.1-国家平面大地控制网建立的基本原理f）、编写技术设计书：技术设计书的内容包括：1).任务概述：任务来源、任务要求、作业依据；2).测区概况；3).已有成果、资料分析（质量及可利用性）；4).采用的坐标系及起始数据；5).布网方案的说明及论证，包括作业依据、方法、技术规定、质量保证措施和要求；6).计划的安排及经费预算：包括选点、埋石、野外观测方案，时间安排，经费预算；7).平差计算方案，预期成果精度；8).提交的资料；9).各种设计图表。§5.1-国家平面大地控制网建立的基本原理2）、实地选点常规控制网的选点要求：必须考虑相邻方向间的通视，因此控制点必须设在制高点上，如高山顶、高层建筑物顶，控制网形受到地形、地物分布状况的影响。因此，常规控制网设计时，必须对地形、地物的分布一定了解。特别是三角网与测边网的精度受网形的影响，网形设计时必须保证其强度。导线网和边角网受网形的影响小些。实地确定控制点的最佳位置及觇标高度。GPS的选点要求:①．基础坚实稳定，便于永久保存，便于使用。②．点位周围应便于安置天线和GPS接受机。视野开阔，视§5.1-国家平面大地控制网建立的基本原理场内周围成片障碍物的高度角一般应小于15°。③．点位应远离大功率无线电发射源（如电视台，微波站及微波通道等），以避免周围电磁场对信号的干扰。④．点位周围不应有对电磁波反射(或吸收)强烈的物体（如大片水域）；⑤．点位应选在交通方便的地方,以提高作业效率。⑥．选定点位时，应考虑便于用常规测量手段联测和扩展，至少有一个通视方向；应提交的资料：选点图，点之记，选点工作技术总结。3）、建造觇标4）、标石埋设5）、观测：距离测量，角度测量6）、数据处理与平差计算§5.1-国家平面大地控制网建立的基本原理技术设计踏勘、选点、建标、埋石外业观测（测角、测距、水准、GPS）数据预处理、平差计算仪器设备检校观测原始记录检查编写技术总结报告整理成果资料检查验收控制测量作业流程图§5.1-国家平面大地控制网建立的基本原理4大地控制网的优化设计总体目的：在新网的设计中，为了使控制网在整体或局部上达到预期的精度，研究如何合理地确定网的结构，观测量的必要精度及最佳分布；在已建成的控制网中，研究如何利用现代高精度的观测量，来改善控制网的精度，以满足最新要求；达到最为经济（省事）、最为可靠等其它目的。具体内容，在19周《大地测量学基础课程设计》中介绍§5.1-国家平面大地控制网建立的基本原理§5.2-国家高程控制网建立的基本原理一、国家高程控制网的布设原则1、逐级控制、逐级加密水准网分四个等级：一、二等水准网为精密水准网；三、四等网在“测量学”已经讲授。2、水准点满足一定的密度3、水准测量达到一定的精度：每公里高差中数的偶然中误差MΔ每公里高差中数的全中误差MWnRM4//△——测段往返高差不符合值，mm；R——测段长度，km；n——测段数NFWWMW//W——经各项改正后的闭合差，mm；F——水准环长度，km；N——水准数×××××××××××××××××××4、一等水准网应定期复测，一般15～20年复测一次。§5.2-国家高程控制网建立的基本原理二、国家水准网的布设方案及精度要求国家水准确性网分为一、二、三、四级，各级水准路线自行组成闭合环或附合水准路线。一等水准环线长在平原丘陵地区为1000～1500km，山区为2000km左右；二等水准环线长在平原丘陵地区为500～750km，山区不超过1000km；三、四等在一、二等基本上加密，其中环线周长、附合路线长、结点间路线长，三等分别为200km、150km、70km，四等分别为100km、80km、30km。三、国家高程控制网布设的目的与任务1）、为在形测量和各项建设提供必要的高程基础；2）、为地壳垂直运动、平均海水面倾斜及其变化和大地水准面形状等地球科学研究提供精确的高程数据。§5.2-国家高程控制网建立的基本原理水准标石四、水准路线的设计、选点和埋石1）、技术设计：在小比例尺地图上拟定最合理的水准网或水准路线的布设方案（一、二水准）。2）、选点：实地确定水准路线和水准点的具体位置。3）、埋石：埋设水准标石，设立永久性水准标志。§5.2-国家高程控制网建立的基本原理五、我国国家水准网的布设概况国家高程控制网自1951年开始分以下几个阶段：1951~1975：一等水准长度50000公里，精度2~3mm/km二等水准长度140000公里,精度4mm/km1976~1984：一等水准路线289条，构成100个闭合环，联测42个验潮站，长度93000公里，按环闭合差估算的精度1.03mm/km1981~1990：重新布设国家二等水准路线136000公里，由822闭合环或附合到一等点的附合路线构成。由环闭合差求得精度为1.54mm/km§5.2-国家高程控制网建立的基本原理1986年完成国家一等水准网的平差计算，求得每公里测量中误差为1.15mm。1976年~1990年完成的水准网称为国家第二期水准网。一等水准网的环长在1000~2000km之间，二等水准网的环长在500~750km之间§5.2-国家高程控制网建立的基本原理一、工程控制网的特点与任务1、