第五章 大地測量技術(1-2-3).ppt

1、Fundation of Geodesy,1,第五章 大地測量基本技術與方法,Fundation of Geodesy,2,本章的主要內(nèi)容: 國家平面大地控制網(wǎng)建立的基本原理 國家高程控制網(wǎng)建立的基本原理 工程測量控制網(wǎng)建立的基本原理 大地測量儀器 大地測量的基本方法 大地測量數(shù)據(jù)處理的數(shù)學模型,Fundation of Geodesy,3,5.1.1 建立國家平面大地控制網(wǎng)的方法 1、常規(guī)大地測量法 三角測量法 1)網(wǎng)形,5.1 國家平面大地控制網(wǎng),Fundation of Geodesy,4,國家平面大地控制網(wǎng),2)坐標計算原理: 正弦定理 3)三角網(wǎng)的元素: 起算元素：已知的坐標、邊長和

2、已知的方位角. 觀測元素：三角網(wǎng)中觀測的所有方向(或角度)。 推算元素：由起算元素和觀測元素的平差值推算的三角網(wǎng)中其他邊長、坐標方位角和各點的坐標。 優(yōu)點：圖形簡單，結構強，幾何條件多，便于檢核，網(wǎng)的精度較高。 缺點：易受障礙物的影響，布設困難，增加了建標費用；推算邊長精度不均勻，距起始邊越遠邊長精度越低。,Fundation of Geodesy,5,國家平面大地控制網(wǎng),導線測量法: 優(yōu)點：布設靈活，容易克服地形障礙；導線測量只要求相鄰兩點通視，故可降低覘標高度，造標費用少，且便于組織觀測；網(wǎng)內(nèi)邊長直接測量，邊長精度均勻。 缺點：導線結構簡單，沒有三角網(wǎng)那樣多的檢核條件，不易發(fā)現(xiàn)粗差，可靠性

3、不高。,Fundation of Geodesy,6,三邊測量及邊角同測法 邊角全測網(wǎng)的精度最高，相應工作量也較大。在建立高精度的專用控制網(wǎng)(如精密的形變監(jiān)測網(wǎng))或不能選擇良好布設圖形的地區(qū)可采用此法而獲得較高的精度。,國家平面大地控制網(wǎng),Fundation of Geodesy,7,國家平面大地控制網(wǎng),2、天文測量法 天文測量法是在地面點上架設儀器，通過觀測天體(主 要是恒星)并記錄觀測瞬間的時刻，來確定地面點的地理位 置，即天文經(jīng)度、天文緯度和該點至另一點的天文方位角。 優(yōu)點：各點彼此獨立觀測，也勿需點間通視，測量誤差不會積累。 缺點：精度不高，受天氣影響大。 用途：在每隔一定距離的三角點

4、上觀測天文來推求大地方位角，控制水平角觀測誤差積累對推算方位角的影響。,Fundation of Geodesy,8,3、現(xiàn)代定位新技術簡介 GPS測量 全球定位系統(tǒng)GPS(Global Positioning System)可為各位用戶提供精密的三維坐標、三維速度和時間信息。 GPS系統(tǒng)的應用領域相當廣泛，可以進行海、空和陸地的導航，導彈的制導，大地測量和工程測量的精密定位，時間的傳遞和速度的測量等。,國家平面大地控制網(wǎng),Fundation of Geodesy,9,甚長基線干涉測量系統(tǒng)(VLBI) 甚長基線干涉測量系統(tǒng)(VLBI)是在甚長基線的兩端(相距幾千公里)，用射電望遠鏡，接收銀河系

5、或銀河系以外的類星體發(fā)出的無線電輻射信號，通過信號對比，根據(jù)干涉原理，直接測定基線長度和方向的一種空間技術。 長度的相對精度10-6，可達0.001，由于其定位的精度高，在研究地球的極移、地球自轉速率的短周期變化、地球固體潮、大地板塊運動的相對速率和方向中得到廣泛的應用。,國家平面大地控制網(wǎng),Fundation of Geodesy,10,慣性測量系統(tǒng)(INS) 慣性測量是利用慣性力學基本原理，在相距較遠的兩點之間，對裝有慣性測量系統(tǒng)的運動載體(汽車或直升飛機)從一個已知點到另一個待定點的加速度，分別沿三個正交的坐標軸方向進行兩次積分，從而求定其運動載體在三個坐標軸方向的坐標增量，進而求出待定

6、點的位置，它屬于相對定位，其相對精度為(12)10-5，測定的平面位置中誤差為25cm左右。 優(yōu)點：完全自主式，點間也不要求通視；全天候，只取決于汽車能否開動、飛機能否飛行。 缺點：相對測量，精度不高。,國家平面大地控制網(wǎng),Fundation of Geodesy,11,國家平面大地控制網(wǎng),5.1.2 建立國家平面大地控制網(wǎng)的基本原則,大地控制網(wǎng)應分級布設、逐級控制 大地控制網(wǎng)應有足夠的精度 大地控制網(wǎng)應有一定的密度 大地控制網(wǎng)應有統(tǒng)一的技術規(guī)格和要求,Fundation of Geodesy,12,5.1.3 國家平面大地控制網(wǎng)的布設方案 1、 常規(guī)大地測量方法布設國家三角網(wǎng) 1）一等三角鎖

7、系布設方案,國家平面大地控制網(wǎng),Fundation of Geodesy,13,2）二等三角鎖、網(wǎng)布設方案,國家平面大地控制網(wǎng),Fundation of Geodesy,14,國家平面大地控制網(wǎng),插網(wǎng)法,3）三、四等三角網(wǎng),Fundation of Geodesy,15,國家平面大地控制網(wǎng),插點法,Fundation of Geodesy,16,國家平面大地控制網(wǎng),4）我國天文大地網(wǎng)基本情況簡介 20世紀50年代初，60年代末基本完成，先后共布設一等三角鎖401條，一等三角點6 182個，構成121個一等鎖環(huán)，鎖系長達7.3萬km。一等導線點312個，構成10個導線環(huán)，總長約1萬km。 198

8、2年完成天文大地網(wǎng)的整體平差工作。網(wǎng)中包括一等三角鎖系，二等三角網(wǎng)，部分三等網(wǎng)，總共約有5萬個大地控制點，30萬個觀測量的天文大地網(wǎng)。平差結果：網(wǎng)中離大地點最遠點的點位中誤差為0.9m，一等觀測方向中誤差為0.46。,Fundation of Geodesy,17,國家平面大地控制網(wǎng),2、現(xiàn)代技術建立國家大地測量控制網(wǎng) 一般可把GPS網(wǎng)分為兩大類：一類是全球或全國性的高精度的GPS網(wǎng)(A、B級網(wǎng)），另一類是區(qū)域性的GPS網(wǎng)（C、D、E級網(wǎng)）。 1）EPOCH 92中國GPS大會戰(zhàn) 全網(wǎng)由27個點組成，平均邊長800km，使用4臺MINI-MAC2816、13臺Trimble 4000 SST和

9、17臺Ashtech MDX C/A雙頻接收機觀測，平差后在ITRF 91地心參考框架中的定位精度優(yōu)于0.1m ，基線相對精度達到10-8。,Fundation of Geodesy,18,國家平面大地控制網(wǎng),2） 96 GPS A級網(wǎng) 96 GPS A級網(wǎng)共包括33個主站，23個副站，與92 GPS A級網(wǎng)點重合21個。96 GPS A級網(wǎng)觀測時共使用了53臺雙頻GPS接收機，其中14臺Astech MD12，17臺Trimble 4000 SSE,8臺Leica 200,6臺Rogue 8000,8臺Astech Z12。經(jīng)數(shù)據(jù)精處理后基線分量重復性水平方向優(yōu)于4mm+3ppm，垂直方向優(yōu)

10、于8mm+4ppm，地心坐標分量重復性優(yōu)于2cm。全網(wǎng)整體平差后，在ITRF93參考框架中的地心坐標精度優(yōu)于10cm,基線相對精度達到10-8.,Fundation of Geodesy,19,國家平面大地控制網(wǎng),3）國家高精度GPS B級網(wǎng) 全網(wǎng)由818個點組成，分布全國各地(除臺灣省外)。東部點位較密，平均站間5070km,中部地區(qū)平均站間100km，西部地區(qū)平均站間距150km。外業(yè)自1991年至1995年結束，主要使用Ashtech MD 12和Trimble 4000 SSE儀器觀測。經(jīng)數(shù)據(jù)精處理后，點位中誤差相對于已知點在水平方向優(yōu)于0.07m，高程方向優(yōu)于0.16m，平均點位中誤

11、差水平方向為0.02m，垂直方向為0.04m，基線相對精度達到10-7。,Fundation of Geodesy,20,國家平面大地控制網(wǎng),4）全國GPS一、二級網(wǎng) 軍測部門建立，一級網(wǎng)由40余點組成，相鄰點間距平均為683km。自1991年5月至1992年4月進行，使用10臺MINIMAC 2816接收機作業(yè)。網(wǎng)平差后點位中誤差，絕大多數(shù)點在2cm以內(nèi)。二級網(wǎng)由500多個點組成，二級網(wǎng)是一級網(wǎng)的加密。 5）中國地殼運動觀測網(wǎng)絡 地震局、總參測繪局、科學院和國家測繪局聯(lián)合建立，主要是服務于中長期地震預報，兼顧大地測量的目的，該網(wǎng)絡是以GPS為主，以SLR和VLBI以及重力測量為輔，由三個層次

12、的網(wǎng)絡組成，即25站連續(xù)運行的基準網(wǎng)、56站定期復測的基本網(wǎng)和1000站復測頻率低的區(qū)域網(wǎng)。,Fundation of Geodesy,21,國家平面大地控制網(wǎng),3、 國家平面大地控制網(wǎng)的布設 包括以下工作：技術設計，實地選點，建造覘標，標石埋設，外業(yè)測量，平差計算等 1）技術設計 收集資料 實地踏勘 圖上設計 編寫技術設計書 2）實地選點： 選點圖，點之記，選點工作技術總結。,Fundation of Geodesy,22,國家平面大地控制網(wǎng),3）建造覘標(傳統(tǒng)大地測量法),尋常標,雙錐標,Fundation of Geodesy,23,國家平面大地控制網(wǎng),4）標石埋設 大地點的坐標，實際上

13、指的就是標石中心的坐標。,Fundation of Geodesy,24,大地控制網(wǎng)優(yōu)化設計,5.1.4 大地控制網(wǎng)優(yōu)化設計簡介 1、 概述 最優(yōu)化就是在相同的條件下從所有可能方案中選擇最佳的一個。 2、控制網(wǎng)的設計目標 控制網(wǎng)設計的目標，指的是控制網(wǎng)應達到的質(zhì)量標準，它是設計的依據(jù)和目的，同時又是評定網(wǎng)的質(zhì)量的指標。質(zhì)量標準包括精度標準、可靠性標準、費用標準、可區(qū)分標準及靈敏度標準等，其中常用的主要是前3個標準。,Fundation of Geodesy,25,1）精度標準:方差-協(xié)方差陣Dxx 整體精度標準指標： N最優(yōu)，Dxx的范數(shù)Dxx= min A最優(yōu)，tr(Dxx)= =1+2+r

14、= min D最優(yōu)，det(Dxx)= 12r min E最優(yōu)，max= min S最優(yōu)，max-min= min 局部精度指標：點位誤差橢圓，相對誤差橢圓，未知數(shù)某些函數(shù)的精度,大地控制網(wǎng)優(yōu)化設計,Fundation of Geodesy,26,2）可靠性標準 網(wǎng)的可靠性，指控制網(wǎng)能夠發(fā)現(xiàn)觀測值中存在的粗差和抵抗殘存粗差對平差結果的影響的能力。 B為設計矩陣, 多余觀測分量. 內(nèi)部可靠性：在顯著水平 下，以檢驗功效 發(fā)現(xiàn)粗差的下界為 外部可靠性： 不可發(fā)現(xiàn)的粗差對平差結果影響的大小。,大地控制網(wǎng)優(yōu)化設計,Fundation of Geodesy,27,其中： 為非中心化參數(shù)， 3）費用標準

15、最大原則：在費用一定條件下，使控制網(wǎng)的精度和可靠性最大或者能滿足一定限制下使精度最高。 最小原則：在使精度和可靠性指標達到一定的條件下，使費用支出最小。,大地控制網(wǎng)優(yōu)化設計,Fundation of Geodesy,28,大地控制網(wǎng)優(yōu)化設計,3、 優(yōu)化設計的分類和方法 1) 網(wǎng)的優(yōu)化設計可分為零、一、二、三類。 零類設計(基準設計)。固定參數(shù)是B和P，待求參數(shù)是X和Qxx。就是在控制網(wǎng)的網(wǎng)形和觀測值的先驗精度已定的情況下，選擇合適的起始數(shù)據(jù)，使網(wǎng)的精度最高。 一類設計(圖形設計)。固定參數(shù)是P和Qxx，待定參數(shù)為B。就是在觀測值先驗精度和未知參數(shù)的準則矩陣已定的情況下，選擇最佳的點位布設和最合

16、理的觀測值數(shù)目。通常，在傳統(tǒng)的大地網(wǎng)圖形設計中就是解決這個問題。,Fundation of Geodesy,29,大地控制網(wǎng)優(yōu)化設計,二類設計(權設計): 固定參數(shù)是B，Qxx，待定參數(shù)P在控制網(wǎng)的網(wǎng)形和網(wǎng)的精度要求已定的情況下，進行觀測工作量的最佳分配(權分配)，決定各觀測值的精度 (權)，使各種觀測手段得到合理組合。 三類設計(加密設計): 固定參數(shù)是Qxx和部分B，P，待定參數(shù)為部分B和P，是對現(xiàn)有網(wǎng)和現(xiàn)有設計進行改進，引入附加點或附加觀測值，導致點位增刪或移動，觀測值的增刪或精度改變。,Fundation of Geodesy,30,大地控制網(wǎng)優(yōu)化設計,2）優(yōu)化設計的方法 1)、解析法

17、：解析法具有計算機時較少，理論上較嚴密等優(yōu)點；但其數(shù)學模型難于構造，具有最優(yōu)解有時不符合實際或可行性差。 2)、模擬法：模擬法是對經(jīng)驗設計的初步網(wǎng)形和觀測精度，模擬一組數(shù)據(jù)與觀測值輸入計算機，按間接(參數(shù))平差，組成誤差方程和法方程，求逆而得到未知參數(shù)的協(xié)因數(shù)陣(或方差協(xié)方差陣)，計算未知參數(shù)及其函數(shù)的精度，估算成本，或進一步計算可靠性等信息；與預定的精度、成本和可靠性要求等相比較；根據(jù)計算所提供的信息和設計者的經(jīng)驗，對控制網(wǎng)的基準、網(wǎng)形、觀測精度等進行修正。,Fundation of Geodesy,31,5.2 國家高程控制網(wǎng)建立的基本原理,國家高程基準 高程基準面 水準原點 1956年黃

18、海高程系統(tǒng):水準原點高程為72.289m 1985國家高程基準:水準原點的高程為72.260米。 1987年經(jīng)國務院批準，于1988年1月正式啟用,國家高程控制網(wǎng),Fundation of Geodesy,32,5.2.1 國家高程控制網(wǎng)的布設原則 目的和任務有兩個： 1)建立統(tǒng)一的高程控制網(wǎng)，為地形測圖和各項建設提供必要的高程控制基礎； 2)為地殼垂直運動、平均海面傾斜及其變化和大地水準面形狀等地球科學研究提供精確的高程數(shù)據(jù)。 從高到低、逐級控制 一等水準測量是國家高程控制網(wǎng)的骨干，同時也為相關地球科學研究提供高程數(shù)據(jù)；二等水準測量是國家高程控制網(wǎng)的全面基礎；三、四等水準測量是直接為地形測圖

19、和其他工程建設提供高程控制點。,國家高程控制網(wǎng),Fundation of Geodesy,33,水準點滿足一定的密度,國家高程控制網(wǎng),Fundation of Geodesy,34,水準測量達到足夠的精度 各等級水準測量的精度，是用每公里高差中數(shù)的偶然中誤差 和每公里高差中數(shù)的全中誤差來表示的。 一等水準網(wǎng)應定期復測,Fundation of Geodesy,35,5.2 國家水準網(wǎng)的布設方案及精度 我國的水準測量分為四等，各等級水準測量路線必須自行閉合或閉合于高等級的水準路線上，與其構成環(huán)形或附合路線，以便控制水準測量系統(tǒng)誤差的積累和便于在高等級的水準環(huán)中布設低等級的水準路線。 一等閉合環(huán)線

20、周長，在平原和丘陵地區(qū)為1 0001 500km，一般山區(qū)為2 000km左右。 二等閉合環(huán)線周長，在平原地區(qū)為500750km,山區(qū)一般不超過1 000km。 三、四等水準用于加密，根據(jù)高等級水準環(huán)的大小和實際需要布設，其中環(huán)線周長、附合路線長度和結點間路線長度，三等水準分別為200km、150km和70km；四等分別為100km、80km和30km。,國家高程控制網(wǎng),Fundation of Geodesy,36,國家高程控制網(wǎng),每公里高差中數(shù)偶然中誤差：,每公里高差中數(shù)的全中誤差：,Fundation of Geodesy,37,國家高程控制網(wǎng),5.2.3 水準路線的設計、選點和埋石 1

21、、 技術設計 技術設計是根據(jù)任務要求和測區(qū)情況，在小比例尺地圖上，擬定最合理的水準網(wǎng)或水準路線的布設方案。 一等水準路線應沿路面坡度平緩、交通不太繁忙的交通路線布設，二等水準路線盡量沿公路、大河及河流布設，沿線交通較為方便。 水準路線應避開土質(zhì)松軟的地段和磁場甚強的地段，并應盡量避免通過大的河流、湖泊、沼澤與峽谷等障礙物。,Fundation of Geodesy,38,2、 選 點 圖上設計完成后，須進行實地選線，其目的在于使設計方案能符合實際情況，以確定切實可行的水準路線和水準點的具體位置。選定水準點時，必須能保證點位地基穩(wěn)定、安全僻靜，并利于標石長期保存與觀測使用。水準點應盡可能選在路線

22、附近的機關、學校、公園內(nèi)。不宜在易于淹沒和土質(zhì)松軟的地域埋設水準標石，也不宜在易受震動和地勢隱蔽而不易觀測的地方埋石。 水準點點位選定后，應填繪點之記，繪制水準路線圖及結點接測圖。,國家高程控制網(wǎng),Fundation of Geodesy,39,3 、埋 石 按用途區(qū)分，水準標石有基巖水準標石、基本水準標石和普通水準標石三種類型。 各類水準標石的制作材料和埋設規(guī)格及其埋設方法等，在國家一、二等水準測量規(guī)范都有具體的規(guī)定和說明。 5.2.4 水準路線上的重力測量 因精密水準測量成果需進行重力異常改正，故在一、二等水準路線沿線要進行重力測量。,國家高程控制網(wǎng),Fundation of Geodes

23、y,40,規(guī)范規(guī)定： 高程大于4 000m或水準點間的平均高差為150250m的地區(qū)，一、二等水準路線上每個水準點均應測定重力。高差大于250m的測段，在地面傾斜變化處應加測重力。 高程在1 5004 000m或水準點間的平均高差為50150m的地區(qū)，一等水準路線上重力點間平均距離應小于11km；二等水準路線上應小于23km。 在我國西北、西南和東北邊境等有較大重力異常的地區(qū)，一等水準路線上每個水準點均應測定重力。 在由青島水準原點至國家大地原點的一等水準路線上，應逐點測定重力，以便精確求得大地原點的正常高。,國家高程控制網(wǎng),Fundation of Geodesy,41,5.2.5 我國國家水準網(wǎng)的布設概況 我國國家水準網(wǎng)的布設，按照布測目的、完成年代、采用技術標準和高程基準等，基本上可分為三期： 第一期主要是1976年以前完成的，以1956年黃海高程基準起算的各等級水準網(wǎng)； 第二期主要是1976年至1990年完成的，以“1985國家高程基準”起算的國家一、二等水