第五章 大地測量技術(shù)(1-2-3).ppt

1、Fundation of Geodesy,1,第五章 大地測量基本技術(shù)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(xué)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(biāo)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(biāo)、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(biāo)方位角和各點的坐標(biāo)。 優(yōu)點：圖形簡單，結(jié)構(gòu)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(shè)困難，增加了建標(biāo)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(dǎo)線測量法: 優(yōu)點：布設(shè)靈活，容易克服地形障礙；導(dǎo)線測量只要求相鄰兩點通視，故可降低覘標(biāo)高度，造標(biāo)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(dǎo)線結(jié)構(gòu)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(yīng)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(shè)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(shè)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(shù)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(biāo)、三維速度和時間信息。 GPS系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域相當(dāng)廣泛，可以進行海、空和陸地的導(dǎo)航，導(dǎo)彈的制導(dǎo)，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(shù)。 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(zhuǎn)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(yīng)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(xué)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(biāo)軸方向進行兩次積分，從而求定其運動載體在三個坐標(biāo)軸方向的坐標(biāo)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(yīng)分級布設(shè)、逐級控制 大地控制網(wǎng)應(yīng)有足夠的精度 大地控制網(wǎng)應(yīng)有一定的密度 大地控制網(wǎng)應(yīng)有統(tǒng)一的技術(shù)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(shè)方案 1、 常規(guī)大地測量方法布設(shè)國家三角網(wǎng) 1）一等三角鎖

7、系布設(shè)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(shè)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(jì)50年代初，60年代末基本完成，先后共布設(shè)一等三角鎖401條，一等三角點6 182個，構(gòu)成121個一等鎖環(huán)，鎖系長達7.3萬km。一等導(dǎo)線點312個，構(gòu)成10個導(dǎo)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(jié)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(shù)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(fù)性水平方向優(yōu)于4mm+3ppm，垂直方向優(yōu)

10、于8mm+4ppm，地心坐標(biāo)分量重復(fù)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(biāo)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(jié)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(luò) 地震局、總參測繪局、科學(xué)院和國家測繪局聯(lián)合建立，主要是服務(wù)于中長期地震預(yù)報，兼顧大地測量的目的，該網(wǎng)絡(luò)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(luò)組成，即25站連續(xù)運行的基準(zhǔn)網(wǎng)、56站定期復(fù)測的基本網(wǎng)和1000站復(fù)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(shè) 包括以下工作：技術(shù)設(shè)計，實地選點，建造覘標(biāo)，標(biāo)石埋設(shè)，外業(yè)測量，平差計算等 1）技術(shù)設(shè)計 收集資料 實地踏勘 圖上設(shè)計 編寫技術(shù)設(shè)計書 2）實地選點： 選點圖，點之記，選點工作技術(shù)總結(jié)。,Fundation of Geodesy,22,國家平面大地控制網(wǎng),3）建造覘標(biāo)(傳統(tǒng)大地測量法),尋常標(biāo),雙錐標(biāo),Fundation of Geodesy,23,國家平面大地控制網(wǎng),4）標(biāo)石埋設(shè) 大地點的坐標(biāo)，實際上

13、指的就是標(biāo)石中心的坐標(biāo)。,Fundation of Geodesy,24,大地控制網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計,5.1.4 大地控制網(wǎng)優(yōu)化設(shè)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(shè)計目標(biāo) 控制網(wǎng)設(shè)計的目標(biāo)，指的是控制網(wǎng)應(yīng)達到的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，它是設(shè)計的依據(jù)和目的，同時又是評定網(wǎng)的質(zhì)量的指標(biāo)。質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)包括精度標(biāo)準(zhǔn)、可靠性標(biāo)準(zhǔn)、費用標(biāo)準(zhǔn)、可區(qū)分標(biāo)準(zhǔn)及靈敏度標(biāo)準(zhǔn)等，其中常用的主要是前3個標(biāo)準(zhǔn)。,Fundation of Geodesy,25,1）精度標(biāo)準(zhǔn):方差-協(xié)方差陣Dxx 整體精度標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)： 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(biāo)：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(shè)計,Fundation of Geodesy,26,2）可靠性標(biāo)準(zhǔn) 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(jié)果的影響的能力。 B為設(shè)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(jié)果影響的大小。,大地控制網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計,Fundation of Geodesy,27,其中： 為非中心化參數(shù)， 3）費用標(biāo)準(zhǔn)

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(biāo)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(shè)計,Fundation of Geodesy,28,大地控制網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計,3、 優(yōu)化設(shè)計的分類和方法 1) 網(wǎng)的優(yōu)化設(shè)計可分為零、一、二、三類。 零類設(shè)計(基準(zhǔn)設(shè)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(shè)計(圖形設(shè)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(zhǔn)則矩陣已定的情況下，選擇最佳的點位布設(shè)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(shè)計中就是解決這個問題。,Fundation of Geodesy,29,大地控制網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計,二類設(shè)計(權(quán)設(shè)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(quán)分配)，決定各觀測值的精度 (權(quán))，使各種觀測手段得到合理組合。 三類設(shè)計(加密設(shè)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(shè)計進行改進，引入附加點或附加觀測值，導(dǎo)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(shè)計,2）優(yōu)化設(shè)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(yán)密等優(yōu)點；但其數(shù)學(xué)模型難于構(gòu)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(shè)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(yù)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(shè)計者的經(jīng)驗，對控制網(wǎng)的基準(zhǔn)、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(zhǔn) 高程基準(zhǔn)面 水準(zhǔn)原點 1956年黃

18、海高程系統(tǒng):水準(zhǔn)原點高程為72.289m 1985國家高程基準(zhǔn):水準(zhǔn)原點的高程為72.260米。 1987年經(jīng)國務(wù)院批準(zhǔn)，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(shè)原則 目的和任務(wù)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(shè)提供必要的高程控制基礎(chǔ)； 2)為地殼垂直運動、平均海面傾斜及其變化和大地水準(zhǔn)面形狀等地球科學(xué)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(zhǔn)測量是國家高程控制網(wǎng)的骨干，同時也為相關(guān)地球科學(xué)研究提供高程數(shù)據(jù)；二等水準(zhǔn)測量是國家高程控制網(wǎng)的全面基礎(chǔ)；三、四等水準(zhǔn)測量是直接為地形測圖

19、和其他工程建設(shè)提供高程控制點。,國家高程控制網(wǎng),Fundation of Geodesy,33,水準(zhǔn)點滿足一定的密度,國家高程控制網(wǎng),Fundation of Geodesy,34,水準(zhǔn)測量達到足夠的精度 各等級水準(zhǔn)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(zhǔn)網(wǎng)應(yīng)定期復(fù)測,Fundation of Geodesy,35,5.2 國家水準(zhǔn)網(wǎng)的布設(shè)方案及精度 我國的水準(zhǔn)測量分為四等，各等級水準(zhǔn)測量路線必須自行閉合或閉合于高等級的水準(zhǔn)路線上，與其構(gòu)成環(huán)形或附合路線，以便控制水準(zhǔn)測量系統(tǒng)誤差的積累和便于在高等級的水準(zhǔn)環(huán)中布設(shè)低等級的水準(zhǔn)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(zhǔn)用于加密，根據(jù)高等級水準(zhǔn)環(huán)的大小和實際需要布設(shè)，其中環(huán)線周長、附合路線長度和結(jié)點間路線長度，三等水準(zhǔn)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(zhǔn)路線的設(shè)計、選點和埋石 1

21、、 技術(shù)設(shè)計 技術(shù)設(shè)計是根據(jù)任務(wù)要求和測區(qū)情況，在小比例尺地圖上，擬定最合理的水準(zhǔn)網(wǎng)或水準(zhǔn)路線的布設(shè)方案。 一等水準(zhǔn)路線應(yīng)沿路面坡度平緩、交通不太繁忙的交通路線布設(shè)，二等水準(zhǔn)路線盡量沿公路、大河及河流布設(shè)，沿線交通較為方便。 水準(zhǔn)路線應(yīng)避開土質(zhì)松軟的地段和磁場甚強的地段，并應(yīng)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(shè)計完成后，須進行實地選線，其目的在于使設(shè)計方案能符合實際情況，以確定切實可行的水準(zhǔn)路線和水準(zhǔn)點的具體位置。選定水準(zhǔn)點時，必須能保證點位地基穩(wěn)定、安全僻靜，并利于標(biāo)石長期保存與觀測使用。水準(zhǔn)點應(yīng)盡可能選在路線

22、附近的機關(guān)、學(xué)校、公園內(nèi)。不宜在易于淹沒和土質(zhì)松軟的地域埋設(shè)水準(zhǔn)標(biāo)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(zhǔn)點點位選定后，應(yīng)填繪點之記，繪制水準(zhǔn)路線圖及結(jié)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(zhǔn)標(biāo)石有基巖水準(zhǔn)標(biāo)石、基本水準(zhǔn)標(biāo)石和普通水準(zhǔn)標(biāo)石三種類型。 各類水準(zhǔn)標(biāo)石的制作材料和埋設(shè)規(guī)格及其埋設(shè)方法等，在國家一、二等水準(zhǔn)測量規(guī)范都有具體的規(guī)定和說明。 5.2.4 水準(zhǔn)路線上的重力測量 因精密水準(zhǔn)測量成果需進行重力異常改正，故在一、二等水準(zhǔn)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(zhǔn)點間的平均高差為150250m的地區(qū)，一、二等水準(zhǔn)路線上每個水準(zhǔn)點均應(yīng)測定重力。高差大于250m的測段，在地面傾斜變化處應(yīng)加測重力。 高程在1 5004 000m或水準(zhǔn)點間的平均高差為50150m的地區(qū)，一等水準(zhǔn)路線上重力點間平均距離應(yīng)小于11km；二等水準(zhǔn)路線上應(yīng)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(zhǔn)路線上每個水準(zhǔn)點均應(yīng)測定重力。 在由青島水準(zhǔn)原點至國家大地原點的一等水準(zhǔn)路線上，應(yīng)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(zhǔn)網(wǎng)的布設(shè)概況 我國國家水準(zhǔn)網(wǎng)的布設(shè)，按照布測目的、完成年代、采用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和高程基準(zhǔn)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(zhǔn)起算的各等級水準(zhǔn)網(wǎng)； 第二期主要是1976年至1990年完成的，以“1985國家高程基準(zhǔn)”起算的國家一、二等水