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野外测量手持GPS的校正方法


野外测量手持 GPS 的校正方法
手 持 式 GPS 是 一 种 利 用 新 一 代 卫 星 导 航 与 定 位 系 统 (globalpositioningsystem,GPS)相结合、体积小巧、携带方便、独 立使用的定位导航设备,具有全天候、全方位实时三维导航与定位能 力,有高灵敏度、高精度、自动化、价廉、使用方便等特点,已广泛 应用于大地测量、地质调查、资源勘查等众多领域。近年来,我院在 对手持式 GPS 机性能和定位精度研究的基础上, 将其运用于中小比例 尺的地质填图、物化探测网布设工作中,既大大提高了工作效率、节 约了成本。 在 GPS 定位技术的应用和发展过程中, 根据不同的市场需求, 生 产厂家研制生产出了不同用途和型号的接收机.无论是高精度的测量 型 GPS, 还是导航型手持 GPS, 其所提供的坐标都是以美国的 WGS-84 坐标系统而建立的,而我们的地质工作底图使用的是 1954 年北京坐 标系(北京 54 系)或 1980 西安坐标系(西安 80 系) ,不同的坐标系 统之间按一定的数学模型可计算出其间的转换关系, 也就是我们常说 的转换参数.转换参数的确定给我们使用 GPS 提供了便利.我们把求取 转换参数的工作过程称为 GPS 的校正。我们以我院现有的几款手持 GPS 的校正过程做下介绍。 1 手持 GPS 校正前的几项准备工作 在进行手持 GPS 校正前, 我们首先要确定工区测量使用的坐标系 统,其次要确定工作区底图的坐标分带.从而确定该坐标带的中央子

午线, 这样才可以保证手持 GPS 机所测的坐标和地质底图的使用坐标 是一致的。 1.1 确定工作区坐标系统 我们居住的地球的形状大致为赤道方向略长、两极方向略偏,以 南北两极为轴的旋转椭球体。 为确定地球表面的地物及空间点相对地 球的空间位置,人们定义了不同的椭球体模型,不同的椭球体模型按 照不同的投影方法定义了不同的坐标系统。 下表是我国现行使用中的 几种坐标系统对应椭球名称和椭球参数: 其中,1954 年北京坐标系已基本退出测绘舞台,只有少数特定 工作区还在采用该坐标系统;1980 西安坐标系是我们现在工作中主 要采用的坐标系统;2000 中国大地坐标系已于 2008 年 7 月 1 日启动 使用,我们现有的测绘成果将逐步过渡到该坐标系。 在同一坐标系中,对于同一个空间点的坐标有两种表示形式:空 间直角坐标(X,Y,Z)和大地坐标(B,L,H) ,这两种坐标是可以 通过公式直接转换的,也可以通过一些坐标转换软件直接转换,比如 广州中海达测绘仪器有限公司的静态测量后处理软件。 我们现有的手 持 GPS 机对空间点的两种坐标表示形式都可以通过设置进行实时显 示。 工作区坐标系统可以通过《工作区工作设计》进行确认;也可以 通过工作区工作底图来获取, 在工作底图的图框左下角都标明该图成 图坐标系统和高程系统。 1.2 确定工作底图的坐标分带

(1)地形图投影分带 我国规定 l:l 万~1:50 万国家基本地形图均采用高斯一克吕格 投影,其中 l:2.5 万~1:50 万采用经差 6°分带,l:1 万采用经差 3° 分带。 在高斯一克吕格投影上, 规定以中央经线为 X 轴, 赤道为 Y 轴, 两轴的交点为坐标原点。X 坐标值在赤道以北为正,以南为负;Y 坐 标值在中央经线以东为正,以西为负。我国在北半球,X 坐标皆为正 值。Y 坐标在中央经线以西为负值,运用起来很不方便。为了避免 Y 坐标出现负值,将各带的坐标纵轴西移 500km,即将所有 Y 值都加 50Okm。 6°分带投影,即经差为 6°,从零度子午线开始,自西向东每个经 差 6°为一带,用 1,2,3,……表示。全球共分 60 个带,即东经 0°~ 6°为第 l 带,其中央子午线经度为东经 3°,东经 6°~12°为第 2 带,其 中央子午线经度为 9°,依次类推。 3°分带投影,从东经 1.5°的经线开始,每隔 3°为一带,用 l,2, 3,……表示,全球共分 12O 个带,即东经 1.5°~4.5°为第 1 带,其中 央子午线经度为东经 3°.东经 4.5°~7.5°为第 2 带,其中央子午线经度 为东经 6°,依次类推。 (见:投影分带图) (2)工作区带号的确定 ①利用地形图确定:地形图上公里网横坐标(8 位整数)前 2 位就是带号,例如,横坐标为 28616249,其中 28 即为带号。 ②利用已知坐标点经度(以度表示)确定: 6°带带号是经度整 数值除以 6 加上 1 的整数值, 3°带带号是经度除以 3 后的四舍五入取

整数值。如经度为 79°46′35″,其 6°分带号是 l4(79÷6+1=14) ,3°分 带号是 27(79.78÷3=26.59) 。 (3)如何确定是 3°分带还是 6°分带 ①根据地形图比例尺来确定: 一般情况下 1: 1l 万以上的大比例 尺地形图所标定的带号为 3°带带号,1:1 万以下的中小比例尺地形 网所标定的带号为 6°带带号。 ②根据工作区已知坐标点横坐标和工作区经度来确定:如某工 作区点 A 横坐标为 28616249,其中 28 为带号,工作区经度 85 度左 右, 所以该坐标系为 3°带坐标系, 28×3=84, 而不可能为 6°带: 28×6=168。 (4)工作区中央子午线(中央经线)经度的确定 6°带:中央子午线经度=6°×当地带号-3°,例如,地形图上横坐标 为 21396000,其所处的 6°带的中央子午线经度为:6°×21―3°=123°。 3°带:中央子午线经度=3°×当地带号,例如:地形图上横坐标为 40551000,其所处的 3°带的中央子午线经度为:3°×40=120°。 2 手持 GPS 的校正方法(公司的老式 GPS 设置位于单位选项中) WGS-84 坐标系与北京 54 年坐标系或西安 80 坐标系之间是不同 的椭球基准。因为同一个椭球里的转换可以是严密的,不同椭球之间 的转换是不严密的,所以 WGS-84 坐标系与北京 54 年坐标系或西安 80 坐标系之间不存在一套全国通用的转换参数,而且每个地方都有 差异。不同的椭球基准坐标系统之间的严密转换关系为七参数(Dx、 Dy、Dz、Wx、wy、Wz、K,它们分别是 X、Y、Z 三轴的平移与旋转 及比例系数 K) 。 由于手持 GPS 单机定位精度要求并不高, 一般在 3~

10m。因此手持 GPS 的转换参数选用了近似七参数.也就是我们常用 的三参数 Dx、Dy、Dz;忽略了旋转参数 Wx、Wy、W2,实际上旋转 参数也非常小;比例参数默认为 1。 现在使用的手持 GPS 机按照校正方法的不同主要有两类, 其中一 类是传统型手持 GPS,如佳明 Garmin、麦哲伦、集思宝、彩途等厂家 生产的手持 GPS;另外一类新型手持 GPS,如中海达 Q5 手持 GPS(如 图:中海达 Q5) 、南方测绘的 S750 手持 GPS 等。两类手持 GPS 校正 过程均采用三参数转换, 新型手持 GPS 自身都装载有专门的参数转换 软件,操作简单、相对比较方便,本文不做介绍,下面我们介绍传统 型手持 GPS 校正方法。 使用佳明 Garmin 手持 GPS 机到一个新的工区作业时,首先要对 手持 GPS 机进行参数设置, 确定工区自定义坐标格式 (UserUTMGrid) , 根据前面的介绍输入正确的投影关系参数,“中央经线”为当地地图投 影的中央子午线,“投影比例”值为 1,“东西偏差”值为 500000m,“南 北偏差”值为 0m。 ,然后就是进行 GPS 校正,求取转换参数。在转换 参数设置界面有五个参数需要设置,其中 Dx、Dy、Dz 就是我们所说 的三参数, 是需要我们求取的; Df、 Da 是固定常数, 其中 Df 是 WGS84 椭球扁率与目标椭球扁率之差,Da 是 WGS84 椭球与目标椭球长半轴 之差。Df、Da 具体数字如下表: 正常求取三参数 Dx、Dy、Dz 需要知道已知点的 WGS-84 坐标系 和北京 54 坐标系(或西安 80 坐标系)坐标的空间直角坐标数据,但 北京 54 系(或西安 8O 系)坐标的空间直角坐标数据一般需要特定

的计算机坐标转换软件来求取, 而我们在野外工作的时候基本上是只 有手持 GPS 接收机, 这就无法实现参数的常规求取方法, 为此我们提 出了如下简易方法,以方便快速准确地求取三参数。 首先我们根据搜集到的已知控制点的资料找到其中一个控制点, 校正人员拿该手持机站在控制点上方,将三参数 Dx、Dy、Dz 全部设 置为零, 这样手持机测得的坐标值同该控制点的已知成果存在一个差 值,分别计算相对应差值得到的数值就是三参数 Dx、Dy、Dz,将计 算得到的三参数输入手持机,重新检查手持机测得的坐标值,计算新 得到的坐标值与已知点成果的差值,根据差值修正三参数 Dx、Dy、 Dz,修正后的三参数 Dx、Dy、Dz 再输入手持机,就这样重复修正三 参数 Dx、Dy、Dz,直到手持机测到的坐标值与已知点成果差值小于 5m,此时的三参数 Dx、Dy、Dz 即为我们求取的最终参数。 为了验证求取的三参数是否正确, 我们需要到第二个已知控制点 上进行检查测量,如果检查坐标精度小于 5m,说明我们的求取的三 参数正确,GPS 校正成功,参数转换完成。如果精度大于 5m,我们 还要根据测的坐标值和第二个控制点的成果做差值计算, 对三参数进 行修正,直到精度满足为止。然后返回到第一个控制点或到第三个控 制点重新检查三参数是否正确, 这样重复修正三参数直到满足精度要 求。根据我们野外作业经验,三参数在参与校正控制点 50km 半径范 围是可以满足中小比例尺的地质工程测量精度要求的。 传统型的手持 GPS 机的平面精度可以控制在 3~10m,但它的高 程精度非常的差,我们一般只采用该类型手持 GPS 机的平面坐标 X、

Y,而不采用它的高程 Z,所以在进行求取三参数 Dx、Dy、Dz 时,我 们可以只做 Dx、Dy 的求值计算,忽略 Dz 的计算,以便提高三参数的 求取速度。


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