(知识较全)——测绘基准解读课件.ppt

2004.03.10,测绘基准,一、测绘基准交流会,2004.03.10,测绘基准,测绘基准,大地基准高程基准深度基准重力基准,2004.03.10,测绘基准,大地基准,基准的概念目前我国常用的坐标系统常用坐标系间的坐标换算,2004.03.10,测绘基准,大地基准 基准的概念,坐标：一组有序实数，表示n维欧氏空间中的一个点。坐标系：确定地面点或空间目标的位置所采用的参考 系（参照物）。基准：将几何坐标系按一定的关系放入物理坐标系中的一组必要参数。,2004.03.10,测绘基准,大地基准 目前我国常用的坐标系统,1980西安坐标系1954年北京坐标系WGS-84大地坐标系新1954年北京坐标系（新54系）独立坐标系（地方坐标系）,2004.03.10,测绘基准,大地基准 目前我国常用的坐标系统,1980西安坐标系 开始定义为 “1980国家大地坐标系”。 1982 年，经天文大地网整体平差建立，全网共48433点。 属参心坐标系, IAG-75椭球（IAG国际大地测量学协会），长半轴 a=6378140m; 扁率 =1/298.257，原点在陕西省泾阳县。 椭球定位： 1.椭球短轴平行于地球地轴（由地球质心指向1968.0JYD方向）； 2.起始子午面平行于格林威治天文台平均子午面； 3.椭球面与似大地水准面在我国境内密合得最佳。,2004.03.10,测绘基准,大地基准 目前我国常用的坐标系统,2004.03.10,测绘基准,大地基准 目前我国常用的坐标系统,1954年北京坐标系 50年代从前苏联引入（1942年普尔科夫坐标系），未进行整体平差，属参心坐标系, 克拉索夫斯基椭球体，长半轴 a=6378245m; 扁率=1/298.3。原点在普尔科夫天文台。 主要缺点： 1.长半轴约大了108m ； 2.椭球定位西高东低，东部高程异常达67m； 3.不同区域接边处大地点坐标差达12m。,2004.03.10,测绘基准,大地基准 目前我国常用的坐标系统,WGS-84大地坐标系 美国国防部研制确定的大地坐标系，Z轴指向BIH（国际时间局）1984.0定义的协议地球极（CTP）方向，X轴指向零子午面与CTP赤道交点，Y轴与X、 Z轴构成右手坐标系。 长半轴 a=6378137m; 扁率 =1/298.257223563。属地心坐标系，原点在地球质心。,2004.03.10,测绘基准,大地基准 目前我国常用的坐标系统,新1954年北京坐标系（新54系）属于参心大地坐标系椭球的几何参数同“54系” a=6378245m； =1/ 298.3大地原点及椭球轴向同“80系”高程基准面为1956年黄海平均高程面点的坐标与“54系”接近，精度同“80系”,2004.03.10,测绘基准,大地基准 目前我国常用的坐标系统,独立坐标系（地方坐标系） 为了减少投影变形或满足保密需要，也可使用独立（地方）坐标系，坐标原点一般在测区或城区中部，投影面多为当地平均高程面。,2004.03.10,测绘基准,大地基准 目前我国常用的坐标系统,大地坐标大地纬度L 过P点的子午面与起始子午面间的夹角。由格林尼治子午线起算，东正西负。大地经度 B在P点的子午面上， P点的法线PKP与赤道面的夹角。由赤道起算，北正南负。,2004.03.10,测绘基准,大地基准 目前我国常用的坐标系统,高斯平面直角坐标 经高斯克吕格正形投影，将椭球面上的点转换到平面上， 用直角坐标（x,y）表示。 中央子午线投影到平面上是一直线，作为纵坐标轴；赤道投影到平面上也是一直线，作为横坐标轴；中央子午线和赤道交点的投影像是坐标原点。,x,y,0,X,Y,P（x,y）,2004.03.10,测绘基准,大地基准 目前我国常用的坐标系统,高斯投影分带（山东省的经度为114 45122 40）,2004.03.10,测绘基准,大地基准 常用坐标系间的坐标换算,严密平差法（用本网的观测数据，另网的起算点）公式严密换算法（80系 新54系）转换模型法（七参数法）,2004.03.10,测绘基准,坐标系的变换,同一坐标系统下坐标有多种不同的表现形式，一种形式实际上就是一种坐标系。如空间直角坐标系（X，Y，Z）、大地坐标系（B，L）、平面直角坐标（x，y）等。通过坐标统的转换我们得到了BJ54坐标系统下的空间直角坐标，我们还须在BJ54坐标系统下再进行各种坐标系的转换，直至得到工程所需的坐标。,2004.03.10,测绘基准,将空间直角坐标系转换成大地坐标系，得到大地坐标（B，L）,L=arctan（Y/X）B=arctan （Z+Ne2sinB）/（X2+Y2）0.5H=（X2+Y2）0.5sinB-N用上式采用迭代法求出大地坐标（B，L）,2004.03.10,测绘基准,将大地坐标系转换成高斯坐标系，得到高斯坐标（x，y）,按高斯投影的方法求得高斯坐标，x=F1（B，L），y=F2（B，L）,2004.03.10,测绘基准,将高斯坐标系转换成任意独立坐标系，得到独立坐标（x，y）,在小范围内测量，我们可以将地面当作平面，用简单的旋转、平移便可将高斯坐标换成工程中所采用坐标系的坐标（x，y），x=xcos+ysiny=ycos-xsin,2004.03.10,测绘基准,GPS高程测量,大地高（Hg）正常高/正高（Hr/hg）,2004.03.10,测绘基准,大地高系统,大地高系统是以参考椭球面为基准面的高程系统。某点的大地高是该点到通过该点的参考椭球的法线与参考椭球面的交点间的距离。大地高也称为椭球高，大地高一般用符号H表示。大地高是一个纯几何量，不具有物理意义，同一个点，在不同的基准下，具有不同的大地高。,2004.03.10,测绘基准,正高系统,正高系统是以大地水准面为基准面的高程系统。某点的正高是该点到通过该点的铅垂线与大地水准面的交点之间的距离，正高用符号hg表示,2004.03.10,测绘基准,正常高系统,正常高系统是以似大地水准面为基准的高程系统。某点的正常高是该点到通过该点的铅垂线与似大地水准面的交点之间的距离，正常高用Hr表示。,2004.03.10,测绘基准,高程基准,目前，我国实际采用的高程系统为正常高，即地面点 A至似大地水准面的距离。,大地高,A,正高,正常高,高程异常,大地水准面差距,自然表面,大地水准面,似大地水准面,椭球表面,2004.03.10,测绘基准,高程基准,1956年黄海高程系 水准原点设在观象山，采用19501956年7年的验潮结果计算的黄海平均海水面，推得水准原点高程为72.289m。1985国家高程基准 水准原点同 1956年黄海高程系，采用19521979年共28年的验潮结果，并顾及了海平面18.6年的周期变化及重力异常改正，计算的黄海平均海水面，推得水准原点高程为72.260m。,2004.03.10,测绘基准,我国高程异常图,2004.03.10,测绘基准,我国测绘基准存在的问题,天文大地网不能满足军事上对地心坐标系的需求。精度与现代大地测量手段(GPS) 相比不匹配,导致使用GPS时的精度损耗。1954年北京坐标系及 1980西安坐标系与 ITRF（国际地球参考框架）或WGS-84无明确的对应关系。,2004.03.10,测绘基准,我国测绘基准存在的问题,GPS空间网密度不够，使城市GPS控制网以及工矿独立网难以连接到国家GPS控制网系统。标石破坏严重，并且这种情况还在继续。参心坐标系，分量与 ITRF有 100m以上的偏差，54坐标系采用克拉索夫斯基椭球，长半轴 a值也相差100m以上。以上原因直接影响到GPS在我国的推广应用（包括范围、规模）。,2004.03.10,测绘基准,我国测绘基准存在的问题,高程基准复测周期过长（710年），现势性不强，由于地壳运动、地下水过量开采引起的地面下沉，使许多国家高精度水准点无法在实际生产中起到高程控制的作用（如：苏、杭、无锡的例子，以及浙江的跨海大桥工程）。以单站（青岛验潮站）为高程起算点，而我国海岸线数千公里。标石破坏严重（主要由于公路建设等）。,2004.03.10,测绘基准,深度基准,1956年前我国采用最低低潮面1956年后我国采用理论深度基准面深度基准与陆地高程的起算面不同海图上的等深线不代表某点的实际深度,2004.03.10,测绘基准,重力基准,直接测量重力加速度的方法，称为绝对重力测量。测定两点的重力差，再推求某点的重力称为相对重力测量。70年代前，全球大部分地区采用的是维也纳重力基准和波茨坦重力基准。国际重力基准网（IGSN-71）是世界第一个多点重力基准。,2004.03.10,测绘基准,二、GPS测距原理,2004.03.10,测绘基准,GPS测距,伪距测量载波相位测量,2004.03.10,测绘基准,伪距测量原理,伪距：卫星发射的测距码信号到达GPS接收机的传播时间乘以光速所得到的量测距离。,D = ct t = t2 - t1,通过测量卫星信号从发射时刻到接收时刻之间的时延，然后乘以光速得到距离观测量。 传播时间由接收机内部码跟踪环路通过比较卫星时钟 产生的测距码和接收机复制的结构完全一致的码之间相关 最大。含有卫星和接收机钟差，大气延迟。不是卫星到接 收机的实际距离，称为伪距,2004.03.10,测绘基准,GPS伪距测量原理,2004.03.10,测绘基准,距离观测值的计算,接收机至卫星的距离借助于卫星发射的码信号量测并计算得到的接收机本身按同一公式复制码信号比较本机码信号及到达的码信号确定传播延迟的时间t传播延迟时间乘以光速就是距离观测值=C t,2004.03.10,测绘基准,2022/11/30,37,接收机对跟踪的每一颗卫星进行测距,地心,Si,Pij,Pj,ri,Rj,有关各观测量及已知数据如下：r 为已知的卫地矢量P为观测量（伪距）R为未知的测站点位矢量,对卫星进行测距,2004.03.10,测绘基准,2022/11/30,38,采用载波相位观测值,发自卫星的电磁波信号：,信号量测精度优于波长的1/100载波波长（L1=19cm, L2=24cm)比C/A码波长 (C/A=293m)短得多所以，GPS测量采用载波相位观测值可以获得比伪距（C/A码或P码）定位高得多的成果精度,L1载波,L2载波,C/A码,P-码,2004.03.10,测绘基准,GPS载波相位测量原理,相位测量原理：麦可斯维电磁理论，电磁波在传播过程中相位保持不变。 载波相位观测值是接收机测得卫星信号的载波相位与本 振产生的相位的差值。 GPS卫星信号含有多种定位信息,除以上两种观测量以外，有的接收机如Trimble 4000SST 还可以给出载波相位变化率（即多普勒频移）用于动态用户测速。,2004.03.10,测绘基准,三、GPS定位模式,s1,s2,s3,s4,本振信号,卫星信号,2004.03.10,测绘基准,GPS定位模式,单点定位相对定位独立确定待定点在坐标系中的位置称为单点定位；确定同步跟踪相同GPS卫星信号的若干台接收机之间相对位置的方法称为相对定位。静态定位快速静态定位走走停停动态定位一般，待定点相对周围固定点没有可察觉的运动称为静态定位；否则，动态。VRS,2004.03.10,测绘基准,GPS定位模式,C/A码单点定位 15-25米（5.7M)P-码单点定位 1-3米伪距实时差分(RTD) 亚米级载波相位实时差分(RTK) 厘米级静态相对定位 毫米-厘米级快速静态定位 厘米级相对动态定位（后处理） 厘米-分米级,2004.03.10,测绘基准,单点定位-后方交会,首先我们可以得到GPS卫星的位置；其次，我们又能准确测定我们所在地点A至卫星之间的距离，那么A点一定是位于以卫星为中心、所测得距离为半径的圆球上。进一步，我们又测得点A至另一卫星的距离，则A点一定处在前后两个圆球相交的圆环上。我们还可测得与第三个卫星的距离，就可以确定A点只能是在三个圆球相交的两个点上。根据一些地理知识，可以很容易排除其中一个不合理的位置。,2004.03.10,测绘基准,2022/11/30,44,单点定位结果的获取,单点定位解可以理解为一个后方交会问题卫星充当轨道上运动的控制点，观测值为测站至卫星的伪距（由时延值推算得到）由于接收机时钟与卫星钟存在同步误差所以要同步观测4颗卫星，解算四个未知参数：精度 , 经度 , 高程 h , 钟差 t,2004.03.10,测绘基准,GPS单点定位原理,已知点-卫星位置(X,Y,Z)未知点-地面点或其他待测点(x,y,z)观测量-卫星到接收机天线的距离(R) R=电波传播时间x光速观测方程: R2=(X-x) 2 +(Y-y) 2+(Z-z) 2+(tc) 2四个方程解四个未知数：观测四颗以上卫星才能求出三维坐标,2004.03.10,测绘基准,定位原理与精度 (1)式中不考虑电离层和对流层的影响以及卫星轨道误差,由于卫星的钟漂移稳定,也不考虑其影响。 (1)式为: P=dTC+p （4） 其中： Xj，Yj，Zj为卫星的位置，由星历解出，剩下4个参数点位（X，Y，Z）和接收机钟差dT ，必须观测四颗卫星。定位精度与接收机和卫星构成的几何图形有关，用 精度衰减因子（GDOP，PDOP，HDOP，TDOP）表示。 衰减因子越大精度越差。GPS系统在每颗卫星上装置有十分精密的原子钟，并由监测站经常进行校准。卫星发送导航信息，同时也发送精确时间信息。GPS接收机接收此信息，使之与自身的时钟同步，就可获得准确的时间。GPS接收机中的时钟，不可能象在卫星上那样，设置昂贵的原子钟，所以就利用测定第四颗卫星，在计算过程中校准GPS接收机的时钟。,2004.03.10,测绘基准,单点定位,建立在WGS84坐标系下消除SA影响以后，水平精度10m，垂直精度15m,2004.03.10,测绘基准,2022/11/30,48,相对定位,可以消去卫星钟的系统偏差可以消去接收机时钟的误差,可以消去轨道（星历）误差的影响可以削弱大气折射对观测值的影响,2004.03.10,测绘基准,差分GPS,差分GPS属于相对定位，需要至少两台接收机进行合作，一台固定，另一台在移动中进行定位测量。固定的接收机很关键，它汇集所有测得的卫星信息，作为固定的本地参考站。,静态测量后处理差分RTD实时差分RTK实时载波相位差分,2004.03.10,测绘基准,四、GPS应用,2004.03.10,测绘基准,应用前景 1 、GPS系统用途广泛 2 、多元化空间资源环境的出现（GPS/GLONASS/GNSS） 3、发展GPS产业 4、GPS 的应用将进入人们的日常生活 有人说过，只有我们想不到的，没有GPS做不到的。GPS 信号接收机在人们生活中的应用，是一个难以用数字预测的广阔天地，手表式的GPS 接收机，将成为旅游者的忠实导游。尽管目前大多数人还不知道什麽是GPS，但有人预言， GPS将改变我们的生活方式。今后，所有运载器，都将依赖于GPS。GPS就象移动电话、传真机、 计算机互联网对我们生活的影响一样，人们日常生活将离不开它。,2004.03.10,测绘基准,GPS给多种行业带来了革命性的技术变革,导航-精度大大提高、实时性和全天候、车辆实时管理调度授时校频-稳定度相当于铯钟测量应用三维定位一次完成全球统一的坐标系统作业效率提高、劳动强度大大减轻可完成常规方法不能完成的任务全天候、实时、高精度、高动态军事应用-沙漠风暴取得成功最重要的技术、弹道测定、炮兵定位、姿态测定,2004.03.10,测绘基准,GPS技术应用,一、GPS在大地控制测量中的应用 GPS定位技术以其精度高、速度快、费用省、操作简便等优良特性被广泛应用于大地控制测量中 。时至今日，可以说GPS定位技术已完全取代了用常规测角、测距手段建立大地控制网。 我们一般将应用GPS卫星定位技术建立的控制网叫GPS网。归纳起来大致可以将GPS网分为两大类： 一类是全球或全国性的高精度GPS网，这类GPS网中相邻点的距离在数千公里至上万公里， 其主要任务是做为全球高精度坐标框架或全国高精度坐标框架，为全球性地球动力学和空间科学方面的科学研究工作服务，或用以研究地区性的板块运动或地壳形变规律等问题。另一类是区域性的 GPS网，包括城市或矿区GPS网，GPS工程网等，这类网中的相邻点间的距离为几公里至 几十公里，其主要任务是直接为国民经济建设服务,2004.03.10,测绘基准,二、GPS在地形、地籍及房地产测量中的应用 用常规的测图方法（如用经纬仪、测距仪等）通常是先布设控制网点，这种控制网 一般是在国家高等级控制网点的基础上加密次级控制网点。最后依据加密的控制点和 图根控制点，测定地物点和地形点在图上的位置并按照一定的规律和符号绘制成平面图。 GPS新技术的出现，可以高精度并快速地测定各级控制点的坐标。特别是应用RTK新技术， 甚至可以不布设各级控制点，仅依据一定数量的基准控制点，便可以高精度并快速地测定界址点、 地形点、地物点的坐标，利用测图软件可以在野外一次测绘成电子地图，然后通过计算机和绘图仪、 打印机输出各种比例尺的图件。 应用RTK技术进行定位时要求基准站接收机实时地把观测数据（如伪距或相位观测值）及已知数据 （如基准站点坐标）实时传输给流动站GPS接收机，流动站快速求解整周模糊度，在观测到 四颗卫星后，可以实时地求解出厘米级的流动站动态位置。这比GPS静态、快速静态定位 需要事后进行处理来说，其定位效率会大大提高。故RTK技术一出现，其在测量中的 应用立刻受到人们的重视和青睐。,2004.03.10,测绘基准,三、GPS在航海航空导航中的应用 1. GPS航海导航应用 若按照航路类型划分、GPS航海导航可以分为五大类： 远洋导航； 海岸导航； 港口导航； 内河导航； 湖泊导航。 2.GPS航空导航应用 洋区空域航路 内陆空域航路 终端区导引 进场/着陆 机场场面监视和管理 特殊区域导航，如农业、林业等。,2004.03.10,测绘基准,四、GPS在海洋测绘中的应用,海洋测绘主要包括海上定位、海洋大地测量和水下地形测量。海上定位通常指在海上确定船位的工作。 主要用于舰船导航，同时又是海洋大地测量不可缺少的工作。海洋大地测量主要包括在海洋 范围内布设大地控制网，进行海洋重力测量。在此基础上进行水下地形测量，测绘水下地形图， 测定海洋大地水准面。此外海洋测绘的工作还包括海洋划界、航道测量以及海洋资源勘探 与开采（如海洋渔业、海上石油工业、大陆架以及专属经济区的开发）、海底管道的敷设、 近海工程（如海港工程等）、打捞、疏浚等海洋工程测量、平均海面测量、海面地形测量以外， 还有海流、海面变化、板快运动以及海啸等测量。,2004.03.10,测绘基准,五、GPS在航空摄影测量中的应用 近年来，GPS动态定位技术的飞速发展导致了GPS辅助航空摄影测量技术的出现和发展。从根本上解决常规方法 “第一年航空摄影，第二年野外控制联测，第三年航测成图”的作业周期长，成本高的缺点目前该技术已进入实用阶段，在国际和国内已用于大规模的航空摄影测量生产。实际表明 该技术可以极大地减少地面控制点得数目，缩短成图周期，降低成本。,2004.03.10,测绘基准,六、GPS在公安、交通系统中的应用 1、车辆GPS定位与无线通信系统相结合的指挥 管理系统； 2、应用GPS差分技术的指挥管理系统。,2004.03.10,测绘基准,七、GPS在军事领域的应用手持机在军队领域的应用 GPS在基地的应用 导弹跟踪测量 中、低轨卫星的轨道测量 航天器的轨道测量及返回控制 航天器的交会对接 靶场多目标测量 大地精确位置确定 测量设备的精度鉴定 高精度的时频基准 高精度测量数据的电离数据的电离误差校正 常规武器和电子靶场,2004.03.10,测绘基准,八、GPS在其他领域中的应用 农业领域中的应用 林业管理方面的应用 旅游及野外考察中的应用,2004.03.10,测绘基准,GPS应用,导航-海陆空导航、近场着陆，车辆跟踪、调度和管理、航空器和弹道制导监控授时校频测量应用各种等级的大地测量、控制测量、GIS道路和线路放样水下地形测量地壳形变、大坝和大型建筑物变形测量GIS应用大型机械控制-铺路机、挖掘机、轮胎吊等,2004.03.10,测绘基准,GPS最新应用实例,板块运动和形变监测（地震预报、大坝、大型建筑物监测等）高精度实时变形监测（隔河岩大坝、帝王大厦金马大桥)精密机械控制（挖土机、露天矿开采、轮胎吊)精密农业（耕作、播种、施肥)水上施工作业（水下地形测量、航道开挖、清淤.）船舶航行性能测试GIS应用电网、邮电、通讯等系统的时间同步.,2004.03.10,测绘基准,GPS单基站及VRS,2004.03.10,测绘基准,经典RTK,2004.03.10,测绘基准,RTK （Real Time Kinematic）定位原理,基准站位置已知，对卫星进行载波相位观测基准站电台将观测的每一颗卫星的载波相位观测量调制到电台的载波上发射传送流动站对卫星进行载波相位观测流动站接收基准站电台传送的载波相位观测量流动站利用OTF技术将电台接收到基准站的载波相位观测量和本机的载波相位观测量进行处理计算，求出观测时刻的位置特点：需要数据链进行实时传送载波相位观测量实时定位数据可达厘米级精度,2004.03.10,测绘基准,传统RTK碰到的问题,数据通讯信号受到遮挡,电台信号是一种直线传播的球面波，获得正常通讯的必要条件是接收端的天线与发射端的天线在直线上无显著遮挡物。而山区、密林以及城市中，诸多的地形地貌因素造成了发射端与接收端之间存在大量的遮挡，因而在传播线路上“切断”了电台信号。,基准站架站存在随机误差,单点定位每次都有米级的随机误差,2004.03.10,测绘基准,传统RTK碰到的问题,RTK的定位精度是P：10mm+1PPM，V：20mm+1PPM。精度随着距离的增加而线性降低。,精度随着距离的增加线性降低,初始化速度不理想,数据链不稳定，导致初始化速度不理想。,2004.03.10,测绘基准,+,?,精度？,初始化速度？,架站误差-先做静态、再做RTK,传统RTK碰到的问题，解决方法,船舶距离可以通过增加中继站？,2004.03.10,测绘基准,现在。,最新方法单基站无线网络通讯,Internet传播-没有地域限制-信号传输稳定,2004.03.10,测绘基准,消除自架基准站导入误差的不确定性，解决通讯信号被地形以及建筑物“切断”的问题，只要在手机信号的覆盖范围内，不论是山区、密林还是城市的建筑物。,单基站,2004.03.10,测绘基准,办公室里的基准站,单基站,更轻便的流动站,更远的距离（60Km以上）,2004.03.10,测绘基准,单基站,初始化速度有所提高数据链更加稳定基准站不存在随机误差未能解决的问题,2004.03.10,测绘基准,VRS,2004.03.10,测绘基准,比单基站还牛的VRS,2004.03.10,测绘基准,VRS虚拟参考站网络,参考站一,参考站四,参考站三,参考站二,用户,控制中心,虚拟参考站,控制中心连续收几个参考站的原始观测数据通过对所有基站数据处理消除周跳、减弱电离层、对流层、星历误差、多路径和噪声的影响建立动态数据库用户通过Internet向控制中心以NMEA格式发送用户位置信息控制中心为用户建立虚拟参考站控制中心以RTCM格式向用户发送虚拟参考站位置和模拟观测值用户用虚拟观测站数据进行RTK解算,2004.03.10,测绘基准,VRS结构示意图,NMEA,RTCM,2004.03.10,测绘基准,VRS结构示意图,NMEA,RTCM,2004.03.10,测绘基准,VRS结构示意图,Rover,Virtual Ref.,参1,参2,参3,参4,50-70Km,2004.03.10,测绘基准,VRS应用拓展,2004.03.10,测绘基准,VRS带给用户的好处,相对传统RTK，长基线精度大幅度提高。数据的可靠性也随之得到提高测量费用大幅度降低基站维护费用缩减到原来的三分之一更广的应用范围统一的坐标系相同的精度,VRS应用拓展,2004.03.10,测绘基准,VRS虚拟参考站应用,物探测量国土测量车辆控制水上测量气象测量,2004.03.10,测绘基准,谢谢大家,再见,