CN114384549A - 一种工程控制网的布设方法和优化思路 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于GNSS接收机的城市区域GNSS控制网优化设计的方法，该方法不仅能准确的提高GNSS控制网的测量效率和精度，而且更能在有限的条件下做到最大的优化程度。该方法主要包括：在测区控制区域内，选定GNSS控制网点位；设计并优化调整GNSS控制网型结构；进行高效的野外作业测量；对GNSS控制网进行约束平差，分析观测数据成果各指标，评价设计的网型结构并做出决策方案。在本发明中，可通过设计思路和方法，得到最优方案的设计图。在同一个GNSS控制网中，既可以得到三维坐标，又可以得到各点位的精度和效益指标。
Description
技术领域
本发明涉及测量工程技术领域，尤其涉及一种基于GNSS工程网的优化布设方法和优化思路。
背景技术
目前,GNSS技术与人类生活联系的越来越紧密，而测量技术更是进入了GNSS的时代。由于测量理论基础日益完善，硬件使用成本也日益低廉，GNSS测量方法技术正逐步发展取代目前传统的三角测量方法。GNSS测量卫星定位系统技术因为它们的测量效率高、精确性好、速度快、操作简便、没有距离的限制、可全天候进行作业和高自动化数据处理能力等优良特性，使GNSS测量技术在城市建设领域得到了广泛的应用。
在传统的高程控制领域，由于GNSS高程测量只能获得大地高，无法得到准确的正常高这个原因,而不能很好地起到高程控制的效果，导致目前的正常高的测量只能通过传统的几何水准测量的方法。但是几何水准测量方法存在着很多的问题，其一就是需要花费大量的外业成本和时间，其二是长时间在野外工作，测量任务较为繁重，并且较为危险，尤其在地形复杂、高差较大的地区，而且容易产生偶然误差和系统误差。目前通常在工程测量中把GNSS的测量和水准测量相互地结合，一起使用,根据获取的GNSS控制网络数据，将较大区域的检测区间分解为一定数量的小区间，在局部小区间中直接进行GNSS的高程模型拟合，求得高精度的高程异常值，从而可以获得较高精度的正常高。各类高程拟合方法均在实际的应用中取得了一些成果，但同时也都存在一些缺点。有些方法计算较为复杂、有些方法在某些区域精度不高、有些方法与现场实际情况不太吻合，故不能被很多测绘单位以及施工企业广泛使用。
优化设计是控制网设计过程中的一个的重要部分，其目标就是保证工程在花费了尽可能少的人力、物力、财力等基础上，使控制网络能够具备尽可能高的的设计精度与可靠性。传统方法是通过技术人员的经验去设计网络，这种形式具有主观性，不具有推广性及严密性，可能会导致网络结构精度不够或过于繁琐，导致浪费人力、物力、财力。所以所谓的控制网的优化的根本就是在保证网络精度可靠性的前提下，从控制网的理论角度发，设计出经济效益较好，后续数据处理工作量较小的网形。目前我国控制网中的零类设计方法研究比较多，随之而来获得的研究成果也就很多，但是其他几类设计的研究进展就非常缓慢了，主要是因为优化设计与地形条件的关联性很大，受其影响就很大。目前控制网的优化设计方法还主要依靠的测量人员的测量工作经验来设计。随着时代发展及科学的进步，这种方法已经显得越来越不适合这个时代，所以对GNSS控制网优化设计也就越来越迫切。
发明内容
本发明为工程测量网的布设提供一种方法和优化思路，能够在布设的控制网测区内，提供相对精度较高的平面坐标，也能得到海拔高程。
本发明采用的方法是选用边点混连式作为控制网优化设计的主体网型结构，选用静态相对定位法。整个GNSS控制网设计的应用场景主要在城市的小区域内，控制在一定成本内达到精度最优。而在一定区域内使布设的GNSS控制网达到最优化，必须考虑几个因素：首先使整个控制网的精度问题，主要是各个点位中误差的大小以及网型结构的强度；其次是GNSS控制网的可靠性；最后是整个GNSS控制网的效率，即经济效益是否在可控的范围内。因此，本次GNSS控制网的设计主要围绕以下几个指标去进行优化。
精度指标：指控制网整体误差的分布离散程度,一般主要通过临近点间弦长的标准差方式进行表示或者未知点参数的方差或协方差进行分析描述。通过均方根误差RMS来衡量基线解算的质量和各个点位的精度指标。
即
其中V为观测值的残差；P为观测值的权；n-f为观测值的总数减去未知数的个数。RMS表明了观测值的质量，RMS越小，观测值质量越好，反之，表明观测值值质量越差。
可靠性指标：GNSS控制网的可靠性指标是分析模型误差而提出的理论概念,包括内部可靠性、外部可靠性。内部可靠性代表该网自身能够发现粗差的能力；外部可靠性代表控制网能够抵抗残存粗差影响的能力。在进行GNSS控制网优化设计中,一般用观测值的多余观测分量(又称可靠率)对控制网的可靠性进行评定。基线网形的可靠性指标用多余基线和独立基线数的比值表示，GNSS控制网随着网形结构的变化，其可靠性也会发生变化，可靠性的数量指标可以用多余观测基线数J多多与独立观测基线数J独的比值η来表示，即：
η＝J多/J独
式中：η：可靠性指标；J多：多余基线条数；J独：独立基线条数。
经济性指标：在进行GNSS控制网的优化设计时不仅要考虑精度和可靠性,也要注重经济性。为了满足控制网的精度以及可靠性,在经济上也应尽量合理,使控制网满足经济上的指标。在平时测量时,进行GNSS控制网的优化设计的经济成本一般含有建站、观测和后期计算的费用,但是在设计阶段只要求建站和观测所花费费用。所以主要通过提高效率指标来节省开支。效率越高，所用的花费也会越少。
在进行GNSS网的设计时，采用效率指标来衡量某种网设计方案的效率。衡量网形的效率用所需观测期数与设计观测期数的比值表示，即：
式中：e：效率指标；Smin为理论最少观测期数；Sd为设计观测期数。其中
此式中：R：平均重复设站率；m：接收机数；n：GNSS网的点数；INT()为凑整函数，INT(x)≥x。
控制网布设的具体方法和流程如下：
(1)进行测区的实地勘察，对整个测区环境和地物地貌分布有所了解；
(2)根据测区情况以及实际需求，进行测区内选定GNSS控制点并做好点之记，两点之间控制在100米以内，控制点的个数可根据实际需求，若无要求，选取的点应均匀分布整个测区。而在控制网选点时需考虑点位的周边情况，尽量避免遮挡物较多或者大面积水域的地区，使接收机保持同时跟踪至少4颗以上的卫星。
(3)完成控制点的选取以后，再根据实际选点进行GNSS控制网的方案设计，如果某些点需要更高的精度，那么在设计方案时需要将此点连接更多的基线，或者可采用三角网或者导线网等形式以尽可能增强网的几何图形强度。设计的方案使用边点混连式，观测时段数不同时，所得的各个点位精度也会产生不同。观测时段数的计算公式为观测时段数：C＝n·m/N，C为观测时段数，n为网点数，m为每点设站次数，N为接收机数。当观测时段越多时，整体的点位精度越高，但不是很明显，所以在小区域工程测量中可综合考虑因素，合适的增加观测时段以使网型结构完整，提高点位精度，但如条件限制也可减少观测时段以节省成本。
(4)设计好GNSS控制网后运用GNSS接收机进行实地观测，每个观测时段至少需要3台GNSS接收机，并且需要将接收机进行对中整平操作，测量期间不可移动，每个观测时段测量时间为30分钟-60分钟时。
(5)等所有观测完成后，将数据导出，保存到电脑。运用南方GNSS数据处理软件HGO对外业观测数据进行基线解算、二维平差、三维平差和网平差计算等处理，获得各网形的平差报告。注意剔除不合格的基线和输入正确的高度角和仪器高。
具体实施
为了便于说明整个优化设计方案方法和流程，下面结合附图详细说明本发明的实施情况，但它们并不构成对本发明的限定，仅作举例而已。同时通过说明使本发明的优点更加清楚和容易理解。
本发明所述的一种工程控制网的布设方法和优化思路，具体内容如下：
以滁州学院南校区控制网为例，根据E级GNSS控制网规定，选用3台GNSS接收机，采用静态相对定位作业模式。
根据本发明所述的方法和思路，在地势呈东低西高的长方形测区内进行布置了17控制点，其中2个已知点，15个待测点。选择的控制点已避开高楼，尽量选在视野开阔的地方。在测区的卫星图像上将各个点位标出并进行GNSS网型的设计，为了特意提高11号点和13号点的精度，因此使这两点有更多的基线连接，设计方案如图1所示。
为了验证本方法和思路的正确性，又随机设计了四种方案进行指标的结果对比。设计方案如图2至图5所示。
将五种设计方案按照观测标准规定进行测量后，进行基线解算、三维平差、二维平差和网平差计算等处理，最终可将结果汇总得到网平差报告。统计所得结果如图6所示：
从图6可知，A方案在利用本发明的控制网布设方法和优化思路后，使局部点(可根据实际需求确定)精度最优，剔除不合格的基线后，闭合差也在合格的范围内，且在经济指标不超标的情况下，能达到精度和效率、可靠性指标方面的最优化。
将GNSS控制网的布设最优化，关键在于指标的控制。本发明中，充分考虑到GNSS控制网优化设计的关键问题，将精度、效率、经济和可靠性实现平衡考虑，而且可根据实际情况做出调整，改变了平面控制网设计单一且耗时费力的传统模式，为工程实施的优化设计提供了新的思路。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述的原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
附图说明
图1 A方案GNSS优化设计图
图2 B方案GNSS优化设计图
图3 C方案GNSS优化设计图
图4 D方案GNSS优化设计图
图5 E方案GNSS优化设计图
图6各方案指标结果汇总表
Claims (6)
1.一种基于GNSS工程网的优化布设方法和优化思路，其特征在于，其具体步骤为：
步骤1：进行测区的实地勘察，对整个测区环境和地物地貌分布有所了解；
步骤2：根据测区情况以及实际需求，进行测区内选定GNSS控制点并做好点之记。
步骤3：根据实际选点进行GNSS控制网的方案设计。
步骤4：运用GNSS接收机进行实地观测，测量期间不可移动，每个观测时段测量时间为30分钟-60分钟。
步骤5：利用所述的控制点坐标，对GNSS控制网进行约束平差，得到所述的控制网点的工程应用坐标。
2.根据权利要求1所述的基于GNSS工程网的优化布设方法，其特征在于，所述的进行GNSS控制网的方案设计的步骤为：
步骤1：确定重点提高精度的控制点的点位，若无则选择整个区域的若干等份点，以此点位为设计起点，让此点连接更多基线，向外增加观测时段。
步骤2：根据精度指标、可靠性指标和效益指标确定整个观测时段，观测时段数的计算公式为观测时段数：C＝n·m/N，C为观测时段数，n为网点数，m为每点设站次数，N为接收机数。
步骤3：按照实际地形条件的限制，确定边连式和点连式的个数，将整个设计图在卫星图上标出。
3.根据权利要求2所述的优化GNSS控制网的步骤，其特征在于，在所述精度指标中计算均方根误差RMS：
即
其中V为观测值的残差；P为观测值的权；n-f为观测值的总数减去未知数的个数。RMS表明了观测值的质量，RMS越小，观测值质量越好，反之，表明观测值值质量越差。
4.根据权利要求2所述的优化GNSS控制网的步骤，其特征在于，在所述可靠性指标中计算可靠率η：
η＝J多/J独
式中：η：可靠性指标；J多：多余基线条数；J独：独立基线条数。
5.根据权利要求2所述的优化GNSS控制网的步骤，其特征在于，在所述效益指标中计算网型的效率e:
式中：e：效率指标；Smin为理论最少观测期数；Sd为设计观测期数。其中
此式中：R：平均重复设站率；m：接收机数；n：GNSS网的点数；INT()为凑整函数，INT(x)≥x。
通过效率指标e来从一个方面提高整体的经济效益指标。
6.根据权利要求1所述的优化GNSS控制网的步骤5，其特征在于，在计算得到网平差后的坐标步骤为：
步骤1：将获取的GNSS观测数据进行预处理，剔除粗差以及不合格的基线。
步骤2：对经过预处理后的GNSS观测数据进行基线解算、二维平差、三维平差和无约束网平差计算处理。
步骤3：计算效率指标和观测时段数乘以单次观测时段数的花费，再加上交通费，得到相应方案的经济指标费。
步骤4：将所有指标汇总，综合进行分析评价GNSS控制网的质量。
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