地面控制测量与控制点的建立
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发布时间：2022-04-21 18:44
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时间：2023-09-20 09:23
地面控制测量分为首级控制点加密和矿区控制点的测量。
（一）建立控制网的方法
建立控制网的方法主要有下列几种：
（1）三角测量方法。控制网构成三角形状，观测方向需要通视，三角网的观测量是网中所有通视方向的方向值。一二级三角点，按经纬度布设，采用线形锁观测计算，以后逐级加密。通过观测角度，推算各点坐标。在有了测距仪以后很少使用此方法了。
（2）导线测量法。选定相邻通视的一系列控制点，构成导线，直接测定相邻各边的边长和方向值，其最少条件是利用一个已知点的坐标和一条边的方位角，推算其他各点的坐标。导线可以有多种形式如：附合导线、闭合导线、单端定向导线、无定向导线等。
（3）三边测量和边角网测量。三边测量的观测量是三角形的所有边长，利用边长解三角形求得各点坐标。边角网则是观测部分边长和方向，利用已知点的坐标解算未知点的坐标。图形可以有中心多边形，大地四边形，线形锁等。全站仪出现后，单独的三边测量已经很少使用。
（4）卫星定位技术。在一定的观测时间内，利用两台或几台接收机固定在已知点上，其他多台定位在未知点上，一直保持跟踪观测卫星，利用已知点坐标和观测数据解求未知点的坐标。目前常用的卫星定位系统有美国的GPS系统、俄罗斯的GLO NASS系统、欧洲的伽利略卫星系统。
GPS是指美国的全球卫星定位系统（Global Positioning System，简称GPS），是20世纪70年代由美国陆海空三军联合研制的新一代空间卫星导航定位系统。其主要目的是为陆、海、空三大领域提供实时、全天候和全球性的导航服务。经过20余年的研究实验，全球覆盖率高达98%的24颗GPS卫星己布设完成，均匀分布在6个轨道平面上，轨道倾角为550，各轨道平面相距60°，运行周期11小时58分，轨道高度20000千米。用户在任何时间，任何地点均可收到至少4颗以上卫星信号。GPS卫星用L波段的两个无线电载波（L1=19厘米，L2=24厘米）向广大用户连续不断地发送导航定位信号（简称GPS信号）。每个载波用导航电文和测距码进行双相调制。导航电文包括卫星星历、时间、时钟改正、电离层延时改正和卫星工作状态信息等，是导航定位的数据基础，也称数据码（D码）。由导航电文可知该卫星当前的位置和卫星工作情况。测距码是伪随机码（PR N），分为粗码（C/A码）和精码（P码）。粗码用于捕获信号及粗略定位。精码用于精密定位，但由于美国的SA *，P码是保密的，禁止非特许用户使用。卫星飞越注入站上空时，接收由地面注入站用S波段（10厘米波段）发送到卫星的导航电文和其他有关信息，并通过GPS信号电路，适时地发送给用户。接收地面主控站通过注入站发送到卫星的调度命令，适时地改正运行偏差或启用备用时钟等。GPS卫星的核心部件是高精度的时钟（原子钟）、导航电文存储器、双频发射和接收机以及微处理机。GPS定位成功的关键在于高稳定度的频率标准。GPS信号接收机能够捕获到按一定卫星高度截止角所选择的待测卫星的信号，并跟踪这些卫星的运行，对所收到的GPS信号进行变换，放大和处理。以便测出GPS信号从卫星到接收机天线的时间，解释出GPS卫星所发射的导航电文，实时计算出测站的三维位置。
俄罗斯的“格洛纳斯”（GLO NASS）系统由27颗工作星和3颗备份星组成。27颗星均匀地分布在3个近圆形的轨道平面上，这三个轨道平面两两相隔1200，每个轨道面有8颗卫星，同平面内的卫星之间相隔450，轨道高度23600千米，运行周期11小时15分，轨道倾角56°。
欧洲的伽利略（Galileo）卫星，空间段由分布在3个轨道上的30颗中等高度轨道卫星（MEO）构成，每个轨道面上有10颗卫星，9颗正常工作，1颗运行备用；轨道面倾角56度，卫星高度24126千米。我国积极参与伽利略卫星的建设，2004年10月9日，双方签署了此项目的技术合作协议。地面段包括全球地面控制段、全球地面任务段、全球域网、导航管理中心、地面支持设施、地面管理机构。用户端主要就是用户接收机及其等同产品，伽利略系统考虑将与GPS、GLO NASS的导航信号一起组成复合型卫星导航系统，因此用户接收机将是多用途星。
此外，我国还有自己北斗星卫星系统，可用于导航，目前还不能用于高精度的测绘工作上。
卫星定位技术由于观测简便、精度高、速度快、费用省、观测点间不需要通视、气候影响小的特点，不需要爬高山、架设建造觇标，在全世界得到了广泛运用。本次矿业权实地核查控制的测量方法的出发点是使用全球定位系统（GPS）测量。
（二）首级控制点的加密
核查承担单位在划分测区的基础上，首先进行首级控制点的布测。测区首级地面控制网采用GPS全面网布设。
1.资料收集
核查承担单位收集1∶50000地形图作为计划用图，在没有1∶50000地形图的地方，可以使用1∶100000甚至1∶200000地形图。使用该图，查看道路交通情况、矿业权分布情况、控制点布设情况。控制点的收集主要是C级GPS点和一、二等三角点3～5个，最好带有1954年北京坐标、1980西安坐标和1985国家高程基准。使用3个已知点可以防止已知点错误，因为GPS从WGS-84坐标到地方坐标，两个起始点是没有办法发现已知点错误的。
2.点位密度的选择
首级加密的控制点级别应该是四等、D、E级GPS点。由于四等点边长放宽，密度掌握在每100平方千米一个点。这样根据矿业权的分布，每个测区很容易计算出需要的控制点数。有条件的地方尽量与矿区控制点公用。
3.选点和埋石
点位选择应考虑下列条件：点位应符合技术设计要求，有利于其他测量手段进行扩展与联测；点位的基础应坚实稳定，易于长期保存，有利于安全作业；点位应便于安置接收设备和操作，视野开阔，地平15°范围内不应有高大建筑物，点位应远离大功率无线电发射源，远离高压输电线50米；附近不应有强烈干扰接收卫星信号的物体，交通方便；原有标石和控制点应尽量利用。
综合考虑国家GPS规范、城建GPS规程、公路勘测规范等的要求，二等点的标石，宜埋设磐石和柱石，两层标石中心偏离小于2毫米，上层标石丢失后不影响平面的使用；GPS点埋设所占用土地，应经土地使用者或管理部门同意，尽量少占用耕地，必要时依法办理征地手续和测量标志委托书；点名应选取村名、地名、山名、单位名，无名称时可用GPS＋流水号命名。点位确定后应现场做好点之记。点之记格式见附录A、控制测量桩规格及埋设示意图见附录B。
特殊情况：引入矿业权范围的控制点、加密点其等级、控制量桩规格大小、布点位置不做具体规定，各地可因地制宜，以利于观测和长期保存为前提，根据具体情况布设。
4.仪器设备的技术要求
GPS接收机的选择应符合表4-12的要求。
表4-12 GPS接收机选择要求
GPS接收机的检验包括下列内容：一般检视、通电检验、实测检验。
一般检视：接收机及天线型号应正确，主机与配件应齐全。接收机及天线外观应良好，各部件及附件应完好，紧固部件不得松动和脱落。设备使用手册及后处理软件手册应齐全。
通电检验：电源信号灯应工作正常，利用自测试命令进行测试，检验接收机锁定卫星时间快慢，接收信号强弱和失锁情况。
实测检验：接收机内部噪声水平测试。接收机天线相位中心稳定性的检验。接收机不同精度指标的测试，应在不同长度的标准基线或标准检定场上进行。高温、低温测试。天线基座的光学对点器在作业中应经常检验，确保对中的正确性。实测检验可交由测绘仪器鉴定机构进行，确保仪器的使用在有效试用期内。
5.GPS观测
GPS观测应符合表4-13要求。GPS各等级的点位几何图形强度因子PDO P值应小于6。有些仪器是不可见的，传输数据后，如果达不到要求，不能进行基线解算。
GPS观测仪器操作要求如下：天线对中误差≤3毫米，天线整平，圆气泡应居中；天线定向标志指向正北，误差不超过±5°；需要在觇标基板上安置天线时，需将标志中心投影到基板上，按投影点中心安置天线；接收机电源电缆和天线电缆应连接无误，接收机初始化正确可启动接收机进行作业；每段开机前，量取天线高，及时输入测站名，关机后应再量天线高作为校核，互差大于3毫米，取两次平均值作为最后结果；进入作业后，应查看接收卫星号，信噪比，实时定位结果；作业期间，作业员不得离开现场，不得在接收机旁使用对讲机，防止其他人和物体靠近天线，遮挡信号，雷雨过境关机停测；一个时段中不得改变数据采样间隔，不得改变天线位置，不得删除文件。
表4-13 GPS观测要求
在GPS观测时，要进行观测记录。记录内容包括测站点及编号、接收设备、观测时间、时段号、近似位置、天线高。接收设备包括接收机类型及号码；观测时间包括开始与结束记录；近似位置包括近似经度、纬度、大地高；天线高包括测前、测后的高度平均值；观测状况包括电池电压、接收卫星号码、信噪比。在记录时，原始观测值现场记录，字迹清楚、不得涂改，对于现场不可见内容允许后补；在数据传输后，应将记录内容写入数据中；接收机内存文件，卸到外存介质。记录表格式见附录C。考虑到很多单位使用国产接收机，一些条目无法在现场填上，在这种情况下可采用表4-14格式。
表4-14 GPS外业观测记录手簿
6.网平差
（1）基线解算
使用随机商业软件进行基线解算，可采用双差相位观测值，对于边长超过30千米的基线，也可采用三差相位观测值。基线解算中的起算点坐标，按以下顺序优先采用：国家C级以上GPS网的WGS-84坐标；国家或其他高级控制点的转换到WGS-84坐标系的坐标；不少于30分的单点定位平差值提供的WGS-84坐标。在多台接收机同步观测的同步时段中，可采用单基线模式解算，也可以只选择独立基线按多基线处理模式统一解算。根据基线长度不同，可采用不同数学处理模型，8千米以内基线使用双差固定解，30千米以内在双差固定解和双差浮点解中选取最优结果，30千米以上可采用三差解作为最终结果。
无论采用单基线模式或多基线模式解算基线，都应在整个GPS网中选取一组完全的独立基线构成独立环，各独立环的坐标分量闭合差应符合下式的规定：
全国矿业权实地核查技术方法指南研究
式中：n为闭合环边数；σ相应级别的精度（按实际平均边长计算）。
全国矿业权实地核查技术方法指南研究
式中：w为环闭合差。
采用单基线处理模式时，对于采用同一种数学模型的基线解，其同步时段中任一三边同步环的坐标分量相对闭合差和全长相对闭合差不宜超过表4-15的规定。
表4-15 同步环坐标分量及环线全长相对闭合差的规定
复测基线的长度较差，不宜超过下式的规定：
全国矿业权实地核查技术方法指南研究
当各项质量检验符合要求时，应以所有独立基线做成闭合图形，以三维基线向量及其相应方差协方差阵作为观测信息，以一个点的WGS-84三维坐标作为起算依据，进行WGS-84网的无约束平差。无约束平差提供各点在WGS-84坐标的三维坐标、各基线向量三个坐标差观测值总改正数、基线边长及点位和边长的精度信息。此坐标为近似坐标，如需要准确WGS-84坐标还需要在WGS系统下进行三维约束平差，此时输出坐标为经纬度和大地高，可以换算为地心坐标。在无约束平差的基础上，进行1980西安坐标系的三维约束平差或二维约束平差。约束平差中，基线向量的改正数与无约束平差结果的同名基线相应改正数的较差应符合规范要求。提供1980西安坐标系成果。使用地方坐标系的还应在地方坐标系进行三维或二维约束平差。输出地方坐标系的三维坐标，基线限量改正数、基线边长、转换参数等信息。
（2）平差
一般机器在无约束平差时都可自动选择起始点。这一规定是GPS网平差第一步是必须进行一个三维无约束平差，通常以一个点作为无约束平差的起算点，实际上是对网的一个位置约束，它与完全无约束的秩亏自由网平差是等价的（通过坐标转换将初始坐标系下的特解转换得到任意坐标系下的通解，秩亏自由网平差最优解实质是基于近似值所确定的基准下的最优解），通过平移变换可相互转换。无约束平差的观测量是独立基线向量及其方差协方阵差，待定未知数是控制点的WGS-84坐标。无约束平差的目的一是提供全网WGS-84系统的三维坐标，这些坐标是进一步加密控制点的依据，二是考察GPS网有无残余的粗差基线向量及其内符合精度。因此，进行无约束平差的软件应有剔除粗差基线的能力。为了检验精度的可靠性应输出各基线向量的改正数、基线边长、方位、点位的精度信息。无约束平差的基线向量各分量改正数反映了GPS网内部符合精度，是不受起算数据误差影响的。约束平差后，同名基线在无约束平差和约束平差中的改正数过大，说明起算数据误差引起GPS网变形为了不降低GPS网的精度，满足GPS网最弱边相对中误差的规定，两类平差法的改正数较差，经估算去2σ是最适宜的。
约束平差可在二维或三维下进行。GPS网在国家坐标系下的约束平差是因为要引入1954年北京坐标系或1980西安坐标系的已知数据，在三维方式中观测量是经三维约束平差检验过的原始基线向量，约束量是三维大地坐标或三维直角坐标，在二维方式中观测量是已经转换投影到国家坐标系的高斯平面二维基线向量及其转换后的方差协方阵差，约束量是平面坐标系中的点的坐标，约束可以是强制约束，所有数据的约束值作为固定值参与平差，不顾及这些数据的误差。约束也可以采用加权的方式，顾及不同点的精度。也可以使用部分点约束查看其他已知点的结果，精度好，都加进去约束，精度不好，换另外点约束选取最好结果。不需要准确大地高时采用二维平差。需要大地高的要在WGS-84坐标系下进行三维约束平差，起始点必须是准确的WGS-84坐标，点数视测区大小而定。如要进行似大地水准面精化则必须作这一步。国家和省级似大地水准面模型掌握在测绘局，我们得到的大地高必须是准确的，其他无约束平差成果的大地高都是不可用的。
（3）高程拟合
利用GPS网数据，用已获得的水准高程点，进行高程拟合，一般起算点应不少于6个，已知点的分布50平方千米有1个已知点，当已知点个数不足时，可采用全站仪中间水准法，将水准点引向所求点，使起算点的个数不少于3个。在拟合区域较大时也可以采用分区拟合法，将整个GPS网分为若干个区域，利用各区域中各点高程异常值，确定他们的正常高。
对于有CQ G2000似大地水准面模型条件的，根据网平差结果，结合CQ G2000似大地水准面模型，通过内插方法得到各点的高程异常值，然后利用各控制点的大地高减去高程异常值获得相应的正常高（1985国家高程基准）。
（三）已有控制网的检查
测区地面控制网一般采用GPS全面网布设，以前使用的三角网、边角网、测边网和导线网布设的控制网可以继续使用。在实地核查的矿种中，煤矿在我国北部、西部等产煤大省占有相当大的比例，而煤矿区过去的测量基础比较好，控制网基本布设完整、精度符合要求。这部分没有必要做重复工作，实地核查可直接利用。由于受过去测量技术的*，测量的精度有的可能不合要求，另外煤矿开采形成许多塌陷区，控制点移动可能性很大，再就是过去不要求1980西安坐标系，所以需要做的工作是把过去的控制点重新联网检查，求取1980西安坐标值。必须强调，即使从国家档案抄取的控制点密度符合要求也必须联网检查，绝不可只找到两个点就直接使用，必须保证控制点的正确，起算点不得少于3个。
（四）矿区控制点的建立
1.点数和精度
基础控制的目的是为了向矿区引入控制点。每个矿业权布设2～3个控制点，已有近井点可以包括在内，精度不低于一级导线。对于范围较大的探矿权和露天采矿权应适当增加控制点个数，控制点精度不低于四等；对于地热、矿泉水以及范围较小的砂石、粘土矿等矿业权，可以根据实际情况降低要求，多个矿业权可以共用一组控制点。
一般矿区要求2个控制点。为了防止点位破坏、便于恢复，要求3个增加了保险系数。正规矿区，尤其是井下采矿权一般都有近井点，规定可以使用，减少了这部分矿的埋石工作量。井下采矿权由于有井下贯通的要求，控制点的精度要求较高，按一级导线要求，1∶20000相当于过去5″点的精度，高程精度在于要保证相邻点的相对精度不低于2厘米。砂石、粘土由于有效期限短，可以放松到二级导线精度，1∶10000相当于10″点的精度，控制点的高程精度控制在15厘米以内，这在使用GPS拟合高程的情况下非常容易做到。
较大的探矿权和采矿权，有的面积大于几百个平方千米，相当于基础控制的范围了，2～3个点控制不住，需要增加点数，提高精度，所以按基础控制的布设精度、密度要求。
2.点位要求
除了基础控制的点位要求以外，矿区控制点要求至少有一个通视方向，矿区控制点为了测图和向井下导入坐标使用，必须有通视方向，井下GPS是没有接收信号的。离开井口不宜超过20米，一般位于工业广场内。成果要求提供3°带成果，是因为实地核查图比例尺都在1∶10000以上，需要按3°带投影。
3.联测的方法
矿区控制点联测的方法大体上有3种：一是测区统一计划，在完成基础控制的同时，完成向矿区的引点工作；二是在完成基础控制之后或是原控制网可以使用的情况，采用快速静态向矿区引点；三是使用RTK的方法向矿区引入控制点。基础控制点位间边长放宽到10千米，就是为了使用RTK方法完成矿区控制点的联测。RTK的精度统计如表4-16。
表4-16 RTK精度统计
根据上表统计的情况，规定RTK的边长不超过10千米。在山区能达到10千米的条件较少，为了保证控制点的精度，防止粗差的办法是不同时间多次测量，主机换站时重复部分点，其结果取中数使用。
