大地测量课程设计

中国矿业大学

China University of Mining and Technology 《应用大地测量学》课程设计

姓名：pp

班级：测绘13级

学号：

指导教师：

中国矿业大学环境与测绘学院

2016-12-17

大地测量学课程设计目录

———卫星遥感影像图控制网设计书

一、卫星遥感影像图控制网设计任务书—————————————3

二、测区概况简述——————————————————————3

三、已有资料的分析利用----------——————————————3

四、坐标系统的选择及处理方法的论证、起始数据的配置和处理——5

五、平面控制网布设方案———————————————————5

六、水准高程控制网布设方案—————————————————10

七、技术依据及作业方法———————————————————12

八、工作量综合计算及工作进程计划表—————————————17

九、装备、仪器、器材及经费预算———————————————17

十、上交资料清单——————————————————————18 附：matlab精度评定代码———————————————————19

一、任务书

对选定的一幅卫星遥感影像图，面积约100-200平方千米，标定一直控制点，设计测绘地形图（1:5000）工程所需控制点，按课程设计大纲进行控制网设计。

二、测区概况简述

1．地理概况

本测区中心位置为东经117°，北纬34°。测区地面高程为+30～+200m ，大部分地区为平原地势较为平坦，小部分地区为丘陵湖泊，有一定的高低起伏。 2．交通情况

测区位于城镇地区，道路较多且四通八达，交通非常方便。 3.气候情况

测区地区气候温和，雨量适中,具有寒暑变化显着、四季分明的特征，日照时数以夏季最多，冬季最少，由于受季风气候影响，降水充沛，年降水量724-1210毫米,宜于野外作业时间为3～11月份，年平均作业时间利用率为21天/月。 4．居民及居民点

测区内为城镇居民点，人口较多交通发达，建筑密集，测量作业所需人力、物力、财料及食宿均可就地解决。

三、已有资料的分析利用

1．三角网和高程网成果及其精度

测区内及附近有国家D 级GPS 网点三个：D026，D027 ，D032，施测时间不详，作业所依据的规范为《工程测量规范，GB50026-2007》，三点标石保存完好。坐标系统为1980年西安坐标系，三度分带，中央经线为东经117°，1985年国家高程基准。

2.已知点高斯平面坐标和水准高程如下表示： 点名 X/m Y/m H/m 备注 D026 3789007 39515904 182.514 1980年西安坐标系

高斯投影L0=117° 1985国家高程基准 D027 ******* 39523933 39.364

D032 3783507 39519836 143.858

3.卫星遥感影像图资料：

4.成果的分析利用：

收集测区原有资料，了解作业单位、作业时间、执行规范、平差方法等。注意要点：起算边长的选择问题、起算方位角的选择问题、考查原有控制点点位的可靠性、针对本次控制网服务的目的作出原有成果的利用方案、测区内有没有国家高级点可以利用。

四、坐标系统的选择及处理方法的论证、起始数据的配置和 处理

坐标系统选择国家统一坐标系统：根据已有资料的分析，经过坐标转换，原工程区域位于高斯投影三度分带，中央子午线为117°，高程为1985年国家高程基准，所以选择国家统一坐标系统。

12()/2m Y Y Y =+，12()/2m H H H =+

经过计算可得：m Y =10757m ，m H =110m; 故长度综合变形

25(0.0012315.7)10y H S

δ

-=-=1/63000<1/40000. 所以直

接采用3度带国家高斯投影。

五、平面控制网布设方案：

控制网的设计

1.E 级GPS 控制网的设计：

（1）首级控制网的等级与要求精度及测区面积有关，根据已知点确定比例尺，估算面积，确定首级控制网等级和点数，S 为平均边长，Q 为单个点所控制的面积：

（2）考虑到工程地区大都采用GPS 网作为首级控制网，结合本次任务测区内际情况，选择平均边长为2.5km 。按E 级GPS 网的主要技术要求布设，在布设过程中，需要注意的是，最长边与最短边的差距不可过大，以免产生较大的误差，另外虽然GPS 测量时不要求相邻点之间通视，布网方式也非常灵活，但考虑到加密导线测量的需要，每个GPS 点应与相邻的1～2个点通视。

（3）对测区的地形地貌有了一定的了解后，选择合适的GPS 控制点，E 级GPS 网点共选取12个点（1～12），D 级GPS 网点共三个（D026，D027，D032）为已知点，GPS 接收机用4台，分为8个异步环来进行观测，网型布置如下：

基线中误差是按照222()a b D σ=+?计算。（a=10mm b=20ppm ），估算最弱点的精度。

（4）采用arcmap 软件可以将控制点各个未知点的高斯平面近似坐标，以及大地坐标的近似值得出：

2

87.0S Q =

编号X/m Y/m B/°L/°

-1 3789007.06 515903.926 34.228357 117.172612 -2 3790003.054 523933.023 34.237182 117.259782 -3 3783507.111 519835.4 34.178708 117.215155

1 3790663.694 518226.29

2 34.242967 117.198196

2 3790266.819 521290.17

3 34.239617 117.231102

3 3788917.441 519543.919 34.227487 117.212116

4 3788203.06

5 522179.174 34.220994 117.240699

5 3787615.688 517654.79 34.21578

6 117.191586

6 3787075.93

7 524004.803 34.210793 117.26048

7 3786567.936 515337.036 34.206377 117.166416

8 3786409.186 519702.669 34.204872 117.213782

9 3784916.933 517432.54 34.19146 117.18912

10 3785583.684 522337.925 34.197377 117.242354

11 3784774.058 524496.929 34.19003 117.265755

12 3783567.555 522576.05 34.179197 117.244885 各基线的边长：

编号SHAPE_Length

-1-1 2842.508865

1-3 2137.241563

3-5 2299.414899

-1-5 2293.443522

-1-7 2526.952901

7-9 2727.596592

5-9 2709.240569

5-8 2341.446081

-3-8 2888.745519

-3-9 2743.104564

2-3 2197.187006

3-4 2719.268359

4-10 2606.600924

3-8 2528.170507

8-10 2726.487586

-2-2 2622.841548

-2-4 2513.546864

-2-6 2944.296665

6-10 2250.56225

10-12 2065.585062

-3-12 2756.054704

6-11 2335.08716

11-12 2272.071463

2.一级加密导线网的设计：

（1）加密控制点设计为一级导线，取E级GPS控制点为已知点进行附和导线设计，导线的平均边长为500m左右，观测方法采用全站仪按照规范要求测角，测边，估算最弱点中误差，以5cm为限，网型如下图所示：

（2）采用arcmap软件可以加密导线各个未知点的高斯平面近似坐标，以及大地坐标的近似值得出：

编号X/m Y/m B/°L/°A1 3790389.559 518692.952 34.240774 117.202912

A2 3790459.409 519156.503 34.241395 117.207945

A3 3790287.959 519588.304 34.239841 117.212629

A4 3790351.459 520096.305 34.240404 117.218144

A5 3790186.359 520502.706 34.238908 117.222552

A6 3790319.709 520864.657 34.240103 117.226484

控制网的精度估算

1.E级GPS控制网的精度估算：

利用matlab精度评定后三维空间直角坐标点位精度：最弱边的相对中误差按下公式计算

σ

=

+

Dx+

Dy

Dz

最弱=0.06mm<5cm

各基线的相对精度（三维）

三维站心直角坐标点位精度

2.一级加密导线网的精度估算：

按照我国《工程测量规范》的规定，一级导线控制网测角中误差为4″，测距中误差为10mm，测距相对中误差为1/70000，每千米中误差为10㎜。选σ=4″。运用MATLAB软件编程进行精度估算，下表为精度估算的取单位权0

结果：

B矩阵

Qxx矩阵

最弱点的点位误差：σ=4.22cm<5cm，符合工程控制网规范要求，加密控制网设计合理。

六、水准高程控制网布设方案：

水准高程控制网的设计

测区内有三个已知高程点D026，D027和D032（1985国家高程基准），按照工程控制测量规范要求，设计布设了一个四等闭合水准路线，通过arcmap软件画图测量相邻水准点间的的距离，共有12加密水准点和三个已知水准点，平均1～

2km一个水准点。布设时需要注意的是，考虑到具体测量操作时会遇到的问题，水准路线最好沿道路两侧布设，设计水准路线如下图：

、

水准高程控制网的精度估算

按四等水准测量要求规范，选取每千米差中误差10mm为单位权中误差，根据matlab软件计算，系数矩阵B如下，

各个点的高程的协因素阵Q

为：

XX

最弱点Q=2.0369， =1.4cm，估算最弱点高程中误差<=2cm，满足精度估算要求，因此设计较为合理。

七、技术依据及作业方法

现行测量规范

（1）全球定位系统（GPS）测量规范，GB/T 18314-2009。

（2）全球定位系统城市测量技术规程，CJJ73-97。

（3）工程测量规范，GB50026-2007。

（4）城市测量规范，CJJ8-99。

（5）国家一、二等水准测量规范，GB12897-91。

（6）国家三、四等水准测量规范。GB12898-91

（7）《1:500 1:1 000 1:2 000地形图图式》GB/T20257.1-2007；

标石图

仪器的选择及检验项目要求

所用仪器：GPS单频接收机，DS3水准仪，全站仪

检验项目要求：

水准仪的光学测微器效用正确性的检验和分划值的确定

视准轴与水准轴相互关系的检验

水准尺检验：水准尺分划面弯曲差的检验

水准标尺每千米分划间隔真长的测定

一对水准标尺零点差及基，辅分划读数差常数的测定

观测方法及各项限差

GPS网观测方法：

1）观测组应严格按调度表规定的时间进行作业，以保证同步观测同一卫星组。当情况有变化需修改调度计划时，应经作业队负责人同意，观测组不得擅自更改计划。

2）接收机电源电缆和天线应连接无误，接收机预置状态应正确，然后方可启动接收机进行观测。

3）各观测时段的前后各量取天线高一次，两次量高之差不大于3mm。取平均值作为最后天线高，记录在手簿。若互差超限，应查明原因，提出处理意见记入手簿备注栏中。

4）接收机开始记录数据后，作业人员可使用专用功能键选择菜单，查看测站信息、接收卫星数、卫星号、各通道信噪比、实时定位结果及存贮介质记录情况等。

5）仪器工作正常后，作业员及时逐项填写测量手簿中各项内容。

6）一个时段观测过程中不得进行以下操作：关闭接收机以重新启动；进行自测试（发现故障除外）；改变卫星截止高度角；改变数据采样间隔；改变天线位置；按动关闭文件和删除文件等功能。

7）观测员在作业期间不得擅自离开测站，并防止仪器受震动和被移动，防止人和其它物体靠近天线，遮挡卫星信号。

8）接收机在观测过程中不应在接收机近旁使用对讲机和手机等通讯设备；雷雨过境时应关机停测，并卸下天线以防雷击。

9）观测中应保证接收机工作正常，数据记录正确，每日观测结束后，应及时将数据下载到计算机硬、软盘上，确保观测数据不丢失。

GPS网的主要技术要求：

级别平均距离(km)a(mm)b(1×10-6)最弱边相对中误差E级2～10≤10≤201/40000

导线网观测方法：

1）利用全站仪，用测回法观测水平角并及时进行上下半测回的检验

2）导线边进行距离测量，读出距离读数

3）利用水平角及导线边长度，并通过平差出计算控制点坐标

导线网技术要求：

导线施测采用三联脚架全园观测法施测，水平角观测的技术要求按《工程测量规范 GB 50026-93》2.3.1~2.3.10执行。

等级仪器等

级

测回

数

左+右-360之

差/’’

上下半测回之差

/’’

测角中误差

/’’

方位角闭合差

/’’

一

级

I级 2 ≤±10 ≤±10 ≤±5 ≤±10

导线平均长度/km 测距中误差

/mm

相对误

差

导线全长闭合差

0.5 ≤±15 ≤

1/30000

≤1/14 000

概算内容和平差方法

GPS控制网的概算：

数据处理及基线解算，观测结果的外业的检核。

导线测量概算得主要内容：

作业测量观测数据的检查，将观测值划算到标石中心，将观测值划算到椭球面上和高斯投影平面上。

水准测量的概算得主要内容：

观测高差各项改正数（包括水准标尺每千米长度改正数，水准面不平行改正数）的计算和水准点概略高程表的编制。

导线控制网，水准网采用间接平差方法，GPS控制网用GPS基线向量网三维无约束平差，包括观测方程，误差方程的列立，改正数，平差值的求解。

提供成果资料

地形图、控制网设计图、控制点标石图、平面和高程控制网网形图以及各网型的精度估算成果。

八、工作量综合计算及工作进程计划表

外业计算：

导线网观测以及水准网观测时，要及时的检核观测角，距离等观测成果，做到步步检核

内业计算：

概算和平差

工作进程计划表：

时间任务备注

1天踏勘找点（已知点）查看标石情况

7天选位和造标埋石

GPS点、水准点、导线点需待标石凝固符合要求后方可观测，导线点需要通视

1天GPS网观测每时段观测时间

不少于45分钟

1天GPS网数据解算及结果精度分析确保精度达标

4天水准仪检校

水准网施测水准路线需要往返观测

3天水准网高程计算和GPS网高程拟合确保精度达标

3天全站仪检校，导线网施测及时计算发现改

正错误

1天导线网计算及错误测站复测确保精度

1天GPS网、水准网、导线网全面检查

2天整理资料及结果、上交图纸查看标石情况

1天单位检验验收

5天机动

九、装备、仪器、器材及经费预算

装备：运送人员车辆一辆、运送材料卡车一辆；

仪器：选择4台GPS单频接收机（配带脚架、卷尺），2台D3水准仪（配带脚架、标尺、尺垫）、全站仪一台（配带脚架、棱镜、气温气压计、

卷尺）；

器材：草帽、对讲机、标石、混凝土、重力计等

经费预算：

人员工程师／人?月

*1人

技术员／人?月

*1人

测工／人?月

*3人

临时工／人?月

*2人

工

资

3000元2000元1200元500元

单频接收机每台15000元*4台+全站仪每台20000元*1台+DS3水准仪每台2000

元*1+标石每座100元*30座+生活补贴费每人/每天50元*30天*7人+交通住宿费每人/每天100元*30天*7人+总工资=123200元

十、上交资料清单

⑴控制测量技术设计书；

⑵外业观测原始资料；

⑶内业计算成果表及控制网图

附录：

GPS网精度估算Matlab代码：

%基线向量拓扑关系第一列为基线起点第二列为终点终点-起点

%V=B*X-L

%C*X=Z

load data.mat%data.mat中含有四个矩阵分别存有控制点大地坐标BLH，基线向量拓扑关系index，基线长度s,设置表setTab

m=setTab(1,1);%基线个数

n1=setTab(1,2);%测点未知点数

n2=setTab(1,3); %测点已知点数

aa=setTab(1,4); %固定误差单位 mm

b=setTab(1,5); %比例误差单位 ppm

%高斯投影坐标转化为站心直角坐标（BLH->XYZ）

%西安-80坐标系参数

a=6378137;

f=1/298.257222101

ee=2*f-f^2;

N=a./sqrt(1-ee*sind(BLH(:,1)).^2);

XYZ(:,1)=(N+BLH(:,3)).*cosd(BLH(:,1)).*cosd(BLH(:,2));

XYZ(:,2)=(N+BLH(:,3)).*cosd(BLH(:,1)).*sind(BLH(:,2));

XYZ(:,3)=(N*(1-ee)+BLH(:,3)).*sind(BLH(:,1));

%计算各基线三维坐标三维分量

dX=zeros(3*m,1);

for i=1:m

j=index(i,1);%第i条基线的起点编号

k=index(i,2);%第i条基线的终点编号

if j<0 %将起点编号转化到XYZ矩阵对应位置

j=j+n2+1;

else

j=j+n2;

end

if k<0 %将终点编号转化到XYZ矩阵对应位置

k=k+n2+1;

else

k=k+n2;

end

temp=(XYZ(k,:)-XYZ(j,:))';

dX(3*(i-1)+1:3*i,1)=abs(temp);

dS(i)=norm(temp);

end

%函数模型-设计矩阵

B=zeros(m*3,n1*3);

for i=1:m

j=index(i,1);

k=index(i,2);

if j>0

B(3*(i-1)+1:3*i,3*(j-1)+1:3*j)=-eye(3);

end

if k>0

B(3*(i-1)+1:3*i,3*(k-1)+1:3*k)=eye(3);

end

end

% 随机模型-协方差阵

%三维空间直角坐标点位精度

D=zeros(m*3);

for i=1:m

temp=sqrt( aa^2+(b*dX(3*(i-1)+1:3*i,1)/1000).^2 ); %单位 mm

D(3*(i-1)+1:3*i,3*(i-1)+1:3*i)=diag( (temp/1000).^2 );

end

P=inv(D);

Dx=inv(B'*P*B);

%各基线的相对精度（三维）

for i=1:m

DS(i)=0;

if index(i,1)>0

DS(i)=sum( diag( Dx(3*(index(i,1)-1)+1:3*index(i,1),3*(index(i,1)-1)+ 1:3*index(i,1)) ) );

end

if index(i,2)>0

DS(i)=DS(i)+sum( diag( Dx(3*(index(i,2)-1)+1:3*index(i,2),3*(index(i,

2)-1)+1:3*index(i,2)) ) );

end

relS(i,1)=sqrt(DS(i))/dS(1,i);

end

%三维站心直角坐标点位精度

B=34.21601325; %站心纬度所有点平均纬度

L=117.1381948; %站心经度所有点平均经度

R=[-sind(B)*cosd(L) -sind(B)*cosd(L) cosd(B)

-sind(L) cosd(L) 0

cosd(L)*cosd(L) cosd(B)*sind(L) sind(B)];

Dy=zeros(3*n1);

for i=1:n1

Dy(3*(i-1)+1:3*i,3*(i-1)+1:3*i)=R*Dx(3*(i-1)+1:3*i,3*(i-1)+1:3*i)*R'; end

导线网精度估算代码：

load data.mat%data.mat包含以下几个数据表：index_line:(观测边的拓扑关

系)index_line(i,1)为起点,index_line(i,2)为终点；% index_angle:(观测角的拓扑关系)index_angle(i,1)为测站,index_angle(i,2)为后视,index_angle(i,3)为前视% P:权阵% ptNum:(点数)ptNum(1,1)为未知点数,ptNum(1,2)为已知点数% setTab:(设置表)setTab(1,1)为观测角数,setTab(i,2)为观测边数，setTab(i,3)为测边固定误差，setTab(i,4)为测角误差，setTab(i,5)为测边比例误差% XYJS:(XY坐标近似值)未知点坐标在前，已知点坐标在后

num=setTab(1,1)+setTab(1,2);

k=ptNum(1,2);

B=zeros(num,k*2); % 给误差方程系数阵的元素赋0,行数是观测值个数,列数是未知数个数的2倍.

% 由观测角列立误差方程系数

ro=2062.65;

for i=1:setTab(1,1)

j=index_angle(i,1);k=index_angle(i,2);h=index_angle(i,3); %取出观测角要素

if j<=0

j=ptNum(1,2)+abs(j);%将测站编号转化为正值

end

if k<=0

k=ptNum(1,2)+abs(k);%将后视编号转化为正值

end

if h<=0

h=ptNum(1,2)+abs(h);%将前视编号转化为正值