GPS应用于土地变更调查中的理论及技术的研究

摘要

将GPS技术应用于土地变更调查，有助于提高我国国土资源管理的信息化水平，它与传统方法相比较，优势明显。本文研究了用于土地变更调查的GPS有关理论及关键技术，主要以GPS技术在土地变更调查过程中的差分解算及坐标转换方法、系统设计和精度试验为主进行研究，所做的研究工作可归纳为如下几个方面： (1)首先深入研究了适用于土地变更调查的后处理差分解算模型，即伪距差分、相位平滑伪距差分和准载波相位差分三种模型，并详细列出了各模型的数据处理流程和算法，同时针对伪距差分中的有关问题提出了改进的模型，从而降低了对基准站接收机时钟的要求。 (2)在分析GPS定位数据坐标转换算法的基础上，提出了一种实用的平均转轴相似转换法进行平面坐标的转换。 (3)由于土地变更调查中，对GPS界址点转换后的坐标有点位精度要求，故此首先深入研究了平面坐标转换参数的抗差解及坐标转换后的精度问题，讨论了在满足精度要求的前提下，转换参数所能适应的作业范围。最后，以一算例对平面转换参数的最小二乘解与抗差解作了对比分析，结果表明：不论从转换参数及转换后的内外精度来讲，当地面基准点存在变形时，采用抗差解的结果要优于最小二乘解的结果。 (4)详细地分析了土地变更调查中GPS定位的三大误差源，即与卫星有关的误差、与传播路径有关的误差及与接收机有关的误差。并就各类误差的减弱提出了相应的策略，同时，深入讨论了对流层和电离层的延时改正，从实验数据中得到了一些有用的结论。 (5)深入研究了土地变更调查中，GPS空间定位误差对界址点成果的影响规律，首次得出结论：GPS界址点坐标误差主要由两部分引起的，其一是坐标转换参数的误差，其二是GPS空间定位误差。GPS界址点坐标误差的大小除与转换参数的精度和GPS空间定位的精度有关外，与公共点的重心位置(即与公共点所构成的图形有关)、大地坐标及坐标转换参数中的尺度因子k关系甚密。 (6)提出了GPS-PDA在“连续测量”模式进行土地变更调查时，土地面积测量精度与数据采集步长之间的关系模型。同时分析了将球面梯形面积投影到高斯平面上的面积变形情况，其变形规律复杂，既与球面梯形的经差、纬差有关外，还与其位置分布有关；在同一纬度地区，同一规格的球面梯形，一般情况下，离中央子午线越远，其面积投影的相对误差就越大。 (7)系统地分析了GPS-PDA土地变更调查数据采集系统、GPS事后数据处理软件的总体功能，并详细地设计了有关模块。通过大量的精度试验，确定了GPS-PDA数据采集系统接收机的选型。同时，全面完整地检测了GPS-PDA整机的各项性能。检测结果表明：M型GPS-PDA数据采集系统的各项性能指标良好，完全满足1:1万底图的土地变更调查的精度要求。 (8)首次运用GPS-PDA技术在湖南省株洲市进行了应用试点，探索了基站建设、基站控制网布测、转换参数测定及变更调查等的技术要求。为今后将GPS-PDA土地变更调查新技术作进一步推广应用奠定了良好的基础。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1引言

1.1.1我国土地资源调查的历史回顾

1.1.2我国现代土地资源调查的情况

1.2国内外土地变更调查的现状及发展趋势

1.2.1我国土地利用变更调查技术的现状

1.2.2国外土地利用变更调查概况

1.2.3土地变更调查技术的发展趋势

1.3全球定位系统(GPS)的应用现状

1.3.1 GPS在精细农业中的应用

1.3.2 GPS在气象学研究中的应用

1.3.3 GPS在公共安全中的应用

1.3.4 GPS在地球动力学中的应用

1.3.5 GPS在变形监测中应用

1.4 GPS在土地变更调查中的应用情况

1.5本文研究的意义与主要内容

第二章应用于土地变更调查的GPS差分解算模型

2.1引言

2.2 GPS定位的基本观测方程

2.2.1伪距测量的基本观测方程

2.2.2载波相位测量的基本观测方程

2.2.3观测方程的线性化

2.2.4差分相位观测方程及其线性化

2.3伪距差分解算模型

2.3.1基本原理

2.3.2计算步骤

2.3.3模型的改进

2.3.4算法

2.4相位平滑伪距差分解算模型

2.4.1基本原理

2.4.2计算步骤

2.4.3算法

2.5准载波相位差分解算模型

2.5.1基本原理

2.5.2计算步骤

2.5.3算法

2.6本章小结

第三章GPS定位数据的坐标转换

3.1引言

3.2坐标换算与投影变换

3.2.1空间直角坐标转换成大地坐标

3.2.2 WGS-84大地坐标转换为高斯平面坐标

3.2.3实用高斯正算公式的精度分析

3.3平面坐标转换

3.3.1平均转轴相似转换法公式

3.3.2最小二乘法求解转换参数

3.4平面坐标转换参数的抗差解

3.4.1转换参数的抗差解算解原理

3.4.2转换参数的抗差解算法

3.4.3转换参数的显著性检验

3.5坐标转换后的精度评定

3.5.1 GPS界址点转换后的协因数阵

3.5.2 GPS界址点转换后的点位中误差

3.5.3坐标转换模型的精度评定

3.5.4转换参数的适用范围

3.5.5算例及结果分析

3.6本章小结

第四章土地变更调查中GPS定位误差源的特点与分析

4.1引言

4.2与卫星有关的误差

4.2.1卫星星历误差

4.2.2卫星钟误差

4.2.3相对论效应

4.3与传播路径有关的误差

4.3.1对流层折射改正

4.3.2电离层折射改正

4.3.3多路径效应的影响

4.4与接收机有关的误差

4.4.1接收机钟差

4.4.2接收机的测量误差

4.4.3载波相位观测的整周未知数

4.4.4接收机的天线和天线相位中心误差

4.5本章小结

第五章界址点及土地面积精度的分析与控制

5.1引言

5.2 GPS空间定位误差对界址点精度影响的分析

5.2.1对大地坐标的影响

5.2.2对高斯投影坐标的影响

5.2.3对界址点坐标成果的影响

5.2.4数据分析

5.3土地面积量算的精度分析与控制

5.3.1解析法面积量算公式

5.3.2解析法面积量算精度的分析

5.3.3土地面积量算精度的控制

5.3.4高斯投影引起的面积计算误差

5.4本章小结

第六章GPS-PDA土地变更调查系统的设计与精度检测

6.1引言

6.2 GPS-PDA数据采集系统的设计

6.2.1系统数据结构的设计

6.2.2系统的基本流程

6.2.3系统功能设计

6.2.4系统需定义的常量

6.2.5系统需定义的公用变量

6.3 GPS事后RTK数据处理软件(PDPORTK)的总体设计

6.3.1软件功能

6.3.2软件主要模块

6.4 GPS-OEM精度检测分析

6.4.1 GPS-OEM精度检测实验设计

6.4.2实验数据的事后处理

6.4.3 GPS综合实验结果

6.4.4实验结论

6.5 GPS-PDA整机精度检测

6.5.1检测目的、内容及设备

6.5.2检测方案

6.5.3解算成果

6.5.4检测结论

6.6本章小结

第七章GPS-PDA在湖南省株洲市土地变更调查中的应用

7.1 GPS基站测设方案

7.1.1基站位置的选择

7.1.2基站埋石

7.1.3基站坐标的测定

7.1.4 GPS基站控制网的设计准则

7.1.5提高GPS基站控制网可靠性及精度的方法

7.2 GPS基站控制网解算成果

7.3株洲GPS平面坐标转换参数的测定

7.4株洲试点应用

7.4.1试点区简况

7.4.2技术路线和工作流程

7.4.3变更图斑的数据采集

7.5本章小结

总结

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文

致谢