GIS技术在GPS控制测量中的运用论文

摘要：在农村集体土地使用权地籍测量中，GPS控制点的布设是整个作业最基本的、也是最先完成的工作，其分布的合理性，精度是否符合规范要求是决定整个工作的基础。本文利用地理信息系统(Geographical Information System，简称GIS)空间分析技术中的缓冲区分析技术和叠置分析技术实现快速完成GPS测量控制点的选址，同时使控制点的在满足测量要求的前提下，达到最优化选择，提高选址的效率。利用这种技术可以弥补传统依据经验选点技术的不足，使得控制点的选点可以量化，操作性更强。本文以农村土地使用权地基测量项目为主进行阐述分析。

关键词：GIS;缓冲区分析;叠置分析;GPS控制测量;

1 绪论

农村集体土地使用权地籍测量项目是一项全国范围内，对农村集体土地使用权范围内的土地进行测量的项目。项目具有覆盖范围广、涉及村庄多。山西省大部分地区均被山西省连续运行基站(SXCORS)覆盖，可以直接利用SXCORS系统测定图根控制点，但仍有部分地区因信号盲区，需要利用GPS静态技术完成项目区的控制测量。项目区GPS控制点等级为四级，依据相关规范要求，控制点间距为约5km，同时为了便于利用GPS-RTK技术引测至作业范围区，故各村庄周围3km内应不少于1个控制点，如何在使用最少的控制点，达到控制网的最优化设计，以及高效选址成为地籍测量首先需要解决的问题。

目前大部分选点工作是人工判断，选点的优良主要靠技术人员的工作经验，故由此形成的GPS控制网的精度、可靠性等受作业人员经验的限制，存在较大的不确定性。

通过本文，利用GIS技术中的空间分析技术，对控制点的选址进行量化考核，以科学化的方法达到GPS控制网的优化设计。最终实现网型的可靠、精度合格，经济效益最大的目的。

2 论文主体

在本章节中，首先阐述了GPS控制点选址要求和GIS空间分析技术，其次通过具体工程实例讲述如何利用GIS空间分析技术中的缓冲区分析技术和重叠分析技术快速实现GPS测量控制点的选址，最后经过平差计算论证了该技术的可操作性较强，实现的GPS控制网型优化、精度符合规范要求，满足工程需要。

2.1 GPS控制网布设

GPS控制网的设计需要考虑诸多因素，其核心是如何高质量低成本完成既定测量任务。所以GPS控制网应按照以下原则进行：

2.1.1 按精度布网

就城市控制网而言，通常要求四等网，要求相邻点的点位平面中误差不得超过20mm，最简单的一种选择是取两点之间连线方向为参考方向，此时相对点位中误差及等价于平差后边长中误差。其相对精度不低于1×10-5。

2.1.2 按密度布网

控制点的布设密度直接关系到测量、埋石工作量的大小及使用的方便程度。虽然对点位密度以往并没有统一、明确的规定，但从城市控制网规定的多个等级的边长规格来看，控制点密度是比较大的，而且收图形、地形条件限制，点位分布应均匀，GPS控制网布设首先要求各GPS网点要求分布均匀，相邻点间距离不宜超过该网平均点间距的2倍;其次GPS网中不应存在自由基线;再次GPS网中的闭合条件中基线数不可过多;最后GPS网应以每个点至少独立设站观测两次的原则布网。[1]

2.1.3 其他因素

GPS控制点的选址是影像GPS网设计的主要因素。GPS控制点要求应距离大功率无线电发射源不小于200m，距离高压输电线和微波无线电信号传输通道不小于50m，附近不应有强烈反射卫星信号的物件等。

2.2 GIS空间分析

GIS是在计算机软硬件支持下，对整个或部分地球表层空间中的有关地理分布数据进行采集、存储、管理、运算、分析、显示和描述的技术系统。[2]

空间分析是基于地理对象的位置和形态特征的空间数据分析技术，其目的在于提取和传输空间信息，是GIS的主要特征。空间分析是从空间物体的空间位置、联系等方面去研究空间事物，以对空间事物做出定量描述。它回答了“是什么?”、“在哪里?”、“有多少?”等问题。GIS空间分析就矢量数据主要包括包含分析、缓冲区分析、叠置分析、网络分析、泰森多边形分析及量算，这里仅对缓冲区分析和叠置分析做以表述，其他就不在一一陈述。

2.2.1 缓冲区分析

缓冲区分析是根据数据库的点、线、面实体，自动建立其周围一定宽度范围内的缓冲区域多边形实体，从而实现空间数据在水平方向得以扩展的信息分析方法。如图2.1所示。从数学的角度来看，缓冲区是在给定空间对象或集合后获得的它们的领域，而邻域的大小由邻域半径或缓冲区建立条件来决定，因此对于一个给定的对象A，他的缓冲区可以定位为：

d一般是指欧式距离，也可以是其它的距离;

r为邻域半径或缓冲区建立的条件。

2.2.2 重叠分析

叠置分析是指同一地区、同一比例尺的两组或两组以上的多边形要素的数据文件进行叠置。其基本的处理方法是，根据两组多边形边界的交点来建立具有多重属性的多边形或进行多边形范围内的属性特性的统计分析。叠置的目的是通过区域多重属性的模拟，寻找和确定同时具有几种地理属性的分布区域，按照确定的地理指标，对叠置后产生的具有不同属性的多边形计算一种要素在另外一种要素的某个区域多边形范围内的分布状况和数量特征，提取某个区域范围内某种专题内容的数据。如图2.2所示。

从原理上来说，叠置分析是对新要素的属性按一定的数学模型进行计算分析，其中往往涉及到逻辑交、逻辑并、逻辑差等的运算。

2.3 工程应用实例

在阳曲县农村集体土地使用权地籍测量项目中工作，项目区下辖三个乡镇，共36个行政村。本次以泥屯镇16个行政村为范例，进行控制点选点分析。16个行政村分布不均匀，控制点布设较多，并且范围广，需要兼顾到每个村庄，选点难度较大。已知点位于作业范围区域，可以作为参考利用。选点依据为各村庄周围3km出不少于1个控制点，且各控制点间距约为5km。

2.3.1 实现过程思路

首先对各个村庄分别进行缓冲区分析，缓冲区半径为3km;其次是对各个缓冲区进行叠置分析，确定同时满足距离各村均不大于3km的区域;再次在确定的区域选择控制点，同时对选定的控制点进行缓冲区分析，缓冲区半径为5km;最后对拟选控制点进行叠置分析，最终确定控制点位置既满足距离各村庄不大于3km，同时各控制点间距约5km的位置。

2.3.2 具体操作步骤

(1)村庄缓冲区分析。首先对各个村庄的范围进行缓冲区分析，缓冲范围为3km。缓冲结果如图2.3所示。缓冲分析得到每个村庄的3km辐射范围，确定选点的大致范

(2)叠置分析。对各个缓冲区进行叠置分析。分析结果如图2.4所示。因本施工区域，各村庄分分布不均匀，对于村庄相对距离较近的，可不做叠置分析。

(3)确定第一个点位。从第一次叠置分析的结果可以得出同时满足两个村庄范围的控制点选点区域。然而我们再次对第一次叠置分析的结果进行叠置分析，选择满足村庄数最多的区域，作为我们第一个控制点的待选区域。分析结果如图2.5所示。E220点所在红色区域部分为满足村庄数最多的区域，可同时满足周边松树村、付家窑村、杨家井村、中兵村、东青善村共5个村的要求，故此区域作为首选区域。

(4)获取次选区域。重复上一步操作，获取能同时满足4个村庄要求的区域，得到粉色和绿色两个待选区域部分，作为次选区域。

(5)确定E218、E221控制点选址。对E220所在重叠区域进行缓冲区分析，缓冲距离为5km，获取与E220点距离为5km的待选控制点范围。然后与次选区域分析结果再次进行叠置分析，在5km附近选取第二、第三个控制点E218、E221。

(6)确定E222控制点选址。对E221点进行缓冲区分析，缓冲半径为5km，然后与第一次叠置分析结果再次进行叠置分析选取待选区域。在该待选区域选取控制点E222。

(7) E219控制点选址。对E221、E222控制点进行缓冲区分析，缓冲半径为5km。对E221、E222的缓冲区及第一次叠置分析结果再次进行叠置分析，得到重叠待选区域。在该待选区域选取控制点E219，如图2.6所示。最终获得整个区域的待选控制点位置。同时满足每个村庄附近3km范围内至少有一个控制点。

(8)其他要素分析。利用影像图获取该作业区范围内的移动信号塔、高压输电线等信息。首先对移动信号塔做缓冲距离为200m的缓冲区分析，然后与待选控制点进行叠置分析，若待选控制点落在信号塔缓冲区内，则需对该点进行重新选址，若不在则可使用。其次对高压输电线做50m的缓冲区分析，然后与待选控制点进行叠置分析，若待选控制点落在高压输电线缓冲区内，则需对该点进行重现选址，若不在则可使用。E218控制点在移动信号塔缓冲区200m内(黄线区域)，对E218控制点重新选点，最终结果如图2.7所示。

2.3.3 质量验证及效果

经过现场实地测量，并用中海达平差软件对结果进行平差，各控制点误差椭圆示意图、最终平面距离平差值和最终坐标平差值如下，见如图2.8及表1、表2、表3、表4:

最终平面距离平差值计算如下：

最终坐标平差值计算如下：

经过实地考察和计算验证，基线最弱相对中误差和最弱点平面中误差均在误差范围内。可以论证，由此组成的控制网型稳固、强度较高，稳定性较强，同时所需的控制点最少，极大的提高了经济效益。

结语

以往一般情况下，GPS控制点的选址是在已有的地行图和影像图上，人工判断，选点的优良主要靠技术人员的工作经验，故形成的GPS控制网的合理性和可靠性等受作业人员经验的制约，存在较大的不确定性，耗时较长，且会出现选取的控制点不能覆盖全部测区，影响工程进度。

本工程利用GIS空间分析技术，在短短1个小时内完成GPS控制点的选址工作，相对传统的图上作业，大大提高了作业效率。其次利用GIS空间分析技术，实现了控制点量数的优化，既满足了测量的要求，又实现了控制点的最少化，这样在下一步的作业过程中，极大的减少了GPS测量的工作量。再次利用GIS技术完成GPS控制点的选址，可以较好的完成GPS控制网的网型优化设计，提高了控制网的强度。当然，在实际控制点选址过程中还要综合考虑实地交通、通讯、气象、地质等方面的考察，以满足GPS控制点的选点要求。

综上所述，利用GIS空间分析技术可以科学的选址，与传统的作业方法相比较有着巨大的优势，同时能得到最优的点位，满足施工的要求，达到经济利益的最大化。

参考文献

[1] 施一民.现代大地控制测量[M].北京：测绘出版社,2008.

[2] 汤国安,赵牡丹.地理信息系统[M].北京：科学出版社,2007.