基于GNSS技术的校园控制网建设与应用的研究

■林 波

（福建水利电力职业技术学院，福建 永安 366000）

国务院国发[2019]4号文《国家职业教育改革实施方案》明确表示国家应把职业教育摆在教育改革创新和经济社会发展更加突出的位置，并指出职业技能实训基地建设的重要性。实训是职业教育不可或缺的环节，实训基地是开展实训教学的重要场所，可以说实训基地的建设发展情况一定程度上决定高职院校的办学水平和办学质量。

GNSS全称全球导航卫星系统（Global Navigation Satellite System），它是泛指所有的卫星导航系统，包括全球的、区域的和增强的，如美国的GPS、俄罗斯的Glonass、欧洲的Galileo、中国的北斗卫星导航系统，以及相关的增强系统。卫星导航是“大数据、智能化、无线革命”时代最有活力的技术，

福建水利电力职业技术学院于2017年开始新校区的基建工作，校园占地面积1062亩，建筑面积16.39万平方米，地形较复杂，落差较大。目前主要建筑物、道路的建设布局基本确定，交通、绿化、通信等设施也已基本完善，是埋设控制点的最佳时期。

学院工程测量方向设有工程测量技术和地理信息技术专业，主修专业课程有控制测量、地籍测量、GNSS定位测量技术、工程测量、摄影测量等。学院市政工程技术、道路桥梁工程技术、水利水电建筑工程等专业均有开设测量相关课程，课程体系要求所有课程的实践课时均需占总课时的一半以上，因此实践环节比重大，实践场地需求也大。

另外，学院肩负着近几年的福建省职业院校技能大赛高职组测绘赛项的承办任务，因此建设一套完整、规范且采用国家CGCS2000坐标系统的校园控制网势在必行。这种控制网的建立可以使实践教学在正确可靠的环境中进行，使学生的实践环节更客观系统，也为职业技能大赛赛场建设提供了基础保障[1]。

一、校园控制网的建立

学院所在测区中央子午线经度为117°，平面坐标采用CGCS2000国家大地坐标系，高程系统采用1985黄海国家高程基准。控制网的布设一般采用“分级布网、逐级控制”的原则，控制网按内容分为平面控制和高程控制两部分[2]。

（一）平面控制测量

平面控制分两个级别布设，首级控制网和图根控制网。首级控制网采用GNSS静态定位及约束平差法。根据《城市GPS测量规范》，该作业属于小区域测图，因此各基本技术参数采用E级规范进行测设（主要规范要求见表1）。

表1 E级GPS测量基本技术要求

根据收集到的资料，测区附近已有3个D级GPS控制点，采用CGCS2000国家大地坐标系，考虑控制网网形、校园地形地貌、建筑物布局情况及实践课程和职业技能大赛场地的要求，在校区内布设12个控制点，1个网络单基站的基准点。

进行埋点工作，根据控制网网形进行布点，然后实地勘察，根据实况进行埋设工作。点位的埋设要保证满足以下要求：便于安装接收机，视野开阔，障碍物高度截止角不应超过15°；避开多路径影响（距离高大建筑物、树木、水体等的距离和易积水地带等大于200m;距离无线电站、高压线穿越地带距离应大于200m，静态观测作业，控制网共有16个控制点组成，采用5台天宝R12双频GNSS接收机（静态测量水平精度可达3mm+0.1ppm-RMS）用网连式进行布网，迁站方式采用平推式，静态作业前制订观测计划，根据设计的GNSS控制网布设方案、精度技术要求、GNSS接收机数量、后勤交通、通信保障条件等制订测量计划，作业过程严格按照迁站计划进行。

事后数据处理。静态数据采集结束后再利用GNSS数据处理软件进行数据处理，大致过程划分为数据传输、格式转换（可选）、基线解算、网平差以及GNSS网与地面网联合平差等几个阶段几个典型工作任务，最后获得该区域范围内的坐标转化参数（七参数）和控制网内各控制点的CGCS2000坐标。经测角精度1″，测距精度2mm+2ppmRMS的莱卡全站仪测量验证，GNSS静态定位得出的平面坐标精度可达到毫米级，满足精度指标（校内控制点分布情况如图1所示）。

图1 校内控制点分布图

图根控制网以首级控制网为基础进行测设。在校园交叉路口、制高点等合适的位置，布置完成了由80个图根控制点组成的校园控制网。在工程测量实训地内布置120个图根控制点，形成具有导线测量、工程测量、数字化测图、道路中线测量、GNSS测量等各类型的综合性控制网。学院建有网络单基站CORS系统，可为全校及周边区域提供高精度、高效率、高覆盖率的连续定位服务网络。根据《城市GPS测量规范》图根测量要求，利用静态定位所得七参数和GNSS实时动态技术对图根控制点坐标进行测定。对每个图根点进行3个测回的观测（或者数据采集平滑10次），通过检验，坐标精度可以达到厘米级，完全能满足学生实验实训和工程测量技能大赛的要求。

（二）高程控制测量

高程控制和平面控制采用同一套控制点。距离测区8km处有一个高等级国家水准点，利用该点与设置的首级平面控制点连接成一条闭合水准线路，使用天宝DINI03高精度电子水准仪（每公里水准路线往返闭合差0.3mm），采用二等水准测量的方法进行测定。二等水准测量各参数要求见附表1。

闭合差和测段往返较差均控制在二等水准测量限差范围内。然后利用南方平差易专业平差软件对数据进行平差，可得到各控制点高程。

在首级控制点基础上，图根控制点高程采用四等水准测量或三角高程测量的方法与其联测，在规范限差内，可得到各图根点的高程。

附表1 电子水准仪二等水准测量技术指标 单位/米

二、校园控制网的应用

加强学生的专业实践能力需要建立一个标准的实训场地。建立校园控制网，既为测量实践教学提供基础，也为技能大赛的训练和承办提供场地支持。

（一）在测绘实践教学中的应用

学院每学期测量课程授课班级一般为20-30个，实训时长通常为2-3周，场地需求量大。未建成校园控制网前，实践教学通常采用假定坐标系，导致学生实训环境不够真实，易造成学生知识混乱，知识点运用不合理。校园控制网的建立避免了以上问题，提供了一个标准的与国家坐标系统一的控制网，学生能够在真实的环境中，随时随地模拟工程测量全过程作业进行实践操作[3]，以便在毕业后“无缝上岗”。学生实践课程的成果大多数是以数据的形式提交，包括距离、平面坐标、高程等，在已有控制网数据的基础上，为教师检核数据准确度提供依据。

（二）在测绘技能比赛中的应用

学院每学年会举办职业技能比武大赛，其中测量项目有平面控制测量和四等水准测量。全国职业技能大赛和福建省职业技能大赛测绘赛项由GNSS结合全站仪1∶500数字化测图和二等水准测量两部分组成。校园控制网以测绘技能比赛场地为模型建立，建有导线测量、水准测量、数字化测图场地。校园控网测点多、范围大，可以为本校广大学生提供标准的场地，为学生日常的技能训练提供练兵场，真正达到“以赛促练、以赛促训”的目的。

学院连续承担了三届福建省职业院校技能大赛测绘赛项的承办任务。提供一个合理、严密的比赛场地是承办过程中最为复杂的问题，参赛队伍数量大（一般有二十几个），当天需完成两项赛程，因此同时段内必须能满足多个院校进行比赛，赛程安排必须非常紧凑，场地需求极其大，因此埋设的控制点必须合理、可靠，满足比赛要求。

大赛为保证数据的正确性，需要承办方提供所有控制点的坐标数据和水准点的高程数据，以便与参赛队伍所测数据进行实时比较，作为测量过程和数据准确率的检核标准。同时为了保证比赛的公平公正性，防止参赛院校在场地上练习、做好线路标记，竞赛场地只能在临近比赛日程进行布置。在已建成校园控制网的支持下，承办方可以在短时间内快速地进行控制点布置、准确地进行坐标解算。

本文结合实践教学和职业技能比赛，介绍了福建水利电力职业技术学院基于GNSS技术的校园控制网的建立和应用。控制网建成后，教学效果明显，学生实践能力得到提高，学院顺利地承办了福建省职业院校技能大赛。下一阶段会针对几门核心课程的教学内容进行场地专业布设，以满足专业课程教学要求和学生专业能力的提高。