GPS高程測(cè)量分析及其水利測(cè)繪工程中的運(yùn)用探討

作者簡(jiǎn)介：遲本良 男 1963年2月11日出生 安徽省巢湖市 工程師 大學(xué)專科 水利測(cè)繪工程

摘要：目前，GPS高程測(cè)量應(yīng)用越來(lái)越廣泛。本文的第一部分對(duì)GPS測(cè)量高程進(jìn)行了概述。本文的第二部分則是通過(guò)GPS高程測(cè)量的在實(shí)際的水利測(cè)繪工程的探討，對(duì)三種主要的轉(zhuǎn)換方法進(jìn)行了計(jì)算和對(duì)比。

關(guān)鍵字：GPS高程測(cè)量；GPS高程測(cè)量運(yùn)用 ；水利測(cè)繪工程

中圖分類號(hào)：P2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X(2011)10(b)-0000-00

近幾年來(lái)，隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)經(jīng)濟(jì)水平的不斷提高，GPS定位技術(shù)在我國(guó)測(cè)繪領(lǐng)域的推廣與運(yùn)用越來(lái)越廣泛。在傳統(tǒng)控制測(cè)量方法受到了極大挑戰(zhàn)的同時(shí)，GPS測(cè)量在平面控制方面也發(fā)揮了巨大的作用。本文的第一部分通過(guò)介紹GPS測(cè)量高層的基本原理，高程系統(tǒng)及其關(guān)系進(jìn)行了簡(jiǎn)要分析；第二部分則是通過(guò)GPS高程測(cè)量的實(shí)際例子的計(jì)算和對(duì)比，簡(jiǎn)述了減少GPS高程測(cè)量誤差的幾種方法。

一、GPS高程測(cè)量概述

GPS高程測(cè)量，即Height Measurement Using Global Positioning System，是運(yùn)用GPS測(cè)量技術(shù)間接確定地面上點(diǎn)的正常高的。其工作原理是：先直接測(cè)量所選測(cè)量區(qū)域內(nèi)的所有GPS點(diǎn)的大地高，然后再在測(cè)量區(qū)域內(nèi)用水準(zhǔn)測(cè)量的方法對(duì)選擇的若干GPS點(diǎn)測(cè)出正常高(所選點(diǎn)的數(shù)量和位置要能滿足高程擬合需要)，最后計(jì)算出所有GPS點(diǎn)的高程差異(即大地高與正常高之差)，并在此基礎(chǔ)上，運(yùn)用平面擬合或曲面擬合進(jìn)行高程擬合，最終得出測(cè)量區(qū)域的其他GPS點(diǎn)的正常高。

1. 大地高

大地高是由地面點(diǎn)沿著通過(guò)該點(diǎn)的橢球的法線到參考橢球面的距離，即以橢球面為參考基準(zhǔn)的高程系統(tǒng)。沒有明確的物理意義，若定義的橢球大地坐標(biāo)系不同，則構(gòu)成的大地高程系統(tǒng)也不同，一般用字母表示，且可分解為正高和大地水準(zhǔn)面差距，又可分解為正常高和高程異常。

通常，GPS定位測(cè)量所獲得的橢球大地坐標(biāo)系是以WGS-84為基準(zhǔn)的，即是相對(duì)于WGS-84橢球的大地高程。

2. 正高

正高是以大地為水平基準(zhǔn)面的高程系統(tǒng)，是由地面點(diǎn)沿鉛垂線至大地水準(zhǔn)面的距離，其具有明確的物理意義，這里用表示。

3. 正常高

正常高是由地面點(diǎn)沿鉛垂線至似大地水準(zhǔn)面的距離，用表示。一般來(lái)說(shuō)，我國(guó)的高程系統(tǒng)都是以大地的水準(zhǔn)面為基礎(chǔ)的正常高系統(tǒng)。

高程異差

高程異差是指大地水準(zhǔn)面到參考橢球面的距離。用表示，一般是指大地水準(zhǔn)面與WGS-84參考橢球面差距。

高層系統(tǒng)之間的關(guān)系

在知道了上述幾個(gè)基本的高程系統(tǒng)之后，結(jié)合高程系統(tǒng)理論知識(shí)可知測(cè)量點(diǎn)的大地高與正常高的關(guān)系為：=－。

因?yàn)檫@只是一個(gè)近似表達(dá)式，有時(shí)為了考慮到參考橢球面的法線與鉛垂線之間的差異即垂線偏差所帶來(lái)的影響，也會(huì)進(jìn)行誤差計(jì)算。但是，由于垂線偏差所引起的高程異常一般不超過(guò)±0.1mm，所以一般不予考慮。

二、GPS高程測(cè)量在水利工程中的運(yùn)用

在基本了解了GPS高層測(cè)量的原理及其各高層系統(tǒng)間的關(guān)系后，本文針對(duì)高程異常的核心問(wèn)題——GPS大地高測(cè)量轉(zhuǎn)換成為正常高的三類常用轉(zhuǎn)換方法，即曲面擬合法、重力場(chǎng)模型法、顧及地形改正的擬合法，運(yùn)用實(shí)例進(jìn)行一一分析講解，以此說(shuō)明GPS高層測(cè)量技術(shù)在水利工程運(yùn)用中的實(shí)用性與優(yōu)越性。

曲面擬合法的實(shí)際運(yùn)用

通常，我們將運(yùn)用連續(xù)的數(shù)學(xué)曲面對(duì)大地水準(zhǔn)面進(jìn)行擬合的方法叫做曲面擬合法。它只能滿足較為低等級(jí)的高程測(cè)量要求。

重力場(chǎng)模型內(nèi)插法的實(shí)際運(yùn)用

即通過(guò)對(duì)全球或是局部的重力場(chǎng)的模型計(jì)算求出高程的異常值，并結(jié)合水準(zhǔn)測(cè)量和一定的內(nèi)插方法，實(shí)現(xiàn)測(cè)得GPS大地高向正常高的轉(zhuǎn)換。此種方法在大范圍的GPS高程轉(zhuǎn)換中應(yīng)用較多，且精度要求很高。

例如，在南四湖上級(jí)湖測(cè)量中，首級(jí)GPS控制網(wǎng)測(cè)量采用Leica SR530(Rush)型雙頻RTK GPS衛(wèi)星接收機(jī)與Trimble 4600Ls型單頻GPS衛(wèi)星接收機(jī)聯(lián)合作業(yè)的方式量測(cè)。以網(wǎng)內(nèi)均勻分布的20點(diǎn)GPS／水準(zhǔn)點(diǎn)作為控制點(diǎn)，用四次擬合多項(xiàng)式為擬合函數(shù)將重力似大地水準(zhǔn)面擬合到GPS／水準(zhǔn)似大地水準(zhǔn)面上，從而獲得南四湖上級(jí)湖工程區(qū)域似大地水準(zhǔn)面最后結(jié)果。利用工程區(qū)域似大地水準(zhǔn)面模型內(nèi)插156個(gè)GPS網(wǎng)點(diǎn)高程異差并和GPS觀測(cè)大地高一起計(jì)算相應(yīng)正常高。并將實(shí)測(cè)高程作為“真值”進(jìn)行精度統(tǒng)計(jì)，如表1所示。而計(jì)算得到156個(gè)GPS控制網(wǎng)點(diǎn)正常高與水準(zhǔn)實(shí)測(cè)高程比較統(tǒng)計(jì)結(jié)果列于表2中。

從上述表中比較數(shù)據(jù)來(lái)看，計(jì)算高程與水準(zhǔn)實(shí)測(cè)高程之差絕對(duì)值小于0.05m的點(diǎn)占所有點(diǎn)總數(shù)的79.5%，標(biāo)準(zhǔn)差小于0.05m，說(shuō)明總體符合較好，方法運(yùn)用可靠。

顧及地形改正的擬合法的實(shí)際運(yùn)用

此法首先是先通過(guò)DEM來(lái)計(jì)算高程異常的短波分量，然后剔除該分量，使得高程異常的劇烈變化變平緩后再進(jìn)行擬合，最后恢復(fù)被剔除的短波分量。此種方法，以實(shí)驗(yàn)結(jié)果為憑證，現(xiàn)多應(yīng)用在高山地區(qū)起伏較大的地勢(shì)測(cè)量。

三、結(jié)語(yǔ)

我們知道興建水利工程的地方多是較為困難的地區(qū)，普遍存在著地形較復(fù)雜、交通不便利、通視條件差等現(xiàn)象，又因?yàn)閲?guó)家水準(zhǔn)點(diǎn)的稀缺，水準(zhǔn)的測(cè)量線路較長(zhǎng)等不利因素，使得高程測(cè)量變的極為困難，具有挑戰(zhàn)性。在此環(huán)境下，GPS高程測(cè)量的優(yōu)勢(shì)就顯露無(wú)疑。GPS高程測(cè)量以其監(jiān)測(cè)點(diǎn)不需要通視、勞動(dòng)強(qiáng)度降低、不累計(jì)誤差、工作效率高等優(yōu)點(diǎn)取勝，在一定范圍內(nèi)成功的替代了傳統(tǒng)的水準(zhǔn)測(cè)量。目前，GPS高程測(cè)量可以達(dá)到四等及以下幾何水準(zhǔn)的精度要求。滿足了水利工程的中、小比例尺地形圖圖根控制和河道縱、橫斷面端點(diǎn)對(duì)高程的精度要求。因此，探索GPS高程測(cè)量在水利水電工程中的實(shí)際應(yīng)用，是一項(xiàng)應(yīng)用前景廣泛并極具深遠(yuǎn)意義的重要舉措。

參考文獻(xiàn)：

[1] 趙日瑕，王成華，和耐秋.GPS高程測(cè)量及在水利測(cè)繪工程中的應(yīng)用[J].山東水利.2008(4).

[2] 張前勇，汪雷.GPS高程測(cè)量精度分析[J].湖北民族學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版). 2008.26(4).