GPS高程測(cè)量方法適宜性分析研究

摘 要:本文基于筆者多年從事GPS程測(cè)量的相關(guān)工作經(jīng)驗(yàn)，以GPS高程測(cè)量為研究對(duì)象，分析了靜態(tài)觀測(cè)法、實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)觀測(cè)方法與參數(shù)轉(zhuǎn)換法三種高程測(cè)量方法的原理與適宜性，總結(jié)了不同高程測(cè)量要求下的測(cè)量方法的選擇，全文是筆者長(zhǎng)期工作實(shí)踐基礎(chǔ)上的理論升華，相信對(duì)從事相關(guān)工作的同行有著重要的參考價(jià)值和借鑒意義。

關(guān)鍵詞:CORS水平位移監(jiān)測(cè)前方交會(huì)精度

中圖分類號(hào):P2文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1674-098X(2011)07(a)-0105-02

隨著城市建設(shè)的快速發(fā)展、城市范圍的不斷擴(kuò)張，為適應(yīng)規(guī)劃、土地等職能部門對(duì)地理數(shù)據(jù)、地理信息實(shí)時(shí)性的要求，建立和維持長(zhǎng)期穩(wěn)定、具有較高精度、動(dòng)態(tài)的城市坐標(biāo)參考框架是非常有必要的。由于GPS技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、通訊技術(shù)的不斷發(fā)展，衍生出的連續(xù)運(yùn)行參考站系統(tǒng)，為城市空間信息及其動(dòng)態(tài)變化的采集提供了技術(shù)保障。

GPS高程測(cè)量的研究和實(shí)踐，尤其是近年來(lái)，隨著似大地水準(zhǔn)面精化理論與實(shí)踐的迅速發(fā)展而加速前進(jìn)。如何充分利用GPS資源，特別是基于近年來(lái)發(fā)展迅速的連續(xù)運(yùn)行衛(wèi)星定位基準(zhǔn)站系統(tǒng)基礎(chǔ)上，及時(shí)獲取實(shí)用的三維空間地理信息，正成為測(cè)繪領(lǐng)域—個(gè)新的發(fā)展方向。本文對(duì)實(shí)施GPS高程測(cè)量的幾方法進(jìn)行探討。

1 網(wǎng)絡(luò)RTK測(cè)量研究

網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)的基本原理是借鑒廣域差分GPS和具有多個(gè)基準(zhǔn)站的局域差分GPS中的基本原理和方法，在某一區(qū)域內(nèi)稀疏地、較均勻地布設(shè)多個(gè)(一般為3個(gè)或3個(gè)以上)基準(zhǔn)站，構(gòu)成一個(gè)連續(xù)運(yùn)行基準(zhǔn)站網(wǎng)，對(duì)該地區(qū)構(gòu)成網(wǎng)狀覆蓋，并以這些基準(zhǔn)站中的一個(gè)或多個(gè)為基準(zhǔn)，消除或削弱各種誤差的影響，計(jì)算和發(fā)播GPS改正信息，對(duì)該區(qū)域內(nèi)的GPS用戶(流動(dòng)站)進(jìn)行實(shí)時(shí)導(dǎo)航定位，獲得高精度的定位結(jié)果。該技術(shù)的關(guān)鍵是融合基準(zhǔn)站的觀測(cè)數(shù)據(jù)，生成與流動(dòng)站上真實(shí)誤差較為相近的誤差改正數(shù)，以消除或削弱網(wǎng)絡(luò)RTK中空間相關(guān)誤差對(duì)導(dǎo)航定位的影響。

網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)的出現(xiàn)使一個(gè)地區(qū)的測(cè)繪工作成為一個(gè)有機(jī)整體，與傳統(tǒng)RTK技術(shù)相比，網(wǎng)絡(luò)RTK具有覆蓋范圍大、測(cè)量成本低、精度高、可靠性強(qiáng)以及應(yīng)用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)。

2 基于重慶CORS和似大地水準(zhǔn)面精化的GPS高程測(cè)量方法研究

重慶市國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)、國(guó)防建設(shè)和建立“數(shù)字重慶”、“數(shù)字社區(qū)”、“電子商務(wù)”等都亟須及時(shí)提供三維、實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)的空間地理信息。重慶市連續(xù)運(yùn)行衛(wèi)星定位服務(wù)系統(tǒng)(重慶CORS)的建成和投入運(yùn)營(yíng)，提供了高精度的、覆蓋全市域，并部分輻射周邊地區(qū)的全天候三維測(cè)繪基準(zhǔn)。

GPS高程測(cè)量是利用GPS測(cè)量技術(shù)，測(cè)定地面控制點(diǎn)在地心坐標(biāo)參考系中的三維坐標(biāo)，按照區(qū)域似大地水準(zhǔn)面精化技術(shù)將基于大地橢球面的大地高轉(zhuǎn)換為基于似大地水準(zhǔn)面的正常高的測(cè)量方法。應(yīng)用GPS測(cè)量技術(shù)和重慶地區(qū)似大地水準(zhǔn)面精化成果進(jìn)行GPS高程測(cè)量，通過(guò)研究與分析，我們認(rèn)為主要有以下幾種測(cè)量方法。

2.1 靜態(tài)觀測(cè)方法

利用三腳架或是強(qiáng)制觀測(cè)墩，進(jìn)行GPS靜態(tài)觀測(cè)，按照不低于D級(jí)網(wǎng)點(diǎn)的技術(shù)要求進(jìn)行整體布網(wǎng)、觀測(cè)和解算，并利用似大地水準(zhǔn)面成果進(jìn)行精化，其高程精度可達(dá)到三、四等水準(zhǔn)的要求。GPS靜態(tài)觀測(cè)應(yīng)有不少于4個(gè)點(diǎn)的已知三維控制點(diǎn)，其中至少應(yīng)有3已知點(diǎn)作為地心基準(zhǔn)的約束點(diǎn)，有一個(gè)已知點(diǎn)作為數(shù)據(jù)處理檢核點(diǎn)。在我們進(jìn)行的靜態(tài)GPS高程測(cè)量檢測(cè)所得到的GPS精化高程與已知的精密水準(zhǔn)測(cè)量成果的比較互差統(tǒng)計(jì)如表1。

從統(tǒng)計(jì)結(jié)果來(lái)看，采用GPS靜態(tài)作業(yè)觀測(cè)時(shí)間在lh以上，精化高程與已知精密水準(zhǔn)測(cè)量的高程成果外符合精度小于±2cm。

2.2 實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)觀測(cè)方法

利用三腳架在觀測(cè)點(diǎn)上進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)(RTK)觀測(cè)，在獲得固定解以后進(jìn)行記錄，至少要記錄4個(gè)歷元，每歷元時(shí)長(zhǎng)不小于10s，并利用似大地水準(zhǔn)面成果進(jìn)行精化時(shí)，其高程精度可達(dá)到圖根點(diǎn)水準(zhǔn)的要求。并且接收機(jī)的初始化時(shí)間不能過(guò)長(zhǎng)，一般為2min左右。測(cè)前、測(cè)后都進(jìn)行了已知點(diǎn)檢核，檢核點(diǎn)的高程等級(jí)要高于待求點(diǎn)的等級(jí)或與其等級(jí)相同，檢核點(diǎn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和原已知數(shù)據(jù)較差應(yīng)滿足《城市測(cè)量規(guī)范》中圖根點(diǎn)高程檢核的精度要求。如果是利用測(cè)桿人工手扶對(duì)中觀測(cè)，由于人為誤差的影響，其高程精度只能滿足碎部點(diǎn)的要求。

GPS實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)觀測(cè)方法的精化高程與已知精密水準(zhǔn)測(cè)量成果的比較結(jié)果統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表2。

2.3 參數(shù)轉(zhuǎn)換法

應(yīng)用全市域范圍內(nèi)均勻選取的一定數(shù)量的已知點(diǎn)，通過(guò)布爾沙模型求取WGS-84坐標(biāo)系與城市坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換參數(shù)(七參數(shù))，利用求取的七參數(shù)對(duì)重慶市所有的C級(jí)網(wǎng)點(diǎn)三維成果進(jìn)行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換所得到的GPS高程測(cè)量結(jié)果與實(shí)測(cè)的精密水準(zhǔn)測(cè)量成果的較差統(tǒng)計(jì)如表3。

由表4可知，利用七參數(shù)轉(zhuǎn)換使所求取的高程，其精度大大降低。這也反映了GPS RTK測(cè)量所得到的三維成果利用七參數(shù)轉(zhuǎn)換模型轉(zhuǎn)換得到的高程結(jié)果，只能適用于碎部點(diǎn)的高程數(shù)據(jù)采集。

3 幾種GPS高程測(cè)量方法的適宜性分析

重慶市現(xiàn)代測(cè)繪基準(zhǔn)體系，以GPS技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)為支撐，建立了三維一體的城市現(xiàn)代測(cè)繪工作的基準(zhǔn)框架。在高程基準(zhǔn)方面，通過(guò)GPS靜態(tài)觀測(cè)方法和RTK觀測(cè)方法檢測(cè)后證明，經(jīng)過(guò)似大地水準(zhǔn)面精化后GPS高程測(cè)量成果與精密水準(zhǔn)測(cè)量成果比較的高程中誤差分別達(dá)到±0.013m和±0.029m，因此可以認(rèn)為:應(yīng)用相應(yīng)等級(jí)的GPS高程測(cè)量來(lái)代替四等水準(zhǔn)測(cè)量在理論上是科學(xué)的、在實(shí)踐上是可行的。

通過(guò)前面的幾種GPS高程測(cè)量方法所取得高程結(jié)果的數(shù)據(jù)分析，可以得出幾種GPS高程測(cè)量方法適宜性的基本結(jié)論。

(1)應(yīng)用靜態(tài)觀測(cè)方法進(jìn)行GPS高程測(cè)量，當(dāng)同步觀測(cè)時(shí)間大于1h，且部分測(cè)點(diǎn)應(yīng)有必要的重復(fù)觀測(cè)，通過(guò)似大地水準(zhǔn)面精化計(jì)算所取得的GPS高程測(cè)量成果，完全可以滿足城市三、四等水準(zhǔn)測(cè)量成果的精度要求，可以作為下級(jí)高程測(cè)量的起算依據(jù)。(2)應(yīng)用實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)觀測(cè)方法進(jìn)行GPS高程測(cè)量，利用三腳架設(shè)置接收天線，所取得的RTK測(cè)量結(jié)果經(jīng)似大地水準(zhǔn)面精化計(jì)算后，其精化高程成果完全可以滿足城市圖根水準(zhǔn)測(cè)量成果的精度要求，可以作為地形測(cè)量的高程起算依據(jù);當(dāng)利用測(cè)桿人工手扶對(duì)中觀測(cè)，其精化高程的成果精度只能滿足地形碎部點(diǎn)的精度要求。(3)應(yīng)用參數(shù)轉(zhuǎn)換進(jìn)行GPS高程測(cè)量，通過(guò)轉(zhuǎn)換得到的GPS高程測(cè)量成果，僅能作為地形測(cè)量碎部點(diǎn)的高程數(shù)據(jù)采集。該方法作業(yè)前和測(cè)量結(jié)束后，均要求利用已知高程控制點(diǎn)進(jìn)行高程檢核，確保高程數(shù)據(jù)采集的精度和可靠性。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著城市測(cè)繪事業(yè)的不斷發(fā)展，對(duì)高程測(cè)量技術(shù)和測(cè)量方法特別是應(yīng)用GPS測(cè)量技術(shù)進(jìn)行精密高程測(cè)量的技術(shù)和方法提出了更進(jìn)一步的要求。如何利用全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)，利用重慶CORS系統(tǒng)所提供的大范圍的、實(shí)時(shí)的、高精度的空間定位資源，充分發(fā)揮重慶地區(qū)區(qū)域似大地水準(zhǔn)面精化的成果效能，真正在重慶市現(xiàn)代測(cè)繪基準(zhǔn)體系框架內(nèi)，實(shí)現(xiàn)高精度的三維、實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)的空間地理信息采集，建立起滿足城市規(guī)劃、城市建設(shè)和城市運(yùn)營(yíng)管理等各方面需要的城市信息化測(cè)繪保障服務(wù)體系，還需要做更進(jìn)一步的努力、探索和研究。

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