局部似大地水準(zhǔn)面精化技術(shù)在地下管線測(cè)繪中的應(yīng)用

曹家寶

摘要：本文主要介紹在似大地水準(zhǔn)面精化技術(shù)的基礎(chǔ)上，深入探討其在地下管線測(cè)繪中的實(shí)際應(yīng)用及具體的作用。

關(guān)鍵詞：局部似大地水準(zhǔn)面；精化技術(shù)；地下管線測(cè)繪；實(shí)際應(yīng)用

結(jié)合發(fā)展現(xiàn)狀及相關(guān)資料來看目前似大地水準(zhǔn)面的確定方法大體上主要包括了：重力學(xué)方法、幾何方法以及重力和幾何聯(lián)合方法（也稱之為組合法），其中幾何方法又可以將其細(xì)分為GPS水準(zhǔn)、衛(wèi)星測(cè)高和天文水準(zhǔn)。一般情況下運(yùn)用的相對(duì)比較多的方法為重力和幾何聯(lián)合方法，也就是使用GPS水準(zhǔn)確定的分辨率相對(duì)比較低但是精度非常高的幾何似大地水準(zhǔn)面用作控制，然后以重力學(xué)確定的精度較之GPS水準(zhǔn)相對(duì)較低但是分辨率更高的重力似大地水準(zhǔn)面相結(jié)合，這樣來實(shí)現(xiàn)省市級(jí)似大地水準(zhǔn)面的最終目的。結(jié)合實(shí)踐來看，省市級(jí)似大地水準(zhǔn)面的確定過程由于具有跨度大的問題，因此會(huì)采用這種方法，另一方面如果工程區(qū)域相對(duì)較小的情況，則可以選擇幾何方法中的GPS水準(zhǔn)對(duì)其進(jìn)行直接的確定。

1.似大地水準(zhǔn)面確定中的概念和模型

1.1大地高、正高、正常高

所謂的大地高系統(tǒng)指的是以橢球作為基礎(chǔ)的高程系統(tǒng)，其定義為：地面點(diǎn)沿通過該點(diǎn)的橢球面法線到橢球面的實(shí)際距離，其本身并不具備物理意義。

所謂的正高系統(tǒng)指的是以大地水準(zhǔn)面作為基礎(chǔ)的高程系統(tǒng)，正高的定義為：大地水準(zhǔn)面至地面沿垂線方向的距離，嚴(yán)格的來看，地面上的正高是無法做到求得最終精確值的，與大地高不同的是，正高具有一定的物理意義。

所謂的正常高系統(tǒng)是以莫洛金斯為基礎(chǔ)的高程系統(tǒng)，這是我國(guó)使用率比較高的高程系統(tǒng)，與正高系統(tǒng)不同的是正常高系統(tǒng)是以大地水準(zhǔn)面為基礎(chǔ)且沒有實(shí)際的物理意義，并且可以通過水準(zhǔn)測(cè)量求得最終精確值。雖然似大地水準(zhǔn)面并不是重力等位面，并且也不具備確定的物理意義，但是它卻非常接近大地水準(zhǔn)面，據(jù)相關(guān)研究資料表明，在海洋上略去海面地形的影響時(shí)，它幾乎與大地水準(zhǔn)面重合，在平原地區(qū)的誤差也在10cm以內(nèi)。

1.2幾何方法中GPS水準(zhǔn)確定似大地水準(zhǔn)面的數(shù)學(xué)模型

1.2.1曲線擬合模型

如果GPS水準(zhǔn)點(diǎn)是呈線狀分布的話，那么從理論上來說沿線似大地水準(zhǔn)面就會(huì)成為一條光滑而具有連續(xù)性的曲線，我們就能以此為基礎(chǔ)將控制點(diǎn)的平面坐標(biāo)x和高程異常創(chuàng)建出一個(gè)插值函數(shù)來擬合測(cè)線方向上的似大地水準(zhǔn)面曲線。

1.2.2加權(quán)平均擬合模型

這應(yīng)該算是所有方法中難度最小的一種，尤其是針對(duì)范圍較小的工程測(cè)量時(shí)實(shí)用性更高，精妙之處在于它是將局部大地水準(zhǔn)面視為與橢球面平行，在這種情況下整個(gè)測(cè)區(qū)范圍內(nèi)每個(gè)點(diǎn)的高程異常值都會(huì)是一樣的，因此，我們只需要在測(cè)區(qū)范圍內(nèi)擁有一個(gè)已知的GPS水準(zhǔn)點(diǎn)就行了。

1.2.3曲面擬合模型

該種模型可以說是二次曲面擬合模型中使用最多的一種，它的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

2.以上海青浦和嘉定為例，似大地水準(zhǔn)面的確定

2.1GPS水準(zhǔn)點(diǎn)的測(cè)定

為了對(duì)兩個(gè)地區(qū)的似大地準(zhǔn)面進(jìn)行確定，我們分別在青浦和嘉定設(shè)置了36和48個(gè)GPS水準(zhǔn)點(diǎn)，具體的操作方法為：通過上海市測(cè)繪院所提供的資料，使用雙頻接收機(jī)進(jìn)行30min以上的觀測(cè)、VDOP值≤6、有效觀測(cè)衛(wèi)星數(shù)≥6、間隔時(shí)間為15m，采集了8組GPS水準(zhǔn)點(diǎn)的坐標(biāo)，然后以此為基礎(chǔ)取出平均值，便是最終的大地高數(shù)據(jù)及坐標(biāo)，需要特別注意的一點(diǎn)是，在高程方面，全部的GPS控制點(diǎn)聯(lián)測(cè)四等水準(zhǔn)，這樣才能最大程度的保證數(shù)據(jù)的精確度。

2.2二次曲面擬合計(jì)算

利用專業(yè)的數(shù)據(jù)處理軟件，以二次曲面擬合原理為基礎(chǔ)計(jì)算出兩個(gè)區(qū)域范圍內(nèi)每一個(gè)GPS控制點(diǎn)擬合后的高程異常值，進(jìn)而得到具有一定可用性的GPS數(shù)據(jù)處理軟件的似大地水準(zhǔn)面文件。

3.精度的評(píng)定

3.1內(nèi)符合精度

內(nèi)符合精度以參與擬合的GPS水準(zhǔn)點(diǎn)的擬合高程異常與高程異常之間的差值為基礎(chǔ)來進(jìn)行計(jì)算，我們假設(shè)參與擬合的已知點(diǎn)為n，那么我們可用列出內(nèi)符合精度測(cè)算公式則為：

3.2外符合精度

外符合精度的確定是以不參與擬合的GPS水準(zhǔn)檢校點(diǎn)的擬合高程異常值與實(shí)測(cè)高程異常值之間的差值為基礎(chǔ)來進(jìn)行計(jì)算，我們假設(shè)GPS水準(zhǔn)檢測(cè)點(diǎn)的個(gè)數(shù)為n，那么我們可用列出外符合精度的公式為：

4.結(jié)束語

（1）通過外業(yè)檢校點(diǎn)對(duì)精度進(jìn)行檢驗(yàn)后，我們可用看到，使用幾何方法中的GPS水準(zhǔn)直接確定的青浦和嘉定似大地水準(zhǔn)面精度已經(jīng)完全達(dá)到了圖根水準(zhǔn)要求，而且經(jīng)過后期的驗(yàn)證，我們也能夠確定它具備了取代上海市地下管線測(cè)量中的圖根水準(zhǔn)測(cè)量的水平。

（2）經(jīng)過總結(jié)我們求出了上海青浦和嘉定兩個(gè)區(qū)域的總體趨勢(shì)是東西變化較大，而南北變化相對(duì)較小，自西向東逐漸變大。兩個(gè)區(qū)域范圍內(nèi)的高程異常值也均是呈規(guī)律變化。在這兩個(gè)地區(qū)進(jìn)行小區(qū)域的GPS水準(zhǔn)擬合，關(guān)鍵環(huán)節(jié)在于：應(yīng)該根據(jù)實(shí)際情況盡可能的減少南北走向上的GPS水準(zhǔn)點(diǎn)密度，加大東西方向上GPS水準(zhǔn)點(diǎn)的密度。

（3）此外，從文章中我們也可以看出如果是地形、地勢(shì)比較平坦的區(qū)域，似大地水準(zhǔn)面的精華過程中，它的重力資料的作用是高分辨率，對(duì)于擬合精度并沒有實(shí)質(zhì)性的作用，換句話說，在加大GPS水準(zhǔn)點(diǎn)密度的基礎(chǔ)上，對(duì)于重力的影響可以不予考慮，所以，在這種情況下GPS水準(zhǔn)確定小區(qū)域似大地水準(zhǔn)面的技術(shù)對(duì)于小范圍單位的測(cè)繪來說，實(shí)際實(shí)用意義并不大。

（4）結(jié)合實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)來看，增加有效的觀測(cè)實(shí)踐（一般情況下有效觀測(cè)時(shí)間均在30min，這里的含義是，觀測(cè)時(shí)間>30min）、加強(qiáng)圖形強(qiáng)度控制高程幾何因子（VPOD≤6、衛(wèi)星數(shù)≥5）、使用雙頻接收機(jī)（消除電離層折射的延遲誤差、改正周跳和探測(cè)）的基礎(chǔ)上，可以使用動(dòng)態(tài)定位技術(shù)獲得大地高及GPS水準(zhǔn)點(diǎn)的坐標(biāo)，經(jīng)外業(yè)檢驗(yàn)其數(shù)據(jù)精度以滿足擬合的需要。

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