基于CORS的GPS水準擬合與省級似大地水準面成果精度對比分析

王松倫　高彥濤

摘 要：隨著CORS的應用普及，利用CORS基準站為起算數據能夠快速布設控制網，但是由于CORS基準站為CGCS2000坐標框架，因此，只能獲得控制點的大地高。本文結合實例對GPS擬合高程、水準、大地水準面幾種獲得高程的方式進行對比分析，給出能有效解決高程問題的方案，具有重要的現實意義。

關鍵詞：HNGICS；GPS似大地水準面；高程異常

中圖分類號：P228.4 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2017）06-0113-03

Precision Comparative Analysis of GPS Level Fitting Based on CORS

and Provincial Quasi Geoid

——A Case Study of Xinzhuang Coal Mine Monitoring in Yongcheng City

Wang Songlun1 Gao Yantao2

（1.Henan Water Conservancy Survey Co.， Ltd.，Zhengzhou Henan 450000；2.Surveying and Mapping Geographic Information Institute，Henan Bureau of Geology and Mineral Exploration and Development Bureau，Zhengzhou Henan 450006）

Abstract： With the popularity of CORS， using the CORS base station for initial data to rapid deployment of control network， but due to the CGCS2000 coordinate frame of CORS base station， therefore， can only get the control points of the earth high. This paper analyzed on GPS Fitting elevation， leveling， the geoid obtained several methods comparatively and gave a good solution to the problem of the elevation scheme， which has extensive practical significance.

Keywords： HNGICS；GPS Quasi Geoid；height anomaly

1 研究背景

河南省CORS系統HNGICS（Henan Geology Information Continuously Collecting and Operating System，HNGICS）于2009年由河南省地礦局建成，該系統采用Trimble的VRS（虛擬參考站技術）技術，提供高精度位置服務。HNGICS是由45個基準站組成的CORS系統，覆蓋河南全省，平均基線長70km。系統自2009年運行以來，穩定可靠，基站24小時不間斷采集GPS數據，采樣分辨率最高1s，數據實時傳回數據中心，系統提供GPS網絡差分定位服務，系統運行穩定，數據測量精度可靠。目前，系統用戶達到近200家，服務領域涉及地質、測繪、國土、規劃、交通和電力等十多個行業。

HNGICS的推廣應用促進了河南省高精度測繪的發展，定位精度大大提升，不受傳統單基站RTK范圍的限制，成本也大幅降低。但是，HNGICS系統的應用受一些因素的影響，如電離層穩定性、對流層延遲、模糊度鎖定、高程精度相對較低等問題的影響。尤其是如何快速地獲得精準的正常高一直以來是困擾廣大用戶的一大難題。

目前，主要通過似大地水準面的逼近解決求取高程異常的問題[1-2]。傳統的手段通過GPS水準方法獲取高程異常，即通過對控制點進行高精度GPS控制測量獲得其大地高，通過水準測量獲得控制點的正常高，從而通過二者求差獲得高程異常。隨著省級似大地水準面的發展，各個省份都在開展省級似大地水準面的建設工作。河南省于2010年開展了省級似大地水準面模型的建設工作，目前成果已經開始使用，但各個地區的精度是否一致，實際使用效果如何等問題仍有待商榷。本文擬通過區域GPS水準方法擬合獲得區域似大地水準面并與省級似大地水準面成果進行對比，分析省級似大地水準面精度，并提出相應對策。

2 區域GPS大地水準面

傳統的國家高程控制網是由精密水準測量來實現的，作為高程的參考框架網，而似大地水準面是新一代高程參考面，能實現大地高測量到正常高的轉換（h正=HGPS–N，或h正常=HGPS–ζ，N和ζ分別為似大地水準面差值和高程異常）。因此，通過一定的精密水準測量，建立區域似大地水準面，可以實現通過GPS測量大地高來完成傳統高程的測量。我國現有的大地水準面模型精度較低，仍不能滿足一般工程測量的需求。目前，各個地區都在積極開展本地區的大地水準面的精化工作。核心問題就是如何通過GPS快速獲得高精度的大地高，同時通過與水準測量相結合，從而建立不同級別的區域似大地水準面。

CORS系統的推廣應用使得快速獲得精確的大地高成為可能。相比傳統的控制網，CORS的測量成果具有精度高、精度均勻、可靠性高等特點。同時，CORS基準網作為新一代三維框架基準，是一個高質量地心坐標基準，其靜態測量相對精度達到10-9～10-8，動態精度達到厘米級，絕對精度達到分米甚至厘米級。CORS的網絡RTK技術測量大地高精度能達到甚至優于厘米級，而且由于網絡RTK技術是整網解算模式，因此，能夠保證精度的一致性，能夠避免傳統水準測量通過線路傳遞獲得高程而引起的累積誤差[3-4]。通過CORS網的GPS測量能夠很好地取代傳統的GPS測量，從而為似大地水準面的精化工作提供保障。通過CORS技術與似大地水準面的結合，使GPSRTK技術能夠快速獲得正常高，而且精度大大提高，在一般工程測量中某種程度上替代了傳統的水準測量，大大降低了作業成本。

本文通過HNGICS提供的VRS測量技術，在采煤塌陷區快速地建立區域GPS控制網，并進行高精度的水準測量，從而求取了控制點的高程異常，進而建立礦區的區域似大地水準面，為礦區塌陷監測提供了監測基準[5]。

3 以永城新莊煤礦監測為例

河南神火煤電股份有限公司新莊煤礦位于豫、皖兩省交界的河南省永城市東部，行政區劃屬苗橋鄉管轄。新莊煤礦區域交通以公路為主。該礦西據永城市24km，東距安徽省淮北市19km，西北120km可達京九、隴海兩主干鐵路的交通樞紐——商丘車站，東北94km至津浦、隴海兩鐵路之樞紐——徐州車站。其間均有公路連通，路面平坦，雨雪無阻，交通十分便利（見圖1）。

新莊煤礦礦山地質環境監測任務于2013年10月開展，截至2014年8月完成第一周期前期工作任務。完成的具體工作量有：已完成地質環境調查30.01km2，基礎圖測、編繪30.01km2，葛店、新莊煤礦D級GPS控制測量共10點次，地面監測點前期選埋171點（第二、三、四周期會結合煤礦采掘工程平面圖，合理增加監測點的埋設），還包括日常監測點維護，工作總結。2014年8月完成數據分析與整理、報告編寫及圖件繪制工作。

4 數據處理及精度分析

新莊煤礦礦山地質環境監測設計以HNGICS系統基準站為起算數據布設10個D級GPS控制點，由于HNGICS系統采用CGCS2000系統，因此，高程問題采用省級似大地水準面轉換獲得。同時，為了驗證省級似大地水準面精度，采用GPS水準擬合、水準聯測進行高程擬合驗證[6]。

4.1 數據處理具體流程

數據處理具體流程見圖2。

①以HNGICS系統基準站商丘永城（SQYC）、安徽淮北（AHHB）為起算點，聯測10個D級GPS點及一個水準點，進行聯合數據解算，見圖3。

②利用科傻GPS數據處理軟件（CosaGPS）基線解算結果進行平差，獲得監測點的精確大地高，而高程進行擬合，由于已知水準點少，因此水準擬合精度低。

③采用省級似大地水準面成果進行高程轉換，同時為了驗證其精度，對監測點進行二等水準測量，從而獲得監測點的準確高程。

4.2 精度對比分析及問題處理

監測點大地高以基準站為起算點，通過GPS靜態觀測獲得；監測水準高程以水準點ZXC為起算數據獲得；擬合高程以ZXC為起算點進行GPS高程擬合獲得；通過省級似大地水準面轉換獲得大地水準面擬合高程；GPS擬合高程、似大地水準面擬合高程分別與水準高程進行了對比，對比發現：由于已知水準點個數較少，且該地區高程異常變化較大，導致GPS擬合高程精度不高，不能直接使用，而采用省級似大地水準面進行轉換求取的高程與已知水準點存在近0.4m的系統差（見表1），因此，也不能直接使用，需要對系統差進行糾正。

5 結論

隨著CORS的應用普及，利用CORS基準站為起算數據能快速布設控制網，但由于CORS基準站為CGCS2000坐標框架，因此，只能獲得控制點的大地高，而正常高卻很難獲得。實驗表明，由于一般已知水準點很少，因此，采用GPS高程擬合很難獲得精度較高的擬合高程，而采用省級似大地水準面成果能夠較好地解決該問題，但仍需要與地方已知水準點成果進行驗證糾正。

參考文獻：

[1]潘元.局域CORS參數和似大地水準面參數的獲取[J].測繪與空間地理信息，2015（5）：217-218.

[2]羅天宇.基于CORS的局部似大地水準面精化分析與探討[J].科技廣場，2010（8）：70-72.

[3]王勇.基于GPS連續運行參考站系統的區域大地水準面精化及分區精化方法的研究與應用[D].昆明：昆明理工大學，2007.

[4]柏柳，肖鸞，胡友健.CORS的精度及其穩定性研究[J].河南理工大學學報，2005（4）：283-288.

[5]周東衛.虛擬參考站（VRS）技術的質量控制和完備性監測研究[D].成都：西南交通大學，2007.

[6]喻永平.CORS外業檢核點數據處理方法研究[J].測繪工程，2015（11）：73-75.