GPS高程代替四等水準(zhǔn)的可行性分析

吳經(jīng)鵬

（貴州省有色金屬和核工業(yè)地質(zhì)勘查局三總隊(duì)，貴州 遵義 563004）

在當(dāng)下，GPS技術(shù)憑借全天候精準(zhǔn)定位、實(shí)時(shí)定位和高精度定位的優(yōu)勢(shì)被廣泛地應(yīng)用于各行各業(yè)。針對(duì)于工程測(cè)繪領(lǐng)域來(lái)說(shuō)，工程測(cè)繪領(lǐng)域內(nèi)的控制網(wǎng)平面測(cè)量需要精準(zhǔn)定位的優(yōu)勢(shì)，而在控制網(wǎng)高程測(cè)量時(shí)，如果只采用幾何水準(zhǔn)的形式進(jìn)行，那么平面網(wǎng)和高程網(wǎng)的獨(dú)立觀測(cè)難度可能逐漸加大，等于是人為地增加測(cè)繪外業(yè)的觀測(cè)以及內(nèi)業(yè)平差計(jì)算的工作量和難度，使得測(cè)繪人員的工作強(qiáng)度大大提升[1]。因此，測(cè)量研究者認(rèn)為，若采用GPS高程測(cè)繪技術(shù)結(jié)合四等水準(zhǔn)測(cè)繪，其可完善測(cè)量結(jié)果的可行性及可靠性，從而能夠使得幾何水準(zhǔn)的測(cè)繪形式有新的發(fā)展。

1 GPS高程測(cè)量基本方式探討

1.1 傳統(tǒng)幾何水準(zhǔn)高程測(cè)量基本方式

高程測(cè)量基本方式的分辨原則，主要是依據(jù)觀測(cè)手段和差異性的對(duì)比，以此來(lái)劃分高程測(cè)量方式，可將其分為傳統(tǒng)幾何水準(zhǔn)、三角高程測(cè)量與GPS測(cè)量三種方式，其中以GPS測(cè)量的高程擬合度最高，且其測(cè)量的精準(zhǔn)度較大。高程測(cè)量基本方式中的傳統(tǒng)幾何水準(zhǔn)測(cè)量方法主要采用的是人為控制的光學(xué)或電子水準(zhǔn)儀器，配合人工控制的水準(zhǔn)尺其精度有差異，時(shí)常會(huì)有誤差，誤差度在一定范圍之內(nèi)。按照點(diǎn)位間的測(cè)量段高度差傳遞，主張外業(yè)主點(diǎn)觀測(cè)，慢慢臨近控制點(diǎn)，由觀測(cè)人員控制觀測(cè)點(diǎn)位之間的最高差，并借助高等級(jí)控制點(diǎn)所構(gòu)成的閉合環(huán)和復(fù)合水準(zhǔn)網(wǎng)約束傳統(tǒng)高程測(cè)量基本精度。很多研究者發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過(guò)這種傳統(tǒng)的水準(zhǔn)網(wǎng)平差求解未知點(diǎn)，這種高程模式容易受到復(fù)雜地性的干擾，極易受到地形條件的限制，這種制約作用使得測(cè)繪外業(yè)的測(cè)量強(qiáng)度增大。

1.2 三角高程測(cè)量的基本方式

三角高程測(cè)量指的是利用三角高程的原理，通過(guò)采集地面兩點(diǎn)位之間的水平距離來(lái)測(cè)量，測(cè)量時(shí)的測(cè)量?jī)x器較高，棱鏡也很高，垂直角度等要素均需要被考慮在內(nèi)，為了求解待定位置點(diǎn)和區(qū)間之間的距離，應(yīng)使用可套用的高程測(cè)量公式，此時(shí)的三角高程測(cè)量精度雖然比傳統(tǒng)的幾何水準(zhǔn)測(cè)量要較為具有優(yōu)勢(shì)，但是其精度仍然受到觀測(cè)條件，地質(zhì)條件折光系數(shù)等影響，尤其是在一些特殊的地點(diǎn)折光系數(shù)的影響是比較顯著的[2]。此時(shí)研究者們就發(fā)現(xiàn)，如果能夠代替這兩種傳統(tǒng)的高程測(cè)量基本方式，采用全球定位的GPS高程擬和測(cè)量，就可以使用移動(dòng)站和流動(dòng)站之間相互配合的數(shù)據(jù)，實(shí)行實(shí)時(shí)測(cè)繪及三維坐標(biāo)體系的延伸。由于我國(guó)地大物博，地域面積較為廣闊，普遍采用高程基準(zhǔn)為正常高系統(tǒng)測(cè)量，目前，GPS直接結(jié)合高程點(diǎn)位的測(cè)量方式并沒(méi)有完全普及，因此，需要在下一個(gè)階段考慮如何使用GPS高程測(cè)量求解帶測(cè)點(diǎn)位的正常高度，因?yàn)檫@一正常高度的精度將直接關(guān)系到待測(cè)點(diǎn)位高程測(cè)繪的實(shí)際精度和最終結(jié)果。

1.3 GPS高程測(cè)量基本概述

GPS高程測(cè)量的高程指的是大地高而正常測(cè)繪平均使用的是正常高大，低高和正常高之間存在著一個(gè)高程異常值，這也就是為什么GPS測(cè)繪技術(shù)需要測(cè)量高程的原因，其基本規(guī)律公總結(jié)如下：

大地高=正常高+高程異常值

在GPS高程測(cè)量中，由GPS全球定位獲得三維基線向量，使用GPS網(wǎng)平差就可以求得以WGS－84橢球面為基準(zhǔn)的高精度大地高。而我國(guó)采用的高程系統(tǒng)則是以似大地水準(zhǔn)面為基準(zhǔn)的正常高系統(tǒng)，傳統(tǒng)的幾何水準(zhǔn)或三角高程測(cè)量方法是獲取以似大地水準(zhǔn)面為基準(zhǔn)的正常高的主要手段。找出似大地水準(zhǔn)面與橢球面這兩個(gè)基準(zhǔn)面間差距的數(shù)學(xué)表達(dá)式（似大地水準(zhǔn)面模型），就能將GPS大地高換算成正常高，從而實(shí)現(xiàn)GPS測(cè)高來(lái)代替高精度的幾何水準(zhǔn)或三角高程測(cè)量。目前這種新穎的GPS高程測(cè)量技術(shù)，在道路工程應(yīng)用尋根應(yīng)用，車輛跟蹤方面也有很好的發(fā)展前景，再需要常規(guī)布線，而是使用GPS高程測(cè)量，達(dá)到電子巡航和跟蹤的效果。來(lái)說(shuō)GPS高程測(cè)量這種全新的方式在于傳統(tǒng)的幾何水準(zhǔn)高程測(cè)量和三角高程測(cè)量相比的過(guò)程中有更高的可行性，減少人力成本的耗損，而且可以測(cè)量一些較難測(cè)量的地形，其精度和智能化水平也相對(duì)較高，更容易與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)之間實(shí)現(xiàn)快速對(duì)接，記錄并分析有關(guān)數(shù)據(jù)。

2 GPS高程擬和測(cè)量基本方式

2.1 GPS高程擬和測(cè)量方式的概述

GPS作為全球定位技術(shù)，在很多領(lǐng)域內(nèi)均有其獨(dú)特的使用功效，而GPS高程觀測(cè)的基本原理，其待定點(diǎn)和高程異常點(diǎn)之間的關(guān)鍵性因素將成為求解最終實(shí)施測(cè)量可行性的依據(jù)。利用GPS擬合原理，加入實(shí)際測(cè)量點(diǎn)周邊的實(shí)際環(huán)境，采用數(shù)值內(nèi)差的方法來(lái)計(jì)算，是目前比較先進(jìn)的一種高程擬合測(cè)量方法，這種方法能夠很好的發(fā)現(xiàn)高程測(cè)量的異常點(diǎn)，并且進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)GPS高程擬和測(cè)量點(diǎn)與點(diǎn)之間的轉(zhuǎn)換，從而能夠最終求解出待定點(diǎn)之間的正常高度。之所以認(rèn)為GPS高程你和測(cè)量方式比較先進(jìn)，是因?yàn)镚PS測(cè)量方式可在測(cè)量區(qū)域之內(nèi)使用高等控制點(diǎn)其控制點(diǎn)點(diǎn)數(shù)的規(guī)律，能夠依據(jù)最小二乘原理。依據(jù)測(cè)量區(qū)域內(nèi)大地水準(zhǔn)面的擬合模型，再根據(jù)待定點(diǎn)的平面坐標(biāo)（x，y），此時(shí)的曲面內(nèi)差可求得P點(diǎn)的高程異常值而聯(lián)系特定點(diǎn)及關(guān)鍵高等級(jí)控制點(diǎn)的數(shù)量要求控制點(diǎn)數(shù)量大于3，以后可采用基于曲面條件的擬合基于多面函數(shù)擬合和小區(qū)域平面擬合等多種形式，使用數(shù)值迭代的方法，結(jié)合最小二乘與數(shù)值推估方法的計(jì)算，得到最終的求解結(jié)果，尋求帶定點(diǎn)的正常高度值。假設(shè)測(cè)量區(qū)域內(nèi)的任何一點(diǎn)，其高程異常值與點(diǎn)位平面坐標(biāo)存在著函數(shù)關(guān)系，那么這一函數(shù)關(guān)系式一般被約束為：

研究者發(fā)現(xiàn)，利用GPS高程觀測(cè)原理能夠很好的確定待定點(diǎn)的高程異常值?，也就是說(shuō)，如果使用數(shù)值多次平均計(jì)算和內(nèi)差的計(jì)算方法，那么就能夠確保代測(cè)點(diǎn)高程測(cè)繪的精度達(dá)到一個(gè)相當(dāng)?shù)娜≈捣秶畠?nèi)。

2.2 GPS高程擬和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)分析

（1）RTK延長(zhǎng)觀測(cè)時(shí)段的由來(lái)。根據(jù)以往的項(xiàng)目實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，在利用GPS高程擬合測(cè)試實(shí)驗(yàn)中，選取一定的GPS高程擬合模型，在一定的范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)分級(jí)布設(shè)和逐級(jí)加密的原則，從而能夠使得整個(gè)測(cè)量項(xiàng)目區(qū)域內(nèi)的目測(cè)控制網(wǎng)達(dá)到較為密集的效果，使用GPS首級(jí)控制網(wǎng)與測(cè)量區(qū)域內(nèi)的施工圖紙之間對(duì)接，這樣就可以使得整個(gè)測(cè)量區(qū)域的范圍被較為具體的概括，精準(zhǔn)定位之后的GPS測(cè)量控制網(wǎng)，使用外業(yè)靜態(tài)觀測(cè)的方法，同時(shí)其首級(jí)控制網(wǎng)，還可以結(jié)合內(nèi)業(yè)評(píng)差結(jié)算的方式，達(dá)到最終的測(cè)定點(diǎn)高度值。配合相關(guān)的微機(jī)技術(shù)，GPS高程擬和實(shí)踐體現(xiàn)了測(cè)量區(qū)域內(nèi)施工圖，根據(jù)控制點(diǎn)，采用的RTK延長(zhǎng)觀測(cè)時(shí)段，在使用差分定位和高程擬合共同組成測(cè)量模型的同時(shí)，有效獲取了平面與高程數(shù)據(jù)。由于使用了RTK延長(zhǎng)觀測(cè)時(shí)段的方式，使得GPS高程擬和實(shí)踐中的數(shù)據(jù)獲取量更大，能夠更好的取得穩(wěn)定的觀測(cè)效果。

（2）GPSKZ01-GPSKZ05三維控制點(diǎn)的確定。使用GPS首級(jí)高程擬合控制網(wǎng)，在布設(shè)控制網(wǎng)點(diǎn)之初，就應(yīng)該考慮到覆蓋測(cè)量區(qū)域的各個(gè)控制點(diǎn)，比如在某項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)測(cè)量區(qū)域內(nèi)控制點(diǎn)被命名為GPSKZ01-GPSKZ05，將這些控制點(diǎn)采用3～4臺(tái)雙頻GPS接收機(jī)，借助靜態(tài)觀測(cè)的方式測(cè)量?jī)蓚€(gè)RTK觀測(cè)時(shí)間段，在該項(xiàng)目中每個(gè)時(shí)間段的時(shí)長(zhǎng)限定為兩個(gè)小時(shí)，以局域網(wǎng)連接的形式布設(shè)各個(gè)控制點(diǎn)，并且計(jì)算其內(nèi)頁(yè)聯(lián)合評(píng)差。這一檢測(cè)及勘探的目的，是為了能夠求解GPSKZ01-GPSKZ05控制點(diǎn)的實(shí)際點(diǎn)坐標(biāo)在求解大地坐標(biāo)和測(cè)圖坐標(biāo)之間的轉(zhuǎn)換參數(shù)時(shí)，按照GPS高程擬合原理實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)測(cè)量點(diǎn)點(diǎn)位的高程信息精準(zhǔn)化。這也正是GPS高程擬和測(cè)量的優(yōu)勢(shì)，在各個(gè)觀測(cè)點(diǎn)內(nèi)架設(shè)三腳架，獨(dú)立觀測(cè)兩個(gè)時(shí)段，每個(gè)時(shí)段都要沿用RTK延長(zhǎng)觀測(cè)時(shí)段的方式，每時(shí)段的取值最低不能少于30秒，取兩次觀測(cè)平均值作為點(diǎn)位平面和高程數(shù)據(jù)的最終參照數(shù)據(jù)。

（3）光學(xué)水準(zhǔn)儀水準(zhǔn)聯(lián)測(cè)布局誤差。在實(shí)驗(yàn)中，研究人員也按照四等水準(zhǔn)測(cè)量規(guī)范，選取部分高程點(diǎn)，采用光學(xué)儀器，實(shí)行幾何水準(zhǔn)儀計(jì)算及水準(zhǔn)聯(lián)測(cè)方法，這種測(cè)量方式是為了能夠借助水準(zhǔn)聯(lián)測(cè)觀測(cè)兩種不同測(cè)量方式的誤差比率和分布情況，為未來(lái)的分析和實(shí)驗(yàn)提供依據(jù)。另外根據(jù)靜態(tài)GPS觀測(cè)點(diǎn)點(diǎn)位的精度，將其控制在三毫米左右，并滿足三等水準(zhǔn)線指標(biāo)要求，同時(shí)使用多種聯(lián)測(cè)方式，在采集點(diǎn)周邊控制布點(diǎn)計(jì)算坐標(biāo)數(shù)據(jù)，也可以規(guī)避由于人工失誤或其他因素所導(dǎo)致的誤差。最終的實(shí)驗(yàn)結(jié)果是通過(guò)建立GPS高程擬合模型，使用GPS-RTK延長(zhǎng)實(shí)際觀測(cè)時(shí)間之后，觀測(cè)點(diǎn)的點(diǎn)位被精確的控制，總體誤差在三厘米以下，已經(jīng)滿足了我國(guó)城市測(cè)量規(guī)范條件中所規(guī)定的最弱誤差數(shù)值要求。而在進(jìn)行多次大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析結(jié)果比對(duì)之后，研究人員發(fā)現(xiàn)觀測(cè)精度分析方面，以GPS高程擬和測(cè)量方式更占優(yōu)勢(shì)，其誤差較為均勻，外業(yè)觀測(cè)強(qiáng)度和平差計(jì)算工作量不大，而且數(shù)據(jù)采集效率也比較高，這一優(yōu)勢(shì)已經(jīng)明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的幾何水準(zhǔn)測(cè)量方式。

3 結(jié)論

綜上所述，GPS高程擬和測(cè)量方式在測(cè)量大地高方面有明顯優(yōu)勢(shì)，為了計(jì)算更具備精準(zhǔn)度的三維基線向量，使用GPS網(wǎng)評(píng)差求得高精度大提高。在比較GPS高程擬合理論之后，結(jié)合某項(xiàng)目的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，闡述了利用GPS觀測(cè)手段實(shí)現(xiàn)靜態(tài)觀測(cè)，并借助RTK延長(zhǎng)觀測(cè)時(shí)間，這一作業(yè)流程遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)的幾何水準(zhǔn)觀測(cè)方式，能夠得到更加具有精準(zhǔn)度的檢測(cè)效果。研究表明，使用GPS高程擬和測(cè)量直接引入等級(jí)高程觀測(cè)其精度完全滿足四等水準(zhǔn)要求，而且GPS高程擬和方法所進(jìn)行的水準(zhǔn)觀測(cè)，能提升測(cè)繪作業(yè)現(xiàn)代化程度，并且對(duì)于我國(guó)的測(cè)繪技術(shù)提升并與國(guó)際測(cè)繪流程及精度水準(zhǔn)接軌，做出了巨大的貢獻(xiàn)。