GPS高程測量技術在水利工程測量中的運行研究

蘇斌

[摘要]GPS高程測量技術是利用全球定位系統(tǒng)（GPS）直接測定地面點大地高、間接確定地面點正常高。使用GPS測量技術間接確定地面點正常高的過程中，當直接測得測量區(qū)域內所有GPS點大地高后，然后在測量區(qū)域內選擇數(shù)量、位置都能滿足高程擬合需要GPS點，使用水準測量法取其正常高，并計算GPS點大地高與正常高之差（高程異常），以此為基礎利用平面、曲面擬合法進行高程擬合，即可獲得測量區(qū)域內其余GPS點正常高。三峽水利樞紐、小浪底水利樞紐、萬家寨水利樞紐等在不同程度上都是利用GPS高程測量。

[關鍵詞]GPS 高程測量技術 水利工程測量

[中圖分類號] P624 [文獻碼] B [文章編號] 1000-405X（2015）-8-201-2

21世紀科學技術的迅猛發(fā)展給國內設計技術各方面帶來了沖擊。在高程測量技術方面，GPS高程測量已經(jīng)漸漸地取代了傳統(tǒng)的控制測量方法。本文將介紹GPS高程測量的應用以及測量方法，簡要說明GPS高程測量在水利測繪工程中的應用現(xiàn)狀以及實際操作中的制約因素，并提出措施建議。針對GPS測量的誤差，對提高其精度測量方面提出幾點建議，并普及GPS相關的理論基礎知識。

1 GPS高程測量技術

（1）高程系統(tǒng)：①大地高（Hg）②正常高/正高（Hr/hg）。

（2）大地高系統(tǒng)：大地高系統(tǒng)以參考橢球面為基準面的高程系統(tǒng)。某點大地高是該點到通過該點的參考橢球法線與參考橢球面交點間的距離。大地高也稱為橢球高，大地高用符號H進行表示。大地高是純幾何量不具有物理意義，同一個點在不同基準下具有不同大地高。

（3）正高系統(tǒng)：正高系統(tǒng)以大地水準面為基準面的高程系統(tǒng)。某點的正高是該點到通過該點的鉛垂線與大地水準面的交點之間的距離，正高用符號hg表示。

（4）正常高系統(tǒng)是以似大地水準面為基準的高程系統(tǒng)。某點的正常高是該點到通過該點的鉛垂線與似大地水準面的交點之間的距離，正常高用Hr表示。

（5）高程系統(tǒng)之間的轉換關系：Hr=H-r、Hg=H-hg。

2 GPS測高方法

2.1等值線圖法

從高程異常圖或大地水準面差距圖分別查出各點的高程異?；虼蟮厮疁拭娌罹?，然后分別采用上面兩式可計算出正常高和正高。在采用等值線圖法確定點的正常高和正高時要注意以下幾個問題：（1）注意等值線圖所適用的坐標系統(tǒng)，在求解正常高或正高時，要采用相應坐標系統(tǒng)的大地高數(shù)據(jù)。（2）采用等值線圖法確定正常高或正高，其結果的精度在很大程度上取決于等值線圖的精度。

2.2大地水準面模型法

地球模型法本質上是一種數(shù)字化的等值線圖，目前國際上較常采用的地球模型有OSU91A等。不過我國范圍內不適合該模型。

2.3擬合法

（1）基本原理：所謂高程擬合法就是利用在范圍不大的區(qū)域中，高程異常具有一定的幾何相關性這一原理，采用數(shù)學方法，求解正高、正常高或高程異常。（2）注意事項：適用范圍上面介紹的高程擬合的方法，是一種純幾何的方法，因此，一般僅適用于高程異常變化較為平緩的地區(qū)（如平原地區(qū)），其擬合的準確度可達到一個分米以內。對于高程異常變化劇烈的地區(qū)（如山區(qū)），這種方法的準確度有限，這主要是因為在這些地區(qū)，高程異常的已知點很難將高程異常的特征表示出來。選擇合適的高程異常已知點：所謂高程異常的已知點，它的高程異常值一般是通過水準測量測定正常高、通過GPS測量測定大地高后獲得的。在實際工作中，一般采用在水準點上布設GPS點或對GPS點進行水準聯(lián)測的方法來實現(xiàn)，為了獲得好的擬合結果要求采用數(shù)量盡量多的已知點，它們應均勻分布，并且最好能夠將整個GPS網(wǎng)包圍起來。高程異常已知點的數(shù)量若要用零次多項式進行高程擬合時，要確定1個參數(shù)，因此，需要1個以上的已知點；若要采用一次多項式進行高程擬合，要確定3個參數(shù)，需要3個以上的已知點；若要采用二次多項式進行高程擬合，要確定6個參數(shù)，則需要6個以上的已知點。分區(qū)擬合法若擬合區(qū)域較大，可采用分區(qū)擬合的方法，即將整個GPS網(wǎng)劃分為若干區(qū)域，利用位于各個區(qū)域中的已知點分別擬合出該區(qū)域中的各點的高程異常值，從而確定出它們的正常高。圖1是一個分區(qū)擬合的示意圖，擬合分兩個區(qū)域進行，以虛線為界，位于虛線上的已知點兩個區(qū)域都采用。

3高程測量原理

（1）高程測量是利用GPS技術，測量目標區(qū)域內所有GPS大地高度。為滿足高程擬合要求，使用水準測量方法測量目標區(qū)域GPS正常點。得出GPS點大地高和正常高后，即可計算出GPS高程差異。

（2）GPS測量方法最主要的是單點定位，此測量方法相對于其他操作方法而言較為簡單，此方法工作原理是利用衛(wèi)星發(fā)出電波計算某點三維坐標數(shù)據(jù)。通常情況下，單點定位測量方法能夠接受四個以內的衛(wèi)星信號做出分析。此種測量方法缺陷是利用接受線、天線確定三維坐標數(shù)據(jù)，該種測量在精度方面不夠完善，測量定位時最好避免使用定點單位。相對定位包含：動態(tài)測量、快速靜態(tài)測量、靜態(tài)測量。

（3）測量誤差分析，測量誤差主要從信號傳播相關誤差、衛(wèi)星相關誤差、接受線相關誤差等。地面40千米以上區(qū)域屬于大氣對流層，GPS信號在通過對流層發(fā)生傳播路徑彎曲，致使其測量數(shù)據(jù)發(fā)生偏差造成誤差。多路徑誤差是嚴重影響GPS測量精度重要因素之一，在測量過程中，目標測量對象內的其他區(qū)域會反射衛(wèi)星信號，使其測量值偏差。

4水利工程中 GPS 高程測量的應用

水利工程測量中的高程測量一直采用傳統(tǒng)的高程施測手段——幾何水準測量方法。此方法雖然精度較高，但實施起來費時費力，作業(yè)效率低。GPS 測量具有全天候、經(jīng)濟、快速等諸多優(yōu)點。近年來，國內外有些測繪科研生產(chǎn)部門，在 GPS 水準的布測和擬合方面，做了大量的研究工作，其主要目的就是精化大地水準面，提高 GPS 高程測量精度，這些科研成果已廣泛應用于生產(chǎn)實際中。（1）控制點加密的測量。在首級控制網(wǎng)的基礎上，為滿足地形圖及斷面等測量的需要， 必須進行加密控制點的測量。而水利水電工程多位于偏遠地區(qū)，已知高等級控制點較少，常規(guī)的控制測量方法是測距儀導線，測量精度受到很多條件限制，且工作量大。而用GPS RTK 加密測量控制點則很簡單，只需在測區(qū)10km 范圍內有 3 個以上且包含測區(qū)的高等級測量控制點即可，操作簡單方便，平均每天可測量 30～40 個加密控制點，效率較高。（2）施工放樣測量。利用 RTK 隨機軟件中放樣的功能進行點、直線、曲線放樣功能，進行施工放樣測量。輸入設計好的已知坐標作為參考點和目標點，流動站實地所在位置的坐標作為修正點，電子手簿屏幕上的圖形顯示出實地待定點相對于目標點所偏移的距離，按照指示移動流動站，直到滿足所要求的精度。同樣方法可以用來復樣及檢查驗收。（3）數(shù)字化地形圖測量。利用 RTK 快速定位和實時得到坐標結果的特點，在一定的測量環(huán)境中可以進行地形測量。地形點的測量可以在數(shù)據(jù)采集的功能下進行，也可以根據(jù)現(xiàn)場地形的實際情況進行測量設定，采集完的地形點經(jīng)過成圖處理，生成數(shù)字化管道地形圖。地形點的采集可以單人作業(yè)，極大地節(jié)約了人力和時間。

5結語

GPS系統(tǒng)的建立在測量領域得到了飛躍，與傳統(tǒng)的手工測量方法相比，GPS技術有巨大優(yōu)勢，利用載波相位差分技術（RTK），在實時處理兩個觀測站的載波相位的基礎上，可以達到厘米級的精度，并同時具有操作簡便、儀器體積小便于攜帶、全天候操作、觀測點之間無須通視、測量結果統(tǒng)一在WGS84坐標下及信息自動接收、存儲、減少繁瑣的中間處理環(huán)節(jié)等特點.當前，GPS技術已廣泛應用于大地測量、資源勘查、地殼運動、地籍測量等領域。由于對水利工程的要求極高，所以GPS高程測量為其解決了重大難題。

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