基于GPS的跨河水準(zhǔn)測(cè)量技術(shù)研究

■王必成 陳富強(qiáng) 米川

（河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局測(cè)繪地理信息院河南鄭州450006）

基于GPS的跨河水準(zhǔn)測(cè)量技術(shù)研究

■王必成 陳富強(qiáng) 米川

（河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局測(cè)繪地理信息院河南鄭州450006）

GPS測(cè)量技術(shù)因其具有全天候作業(yè)、操作簡(jiǎn)單、精度高等得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于大地測(cè)量、工程測(cè)量等領(lǐng)域。本文對(duì)采用GPS進(jìn)行跨河水準(zhǔn)測(cè)量的技術(shù)方法進(jìn)行了有益的探索，對(duì)提高跨河水準(zhǔn)測(cè)量的質(zhì)量、效率具有一定的參考意義。

GPS 跨河水準(zhǔn) 高程擬合

1　GPS水準(zhǔn)測(cè)量原理

1.1大地高和正常高的關(guān)系

我國(guó)目前采用的高程基準(zhǔn)為正常高系統(tǒng)，其基準(zhǔn)面為似大地水準(zhǔn)面。常規(guī)施測(cè)的水準(zhǔn)高程是地面點(diǎn)相對(duì)于大地水準(zhǔn)面的垂線距離Hγ。GPS定位技術(shù)測(cè)得的高程是大地高系統(tǒng)，是地面點(diǎn)相對(duì)于參考橢球面（WGS-84橢球）法線方向的距離HG，正常高與大地高之間的差異稱為高程異常ζ。三者之間的關(guān)系見圖1。

圖1　

由上圖可知：Hγ=HG-ζ

因此，GPS水準(zhǔn)測(cè)量法的原理就是使用GPS接收機(jī)和水準(zhǔn)儀分別測(cè)定兩岸點(diǎn)位的大地高差HG和同岸點(diǎn)位的水準(zhǔn)高差（正常高）Hγ，通過(guò)合適的高程擬合模型，求出兩岸的高程異常差和兩岸高差。

1.2高程擬合模型的選擇

高程異常擬合的數(shù)學(xué)模型主要有線狀擬合模型、曲面擬合模型以及重力場(chǎng)擬合法三種類型。重力場(chǎng)擬合法常用于精化大區(qū)域似大地水準(zhǔn)面；曲面擬合模型適應(yīng)于地形平緩的面狀測(cè)區(qū)；而線狀擬合模型適合于按線狀或帶狀布設(shè)的GPS水準(zhǔn)聯(lián)測(cè)點(diǎn)，跨河水準(zhǔn)測(cè)量可采用線狀擬合模型。線狀擬合模型有等值線圖示法、多項(xiàng)式曲線擬合法、三次樣條曲線擬合法和Akima函數(shù)擬合法等方法，等值線圖示法適用于地勢(shì)比較平坦的地區(qū)，高程異常變化的趨勢(shì)比較直觀；多項(xiàng)式曲線擬合法適合已知點(diǎn)個(gè)數(shù)較少的情況；三次樣條曲線擬合法適于測(cè)線長(zhǎng)、已知點(diǎn)多、變化大時(shí)的擬合；Akima函數(shù)擬合法適合于地形起伏較小的平坦測(cè)區(qū)。

2　GPS水準(zhǔn)測(cè)量方法

2.1點(diǎn)位布設(shè)

GPS跨河水準(zhǔn)測(cè)量最好選擇在地形較為平坦的平原、丘陵且河流兩岸地貌形態(tài)基本一致地區(qū)進(jìn)行。

采用GPS測(cè)量法進(jìn)行跨河水準(zhǔn)測(cè)量時(shí)，GPS水準(zhǔn)點(diǎn)盡可能選于水準(zhǔn)測(cè)線附近，并有利于進(jìn)行GPS觀測(cè)及水準(zhǔn)聯(lián)測(cè)。應(yīng)避開土質(zhì)松軟和強(qiáng)磁場(chǎng)地段，以及行人、車輛來(lái)往較多等場(chǎng)所。應(yīng)分析已有的地形、重力和水準(zhǔn)等與大地水準(zhǔn)面相關(guān)的測(cè)量資料，選擇河流兩岸大地水準(zhǔn)面具有相同的變化趨勢(shì)，且變化相對(duì)平緩的方向上布設(shè)跨河路線。

2.2GPS觀測(cè)注意事項(xiàng)

采用GPS測(cè)量法進(jìn)行跨河水準(zhǔn)測(cè)量時(shí)，觀測(cè)組應(yīng)嚴(yán)格遵守調(diào)度命令，按規(guī)定的時(shí)間進(jìn)行作業(yè)。經(jīng)檢查接收機(jī)電源電纜和天線等連接無(wú)誤后，方可開機(jī)。觀測(cè)前及觀測(cè)過(guò)程中，應(yīng)逐項(xiàng)填寫測(cè)量手簿中的各項(xiàng)信息。每時(shí)段開始及結(jié)束時(shí)，均應(yīng)記錄天氣狀況、實(shí)時(shí)經(jīng)緯度、每測(cè)段開始與結(jié)束時(shí)間等信息。觀測(cè)中不得進(jìn)行以下操作：關(guān)機(jī)重啟動(dòng)（排除故障除外）；改變衛(wèi)星截止高度角；改變數(shù)據(jù)采樣間隔；改變天線位置；按動(dòng)關(guān)閉或刪除文件功能鍵，觀測(cè)中應(yīng)防止儀器受震動(dòng)或移動(dòng)，防止人和其他物體遮擋衛(wèi)星信號(hào)。雷電、風(fēng)暴天氣時(shí)，不應(yīng)進(jìn)行觀測(cè)。觀測(cè)中應(yīng)保持接收機(jī)數(shù)據(jù)記錄的正常運(yùn)行，每日觀測(cè)結(jié)束后應(yīng)及時(shí)將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存至數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。轉(zhuǎn)存數(shù)據(jù)時(shí)，不得進(jìn)行刪改和編輯。

2.3跨河水準(zhǔn)測(cè)量GPS平差處理

GPS網(wǎng)平差軟件應(yīng)采用經(jīng)過(guò)有關(guān)部門批準(zhǔn)使用的軟件。在基線解算向量檢核符合要求后，以三維基線向量及其相應(yīng)方差一協(xié)方差陣作為觀測(cè)信息，以某一跨河點(diǎn)的三維地心坐標(biāo)系下的三維坐標(biāo)作為起算數(shù)據(jù)，進(jìn)行GPS網(wǎng)的無(wú)約束平差。

無(wú)約束平差基線向量改正數(shù)絕對(duì)值V△X、V△y、v△z應(yīng)不大于3δ，否則應(yīng)認(rèn)為該基線或附近基線存在粗差，應(yīng)在平差中采用軟件提供的自動(dòng)方法或人工方法剔除，直到滿足該要求。

2.4GPS跨河水準(zhǔn)高差計(jì)算

由圖1可知，A、B兩點(diǎn)間的高程異常變化率：

αAB=（ΔHGAB—ΔHγAB）/SAB

由每一個(gè)非跨河點(diǎn)與最近跨河點(diǎn)計(jì)算出一個(gè)α值，最后將河流兩岸得到的不同的αAB與αCD取平均值作為跨河河段的高程異常變化率α值。αAB與αCD較差應(yīng)滿足規(guī)范相應(yīng)要求。

高程異常差：ΔζAB=αAB×SAB

則跨河水準(zhǔn)高差：ΔHγBC=ΔHGBC—αBC×SBC

3　GPS跨河高程測(cè)量誤差分析

從上述推論中可以看出，GPS高程轉(zhuǎn)換用到三個(gè)量為GPS所測(cè)的相對(duì)于參考橢球的大地高、幾何水準(zhǔn)所測(cè)的相對(duì)于似大地水準(zhǔn)面正常高，以及通過(guò)重力測(cè)量等手段所得到的地球重力場(chǎng)模型。所以考慮GPS水準(zhǔn)的誤差源，應(yīng)分別考慮影響大地高、正常高、地球重力場(chǎng)模型精度的因素以及它們的綜合作用。

4　提高GPS跨河水準(zhǔn)精度措施

基于以上誤差分析，結(jié)合誤差理論研究，欲提高GPS跨河水準(zhǔn)的精度，可采取以下措施：

4.1提高GPS觀測(cè)、解算精度。如控制點(diǎn)必須使用強(qiáng)制對(duì)中裝置；改善GPS星歷的精度；消弱衛(wèi)星不對(duì)稱對(duì)定位精度的影響；選擇最佳的衛(wèi)星幾何圖形，選用雙頻GPS接收機(jī)，有效地消除電離層折射的延遲誤差，減弱多路徑誤差和對(duì)流層延遲誤差；提高整周模糊度的解算精度等。

4.2提高聯(lián)測(cè)幾何水準(zhǔn)精度。用精密水準(zhǔn)聯(lián)測(cè)，可以有效提高GPS大地高精度。

4.3盡量選擇河流兩岸大地水準(zhǔn)面具有相同的變化趨勢(shì)、且變化相對(duì)平緩的方向上布設(shè)跨河路線；水準(zhǔn)路線盡量直伸且等距，可有效地抵消地球重力場(chǎng)模型帶來(lái)的誤差。

5　結(jié)語(yǔ)

本文簡(jiǎn)述了GPS跨河水準(zhǔn)測(cè)量的基本原理和方法，分析了GPS跨河高程測(cè)量誤差來(lái)源，提出了提高GPS跨河水準(zhǔn)精度的具體措施，為跨河水準(zhǔn)測(cè)量的實(shí)施提供了科學(xué)高效的技術(shù)方法。該方法經(jīng)本作者在實(shí)際作業(yè)中多次應(yīng)用，效果良好，具有較高的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

［1］潘柏龍，匡翠林.GPS高程擬合模型確定 [J].現(xiàn)代測(cè)繪,2004,2,27(1).

［2］林康力，李賢忠.基于GPS的跨河水準(zhǔn)測(cè)量技術(shù)研究 [J].科技咨詢,2011,NO.11.

P228.4[文獻(xiàn)碼]B

1000-405X（2016）-7-167-1

王必成（1981～），男，測(cè)繪工程師，碩士，研究方向?yàn)楣こ虦y(cè)量、不動(dòng)產(chǎn)測(cè)繪、地理信息系統(tǒng)等。