GPS水準測量在渭河中下游河道測區中的應用

史曉峰

陜西水環境工程勘測設計研究院，陜西西安 710018

GPS水準測量在渭河中下游河道測區中的應用

史曉峰

陜西水環境工程勘測設計研究院，陜西西安 710018

本文通過GPS水準測量在渭河中下游河道測區的應用，探討了GPS水準測量的有關觀測技術要求，并通過對GPS網高程進行擬合，分析了GPS水準的平差精度。

GPS水準；河道測區；觀測應用

GPS水準測量方法是大型帶狀測區測量高程最常用的一種方法。GPS水準測量通過聯測測區內一定數量的高級水準點，計算出未知點的高程異常，在水利工程測量中能夠將測量效率大大提高，同時還能夠保證測量的精確度，GPS水準測量具有精度高、速度快、觀測時間短、坐標實施解算等優點。

1 工程測量項目概況

工程測量項目：渭河中下游河道地理信息系統渭河西韓鐵路橋～渭攔10區段1/萬地形圖測量，按照“數字渭河”工程技術體系，為用戶提供地理信息數據服務和應用服務。系統采用1:25萬和1:1萬兩種空間尺度進行設計。沿河橫向寬度為10km的帶狀區域，1:1萬比例尺建設范圍為渭河干流從咸陽鐵路橋至渭河入黃河口，1:25萬比例尺數據庫建設范圍為陜西省渭河流域范圍。渭河中下游河道地理信息測量采用全球定位系統（GPS）、利用遙感（RS）地理信息系統（GIS）“3S”高新技術，采集渭河中下游河道基礎地理數據，建立基礎地理數據庫。

2 GPS觀測與解算中各項參數設置

觀測使用的GPS設備為六臺套美國天寶GPS，均為雙頻接收機，標稱精度為5mm+1ppm*D，項目參數設置：GPS接收機采用雙頻接收機，同步觀測GPS接收機臺數≥3；衛星高度角設置（度）15，有效觀測GPS衛星數≥4；同步跟蹤GPS衛星數≥4；觀測時段數1.6；時段長度（min）40；數據采樣間隔（sec）10；GPS衛星象限分布≥3；PDOP/GDOP≤6，作業采用20s～30s采樣率的快速靜態測量模式，觀測2個時段。

GPS水準和平面控制同步進行，在觀測過程中，實現結構組網，整體網形沿著帶狀布置，同時在測區的周邊2個GPS B級網點和6個GPS C級網點，并均勻聯測14個三等水準點。

3 GPS水準測量高程擬合的分析

考慮渭河中下游河道測區屬大型帶狀測區，從咸陽至渭河入黃河沿線河道彎曲大，渭河中下游河道測

鑒于考慮到渭河中下游的河道測區為大型帶狀測量，由咸陽道渭河的入黃河沿線位置，河道彎曲性較強，渭河的中下游河道測區中，相對高差控制在50m之內，以此決定采取多項化曲面擬合法，測量本測區范圍內的GPS水準高程擬合模型。

假設該網中的某一點或者多點具備精確WGS-84坐標系中大地高程，當GPS網實現平差后，可求得各GPS點的WGS-84大地高H84。通過GPS網平差，可以得到高精度的大地高差。大地高和正常高之間的關系式如下：

Hr= H84-ξ

其中ξ表示似大地水準面至橢球面間的高差，叫做高程異常，它是由地下物質及其密度分布不均勻產生的重力異常導致。

根據測區中已知點的坐標（x,y）和其正常高值（h），擬合出測區似大地水準面，再內插出待定點的ζ，從而求出網中各點的正常高。

設網中某點的ζ與平面坐標x,y有下列關系

其中，f（x,y）為ζ的趨勢值，ε為誤差。

對f（x,y）級數展開

于是，（1）式的矩陣形式為

1 x1 y1 x12 …1 x2 y2 x22 ………………xn yn xn2 …1

對于上式，在Σε2=min條件下，解出各ai，然后按照矩陣式獲得各點ζ，進而獲得每個點的正常高值。在平差情況下，采取模型處理，并對兩個子區分別進行測量；在高程擬合狀態下，首先讀取WGS84坐標系的無約束平差文件：Adjust.out，然后再進行高程擬合。當實現平差之后，可以判斷GPS水準擬合的精確度，將網中某一點作為特定的參與擬合的三等水準點，該高程值和本點GPS擬合值進行比較。獲得GPS水準擬合精度，以20(mm)來計算，其中d代表此點到最近的已知點距離。GPS水準測量精度中誤差±40，從中可以看出，水準點的幾何水準高程與GPS擬合高程之差滿足了四等水準的限差要求，從而說明本次GPS水準測量達到了四等水準的精度要求。

4 結論

通過對GPS水準測量高程擬合分析得知，大地高差測定的精準度，對GPS水準精度產生直接影響。因此，為了確保GPS水準精度，應注重提高大地高差的測定精度。

提高大地高（差）測定的精度的措施主要有：1）提高GPS網基線解算的局部起算點坐標精度；2）GPS儀器精度的選擇不得低于極限精度5mm+1ppm 、高程精度 10mm+2ppm ，性能相對穩定，同時受到外界環境的影響作用較大；3）在觀測過程中，應注重選擇最佳的衛星分布方式；4）減少對流層延遲以及多路徑的誤差；5）大于10km的GPS網點應實測氣象參數；6）在計算過程中，坐標取1m或10m，但是高程必須精確到mm。計算結果通過計算機，測量高程異常的等值線圖，可分析測區的高程異常變化情況，以此保證擬合計算的精度。同時，盡量減小其它誤差因素影響。比如 GPS 圖形結構、電離層影響、外業施測過程中正確量取天線高等，最大程度地減少GPS測量誤差影響。

總之，按照《水利水電工程測量規范》SL197-97中四等GPS網的要求，渭河中下游河道測區水準的擬合精度中誤差在±40，可以說“數字渭河”工程技術體系GPS水準測量達到了四等水準的精度要求。

[1]周忠謨等.GPS衛星測量原理與應用[M].測繪出版社，1997.

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