GPS高程測量分析及其水利測繪工程中的運用探討

作者簡介：遲本良 男 1963年2月11日出生 安徽省巢湖市 工程師 大學專科 水利測繪工程

摘要：目前，GPS高程測量應用越來越廣泛。本文的第一部分對GPS測量高程進行了概述。本文的第二部分則是通過GPS高程測量的在實際的水利測繪工程的探討，對三種主要的轉換方法進行了計算和對比。

關鍵字：GPS高程測量；GPS高程測量運用 ；水利測繪工程

中圖分類號：P2 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X(2011)10(b)-0000-00

近幾年來，隨著科學技術的迅猛發展，國內設計經濟水平的不斷提高，GPS定位技術在我國測繪領域的推廣與運用越來越廣泛。在傳統控制測量方法受到了極大挑戰的同時，GPS測量在平面控制方面也發揮了巨大的作用。本文的第一部分通過介紹GPS測量高層的基本原理，高程系統及其關系進行了簡要分析；第二部分則是通過GPS高程測量的實際例子的計算和對比，簡述了減少GPS高程測量誤差的幾種方法。

一、GPS高程測量概述

GPS高程測量，即Height Measurement Using Global Positioning System，是運用GPS測量技術間接確定地面上點的正常高的。其工作原理是：先直接測量所選測量區域內的所有GPS點的大地高，然后再在測量區域內用水準測量的方法對選擇的若干GPS點測出正常高(所選點的數量和位置要能滿足高程擬合需要)，最后計算出所有GPS點的高程差異(即大地高與正常高之差)，并在此基礎上，運用平面擬合或曲面擬合進行高程擬合，最終得出測量區域的其他GPS點的正常高。

1. 大地高

大地高是由地面點沿著通過該點的橢球的法線到參考橢球面的距離，即以橢球面為參考基準的高程系統。沒有明確的物理意義，若定義的橢球大地坐標系不同，則構成的大地高程系統也不同，一般用字母表示，且可分解為正高和大地水準面差距，又可分解為正常高和高程異常。

通常，GPS定位測量所獲得的橢球大地坐標系是以WGS-84為基準的，即是相對于WGS-84橢球的大地高程。

2. 正高

正高是以大地為水平基準面的高程系統，是由地面點沿鉛垂線至大地水準面的距離，其具有明確的物理意義，這里用表示。

3. 正常高

正常高是由地面點沿鉛垂線至似大地水準面的距離，用表示。一般來說，我國的高程系統都是以大地的水準面為基礎的正常高系統。

高程異差

高程異差是指大地水準面到參考橢球面的距離。用表示，一般是指大地水準面與WGS-84參考橢球面差距。

高層系統之間的關系

在知道了上述幾個基本的高程系統之后，結合高程系統理論知識可知測量點的大地高與正常高的關系為：=－。

因為這只是一個近似表達式，有時為了考慮到參考橢球面的法線與鉛垂線之間的差異即垂線偏差所帶來的影響，也會進行誤差計算。但是，由于垂線偏差所引起的高程異常一般不超過±0.1mm，所以一般不予考慮。

二、GPS高程測量在水利工程中的運用

在基本了解了GPS高層測量的原理及其各高層系統間的關系后，本文針對高程異常的核心問題——GPS大地高測量轉換成為正常高的三類常用轉換方法，即曲面擬合法、重力場模型法、顧及地形改正的擬合法，運用實例進行一一分析講解，以此說明GPS高層測量技術在水利工程運用中的實用性與優越性。

曲面擬合法的實際運用

通常，我們將運用連續的數學曲面對大地水準面進行擬合的方法叫做曲面擬合法。它只能滿足較為低等級的高程測量要求。

重力場模型內插法的實際運用

即通過對全球或是局部的重力場的模型計算求出高程的異常值，并結合水準測量和一定的內插方法，實現測得GPS大地高向正常高的轉換。此種方法在大范圍的GPS高程轉換中應用較多，且精度要求很高。

例如，在南四湖上級湖測量中，首級GPS控制網測量采用Leica SR530(Rush)型雙頻RTK GPS衛星接收機與Trimble 4600Ls型單頻GPS衛星接收機聯合作業的方式量測。以網內均勻分布的20點GPS／水準點作為控制點，用四次擬合多項式為擬合函數將重力似大地水準面擬合到GPS／水準似大地水準面上，從而獲得南四湖上級湖工程區域似大地水準面最后結果。利用工程區域似大地水準面模型內插156個GPS網點高程異差并和GPS觀測大地高一起計算相應正常高。并將實測高程作為“真值”進行精度統計，如表1所示。而計算得到156個GPS控制網點正常高與水準實測高程比較統計結果列于表2中。

從上述表中比較數據來看，計算高程與水準實測高程之差絕對值小于0.05m的點占所有點總數的79.5%，標準差小于0.05m，說明總體符合較好，方法運用可靠。

顧及地形改正的擬合法的實際運用

此法首先是先通過DEM來計算高程異常的短波分量，然后剔除該分量，使得高程異常的劇烈變化變平緩后再進行擬合，最后恢復被剔除的短波分量。此種方法，以實驗結果為憑證，現多應用在高山地區起伏較大的地勢測量。

三、結語

我們知道興建水利工程的地方多是較為困難的地區，普遍存在著地形較復雜、交通不便利、通視條件差等現象，又因為國家水準點的稀缺，水準的測量線路較長等不利因素，使得高程測量變的極為困難，具有挑戰性。在此環境下，GPS高程測量的優勢就顯露無疑。GPS高程測量以其監測點不需要通視、勞動強度降低、不累計誤差、工作效率高等優點取勝，在一定范圍內成功的替代了傳統的水準測量。目前，GPS高程測量可以達到四等及以下幾何水準的精度要求。滿足了水利工程的中、小比例尺地形圖圖根控制和河道縱、橫斷面端點對高程的精度要求。因此，探索GPS高程測量在水利水電工程中的實際應用，是一項應用前景廣泛并極具深遠意義的重要舉措。

參考文獻：

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