小區域GPS高程控制測量分析研究

潘光江,于學敏,劉凱

(山東正元航空遙感技術有限公司,濟南 250100)

?

小區域GPS高程控制測量分析研究

潘光江,于學敏,劉凱

(山東正元航空遙感技術有限公司,濟南 250100)

摘要：針對GPS高程控制測量問題,采用實驗分析的方法,使用多臺GPS接收機按照相對靜態定位設計控制網、采用多時段進行GPS高程測量。對采集的數據進行處理,分析GPS高程測量的精度,探討影響GPS高程測量的因素和使用范圍,得到區域GPS高程控制測量的方法。

關鍵詞：GPS高程;GPS控制網;高程異常;GPS高程擬合

0引言

靜態GPS相對定位滿足各等級平面控制測量要求已毋庸置疑,可以達到工程測量的精度要求,然而高程控制測量精度一直不被認同[1-3]。通過GPS高程控制測量實驗,在實驗研究和實踐的基礎上,提出在一定條件下,利用GPS測量高程技術獲取高精度高差,進而獲得正常高的方法。

1實驗設計

在局部地區,如某一城市或地區的GPS網中,采用GPS水準方法,即用幾何水準聯測部分GPS點的正常高,用數值擬合的方法求出本測區的似大地水準面[4-6],計算出未聯測幾何水準GPS點的高程異常,從而求出這些GPS點的正常高,然后進行數據的對比與分析。

1.1測區選擇

所選測區地勢北高南低,南北高差約有70 m.在區內按照控制點選取原則共布設點位14個,測區面積約4.2 km2.采用6臺套GPS9600接收機進行觀測,組成3個同步觀測環,同步環之間連接方式選擇邊連接,公共邊確定為Z890-Z080邊與Z889-Z062邊,對測區按照四等水準測量的要求進行四等水準聯測測量。

2實驗分析

全網共包含觀測點14個,如圖1所示,生成基線45條,構成閉合環76個,其中同步環60個,異步環16個,經解算分析可知,解算的基線方差比最小11.95,最大中誤差為0.010 mm,最大相對誤差達到7萬分之一,最小相對誤差達到29萬分之一,因此可以肯定數據解算的可靠性,將此數據作為以后高程擬合的基準數據是可靠的。

圖1　GPS設計網形

2.1已知點數據錄入驗證實驗

選擇Z046、Z062、Z084和Z889四點作為起算數據,驗證按三維坐標(x,y,H)和一維高程(H)數據錄入對高程擬合的影響,驗證數據對比高程較差全為0 mm.經實驗驗證,數據錄入時加入已知點坐標和僅錄入其高程數據,所求的高程值沒有變化,因此在以后的實驗對比中,僅錄入已知點高程值進行擬合。

2.2起算點個數影響高程求解實驗

為了驗證GPS高程精度,根據聯測的四等水準進行了高程實驗,依據測區地形的情況,選取了不同數量的點作為起算點進行擬合高程計算[7-8],分別選取1、2、3、4、6個點作為已知高程點,其他點采用擬合高程,視四等水準成果為真值,計算出GPS高程成果與高程真值的差值。在每一種高程擬合方案中,除選做公共點外的其余已知高程點均作為檢核點,并按照下列公式計算擬合殘差Δ和擬合殘差的均方根σ[9]:

聯系人： 潘光江 E-mail: cehui2012@126.com

Δ=HGPS-h水準,

(1)

(2)

分別選取測區內Z066作為已知點進行高程擬合;選取測區內Z046與Z084作為已知點進行高程擬合;選取測區內Z046、Z062與Z084作為已知點進行高程擬合;選取測區內Z046、Z084,Z889、Z062作為已知點進行高程擬合;選取測區內Z889、Z406、Z066、Z045、Z062、Z087作為已知點進行高程擬合。

通過對以上5個方案進行比較,結果統計如表1所示。

在以上方案中,所選擇的點位均勻分布于測區中,通過比較,當起算點個數較少時,σ值較大,絕對值均大于50 mm;當起算點個數約達到總點數的三分之一時,均方根σ迅速減小到±10左右。從總體上看到,隨著已知點個數的增加,均方根σ在逐漸減小,說明高程擬合的精度隨著已知點個數的增加而提高。

表1　結果統計表

2.3已知點位置影響高程求解實驗

分別選擇不同位置的已知點求解高程進行對比,研究在已知點個數相同的情況下,點位的不同位置對高程擬合的影響。

前面已經選取測區內Z046、Z062、Z084作為已知點進行高程擬合。選取Z062、Z080、Z889個不同位置的點作為已知點求解與其進行比較與水準高程比較;前面已經選取測區內Z046、Z084,Z889、Z062作為已知點進行高程擬合。選取Z062、Z080,Z889、Z890個不同位置的點作為已知點與其進行比較,與水準高程比較。

數據結果對比統計,如表2所示。

表2　點位位置影響高程擬合結果統計表

通過以上研究比較,當已知點個數相同、位置不同時也會對高程擬合產生影響,此外對不同位置4點情況下發現均勻分布的點位反而不如都為公共點時候的精度高。原因可能在于其點位測量時間較長,其相對點位分布也較為均勻。因此選擇已知點最好既是公共點又要兼顧均勻,這樣有利于提高高程擬合的精度。

2.4高程異常值對比分析

圖2　擬合高程對比

通過以上數據的對比可以看到:在一小區域的范圍內,高程異常值變化很小,由于高程異常值的確定是大地高向正常高轉換的關鍵,基于異常值變化較小,在滿足擬合條件下進行高程擬合,求解的精度也不會相差很大。

2.5GPS高程測量代替水準測量可行性實驗

表3　GPS高程與水準高程比較表

可見已知點為四個約占總點數1/3時,測區范圍在5 km2之內,如果選取的點位較好,所獲得的擬合高程有時可以達到四等水準限差的要求。點位選擇一般時,擬合的高程可以達到圖根控制測量限差的要求。

3結束語

通過實驗分析,得到了以下有益的結論:三維坐標數據錄入與一維高程數據錄入進行高程擬合,對于局部GPS網擬合高程無影響; 同一測區,已知點的不同數量與不同位置影響其它點擬合的精度。對于地形復雜的測區,應適當增加水準重合點觀測;所用已知高程點越多,高程擬合精度就越高。如果測區內總點數較少時,高程已知點個數應該約占總點數的三分之一,當總點數較多時,高程已知點個數可以相對減少;選取高程已知點時,應該使其位置分布均勻,并且已知點最好也為測量時的公共點。如果選擇點位較好,擬合出來的高程有時可以達到四等水準測量的要求,點位選擇一般時,擬合的高程可以達到圖根控制測量的要求。

參考文獻

[1] 陳俊勇.我國高程控制網的現代化[J].測繪科學,2002,27(3):1-3.

[2] 勞順根,葉引.沿海島嶼國家高程基準的建立[J].海洋測繪,2001(4):4-7.

[3] 廖超明,葉達忠,邱宏華，等.利用GPS測高技術建立水利工程高程控制網[J].測繪通報,2004(2):37-39.

[4] 勇仲明.GPS高程測量的若干理論與實踐的研究[J].煤炭技術,2004,23(7).

[5] 劉誼、汪民主,汪金華，等.GPS高程二次曲面擬合及其程序[J].礦山測量,2004(2):12-14.

[6] 吳良才、胡振琪.GPS高程轉換方法和正常高計算[J].測繪學院學報,2004,21(4):256-258.

[7] 蘇巧梅,付培義.山地GPS高程測量方法探索[J].太原理工大學學報，2002.33(5):555-557.

[8] 李建成,姜衛平.長距離跨海高程基準傳遞方法的研究[J].武漢大學學報·信息科學版,2001,26(6):514-517.

[9] 林文介,劉立龍.GPS測定正常高的方法研究[J].桂林工學院學報,2001,21(3):234-238.

[10]姜晨光，賀勇，任榮，等.GPS精密高差測量技術的初步研究[J]. 地礦測繪,2002,18(2):1-3.

潘光江(1988-),男,碩士,主要從事航空遙感測量研究工作。

于學敏(1990-),男,碩士,主要從事航空遙感測量研究工作。

劉凱(1985-),男,本科,主要從事航空遙感測量研究工作。

Analysis on Small Region GPS Height Control Survey

PAN Guangjiang,YU Xuemin,LIU Kai

(ShandongZhengyuanAerialRemoteSensingTechnologyCo.,Ltd,Jinan250100,China)

Abstract:For the GPS height control survey, adopting the method of experiments and analysis, using many GPS receivers, designing control network according to the relative static positioning, using multiple times to carry out GPS height measurement. Through dealing the data, then analyse the precision of GPS height measurement and discuss the influencing factors of GPS height measurement and application scope for the method of region GPS elevation control survey.

Key words:GPS height; GPS control network; height anomaly; GPS height simulation

作者簡介

收稿日期：2015-07-21

中圖分類號：P258

文獻標志碼：A

文章編號：1008-9268(2015)06-0095-04

doi:10.13442/j.gnss.1008-9268.2015.06.022