基于GPS的跨河水準測量技術(shù)研究

■王必成 陳富強 米川

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

基于GPS的跨河水準測量技術(shù)研究

■王必成 陳富強 米川

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

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

GPS 跨河水準 高程擬合

1　GPS水準測量原理

1.1大地高和正常高的關(guān)系

我國目前采用的高程基準為正常高系統(tǒng)，其基準面為似大地水準面。常規(guī)施測的水準高程是地面點相對于大地水準面的垂線距離Hγ。GPS定位技術(shù)測得的高程是大地高系統(tǒng)，是地面點相對于參考橢球面（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水準測量法的原理就是使用GPS接收機和水準儀分別測定兩岸點位的大地高差HG和同岸點位的水準高差（正常高）Hγ，通過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擬合法三種類型。重力場擬合法常用于精化大區(qū)域似大地水準面；曲面擬合模型適應(yīng)于地形平緩的面狀測區(qū)；而線狀擬合模型適合于按線狀或帶狀布設(shè)的GPS水準聯(lián)測點，跨河水準測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比較平坦的地區(qū)，高程異常變化的趨勢比較直觀；多項式曲線擬合法適合已知點個數(shù)較少的情況；三次樣條曲線擬合法適于測線長、已知點多、變化大時的擬合；Akima函數(shù)擬合法適合于地形起伏較小的平坦測區(qū)。

2　GPS水準測量方法

2.1點位布設(shè)

GPS跨河水準測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)進行。

采用GPS測量法進行跨河水準測量時，GPS水準點盡可能選于水準測線附近，并有利于進行GPS觀測及水準聯(lián)測。應(yīng)避開土質(zhì)松軟和強磁場地段，以及行人、車輛來往較多等場所。應(yīng)分析已有的地形、重力和水準等與大地水準面相關(guān)的測量資料，選擇河流兩岸大地水準面具有相同的變化趨勢，且變化相對平緩的方向上布設(shè)跨河路線。

2.2GPS觀測注意事項

采用GPS測量法進行跨河水準測量時，觀測組應(yīng)嚴格遵守調(diào)度命令，按規(guī)定的時間進行作業(yè)。經(jīng)檢查接收機電源電纜和天線等連接無誤后，方可開機。觀測前及觀測過程中，應(yīng)逐項填寫測量手簿中的各項信息。每時段開始及結(jié)束時，均應(yīng)記錄天氣狀況、實時經(jīng)緯度、每測段開始與結(jié)束時間等信息。觀測中不得進行以下操作：關(guān)機重啟動（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；按動關(guān)閉或刪除文件功能鍵，觀測中應(yīng)防止儀器受震動或移動，防止人和其他物體遮擋衛(wèi)星信號。雷電、風(fēng)暴天氣時，不應(yīng)進行觀測。觀測中應(yīng)保持接收機數(shù)據(jù)記錄的正常運行，每日觀測結(jié)束后應(yīng)及時將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存至數(shù)據(jù)存儲器。轉(zhuǎn)存數(shù)據(jù)時，不得進行刪改和編輯。

2.3跨河水準測量GPS平差處理

GPS網(wǎng)平差軟件應(yīng)采用經(jīng)過有關(guān)部門批準使用的軟件。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)方差陣作為觀測信息，以某一跨河點的三維地心坐標系下的三維坐標作為起算數(shù)據(jù)，進行GPS網(wǎng)的無約束平差。

無約束平差基線向量改正數(shù)絕對值V△X、V△y、v△z應(yīng)不大于3δ，否則應(yīng)認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方法或人工方法剔除，直到滿足該要求。

2.4GPS跨河水準高差計算

由圖1可知，A、B兩點間的高程異常變化率：

αAB=（ΔHGAB—ΔHγAB）/SAB

由每一個非跨河點與最近跨河點計算出一個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

則跨河水準高差：ΔHγBC=ΔHGBC—αBC×SBC

3　GPS跨河高程測量誤差分析

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

4　提高GPS跨河水準精度措施

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

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

4.2提高聯(lián)測幾何水準精度。用精密水準聯(lián)測，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面具有相同的變化趨勢、且變化相對平緩的方向上布設(shè)跨河路線；水準路線盡量直伸且等距，可有效地抵消地球重力場模型帶來的誤差。

5　結(jié)語

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

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

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

P228.4[文獻碼]B

1000-405X（2016）-7-167-1

王必成（1981～），男，測繪工程師，碩士，研究方向為工程測量、不動產(chǎn)測繪、地理信息系統(tǒng)等。