淺析GPS在高程測量中的應用

杜炳輝

【摘 要】隨著GPS技術的發展，GPS高程測量技術日益成熟，逐步取代了傳統的測量方法，提高了工作效率，節省了大量的財力物力。GPS技術廣泛應用到多個領域，發展成為多模式、多用途、多領域的高新科技產業。本文分析了GPS定位的原理，闡述了常用的高程系統，進而分析了GPS高程測量的基本原理和高程異常的計算方法，最后以地質勘探工作為例，淺析GPS高程測量在生產實踐活動中的應用。

【關鍵詞】GPS高程測量 高程系統 高程異常 地質勘探

1 引言

GPS（Global Positioning System-GPS）為全球定位系統，美國從20世紀80年代開始研發，現已得到廣泛應用。它的主要特點是：（1）定位精度高；（2）觀測時間短；（3）測站間無需通視；（4）可提供三維坐標；（5）全天候作業；（6）操作簡便、應用范圍廣，鑒于這些優點及GPS的不斷發展完善，GPS技術廣泛應用到多個領域，發展成為多模式、多用途、多領域的高新科技產業[1-2]。

2 GPS定位的基本原理及作用

GPS由空間衛星、地面監控和用戶接受三部分組成， GPS定位的原理類似于測距交會確定點位的方法，即空間衛星部分不斷地發送信息，用戶接受部分接收到信息，通過計算后可以得到接受者的位置，對于接收點來說，根據其運動狀態可以將GPS定位分為靜態定位和動態定位。目前工程測量中正常高系統在水利、交通、形變監測等方面起著非常重要的作用，測量正常高最經典、最精密的方法是幾何水準法，GPS的出現對幾何水準法造成了極大的沖擊，首先是在效率、實時和經濟上，GPS有較大的優勢，可以獨立完成工程和科學任務；其次，GPS測得的大地高借助于似大地水準面可以轉換為正常高，為GPS海拔高測量提供了技術基礎[3]。

3 GPS高程測量的基本原理及常用高程系統計算方法介紹

3.1 GPS高程測量的基本原理

利用GPS技術測量得到的是地面某一點的WGS84 三維坐標—大地經緯度和大地高，它沒有實際的物理意義，并且我們平時使用的為正常高（如1985國家高程基準等），那么我們就需要將大地高轉換為正常高，由于正常高是基于似大地水準面，似大地水準面不是一個規則的曲面，通過坐標的轉化無法得到正常高，由公式ζ=H-h可知，為求出正常高關鍵是先求出高程異常值，因此在GPS測得大地高之后，計算正常高實際就是求高程異常值的過程[4]。

3.2 常用高程系統計算方法介紹

通過前面GPS高程測量基本理論介紹，由大地高轉換為正常高的核心在于計算高程異常，目前高程異常的計算方法有以下幾種常用的方法：

（1）在區域較小的范圍內且測區范圍內的地形起伏變化不大時，可認為測區內點的高程異常值是相同的，其方法是在測區內根據已知點求未知點，例如測區內有A、B兩點，其中A點的大地高和正常高已知，為Ha ha，B點的大地高通過GPS測得為Hb，由此可知：

（2）當測區內地形起伏較大，且測區范圍較大時，確定高程異常值的方法有解析法、GPS三角高程和重力高程法、繪制等值線法等。

目前雖然高程轉化的方法較多，但是均存在一些缺點：利用重力法求高程異常，需要足夠多、精度足夠高的重力測量資料；解析法和繪制等值線法對已知點數據的精度要求較高。

4 GPS高程測量在工程測量中的應用

GPS高程測量是一門新興的測量技術，隨著該技術的發展日益成熟，現已逐步得到了廣泛應用，逐步地向工業和民用領域發展，現從地質勘探和石油勘探兩個方面來闡述一下該技術在工程測量中的應用[5]。

4.1 GPS高程測量在地質勘探中的應用

近些年，隨著國家對礦產資源的需求進一步增大，地質勘探行業有了較快的發展，同時也對地質勘探技術提出了新的要求，在地質礦產勘探的過程中，勘探的技術控制是十分重要的，而在勘探技術中勘探精度的控制是較為重要的環節，因此為了能夠更好的為地質勘探事業服務，GPS測量技術也被引入到其中。在以前的地質工作中，依靠傳統的測量技術不僅工作量大，而且受天氣等諸多影響，工作效率較為低下，GPS測量技術的引入很好的解決了上述問題。

地質勘探工作一般在山區或偏遠地區，礦區面積一般較小，地勢起伏大，控制點和已知點少，利用GPS測量，在高程測量精度上會存在較大誤差，此外地質勘探工作本身對精度有較高的要求，因此，在地質勘探工作中，對GPS高程測量精度的控制是尤為重要的。

4.2 GPS高程測量在地質勘探中的應用方法

GPS高程測量在地質勘探中的應用包括兩個方面：（1）充分利用水準測量和重力測量資料，確定大地水準面高程。（2）綜合利用大地水準面資料確定點的高程。

4.2.1 地質勘探中研究大地水準面高程的傳統方法

在地質勘探工作中傳統的做法是利用天文水準法和天文重力水準法、重力場模型等，這幾種方法的誤差主要是由測區內重力點的密度和實測的精度及重力場模型建立精度造成的，我國礦山和地質勘探工作中曾廣泛使用天文重力水準法，確定了我國的高程異常平面圖，高程異常的精度在地勢平坦地區，約為±1m，在山區精度控制只能保持在數米之內[6]。

4.2.2 地質勘探中GPS高程測量的實現方法

（1）確定正常高的GPS高程測量方法。綜合利用GPS測量資料和大地基準面資料，確定觀察點高程的方法，稱為GPS高程法，采用GPS高程法對地表和基面進行科學的測量，其精度主要由GPS大地高程測量精度和高程異常測量精度決定的。但是地質勘探工作一般在地勢起伏較大地區進行，地形地質結構復雜，目前我國采用GPS高程法在對其精度的控制上海存在著一定的困難。

（2）GPS水準法確定高程異常。綜合利用GPS測量數據和水準資料，確定高程異常的方法，稱為GPS水準法，目前在地質勘探工作中常用有繪制等值線法和解析法，經實踐證明，在地勢平坦地區且高程已知點密度適當，該方法的高程異常精度可達厘米級；在山區，地形起伏較大，其精度相應較低，對于在山區高程測量可以采用一定的方法進行改善：按照《地質礦產勘察測量規范》實施作業，適當增加高程已知點的數量，提高測區重力測量技術等等。

對于區域地質勘探工作，采用上述方法能夠滿足地質勘探工作的要求，與傳統測量方法相比有著無法比擬的優勢。

5 提高GPS測量精度的方法

5.1 合理有效的設計GPS網狀結構

GPS網狀結構會對高程精度產生影響，建立合理的網狀結構，能夠改善高程精度，一般情況下，面狀測區宜采用三角網狀結構，可適當穿插多邊環；線狀測區可布設鏈式三邊網，即可保證點位的平面和高程精度。

5.2 相位整周數的正確性

相位整周解算的準確性可直接影響點位的三維坐標，相位整周的解算很容易產生錯誤，為避免錯誤需通過多次重復觀測。

5.3 星歷和參考坐標的質量

星歷和參考坐標對三維坐標將產生輕微的影響，但在世界上某些地區要獲得一個理想的WGS84參考位置（±10m或更好）卻存在著問題。

5.4 減少多路徑效應的影響

多路徑效應的影響分為直接的或間接的，并能對三維坐標產生dm級的影響。間接影響是指影響求解整周模糊度。因此選擇好的站點避免多路徑效應以及增加多余觀測是很重要的。

5.5 減少電離層的影響

電離層也對三維坐標產生影響。這種影響在地極處以及地磁赤道附近要比其他地方大些，并隨太陽周期變化而變化。因此，在某些地區和某個時間，電離層的影響很大。所以對于高程測量，需作長時間觀測，以獲得可靠的對流層延遲。

5.6 減少潮汐作用的影響

潮汐現象（包括陸地潮汐和海洋潮汐）也對GPS測高產生影響，其產生的影響相對較小，可以通過一些軟件來消除這些影響。

5.7 正確量取天線高

天線高是一個明顯的誤差來源。如果使用三角架，由于高度經常變化，所以室外作業時要求必須對天線高測量進行檢查。

6 結語

隨著GPS技術的發展，GPS高程測量技術日益成熟，逐步取代了傳統的測量方法，提高了工作效率，節省了大量的財力物力。本文從以下幾個方面闡述了GPS技術的基礎理論和應用。

（1）闡述了常用高程系統—大地高系統、正高系統和正常高系統。（2）列舉了幾種高程異常的分析方法—解析法、重力法和繪制等高線法。（3）從地質勘探工作切入分析GPS高程技術在實踐活動中的應用。（4）闡述了提高GPS測量精度的方法。

參考文獻：

[1] 李定友.GPS在高程測量中的應用探討[J].地下工程與隧道，2007年第4期，28-33。

[2] 謝旭陽.GPS高程測量與轉換方法的研究[D].2008，4.

[3] 謝勁松.GPS高程測量原理及方法探討[J].廣東科技，2010，2，總第231期，87.

[4] 荊永明.GPS在高程測量中的應用[J].內蒙古煤炭經濟，2004年第1期，61-62.

[5] 康清宣.GPS在礦區高程測量中的應用[J].礦業工程，2012年8月第10卷第4期，55-56.

[6] 簡程航.簡述 GPS高程測量的發展及應用[J].城市建設理論研究，2014年7月，1-9.