內蒙古巴丹吉林沙漠必魯圖主峰峰頂高程測量研究

傅剛

摘 要：本文研究了內蒙古巴丹吉林沙漠必魯圖主峰峰頂高程的測定方法，從GPS水準網設計、外業觀測、內業數據處理幾方面做了詳細的論述，是目前進行沙峰測量的最新方法。

關鍵詞：水準測量；GPS水準網；似大地水準面精化

中圖分類號：P224 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）13-0224-02

1 概述

內蒙古巴丹吉林沙漠必魯圖主峰位于內蒙古自治區阿拉善盟阿拉善右旗，主要由剝蝕的高大沙山與山間凹地組成，為阿拉善沙漠世界地質公園的重要景區之一，曾被《國家地理》雜志評為中國最美麗的沙漠。特別是巴丹吉林沙漠最高峰必魯圖峰號稱“沙漠珠峰”，但迄今為止，尚無權威機構對其高程進行測量、認證并對外發布。該項目實施有利于開展巴丹吉林沙漠與其他沙漠的對比、研究，科學分析我國西北沙漠的形成發展和環境演變過程。

2 設計方案的確定

由于必魯圖主峰位于內蒙古巴丹吉林沙漠腹地，周圍國家等級水準點稀少，且距離較遠，采用常規水準測量方法難以達到要求，經研究決定綜合利用GPS/水準數據、重力數據、數字地面高程模型數據等確定必魯圖主峰區域似大地水準面模型，進一步通過似大地水準面與大地水準面的差值確定必魯圖峰峰頂的正高（海拔高）。在必魯圖峰峰頂周圍選擇利用已有的部分控制點，同峰頂及周邊埋設的控制點進行GPS同步觀測。然后結合已有的水準成果、重力數據、數字地面高程模型等計算出局部似大地水準面，計算似大地水準面和大地水準面的差值，最終獲得必魯圖峰峰頂及周邊埋設的控制點平面坐標和海拔高程[1]。

3 GPS水準網設計

3.1 設計原則

為了實現巴丹吉林沙漠必魯圖峰區域似大地水準面精化及必魯圖峰峰頂高程測定，在已有GPS點、水準成果的點上選擇分布均勻、密度適中的點進行GPS同步聯測，獲得這些點的CGCS2000成果。

3.2 埋石要求

擬在必魯圖峰主峰峰頂及必魯圖峰周邊選擇易于埋設標石的地方（如沙湖周邊地區）埋設5個固定標石，分別為1：必魯圖主峰峰頂，2：阿拉善沙漠地質公園景區入口處，距必魯圖主峰約60km，3：巴丹湖，距必魯圖主峰約45km，4：音德爾圖沙湖周邊埋設2座，距必魯圖主峰約1.5km，標石采用鋼管標志。鋼管標志：采用直徑為51mm不銹鋼鋼管夯入地下，埋深3m，采用不銹鋼鋼材打磨成直徑180mm，厚度為15mm的圓形標志頭，鑲嵌在不銹鋼鋼管上。必魯圖峰峰頂標石采用強制對中裝置。

3.3 GPS觀測點

在已有資料的基礎上，初步選取23個水準點，利用其中的17個水準點進行GPS點聯測，形成GPS水準成果，用于區域似大地水準面精化。

4 外業觀測

4.1 基本技術要求

GPS點觀測要求：（1）觀測模式：基于基準站同步觀測模式，每時段觀測23.5小時以上；（2）觀測時段數：2個時段；（3）衛星截止高度角：≥10°；（4）同時觀測有效衛星數：≥4；（5）有效觀測衛星總數：≥20；（6）數據采樣間隔：30秒；（7）PDOP 值：≤6。

GPS點觀測時段可在UTC時間0～24 h之間選取，但不得跨UTC時間0 h。一般早晨8：00多開機，次日早晨7：40關機為一個時段。

4.2 作業要求

（1）架設儀器時一定要嚴格整平、對中，將儀器安放在平穩安全的地方，既要方便操作，又要不妨礙衛星信號的接收；（2）架設天線時，天線定向標志線應指向磁北，定向誤差不得大于±5°；（3）認真檢查儀器、天線及電源的連接情況，確認無誤后方可開機觀測；（4）開機后應在儀器內輸入測站編號（或代碼）、天線高等測站信息；（5）天線高的量測方法：在每時段的觀測前后各量測一次天線高，讀數精確至1mm。天線高量測時，應量測互為120°天線的三個位置，當互差小于3mm后，取中數采用，否則，應重新架設、整平儀器，量取天線高。手簿中應詳細記錄天線高量取的位置及方式；（6）每個小組在每次量取接收機天線高時，作業組長必須安排作業組員對接收機天線高量取方式及測站周圍四個方向進行拍照；（7）觀測過程中不記錄氣象元素，其他項目要認真填寫，實事求是，嚴禁事后補記和涂改編造數據，確屬筆誤的用橫線劃掉后重寫；（8）觀測員應定時檢查接收機的各種信息，并記錄手簿中需填寫的信息，有特殊情況時，應在備注欄中注明；（9）觀測員要認真、細心的操作儀器，嚴防人或牲畜碰動儀器、天線和遮擋衛星信號；（10）雷雨季節觀測時，儀器、天線要注意防雷擊，雷雨過境時應關閉接收機并卸下天線。

5 內業數據處理

5.1 GPS網數據處理

（1）采用軟件。采用目前國際上公認的用于GPS數據后處理最優秀、最成熟的軟件——美國麻省理工學院（MIT）和SCRIPPS海洋研究所（SIO）共同開發的GAMIT/GLOBK軟件（10.40）。（2）數據整理。以年積日為單位整理觀測數據，并將原始觀測數據轉換為Rinex格式數據；統一點位編號；根據外業觀測手簿，編制觀測儀器、天線、天線高與天線高量取位置等對照表；檢查點名一致性與正確性、接收機與天線型號的正確性、天線高的正確性及年積日的一致性等。（3）基線解算。以同步環為單位，按時段逐一解算同步環的數據，使用周跳自動修復技術，并使得同步環的Nrms小于0.5周。基線解算采用基準站技術，GPS連續運行站+測區觀測數據，采用Auto Clean周跳自動修復技術，進行周跳剔除與修復，以獲取精確的基線解算結果。最后，使用干凈的雙差相位數據進行定位，從而可以獲得高精度的基線處理結果。（4）網平差。網平差使用GLOBK軟件，GLOBK軟件的核心思想是卡爾曼濾波，采用各同步觀測網的獨立基線向量及其全協方差矩陣作為觀測量。將所有獨立基線向量及其經調整后的協方差陣作為觀測量，平差時為消除星歷和網的傳遞誤差引起的整網在尺度和方向上的系統性偏差，應對全面網加入一個尺度和三個轉換參數。平差后還應進行結果精度分析，對整體網的精度進行檢驗和評估。在2000國家大地坐標下，以國家GPS連續運行站、國際IGS站（SELE、URUM）等高等級成果為基準，采用三維約束平差，計算出GPS點坐標。

5.2 似大地水準面精化

5.2.1 采用的軟件

國家測繪地理信息局大地測量數據處理中心研發的重力場數據處理與區域似大地水準面精化軟件[2]。

5.2.2 似大地水準面精化技術流程

其技術流程如圖1所示。

5.2.3 數據預處理

（1）加密重力測量資料整理分析。加密重力資料因施測年代不同，其重力值所屬的重力基準（系統）有1957重力控制網、1985重力控制網和2000國家重力基本網三種；其所屬的坐標系統主要有54系、80系兩種，另外有少部分點坐標系統屬于2000系。因此應對加密重力點成果的重力基準、坐標系統、高程系統進行統一。所有重力點的重力基準全部統一至2000國家重力基本網，重力點高程全部統一至正常高系統。（2）數字地形模型資料整理。收集必魯圖峰及周邊地區外擴1.5°范圍SRTM3數字高程模型數據，并以此為基礎生成項目區域內3"×3"、30"×30"和2.5′×2.5′數字地形模型數據。（3）地形均衡改正計算。項目承擔單位根據整理完成的數字地形模型資料，完成似大地水準面精化區域3"×3"格網地形和均衡改正計算，以及加密重力點均衡重力異常歸算。在此基礎上完成大地水準面精化區域及周邊地區格網平均空間異常的計算。

5.2.4 似大地水準面計算數學模型

（1）重力點重力異常歸算；（2）3×3格網地形、均衡改正的確定；（3）重力異常擬合計算。

5.2.5 由重力場模型確定模型重力異常及模型似大地水準面

選用適宜的參考重力場模型，分別完成相應的模型重力異常和模型似大地水準面計算。

5.2.6 由remove～restore技術計算重力似大地水準面

在重力似大地水準面的計算中，為提高計算速度，一般采用譜方法（FFT、FHT等）。但為了保證計算精度，避免由于采用譜方法帶來的近似影響，本次計算應嚴格使用積分法完成；另外，在計算中使用remove～restore技術，充分發揮國內外高階地球重力場模型在確定似大地水準面中的重要作用，確保似大地水準面的精度。

5.2.7 GPS水準計算實測似大地水準面（高程異常）

GPS水準為實測似大地水準面（高程異常），計算公式如下：

式中：——GPS大地高，單位為m；——正常高，單位為m。

5.2.8 任一點重力似大地水準面的計算

在完成規則格網重力似大地水準面計算后，為完成對重力似大地水準面的擬合計算，需要計算GPS水準點的重力似大地水準面。對任一GPS水準點重力似大地水準面的計算，可采用雙線性內插或Shepard插值法完成。

5.2.9 區域重力似大地水準面擬合計算

采用多項式擬合、最小二乘配置、球冠諧函數、薄板樣條函數、多面函數等多種擬合方法對重力似大地水準面進行擬合糾正，最終采用可靠的擬合方法，求得適配于該區域的GPS水準網的最終似大地水準面模型。

5.2.10 必魯峰區域似大地水準面的確定

充分利用必魯圖峰及周邊地區較密集的重力點成果、數字高程模型、重力場模型及分布較均勻的、現勢性較好的GPS水準成果，采用重力法（Molodensky原理）及移去（remove）～恢復（restore）技術，完成分辨率為2.5′×2.5′的高精度似大地水準面精化工作。主要工作內容如下：

5.3 必魯圖峰正常高計算

根據已確定的必魯圖峰地區的似大地水準面，結合控制點GPS測量成果，確定必魯圖峰峰頂及周邊控制點的正常高。

5.4 必魯圖峰正高（海拔高）確定

由于我國對于山峰高程的測定采用的是正高（海拔高）系統，因此在利用GPS技術和似大地水準面技術精確求解峰頂及各控制點的正常高后，需要利用大地水準面與似大地水準面的差值求得峰頂及各控制點的正高。

參考文獻

[1]李建成，陳俊勇，寧津生，等.地球重力場逼近理論與中國2000似大地水準面的確定[M].武漢大學出版社，2003.

[2]寧津生，羅志才，李建成.我國省市級大地水準面的現狀及技術模式[J].大地測量與地球動力學，2004（1）：4-8.