GPS高程代替四等水準的可行性分析

吳經鵬

（貴州省有色金屬和核工業地質勘查局三總隊，貴州 遵義 563004）

在當下，GPS技術憑借全天候精準定位、實時定位和高精度定位的優勢被廣泛地應用于各行各業。針對于工程測繪領域來說，工程測繪領域內的控制網平面測量需要精準定位的優勢，而在控制網高程測量時，如果只采用幾何水準的形式進行，那么平面網和高程網的獨立觀測難度可能逐漸加大，等于是人為地增加測繪外業的觀測以及內業平差計算的工作量和難度，使得測繪人員的工作強度大大提升[1]。因此，測量研究者認為，若采用GPS高程測繪技術結合四等水準測繪，其可完善測量結果的可行性及可靠性，從而能夠使得幾何水準的測繪形式有新的發展。

1 GPS高程測量基本方式探討

1.1 傳統幾何水準高程測量基本方式

高程測量基本方式的分辨原則，主要是依據觀測手段和差異性的對比，以此來劃分高程測量方式，可將其分為傳統幾何水準、三角高程測量與GPS測量三種方式，其中以GPS測量的高程擬合度最高，且其測量的精準度較大。高程測量基本方式中的傳統幾何水準測量方法主要采用的是人為控制的光學或電子水準儀器，配合人工控制的水準尺其精度有差異，時常會有誤差，誤差度在一定范圍之內。按照點位間的測量段高度差傳遞，主張外業主點觀測，慢慢臨近控制點，由觀測人員控制觀測點位之間的最高差，并借助高等級控制點所構成的閉合環和復合水準網約束傳統高程測量基本精度。很多研究者發現，經過這種傳統的水準網平差求解未知點，這種高程模式容易受到復雜地性的干擾，極易受到地形條件的限制，這種制約作用使得測繪外業的測量強度增大。

1.2 三角高程測量的基本方式

三角高程測量指的是利用三角高程的原理，通過采集地面兩點位之間的水平距離來測量，測量時的測量儀器較高，棱鏡也很高，垂直角度等要素均需要被考慮在內，為了求解待定位置點和區間之間的距離，應使用可套用的高程測量公式，此時的三角高程測量精度雖然比傳統的幾何水準測量要較為具有優勢，但是其精度仍然受到觀測條件，地質條件折光系數等影響，尤其是在一些特殊的地點折光系數的影響是比較顯著的[2]。此時研究者們就發現，如果能夠代替這兩種傳統的高程測量基本方式，采用全球定位的GPS高程擬和測量，就可以使用移動站和流動站之間相互配合的數據，實行實時測繪及三維坐標體系的延伸。由于我國地大物博，地域面積較為廣闊，普遍采用高程基準為正常高系統測量，目前，GPS直接結合高程點位的測量方式并沒有完全普及，因此，需要在下一個階段考慮如何使用GPS高程測量求解帶測點位的正常高度，因為這一正常高度的精度將直接關系到待測點位高程測繪的實際精度和最終結果。

1.3 GPS高程測量基本概述

GPS高程測量的高程指的是大地高而正常測繪平均使用的是正常高大，低高和正常高之間存在著一個高程異常值，這也就是為什么GPS測繪技術需要測量高程的原因，其基本規律公總結如下：

大地高=正常高+高程異常值

在GPS高程測量中，由GPS全球定位獲得三維基線向量，使用GPS網平差就可以求得以WGS－84橢球面為基準的高精度大地高。而我國采用的高程系統則是以似大地水準面為基準的正常高系統，傳統的幾何水準或三角高程測量方法是獲取以似大地水準面為基準的正常高的主要手段。找出似大地水準面與橢球面這兩個基準面間差距的數學表達式（似大地水準面模型），就能將GPS大地高換算成正常高，從而實現GPS測高來代替高精度的幾何水準或三角高程測量。目前這種新穎的GPS高程測量技術，在道路工程應用尋根應用，車輛跟蹤方面也有很好的發展前景，再需要常規布線，而是使用GPS高程測量，達到電子巡航和跟蹤的效果。來說GPS高程測量這種全新的方式在于傳統的幾何水準高程測量和三角高程測量相比的過程中有更高的可行性，減少人力成本的耗損，而且可以測量一些較難測量的地形，其精度和智能化水平也相對較高，更容易與計算機系統之間實現快速對接，記錄并分析有關數據。

2 GPS高程擬和測量基本方式

2.1 GPS高程擬和測量方式的概述

GPS作為全球定位技術，在很多領域內均有其獨特的使用功效，而GPS高程觀測的基本原理，其待定點和高程異常點之間的關鍵性因素將成為求解最終實施測量可行性的依據。利用GPS擬合原理，加入實際測量點周邊的實際環境，采用數值內差的方法來計算，是目前比較先進的一種高程擬合測量方法，這種方法能夠很好的發現高程測量的異常點，并且進一步實現GPS高程擬和測量點與點之間的轉換，從而能夠最終求解出待定點之間的正常高度。之所以認為GPS高程你和測量方式比較先進，是因為GPS測量方式可在測量區域之內使用高等控制點其控制點點數的規律，能夠依據最小二乘原理。依據測量區域內大地水準面的擬合模型，再根據待定點的平面坐標（x，y），此時的曲面內差可求得P點的高程異常值而聯系特定點及關鍵高等級控制點的數量要求控制點數量大于3，以后可采用基于曲面條件的擬合基于多面函數擬合和小區域平面擬合等多種形式，使用數值迭代的方法，結合最小二乘與數值推估方法的計算，得到最終的求解結果，尋求帶定點的正常高度值。假設測量區域內的任何一點，其高程異常值與點位平面坐標存在著函數關系，那么這一函數關系式一般被約束為：

研究者發現，利用GPS高程觀測原理能夠很好的確定待定點的高程異常值?，也就是說，如果使用數值多次平均計算和內差的計算方法，那么就能夠確保代測點高程測繪的精度達到一個相當的取值范圍之內。

2.2 GPS高程擬和實踐經驗分析

（1）RTK延長觀測時段的由來。根據以往的項目實踐經驗，在利用GPS高程擬合測試實驗中，選取一定的GPS高程擬合模型，在一定的范圍內實現分級布設和逐級加密的原則，從而能夠使得整個測量項目區域內的目測控制網達到較為密集的效果，使用GPS首級控制網與測量區域內的施工圖紙之間對接，這樣就可以使得整個測量區域的范圍被較為具體的概括，精準定位之后的GPS測量控制網，使用外業靜態觀測的方法，同時其首級控制網，還可以結合內業評差結算的方式，達到最終的測定點高度值。配合相關的微機技術，GPS高程擬和實踐體現了測量區域內施工圖，根據控制點，采用的RTK延長觀測時段，在使用差分定位和高程擬合共同組成測量模型的同時，有效獲取了平面與高程數據。由于使用了RTK延長觀測時段的方式，使得GPS高程擬和實踐中的數據獲取量更大，能夠更好的取得穩定的觀測效果。

（2）GPSKZ01-GPSKZ05三維控制點的確定。使用GPS首級高程擬合控制網，在布設控制網點之初，就應該考慮到覆蓋測量區域的各個控制點，比如在某項目實驗測量區域內控制點被命名為GPSKZ01-GPSKZ05，將這些控制點采用3～4臺雙頻GPS接收機，借助靜態觀測的方式測量兩個RTK觀測時間段，在該項目中每個時間段的時長限定為兩個小時，以局域網連接的形式布設各個控制點，并且計算其內頁聯合評差。這一檢測及勘探的目的，是為了能夠求解GPSKZ01-GPSKZ05控制點的實際點坐標在求解大地坐標和測圖坐標之間的轉換參數時，按照GPS高程擬合原理實現實時測量點點位的高程信息精準化。這也正是GPS高程擬和測量的優勢，在各個觀測點內架設三腳架，獨立觀測兩個時段，每個時段都要沿用RTK延長觀測時段的方式，每時段的取值最低不能少于30秒，取兩次觀測平均值作為點位平面和高程數據的最終參照數據。

（3）光學水準儀水準聯測布局誤差。在實驗中，研究人員也按照四等水準測量規范，選取部分高程點，采用光學儀器，實行幾何水準儀計算及水準聯測方法，這種測量方式是為了能夠借助水準聯測觀測兩種不同測量方式的誤差比率和分布情況，為未來的分析和實驗提供依據。另外根據靜態GPS觀測點點位的精度，將其控制在三毫米左右，并滿足三等水準線指標要求，同時使用多種聯測方式，在采集點周邊控制布點計算坐標數據，也可以規避由于人工失誤或其他因素所導致的誤差。最終的實驗結果是通過建立GPS高程擬合模型，使用GPS-RTK延長實際觀測時間之后，觀測點的點位被精確的控制，總體誤差在三厘米以下，已經滿足了我國城市測量規范條件中所規定的最弱誤差數值要求。而在進行多次大量實驗數據的分析結果比對之后，研究人員發現觀測精度分析方面，以GPS高程擬和測量方式更占優勢，其誤差較為均勻，外業觀測強度和平差計算工作量不大，而且數據采集效率也比較高，這一優勢已經明顯優于傳統的幾何水準測量方式。

3 結論

綜上所述，GPS高程擬和測量方式在測量大地高方面有明顯優勢，為了計算更具備精準度的三維基線向量，使用GPS網評差求得高精度大提高。在比較GPS高程擬合理論之后，結合某項目的工程實踐經驗，闡述了利用GPS觀測手段實現靜態觀測，并借助RTK延長觀測時間，這一作業流程遠遠優于傳統的幾何水準觀測方式，能夠得到更加具有精準度的檢測效果。研究表明，使用GPS高程擬和測量直接引入等級高程觀測其精度完全滿足四等水準要求，而且GPS高程擬和方法所進行的水準觀測，能提升測繪作業現代化程度，并且對于我國的測繪技術提升并與國際測繪流程及精度水準接軌，做出了巨大的貢獻。