崔明軍

(河南省有色測繪有限公司,河南鄭州 450016)

GPS高程擬合在公路工程測量中的應(yīng)用

崔明軍

(河南省有色測繪有限公司,河南鄭州 450016)

闡述了GPS高程擬合的大地高、高程異常等基本概念,將其工作原理和在公路工程中的應(yīng)用情況和特點(diǎn)進(jìn)行介紹。對高程誤差產(chǎn)生的原因進(jìn)行分析,提出曲線擬合模型、曲面擬合模型、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法在高程擬合中的運(yùn)用,通過對三次樣條擬合和移動曲面擬合方法的比較,得出相關(guān)結(jié)論,以指導(dǎo)實(shí)際工程應(yīng)用。

GPS高程 公路工程 測量 擬合

新時(shí)期我國公路建設(shè)發(fā)展迅速,對公路的測設(shè)和施工放樣等基礎(chǔ)測量工作的要求越來越高,為了滿足更高質(zhì)量和更高效率的測量工作,需要不斷提供新的測繪方法和手段,GPS技術(shù)就是近年來較為有效的一種測繪方法。GPS技術(shù)能夠全天候的工作,提供三維坐標(biāo),不需要測站間的通視,GPS技術(shù)取代常規(guī)測量手段將是一種必然趨勢。然而GPS得到的并不是真正意義上的三維坐標(biāo),通過GPS得到的高程為大地高系統(tǒng),和我們通常運(yùn)用的高程有一定的差別,兩者之間相差著一個沒有規(guī)律的值,為了實(shí)現(xiàn)真正意義上的三維坐標(biāo)測量,就要進(jìn)行三維坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換,這里介紹采用數(shù)學(xué)模型對高程異常進(jìn)行擬合,將得到的高程異常值對高程進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

1 GPS工作原理及在公路工程中的應(yīng)用

1.1 GPS組成及工作原理

GPS系統(tǒng)由空間衛(wèi)星部分、地面監(jiān)控部分以及用戶接收設(shè)備三部分組成,構(gòu)成一個系統(tǒng)整體。空間衛(wèi)星由24顆衛(wèi)星組成,其主要功能為接收和存儲地面監(jiān)控發(fā)來的信號,并執(zhí)行指令,進(jìn)行必要的數(shù)據(jù)處理,提供精確的時(shí)間標(biāo)準(zhǔn),向用戶連續(xù)發(fā)送導(dǎo)航定位信號等。地面監(jiān)控部分包括主控站、地面天線站以及監(jiān)測站。用戶設(shè)備部分包括接收機(jī)、數(shù)據(jù)處理軟件、微處理機(jī)以及終端設(shè)備。

其工作原理為以測站與衛(wèi)星之間的距離作為基本觀測量求得天線相位中心坐標(biāo),獲得觀測量的方法有偽距測量和載波相位測量兩種方式。偽距測量時(shí)通過對接收機(jī)的本地碼與衛(wèi)星信號的偽隨機(jī)碼進(jìn)行處理,測定接收機(jī)受到信號用的時(shí)間,以時(shí)間乘以光速獲得測站和衛(wèi)星之間的距離,從而確定測站的三維坐標(biāo);載波相位測量為通過波的相位關(guān)系引入觀測方程,從觀測線性方程式中求得相位中心的三維坐標(biāo)。

1.2 GPS技術(shù)在公路工程中應(yīng)用

公路建設(shè)的路線長、遇到的構(gòu)造物多,高等級公路對測量的要求很高,傳統(tǒng)的測量方法效率跟不上建設(shè)需要,GPS系統(tǒng)有著其他方式無法比擬的優(yōu)勢,而廣泛應(yīng)用于公路建設(shè)當(dāng)中。

在線路控制測量中,傳統(tǒng)方法因?yàn)槭艿骄嚯x和通視的限制,需要增加中間過渡點(diǎn),加大了工作量,同時(shí)影響測量精度,而GPS控制網(wǎng)精度只受衛(wèi)星分布影響,能夠很好的適應(yīng)帶狀控制網(wǎng)的布設(shè)要求;在線路定測中傳統(tǒng)方法要先放線,然后進(jìn)行中平測量,GPS技術(shù)則可以同時(shí)進(jìn)行高程測量,提高工作效率,并且在首級控制網(wǎng)布設(shè)后能夠隨時(shí)放樣中線或恢復(fù)線路,基本沒有樁位遺失現(xiàn)象,還可以避免中間點(diǎn)的誤差傳播和積累;地形測量中,GPS技術(shù)不需要兩點(diǎn)間的通視,能夠快速有效的達(dá)到理想效果,只要在測區(qū)內(nèi)假設(shè)RTK基準(zhǔn)站就能進(jìn)行工作,簡潔方便。

表1 水準(zhǔn)網(wǎng)等級劃分

表2 誤差絕對值分布范圍

2 GPS高程問題的方法研究

2.1 高程系統(tǒng)

高程系統(tǒng)是由基準(zhǔn)面和水準(zhǔn)原點(diǎn)確定,不同的高程系統(tǒng)具有不同的高程基準(zhǔn)面,常用的高程系統(tǒng)有大地高、正常高、正高、力高和地區(qū)力高幾種。新中國成立以來我國的高程系統(tǒng)有1956年黃海高程系、1985年國家高程基準(zhǔn)等。

高程基準(zhǔn)面是為了建立統(tǒng)一的高程系統(tǒng)而確定的地面點(diǎn)高程的起算面,通常采用大地水準(zhǔn)面作為高程的基準(zhǔn)面。大地水準(zhǔn)面是完全靜止時(shí)的海平面。為了長期穩(wěn)定高程基準(zhǔn)面,便于國家控制網(wǎng)聯(lián)測,在國家高程基準(zhǔn)面的驗(yàn)潮站附近會設(shè)置一個固定的國家水準(zhǔn)原點(diǎn),通過國家水準(zhǔn)點(diǎn)和國家高程基準(zhǔn)面的高差確定國家水準(zhǔn)原點(diǎn)的高程,從而能夠推算全國各地的高程。

2.2 GPS高程擬合原理和誤差

GPS的高程擬合原理是指將測量得到的大地高與水準(zhǔn)測量的正常高相減,得到高程異常,通過對高程異常進(jìn)行擬合,從而推算未知點(diǎn)的高程異常?？梢越⑿》秶念惔蟮厮疁?zhǔn)面,在測區(qū)內(nèi)布設(shè)一定密度和數(shù)量的GPS點(diǎn),與水準(zhǔn)聯(lián)測,得到大地高與正常高,推算高程異常,通過擬合高程得到測區(qū)內(nèi)的類大地水準(zhǔn)面。擬合方法與GPS點(diǎn)的分布、水準(zhǔn)點(diǎn)的聯(lián)測精度以及解算獲得的大地高有很大的關(guān)系。

GPS測量誤差的來源包括三部分,與衛(wèi)星有關(guān)的誤差有星歷誤差、衛(wèi)星鐘差和相對論效應(yīng)等;信號傳播誤差包括電離層延遲、對流層延遲和多路徑效應(yīng)等;接受設(shè)備和數(shù)據(jù)處理誤差有天線對中誤差、天線整平誤差、天線相位中心誤差和量取天線高誤差等,出具處理時(shí)誤差受已知點(diǎn)三維坐標(biāo)、選用模型誤差等。另外水準(zhǔn)點(diǎn)誤差會直接影響擬合結(jié)果,擬合模型引起的誤差對擬合精度也要很大的影響。

2.3 GPS高程擬合的常用方法

曲線擬合模型,這種方法計(jì)算簡便,用于道路、河流等線性工程中,數(shù)據(jù)誤差較大,有三次樣條曲線擬合、多項(xiàng)式曲線擬合、正交函數(shù)擬合集中方式;

曲面擬合模型,包括多項(xiàng)式擬合模型、多面函數(shù)曲面擬合、移動曲面擬合法等;

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法,具有很好的容錯性,能夠大規(guī)模處理十分復(fù)雜的信息。是一種自適應(yīng)的方法,沒有假設(shè),能夠避免未知因素的影響,但在公路工程中運(yùn)用時(shí)仍然存在著一些問題,包括隱含層的單元數(shù)和數(shù)量不能很好的確定,學(xué)習(xí)速率和初始值的選取上不好把握,訓(xùn)練樣本質(zhì)量對網(wǎng)絡(luò)泛化能力影響不不合理等。

3 GPS高程擬合的解算與分析

3.1 GPS高程擬合的精度評價(jià)指標(biāo)

所有的GPS點(diǎn)都要進(jìn)行水準(zhǔn)聯(lián)測以滿足高程擬合的精度要求,內(nèi)符合精度要將已知點(diǎn)的高程異常與擬合出的高程異常進(jìn)行比較,求出擬合殘差,從而得到內(nèi)符合精度。根據(jù)檢核點(diǎn)的高程異常與擬合出的高程異常的差值計(jì)算得到外符合進(jìn)度。水準(zhǔn)精度的評定上要根據(jù)檢核點(diǎn)和已知點(diǎn)的距離L,以下表來評定高程達(dá)到的精度。

3.2 公路工程中擬合模型適用性分析

公路帶狀區(qū)域跨度大、重合點(diǎn)分布受到多種因素的限制,所以采用高程擬合模型進(jìn)行換算時(shí)要考慮其適用性,根據(jù)高程擬合原理,將測量數(shù)據(jù)分為起算數(shù)據(jù)和檢核數(shù)據(jù),起算數(shù)據(jù)中以大地高和正常高計(jì)算擬合模型參數(shù),應(yīng)用檢核數(shù)據(jù)計(jì)算高程異常。

通過對三次樣條擬合和移動曲面擬合兩種方法進(jìn)行比較以下結(jié)論:

⑴在該測區(qū)內(nèi)移動曲面法得到的擬合曲面仍錯存在部分誤差,但整體呈現(xiàn)光滑。

⑵點(diǎn)的分布對擬合結(jié)果有較大影響,起算點(diǎn)分布均勻光滑時(shí),擬合結(jié)果誤差較少,擬合曲面也較為光滑合理。

⑶當(dāng)采用移動曲面擬合法時(shí),如果起算點(diǎn)較少,或者分布不均勻,在擬合區(qū)域邊緣容易出現(xiàn)較大誤差。

⑷通過檢核點(diǎn)的擬合曲面可以知道高程異常的變化沒有規(guī)律性,起算點(diǎn)分布范圍較廣時(shí),應(yīng)用移動曲面擬合法仍然能夠達(dá)到等外水準(zhǔn)精度。

4 結(jié)語

公路勘察中,如果地形變化復(fù)雜,高差波動大,高程異常也就變化劇烈,采用GPS測量時(shí)獲取公共點(diǎn)有一定的困難,并且很難保證測點(diǎn)均勻分布在區(qū)域內(nèi),利用高程擬合的方式精度和可靠性也就得不到保證,所以在復(fù)雜地形進(jìn)行GPS高程轉(zhuǎn)化需要進(jìn)一步研究。并且采用數(shù)學(xué)模型擬合的方式雖然能夠滿足目前一般工程需要,但并不是最好的方法,目前采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、重力數(shù)據(jù)等方法結(jié)局GPS高程問題更具有先進(jìn)性,雖然還不夠成熟,但卻是未來發(fā)展的一個方向。

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