劉德亮　閆巖　李文輝

（1吉林省煤田地質(zhì)物探公司吉林長春130031；2吉林龍輝工程勘測有限公司吉林132011）

GPS技術(shù)結(jié)合EGM2008重力模型在測量高程中的應(yīng)用

劉德亮1閆巖1李文輝2

（1吉林省煤田地質(zhì)物探公司吉林長春130031；2吉林龍輝工程勘測有限公司吉林132011）

GPS測量技術(shù)結(jié)合EGM2008高程模型以及國家85高程基準(zhǔn)提供的高等級水準(zhǔn)點(diǎn)在控制測量中低等級水準(zhǔn)高程中求解的應(yīng)用。

EGM2008高程模型大地高高程異常常數(shù)

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展自GPS的問世，GPS由軍用逐步地在民間生產(chǎn)生活中得以廣泛的應(yīng)用;GPS技術(shù)不斷走入人們的生活，并被人們所認(rèn)知和熟悉。GPS測量技術(shù)也得到進(jìn)一步的發(fā)展與應(yīng)用。在全世界的人們已經(jīng)通過全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)獲得高精度的WGS84大地坐標(biāo)的大地高時(shí)，我國所采用的高程是相對于似大地水準(zhǔn)面正常高系統(tǒng)，而如何把大地高轉(zhuǎn)換成正常高呢？如下圖所示：

圖1　

正常高：指從一地面點(diǎn)沿過此點(diǎn)的正常重力線到似大地水準(zhǔn)面的距離。

正高：指從一地面點(diǎn)沿過此點(diǎn)的重力線到大地水準(zhǔn)面的距離。

大地水準(zhǔn)面差距（geoid height）:從大地水準(zhǔn)面沿法線到地球橢球體面的距離。包括：（1）絕對大地水準(zhǔn)面差距，指從大地水準(zhǔn)面沿法線到總橢球面的距離，可用衛(wèi)星大地測量方法求得，亦可根據(jù)全球重力數(shù)據(jù)按斯托克斯（G·G·Stokes）公式計(jì)算；（2）相對大地水準(zhǔn)面差距，是大地水準(zhǔn)面沿法線到參考橢球面的距離，可用天文水準(zhǔn)測量或天文重力水準(zhǔn)測量方法求得，亦可用空間測量技術(shù)測取。

高程異常：似大地水準(zhǔn)面至地球橢球面的高度。高程異常值可在國家測繪部門存有的高程異常圖中查取。

大地高：指從一地面點(diǎn)沿過此點(diǎn)的地球橢球面的法線到地球橢球球面的距離。是大地地理坐標(biāo)（B、L、H）有高程分量。

大地高=正常高+高程異常

大地高=正高高程+大地水準(zhǔn)面差距

可以看出，求解高程異常ξ是轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵所在。而EGM2008模型是全球范圍內(nèi)的重力場模型。它吸收了大量的衛(wèi)星跟蹤數(shù)據(jù)，相對均勻的、高分辯率的地面重力數(shù)據(jù)及高精度的衛(wèi)星測高數(shù)據(jù)，從而使其為全球測量工作提供了一個(gè)更精確的大地水準(zhǔn)面。因此，充分利用EGM2008的高分辯率和相對高精度的特性，結(jié)合GPS水準(zhǔn)測量以及聯(lián)測高等級水準(zhǔn)點(diǎn)得到的數(shù)據(jù)，將會(huì)提高高程異常的求解精度。

1　 EGM2008模型的介紹

EGM2008是近年來由NGA(US National Geospatial-IntelligenceAgency)釋放的全球超高階地球重力場模型,該模型的階次完全至2159(另外球諧系數(shù)的階擴(kuò)展至2190次),相當(dāng)于模型的空間分辨率約為5′(約9km)。該模型采用了GRACE衛(wèi)星跟蹤數(shù)據(jù)(ITGGRACE03S位系數(shù)信息以及相應(yīng)的協(xié)方差信息)、衛(wèi)星測高數(shù)據(jù)和地面重力數(shù)據(jù)等,該模型無論在精度還是在分辨率方面均取得了巨大進(jìn)步,采用該模型以及GPS/水準(zhǔn)數(shù)據(jù)有望獲得更高精度的區(qū)域似大地水準(zhǔn)面。利用此模型，可以計(jì)算全球或局部地區(qū)的重力異?！鱣,垂線偏差南北方向分量ζ、東西方向分量η，高程異常ξ等地球重力參數(shù)，這里僅通過EGM2008重力模型對高程異常在測量中加以解析；結(jié)合天寶TBC解算軟件計(jì)算實(shí)地正常高程。以滿足地質(zhì)構(gòu)造解釋的需要。高程轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵是獲得測點(diǎn)的高程異常,GPS測得的大地高誤差相對較小,因此轉(zhuǎn)換所得的正常高的精度主要取決于似大地水準(zhǔn)面的精度。EGM2008重力模型提供的最終成果包括：2190階次的全球重力場模型，全球5′×5′網(wǎng)絡(luò)重力異常，全球5′× 5′、2.5′×2.5′網(wǎng)絡(luò)大地水準(zhǔn)面，全球5′×5′網(wǎng)絡(luò)垂線偏差。

圖2　

2　EGM2008模型與GPS作用關(guān)系

目前國內(nèi)對于EGM2008重力場模型在我國區(qū)域內(nèi)GPS高程轉(zhuǎn)換方面的研究尚處于初級階段，有文獻(xiàn)通過外部精度測試，認(rèn)為EGM2008模型在我國大陸總體精度為華東華中地區(qū)12cm，華北地區(qū)9cm，西部多山地區(qū)為24cm，東北吉林地區(qū)11cm結(jié)合從宏觀角度肯定了EGM2008重力模型應(yīng)用于日常工程測量方面的具體情況做進(jìn)一步研究。GPS持術(shù)已經(jīng)在許多領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用，它可以提供高精度的WGS-84三維大地坐標(biāo)，即大地經(jīng)度（L）、緯度（B）和大地高（H）。大地高（H）的基準(zhǔn)是WGS-84橢球面，而在實(shí)際應(yīng)用中，用到地面點(diǎn)的高程是以似大地水準(zhǔn)面為起算面的正常高。

如何把大地高轉(zhuǎn)換成正常高，這就需要EGM2008模型配合處理。GPS就可以提供真正意義上的三維坐標(biāo)。在較小的測量范圍和比較平坦的地區(qū)，采用GPS水準(zhǔn)法能夠達(dá)到常規(guī)水準(zhǔn)測量精度的要求，但是在較大的測量范圍或者地勢起伏大的山區(qū)，GPS水準(zhǔn)擬合的精度還不能完全滿足有些工程水準(zhǔn)測量精度的要求，所以要根據(jù)重力場EGM2008模型精化大地水準(zhǔn)面。

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3　利用EGM2008計(jì)算器求解大地高

在外業(yè)工作中利用靜態(tài)差分GPS接收機(jī)4臺(tái)進(jìn)行較長時(shí)間采集數(shù)據(jù)，同步觀測四顆以上衛(wèi)星，每時(shí)段根據(jù)基線長度和測量等級觀測45分鐘以上的時(shí)間。這種模式一般可以達(dá)到5mm+1 ppm的相對定位精度。GPS網(wǎng)的圖形布設(shè)通常有點(diǎn)連式、邊連式、網(wǎng)連式及邊點(diǎn)混合連接等幾種基本方式組成GPS網(wǎng)，能保證網(wǎng)的幾何強(qiáng)度，提高網(wǎng)的可靠性。同時(shí)聯(lián)測國家等級點(diǎn)或GPS等級點(diǎn)及等級水準(zhǔn)點(diǎn)。數(shù)據(jù)采集完畢后利用測繪軟件進(jìn)行無約束平差，從而得到大地坐標(biāo)，把大地坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制，利用EGM2008計(jì)算器如圖2進(jìn)行求解。

計(jì)算出高程異常值，然后用如表所示計(jì)算，從而得出國家85高程，從而減少外業(yè)工程量，不僅提高了工作效率而且節(jié)約了費(fèi)用。

4　結(jié)束語

利用GPS水準(zhǔn)資料對該模型的高程轉(zhuǎn)換精度進(jìn)行實(shí)例驗(yàn)證計(jì)算，認(rèn)為在GPS高程轉(zhuǎn)換中應(yīng)用EGM2008模型在吉林某地區(qū)較大的測區(qū)范圍內(nèi)僅用很少量的GPS水準(zhǔn)點(diǎn)（至少1個(gè)），就可以獲得令人滿意的轉(zhuǎn)換結(jié)果。通過不同方案的計(jì)算表明，利用EGM2008實(shí)現(xiàn)GPS高程轉(zhuǎn)換，不僅可以降低對GPS水準(zhǔn)點(diǎn)數(shù)量和分布的要求，而且能夠消除在擬合時(shí)某些系統(tǒng)偏差，提高擬合精度，有時(shí)還能起到檢查GPS水準(zhǔn)點(diǎn)高程的作用。總的來說，只有切實(shí)可行的實(shí)踐才能檢驗(yàn)出之前的理論是否正確，通過以上某地區(qū)的實(shí)地算例，得出85高程后，進(jìn)行其它已知水準(zhǔn)點(diǎn)的檢查，均在2-3cm的范圍內(nèi)，所以EGM2008高程模型與GPS的完美結(jié)合在測繪中是一次空前的飛越，從而為從事測量的人員減少了工作量，為將來的經(jīng)濟(jì)進(jìn)步及技術(shù)的革新起到的承上啟下的作用。

[1]章傳銀;郭春喜;陳俊勇;張利明;王斌;EGM 2008地球重力場模型在中國大陸適用性分析[J];測繪學(xué)報(bào);2009年04期.

[2]張利明;李斐;岳建利;;擾動(dòng)重力數(shù)據(jù)精度對GPS/重力邊值問題的影響研究[J];武漢大學(xué)學(xué)報(bào)(信息科學(xué)版);2007年01期.

[3]張利明;李斐;陳武;;重力數(shù)據(jù)分辨率對GPS/重力邊值問題的影響研究[J];武漢大學(xué)學(xué)報(bào)(信息科學(xué)版);2007年06期.

[4]魏子卿,王剛;用地球位模型和GPS/水準(zhǔn)數(shù)據(jù)確定我國大陸似大地水準(zhǔn)面[J];測繪學(xué)報(bào);2003年01期.

P2[文獻(xiàn)碼]B

1000-405X（2015）-7-170-2