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        GPS高程測(cè)量的探討

        2016-12-05 11:04:33趙文勝湖南省工程勘察院湖南婁底417000
        低碳世界 2016年22期
        關(guān)鍵詞:橢球面水準(zhǔn)面合法

        趙文勝(湖南省工程勘察院,湖南 婁底417000)

        GPS高程測(cè)量的探討

        趙文勝(湖南省工程勘察院,湖南 婁底417000)

        隨著GPS系統(tǒng)的建立,測(cè)量領(lǐng)域獲得了良好的發(fā)展。目前,GPS衛(wèi)星定位技術(shù)因其具備高精度、全天候、高效率、操作便利、費(fèi)用低等優(yōu)勢(shì),已經(jīng)在測(cè)量領(lǐng)域中得到了十分廣泛的應(yīng)用,對(duì)于GPS高程的應(yīng)用相對(duì)較少,許多測(cè)量人員嘗試采用GPS高程測(cè)量代替?zhèn)鹘y(tǒng)的水準(zhǔn)測(cè)量。此背景下,本文首先分析了GPS高程測(cè)量的原理和方法,其次對(duì)GPS高程測(cè)量的實(shí)際應(yīng)用情況進(jìn)行了一定的分析,最后提出了GPS高程測(cè)量問題的有效解決措施,以供參考。

        大地高;正高;正常高;高程異常;高程擬合

        緒論

        近年來,隨著城市化建設(shè)的不斷加快,之前的許多測(cè)量點(diǎn)位被破壞,并且有一些點(diǎn)位還受到了沉陷與地震活動(dòng)的影響,國家高程的建立基礎(chǔ)為測(cè)量點(diǎn)位。所以我國許多地區(qū)的高程系統(tǒng)存在不可靠或是直接不存在。近年來,隨著GPS技術(shù)的快速發(fā)展,大地測(cè)量與GPS技術(shù)得到了有效的結(jié)合,并且制定了一些新的標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)定,許多高程測(cè)量作業(yè)都能夠在花費(fèi)較低的情況下采用GPS完成,可直接或是間接的節(jié)約大量高程測(cè)量經(jīng)費(fèi)。

        1 GPS測(cè)高原理—以高程系統(tǒng)為例

        1.1 正高系統(tǒng)

        正高系統(tǒng)是一種以大地水準(zhǔn)面為基準(zhǔn)面的高程系統(tǒng),地面某一點(diǎn)的正高是該點(diǎn)至通過該點(diǎn)的鉛垂線與大地水準(zhǔn)面之間的距離,該點(diǎn)的水準(zhǔn)面與大地水準(zhǔn)面的重力位能差值不會(huì)隨著路線的變化出現(xiàn)變化,所以正高是唯一確定的一種數(shù)值,能夠用于表示地面點(diǎn)的高程。但由于地殼內(nèi)部的重力加速度無法通過實(shí)際測(cè)量獲得,并且與地殼質(zhì)量分布與密度存在緊密的關(guān)聯(lián),所以無法通過精確的計(jì)算得出,由此可知,正高無法精確的求定。

        1.2 正常高系統(tǒng)

        由于正高無法精密的求出,導(dǎo)致大地水準(zhǔn)面也無法確定,所以地面點(diǎn)與橢球面之間的高程也無法求出,測(cè)量成果就無法精確的歸算至橢球面上。在正常情況下,橢球表面與外部點(diǎn)之間的重力加速度能夠精確的計(jì)算,其數(shù)值不會(huì)隨著水準(zhǔn)路線的變化而出現(xiàn)差異,是唯一確定的。正常高系統(tǒng)是一種以似大地水準(zhǔn)面為基準(zhǔn)面的高程系統(tǒng),雖然似大地水準(zhǔn)面沒有水面性質(zhì),正常高也不存在物理意義,但似大地水準(zhǔn)面較接近大地水準(zhǔn)面,兩者之間的差距很微小,在平均海水面上為零,在平原地區(qū)也只有幾厘米的差距,西藏高原最大達(dá)到3.0m。由此可知,正常高的數(shù)值較接近正高,并且還能夠嚴(yán)格求出,所以在實(shí)際工作中具有十分重要的作用。

        1.3 大地高系統(tǒng)

        大地高系統(tǒng)主要是指以參考橢球面為基準(zhǔn)面的一種高程系統(tǒng),具體如圖1所示。

        圖1

        某點(diǎn)p的大地高是該點(diǎn)至通過該點(diǎn)的參考橢球的法線與參考橢球面的交點(diǎn)Q之間的距離,從實(shí)際情況來看,大地水準(zhǔn)面與橢球面重合通常不會(huì)出現(xiàn)重合的現(xiàn)象,當(dāng)?shù)孛纥c(diǎn)p沿著鉛垂線投影至大地水準(zhǔn)面p0時(shí),p與p0之間的距離為正高H正。然后將點(diǎn)p0沿著法線投影至橢球面上得到Q0,p0與Q0之間的距離則為大地水準(zhǔn)面差距N,此時(shí)的地面點(diǎn)大地高H為H=H正+N。此外,似大地水準(zhǔn)面與橢球面也不會(huì)重合,兩者之間的高程差為高程異常,一般采用ζ表示。此時(shí)的大地高H為H=H常+ζ;ζ可以依據(jù)重力資料直接計(jì)算,并且也可以通過“天文重力水準(zhǔn)”方法求出。

        2 GPS測(cè)高的方法

        2.1 GPS水準(zhǔn)高程

        2.1.1 等值線圖法

        ①繪等值線圖法:這是最早的GPS水準(zhǔn)方法,其原理為:假設(shè)在某一個(gè)區(qū)域有m個(gè)GPS點(diǎn),采用幾何水準(zhǔn)聯(lián)測(cè)其中n個(gè)點(diǎn)的正常高,然后依據(jù)GPS觀測(cè)得到的點(diǎn)的大地高,求出n個(gè)已知點(diǎn)的高程異常,之后選擇合適的比例尺,按照n個(gè)已知點(diǎn)的平面坐標(biāo),將其繪制在圖紙上,并且標(biāo)注相對(duì)應(yīng)的高程異常,最后再用1~5cm的等高距繪出測(cè)區(qū)的高程異常圖。在完成上述操作之后,在繪制的高程異常圖上插出未聯(lián)測(cè)幾何水準(zhǔn)的(m-n)個(gè)點(diǎn)的高程異常,以求出這些點(diǎn)多正常高。②依據(jù)高程異常圖或是大地水準(zhǔn)面差距圖,分別查出各個(gè)點(diǎn)的高程異常ζ或者是大地水準(zhǔn)面差距hg,之后在分別計(jì)算出正常高Hr和正高Hg。

        2.1.2 解析內(nèi)插法

        當(dāng)GPS點(diǎn)布設(shè)為測(cè)線時(shí),可采用以下曲線內(nèi)插法求出待求點(diǎn)的正常高,原理為:依據(jù)測(cè)線上已知點(diǎn)的平面坐標(biāo)與高程異常,采用數(shù)值擬合的方式,擬合出測(cè)線方向的似大地水準(zhǔn)面曲線,然后再內(nèi)插出待求點(diǎn)的高程異常,最后求出點(diǎn)的正常高。

        2.1.3 曲面擬合法

        當(dāng)GPS點(diǎn)布設(shè)為網(wǎng)狀時(shí),可以采用曲面擬臺(tái)法擬合測(cè)量區(qū)域內(nèi)的似大地水準(zhǔn)面。一般情況下,曲面擬合法主要包括多項(xiàng)式曲面擬合法、多面函數(shù)擬合法。

        2.1.4 高程擬合法

        高程擬合法通常在高程異常變化較平緩的地區(qū)應(yīng)用。對(duì)于高程異常變化情況相對(duì)強(qiáng)烈的地區(qū),此種方法的準(zhǔn)確度存在一定的限制,高程異常的已知點(diǎn)無法將高程異常點(diǎn)的特征真實(shí)的表現(xiàn)出來。在實(shí)際應(yīng)用過程中,通常以在水準(zhǔn)點(diǎn)上設(shè)置GPS點(diǎn)或是對(duì)GPS點(diǎn)進(jìn)行水準(zhǔn)聯(lián)測(cè)的方式進(jìn)行,為了獲得好的擬合結(jié)果,應(yīng)當(dāng)采用數(shù)量較多的已知點(diǎn),并且還需確保其分布的均勻性。

        2.1.5 分區(qū)擬合法

        如果擬合區(qū)相對(duì)較大,可運(yùn)用分區(qū)擬合法,即為將整體GPS網(wǎng)劃分為多個(gè)區(qū)域,然后通過各區(qū)域中的已知點(diǎn)分別擬合出該區(qū)域范圍內(nèi)各點(diǎn)的高程異常值,進(jìn)而確定其正常高。

        2.1.6 加權(quán)平均擬合法

        通過網(wǎng)中的GPS與水準(zhǔn)重合點(diǎn),能夠得出各點(diǎn)的高程異常ζ。對(duì)于擬合點(diǎn)上的高程異常,當(dāng)擬合點(diǎn)與已知點(diǎn)之間的距離越近時(shí),影響的程度會(huì)越來越高,通常采用距離或是距離平方的倒數(shù)定權(quán)。此種擬合法的編程相對(duì)簡單,計(jì)算速度也相對(duì)較快,使用也較為便利,是當(dāng)前使用最多的一種算法。

        2.2 GPS重力高程

        一般情況下,GPS重力高程是一種通過重力資料求出定點(diǎn)的高程異常,然后結(jié)合GPS求得的大地高,求出正常高的方式?;谖覈?dāng)前情況,GPS重力高程的精度明顯低于GPS水準(zhǔn)高程,所以,采用重力場(chǎng)模擬與GPS水準(zhǔn)結(jié)合的方式是一種有效的方式。

        2.3 GPS三角高程

        GPS三角高程是一種在GPS點(diǎn)上加測(cè)各個(gè)GPS點(diǎn)之間的高度角,并采用GPS求得的邊長,計(jì)算GPS點(diǎn)之間的高差,以求出GPS點(diǎn)的正常高的一種方式。

        3 GPS測(cè)高在工程中的應(yīng)用

        3.1 GPS測(cè)高用于地形測(cè)量實(shí)例分析

        圖2與圖3是湖南省工程勘察院所承擔(dān)的湖南省婁底市2011年基礎(chǔ)測(cè)繪所布設(shè)的GPS控制網(wǎng)和水準(zhǔn)路線圖 (注:湖南省婁底市地形屬于平原重丘區(qū))。

        圖2 湖南省婁底市2011年基礎(chǔ)測(cè)繪GPS一級(jí)控制網(wǎng)

        3.2 GPS控制成果(見表1)

        經(jīng)湖南省質(zhì)檢站核查GPS控制網(wǎng)的精度完全滿足平面控制精度的要求。

        3.3 GPS測(cè)高成果分析

        通過GPS測(cè)得的高程成果是通過高程擬合法得出的,具體措施為:①在測(cè)區(qū)范圍內(nèi)布設(shè)均勻的水準(zhǔn)點(diǎn),其中涉及一些國家控制點(diǎn)。②將水準(zhǔn)點(diǎn)作為GPS控制點(diǎn)進(jìn)行GPS測(cè)量,以求出其大地高H。③結(jié)合水準(zhǔn)成果資料與GPS成果資料,求出布設(shè)點(diǎn)的高程異常值。④將求得的點(diǎn)作為已知點(diǎn),然后采用高程擬合法進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)算,以求出其他點(diǎn)的高程。

        圖3 湖南省婁底市2011年基礎(chǔ)測(cè)繪四等水準(zhǔn)路線

        表1 部分GPS控制網(wǎng)平面坐標(biāo)成果

        4 結(jié)束語

        綜上所述,通過采用GPS測(cè)量取代之前的水準(zhǔn)測(cè)量,可大幅提升成果質(zhì)量,整體作業(yè)過程還能夠通過微電子技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)行有效的控制,并且還能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)記錄、自動(dòng)數(shù)據(jù)預(yù)處理、自動(dòng)平差計(jì)算的目的。通過采用GPS技術(shù)測(cè)高,能夠有效降低勞動(dòng)作業(yè)強(qiáng)度,作業(yè)效率可達(dá)到常規(guī)測(cè)量的3倍以上。

        [1]于景杰.GPS高程測(cè)量誤差探討[J].黑龍江水利科技,2010(38):82.

        [2]舒曉明.GPS高程測(cè)量代替三、四等水準(zhǔn)測(cè)量探討[J].中國水運(yùn)月刊,2010(10):123~126.

        [3]遲本良.GPS高程測(cè)量分析及其水利測(cè)繪工程中的運(yùn)用探討[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào),2011(29):122.

        P228.4

        A

        2095-2066(2016)22-0028-02

        2016-7-12

        趙文勝(1968-),男,工程師,本科,主要從事工程測(cè)量工作。

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