王松倫　高彥濤

摘 要：隨著CORS的應(yīng)用普及，利用CORS基準(zhǔn)站為起算數(shù)據(jù)能夠快速布設(shè)控制網(wǎng)，但是由于CORS基準(zhǔn)站為CGCS2000坐標(biāo)框架，因此，只能獲得控制點(diǎn)的大地高。本文結(jié)合實(shí)例對(duì)GPS擬合高程、水準(zhǔn)、大地水準(zhǔn)面幾種獲得高程的方式進(jìn)行對(duì)比分析，給出能有效解決高程問(wèn)題的方案，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

關(guān)鍵詞：HNGICS；GPS似大地水準(zhǔn)面；高程異常

中圖分類號(hào)：P228.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2017）06-0113-03

Precision Comparative Analysis of GPS Level Fitting Based on CORS

and Provincial Quasi Geoid

——A Case Study of Xinzhuang Coal Mine Monitoring in Yongcheng City

Wang Songlun1 Gao Yantao2

（1.Henan Water Conservancy Survey Co.， Ltd.，Zhengzhou Henan 450000；2.Surveying and Mapping Geographic Information Institute，Henan Bureau of Geology and Mineral Exploration and Development Bureau，Zhengzhou Henan 450006）

Abstract： With the popularity of CORS， using the CORS base station for initial data to rapid deployment of control network， but due to the CGCS2000 coordinate frame of CORS base station， therefore， can only get the control points of the earth high. This paper analyzed on GPS Fitting elevation， leveling， the geoid obtained several methods comparatively and gave a good solution to the problem of the elevation scheme， which has extensive practical significance.

Keywords： HNGICS；GPS Quasi Geoid；height anomaly

1 研究背景

河南省CORS系統(tǒng)HNGICS（Henan Geology Information Continuously Collecting and Operating System，HNGICS）于2009年由河南省地礦局建成，該系統(tǒng)采用Trimble的VRS（虛擬參考站技術(shù)）技術(shù)，提供高精度位置服務(wù)。HNGICS是由45個(gè)基準(zhǔn)站組成的CORS系統(tǒng)，覆蓋河南全省，平均基線長(zhǎng)70km。系統(tǒng)自2009年運(yùn)行以來(lái)，穩(wěn)定可靠，基站24小時(shí)不間斷采集GPS數(shù)據(jù)，采樣分辨率最高1s，數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳回?cái)?shù)據(jù)中心，系統(tǒng)提供GPS網(wǎng)絡(luò)差分定位服務(wù)，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，數(shù)據(jù)測(cè)量精度可靠。目前，系統(tǒng)用戶達(dá)到近200家，服務(wù)領(lǐng)域涉及地質(zhì)、測(cè)繪、國(guó)土、規(guī)劃、交通和電力等十多個(gè)行業(yè)。

HNGICS的推廣應(yīng)用促進(jìn)了河南省高精度測(cè)繪的發(fā)展，定位精度大大提升，不受傳統(tǒng)單基站RTK范圍的限制，成本也大幅降低。但是，HNGICS系統(tǒng)的應(yīng)用受一些因素的影響，如電離層穩(wěn)定性、對(duì)流層延遲、模糊度鎖定、高程精度相對(duì)較低等問(wèn)題的影響。尤其是如何快速地獲得精準(zhǔn)的正常高一直以來(lái)是困擾廣大用戶的一大難題。

目前，主要通過(guò)似大地水準(zhǔn)面的逼近解決求取高程異常的問(wèn)題[1-2]。傳統(tǒng)的手段通過(guò)GPS水準(zhǔn)方法獲取高程異常，即通過(guò)對(duì)控制點(diǎn)進(jìn)行高精度GPS控制測(cè)量獲得其大地高，通過(guò)水準(zhǔn)測(cè)量獲得控制點(diǎn)的正常高，從而通過(guò)二者求差獲得高程異常。隨著省級(jí)似大地水準(zhǔn)面的發(fā)展，各個(gè)省份都在開(kāi)展省級(jí)似大地水準(zhǔn)面的建設(shè)工作。河南省于2010年開(kāi)展了省級(jí)似大地水準(zhǔn)面模型的建設(shè)工作，目前成果已經(jīng)開(kāi)始使用，但各個(gè)地區(qū)的精度是否一致，實(shí)際使用效果如何等問(wèn)題仍有待商榷。本文擬通過(guò)區(qū)域GPS水準(zhǔn)方法擬合獲得區(qū)域似大地水準(zhǔn)面并與省級(jí)似大地水準(zhǔn)面成果進(jìn)行對(duì)比，分析省級(jí)似大地水準(zhǔn)面精度，并提出相應(yīng)對(duì)策。

2 區(qū)域GPS大地水準(zhǔn)面

傳統(tǒng)的國(guó)家高程控制網(wǎng)是由精密水準(zhǔn)測(cè)量來(lái)實(shí)現(xiàn)的，作為高程的參考框架網(wǎng)，而似大地水準(zhǔn)面是新一代高程參考面，能實(shí)現(xiàn)大地高測(cè)量到正常高的轉(zhuǎn)換（h正=HGPS–N，或h正常=HGPS–ζ，N和ζ分別為似大地水準(zhǔn)面差值和高程異常）。因此，通過(guò)一定的精密水準(zhǔn)測(cè)量，建立區(qū)域似大地水準(zhǔn)面，可以實(shí)現(xiàn)通過(guò)GPS測(cè)量大地高來(lái)完成傳統(tǒng)高程的測(cè)量。我國(guó)現(xiàn)有的大地水準(zhǔn)面模型精度較低，仍不能滿足一般工程測(cè)量的需求。目前，各個(gè)地區(qū)都在積極開(kāi)展本地區(qū)的大地水準(zhǔn)面的精化工作。核心問(wèn)題就是如何通過(guò)GPS快速獲得高精度的大地高，同時(shí)通過(guò)與水準(zhǔn)測(cè)量相結(jié)合，從而建立不同級(jí)別的區(qū)域似大地水準(zhǔn)面。

CORS系統(tǒng)的推廣應(yīng)用使得快速獲得精確的大地高成為可能。相比傳統(tǒng)的控制網(wǎng)，CORS的測(cè)量成果具有精度高、精度均勻、可靠性高等特點(diǎn)。同時(shí)，CORS基準(zhǔn)網(wǎng)作為新一代三維框架基準(zhǔn)，是一個(gè)高質(zhì)量地心坐標(biāo)基準(zhǔn)，其靜態(tài)測(cè)量相對(duì)精度達(dá)到10-9～10-8，動(dòng)態(tài)精度達(dá)到厘米級(jí)，絕對(duì)精度達(dá)到分米甚至厘米級(jí)。CORS的網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)測(cè)量大地高精度能達(dá)到甚至優(yōu)于厘米級(jí)，而且由于網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)是整網(wǎng)解算模式，因此，能夠保證精度的一致性，能夠避免傳統(tǒng)水準(zhǔn)測(cè)量通過(guò)線路傳遞獲得高程而引起的累積誤差[3-4]。通過(guò)CORS網(wǎng)的GPS測(cè)量能夠很好地取代傳統(tǒng)的GPS測(cè)量，從而為似大地水準(zhǔn)面的精化工作提供保障。通過(guò)CORS技術(shù)與似大地水準(zhǔn)面的結(jié)合，使GPSRTK技術(shù)能夠快速獲得正常高，而且精度大大提高，在一般工程測(cè)量中某種程度上替代了傳統(tǒng)的水準(zhǔn)測(cè)量，大大降低了作業(yè)成本。

本文通過(guò)HNGICS提供的VRS測(cè)量技術(shù)，在采煤塌陷區(qū)快速地建立區(qū)域GPS控制網(wǎng)，并進(jìn)行高精度的水準(zhǔn)測(cè)量，從而求取了控制點(diǎn)的高程異常，進(jìn)而建立礦區(qū)的區(qū)域似大地水準(zhǔn)面，為礦區(qū)塌陷監(jiān)測(cè)提供了監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)[5]。

3 以永城新莊煤礦監(jiān)測(cè)為例

河南神火煤電股份有限公司新莊煤礦位于豫、皖兩省交界的河南省永城市東部，行政區(qū)劃屬苗橋鄉(xiāng)管轄。新莊煤礦區(qū)域交通以公路為主。該礦西據(jù)永城市24km，東距安徽省淮北市19km，西北120km可達(dá)京九、隴海兩主干鐵路的交通樞紐——商丘車站，東北94km至津浦、隴海兩鐵路之樞紐——徐州車站。其間均有公路連通，路面平坦，雨雪無(wú)阻，交通十分便利（見(jiàn)圖1）。

新莊煤礦礦山地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)任務(wù)于2013年10月開(kāi)展，截至2014年8月完成第一周期前期工作任務(wù)。完成的具體工作量有：已完成地質(zhì)環(huán)境調(diào)查30.01km2，基礎(chǔ)圖測(cè)、編繪30.01km2，葛店、新莊煤礦D級(jí)GPS控制測(cè)量共10點(diǎn)次，地面監(jiān)測(cè)點(diǎn)前期選埋171點(diǎn)（第二、三、四周期會(huì)結(jié)合煤礦采掘工程平面圖，合理增加監(jiān)測(cè)點(diǎn)的埋設(shè)），還包括日常監(jiān)測(cè)點(diǎn)維護(hù)，工作總結(jié)。2014年8月完成數(shù)據(jù)分析與整理、報(bào)告編寫及圖件繪制工作。

4 數(shù)據(jù)處理及精度分析

新莊煤礦礦山地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)以HNGICS系統(tǒng)基準(zhǔn)站為起算數(shù)據(jù)布設(shè)10個(gè)D級(jí)GPS控制點(diǎn)，由于HNGICS系統(tǒng)采用CGCS2000系統(tǒng)，因此，高程問(wèn)題采用省級(jí)似大地水準(zhǔn)面轉(zhuǎn)換獲得。同時(shí)，為了驗(yàn)證省級(jí)似大地水準(zhǔn)面精度，采用GPS水準(zhǔn)擬合、水準(zhǔn)聯(lián)測(cè)進(jìn)行高程擬合驗(yàn)證[6]。

4.1 數(shù)據(jù)處理具體流程

數(shù)據(jù)處理具體流程見(jiàn)圖2。

①以HNGICS系統(tǒng)基準(zhǔn)站商丘永城（SQYC）、安徽淮北（AHHB）為起算點(diǎn)，聯(lián)測(cè)10個(gè)D級(jí)GPS點(diǎn)及一個(gè)水準(zhǔn)點(diǎn)，進(jìn)行聯(lián)合數(shù)據(jù)解算，見(jiàn)圖3。

②利用科傻GPS數(shù)據(jù)處理軟件（CosaGPS）基線解算結(jié)果進(jìn)行平差，獲得監(jiān)測(cè)點(diǎn)的精確大地高，而高程進(jìn)行擬合，由于已知水準(zhǔn)點(diǎn)少，因此水準(zhǔn)擬合精度低。

③采用省級(jí)似大地水準(zhǔn)面成果進(jìn)行高程轉(zhuǎn)換，同時(shí)為了驗(yàn)證其精度，對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行二等水準(zhǔn)測(cè)量，從而獲得監(jiān)測(cè)點(diǎn)的準(zhǔn)確高程。

4.2 精度對(duì)比分析及問(wèn)題處理

監(jiān)測(cè)點(diǎn)大地高以基準(zhǔn)站為起算點(diǎn)，通過(guò)GPS靜態(tài)觀測(cè)獲得；監(jiān)測(cè)水準(zhǔn)高程以水準(zhǔn)點(diǎn)ZXC為起算數(shù)據(jù)獲得；擬合高程以ZXC為起算點(diǎn)進(jìn)行GPS高程擬合獲得；通過(guò)省級(jí)似大地水準(zhǔn)面轉(zhuǎn)換獲得大地水準(zhǔn)面擬合高程；GPS擬合高程、似大地水準(zhǔn)面擬合高程分別與水準(zhǔn)高程進(jìn)行了對(duì)比，對(duì)比發(fā)現(xiàn)：由于已知水準(zhǔn)點(diǎn)個(gè)數(shù)較少，且該地區(qū)高程異常變化較大，導(dǎo)致GPS擬合高程精度不高，不能直接使用，而采用省級(jí)似大地水準(zhǔn)面進(jìn)行轉(zhuǎn)換求取的高程與已知水準(zhǔn)點(diǎn)存在近0.4m的系統(tǒng)差（見(jiàn)表1），因此，也不能直接使用，需要對(duì)系統(tǒng)差進(jìn)行糾正。

5 結(jié)論

隨著CORS的應(yīng)用普及，利用CORS基準(zhǔn)站為起算數(shù)據(jù)能快速布設(shè)控制網(wǎng)，但由于CORS基準(zhǔn)站為CGCS2000坐標(biāo)框架，因此，只能獲得控制點(diǎn)的大地高，而正常高卻很難獲得。實(shí)驗(yàn)表明，由于一般已知水準(zhǔn)點(diǎn)很少，因此，采用GPS高程擬合很難獲得精度較高的擬合高程，而采用省級(jí)似大地水準(zhǔn)面成果能夠較好地解決該問(wèn)題，但仍需要與地方已知水準(zhǔn)點(diǎn)成果進(jìn)行驗(yàn)證糾正。

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