蘇斌

[摘要]GPS高程測(cè)量技術(shù)是利用全球定位系統(tǒng)（GPS）直接測(cè)定地面點(diǎn)大地高、間接確定地面點(diǎn)正常高。使用GPS測(cè)量技術(shù)間接確定地面點(diǎn)正常高的過程中，當(dāng)直接測(cè)得測(cè)量區(qū)域內(nèi)所有GPS點(diǎn)大地高后，然后在測(cè)量區(qū)域內(nèi)選擇數(shù)量、位置都能滿足高程擬合需要GPS點(diǎn)，使用水準(zhǔn)測(cè)量法取其正常高，并計(jì)算GPS點(diǎn)大地高與正常高之差（高程異常），以此為基礎(chǔ)利用平面、曲面擬合法進(jìn)行高程擬合，即可獲得測(cè)量區(qū)域內(nèi)其余GPS點(diǎn)正常高。三峽水利樞紐、小浪底水利樞紐、萬家寨水利樞紐等在不同程度上都是利用GPS高程測(cè)量。

[關(guān)鍵詞]GPS 高程測(cè)量技術(shù) 水利工程測(cè)量

[中圖分類號(hào)] P624 [文獻(xiàn)碼] B [文章編號(hào)] 1000-405X（2015）-8-201-2

21世紀(jì)科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展給國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)技術(shù)各方面帶來了沖擊。在高程測(cè)量技術(shù)方面，GPS高程測(cè)量已經(jīng)漸漸地取代了傳統(tǒng)的控制測(cè)量方法。本文將介紹GPS高程測(cè)量的應(yīng)用以及測(cè)量方法，簡(jiǎn)要說明GPS高程測(cè)量在水利測(cè)繪工程中的應(yīng)用現(xiàn)狀以及實(shí)際操作中的制約因素，并提出措施建議。針對(duì)GPS測(cè)量的誤差，對(duì)提高其精度測(cè)量方面提出幾點(diǎn)建議，并普及GPS相關(guān)的理論基礎(chǔ)知識(shí)。

1 GPS高程測(cè)量技術(shù)

（1）高程系統(tǒng)：①大地高（Hg）②正常高/正高（Hr/hg）。

（2）大地高系統(tǒng)：大地高系統(tǒng)以參考橢球面為基準(zhǔn)面的高程系統(tǒng)。某點(diǎn)大地高是該點(diǎn)到通過該點(diǎn)的參考橢球法線與參考橢球面交點(diǎn)間的距離。大地高也稱為橢球高，大地高用符號(hào)H進(jìn)行表示。大地高是純幾何量不具有物理意義，同一個(gè)點(diǎn)在不同基準(zhǔn)下具有不同大地高。

（3）正高系統(tǒng)：正高系統(tǒng)以大地水準(zhǔn)面為基準(zhǔn)面的高程系統(tǒng)。某點(diǎn)的正高是該點(diǎn)到通過該點(diǎn)的鉛垂線與大地水準(zhǔn)面的交點(diǎn)之間的距離，正高用符號(hào)hg表示。

（4）正常高系統(tǒng)是以似大地水準(zhǔn)面為基準(zhǔn)的高程系統(tǒng)。某點(diǎn)的正常高是該點(diǎn)到通過該點(diǎn)的鉛垂線與似大地水準(zhǔn)面的交點(diǎn)之間的距離，正常高用Hr表示。

（5）高程系統(tǒng)之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系：Hr=H-r、Hg=H-hg。

2 GPS測(cè)高方法

2.1等值線圖法

從高程異常圖或大地水準(zhǔn)面差距圖分別查出各點(diǎn)的高程異常或大地水準(zhǔn)面差距，然后分別采用上面兩式可計(jì)算出正常高和正高。在采用等值線圖法確定點(diǎn)的正常高和正高時(shí)要注意以下幾個(gè)問題：（1）注意等值線圖所適用的坐標(biāo)系統(tǒng)，在求解正常高或正高時(shí)，要采用相應(yīng)坐標(biāo)系統(tǒng)的大地高數(shù)據(jù)。（2）采用等值線圖法確定正常高或正高，其結(jié)果的精度在很大程度上取決于等值線圖的精度。

2.2大地水準(zhǔn)面模型法

地球模型法本質(zhì)上是一種數(shù)字化的等值線圖，目前國(guó)際上較常采用的地球模型有OSU91A等。不過我國(guó)范圍內(nèi)不適合該模型。

2.3擬合法

（1）基本原理：所謂高程擬合法就是利用在范圍不大的區(qū)域中，高程異常具有一定的幾何相關(guān)性這一原理，采用數(shù)學(xué)方法，求解正高、正常高或高程異常。（2）注意事項(xiàng)：適用范圍上面介紹的高程擬合的方法，是一種純幾何的方法，因此，一般僅適用于高程異常變化較為平緩的地區(qū)（如平原地區(qū)），其擬合的準(zhǔn)確度可達(dá)到一個(gè)分米以內(nèi)。對(duì)于高程異常變化劇烈的地區(qū)（如山區(qū)），這種方法的準(zhǔn)確度有限，這主要是因?yàn)樵谶@些地區(qū)，高程異常的已知點(diǎn)很難將高程異常的特征表示出來。選擇合適的高程異常已知點(diǎn)：所謂高程異常的已知點(diǎn)，它的高程異常值一般是通過水準(zhǔn)測(cè)量測(cè)定正常高、通過GPS測(cè)量測(cè)定大地高后獲得的。在實(shí)際工作中，一般采用在水準(zhǔn)點(diǎn)上布設(shè)GPS點(diǎn)或?qū)PS點(diǎn)進(jìn)行水準(zhǔn)聯(lián)測(cè)的方法來實(shí)現(xiàn)，為了獲得好的擬合結(jié)果要求采用數(shù)量盡量多的已知點(diǎn)，它們應(yīng)均勻分布，并且最好能夠?qū)⒄麄€(gè)GPS網(wǎng)包圍起來。高程異常已知點(diǎn)的數(shù)量若要用零次多項(xiàng)式進(jìn)行高程擬合時(shí)，要確定1個(gè)參數(shù)，因此，需要1個(gè)以上的已知點(diǎn)；若要采用一次多項(xiàng)式進(jìn)行高程擬合，要確定3個(gè)參數(shù)，需要3個(gè)以上的已知點(diǎn)；若要采用二次多項(xiàng)式進(jìn)行高程擬合，要確定6個(gè)參數(shù)，則需要6個(gè)以上的已知點(diǎn)。分區(qū)擬合法若擬合區(qū)域較大，可采用分區(qū)擬合的方法，即將整個(gè)GPS網(wǎng)劃分為若干區(qū)域，利用位于各個(gè)區(qū)域中的已知點(diǎn)分別擬合出該區(qū)域中的各點(diǎn)的高程異常值，從而確定出它們的正常高。圖1是一個(gè)分區(qū)擬合的示意圖，擬合分兩個(gè)區(qū)域進(jìn)行，以虛線為界，位于虛線上的已知點(diǎn)兩個(gè)區(qū)域都采用。

3高程測(cè)量原理

（1）高程測(cè)量是利用GPS技術(shù)，測(cè)量目標(biāo)區(qū)域內(nèi)所有GPS大地高度。為滿足高程擬合要求，使用水準(zhǔn)測(cè)量方法測(cè)量目標(biāo)區(qū)域GPS正常點(diǎn)。得出GPS點(diǎn)大地高和正常高后，即可計(jì)算出GPS高程差異。

（2）GPS測(cè)量方法最主要的是單點(diǎn)定位，此測(cè)量方法相對(duì)于其他操作方法而言較為簡(jiǎn)單，此方法工作原理是利用衛(wèi)星發(fā)出電波計(jì)算某點(diǎn)三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)。通常情況下，單點(diǎn)定位測(cè)量方法能夠接受四個(gè)以內(nèi)的衛(wèi)星信號(hào)做出分析。此種測(cè)量方法缺陷是利用接受線、天線確定三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)，該種測(cè)量在精度方面不夠完善，測(cè)量定位時(shí)最好避免使用定點(diǎn)單位。相對(duì)定位包含：動(dòng)態(tài)測(cè)量、快速靜態(tài)測(cè)量、靜態(tài)測(cè)量。

（3）測(cè)量誤差分析，測(cè)量誤差主要從信號(hào)傳播相關(guān)誤差、衛(wèi)星相關(guān)誤差、接受線相關(guān)誤差等。地面40千米以上區(qū)域?qū)儆诖髿鈱?duì)流層，GPS信號(hào)在通過對(duì)流層發(fā)生傳播路徑彎曲，致使其測(cè)量數(shù)據(jù)發(fā)生偏差造成誤差。多路徑誤差是嚴(yán)重影響GPS測(cè)量精度重要因素之一，在測(cè)量過程中，目標(biāo)測(cè)量對(duì)象內(nèi)的其他區(qū)域會(huì)反射衛(wèi)星信號(hào)，使其測(cè)量值偏差。

4水利工程中 GPS 高程測(cè)量的應(yīng)用

水利工程測(cè)量中的高程測(cè)量一直采用傳統(tǒng)的高程施測(cè)手段——幾何水準(zhǔn)測(cè)量方法。此方法雖然精度較高，但實(shí)施起來費(fèi)時(shí)費(fèi)力，作業(yè)效率低。GPS 測(cè)量具有全天候、經(jīng)濟(jì)、快速等諸多優(yōu)點(diǎn)。近年來，國(guó)內(nèi)外有些測(cè)繪科研生產(chǎn)部門，在 GPS 水準(zhǔn)的布測(cè)和擬合方面，做了大量的研究工作，其主要目的就是精化大地水準(zhǔn)面，提高 GPS 高程測(cè)量精度，這些科研成果已廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)際中。（1）控制點(diǎn)加密的測(cè)量。在首級(jí)控制網(wǎng)的基礎(chǔ)上，為滿足地形圖及斷面等測(cè)量的需要， 必須進(jìn)行加密控制點(diǎn)的測(cè)量。而水利水電工程多位于偏遠(yuǎn)地區(qū)，已知高等級(jí)控制點(diǎn)較少，常規(guī)的控制測(cè)量方法是測(cè)距儀導(dǎo)線，測(cè)量精度受到很多條件限制，且工作量大。而用GPS RTK 加密測(cè)量控制點(diǎn)則很簡(jiǎn)單，只需在測(cè)區(qū)10km 范圍內(nèi)有 3 個(gè)以上且包含測(cè)區(qū)的高等級(jí)測(cè)量控制點(diǎn)即可，操作簡(jiǎn)單方便，平均每天可測(cè)量 30～40 個(gè)加密控制點(diǎn)，效率較高。（2）施工放樣測(cè)量。利用 RTK 隨機(jī)軟件中放樣的功能進(jìn)行點(diǎn)、直線、曲線放樣功能，進(jìn)行施工放樣測(cè)量。輸入設(shè)計(jì)好的已知坐標(biāo)作為參考點(diǎn)和目標(biāo)點(diǎn)，流動(dòng)站實(shí)地所在位置的坐標(biāo)作為修正點(diǎn)，電子手簿屏幕上的圖形顯示出實(shí)地待定點(diǎn)相對(duì)于目標(biāo)點(diǎn)所偏移的距離，按照指示移動(dòng)流動(dòng)站，直到滿足所要求的精度。同樣方法可以用來復(fù)樣及檢查驗(yàn)收。（3）數(shù)字化地形圖測(cè)量。利用 RTK 快速定位和實(shí)時(shí)得到坐標(biāo)結(jié)果的特點(diǎn)，在一定的測(cè)量環(huán)境中可以進(jìn)行地形測(cè)量。地形點(diǎn)的測(cè)量可以在數(shù)據(jù)采集的功能下進(jìn)行，也可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地形的實(shí)際情況進(jìn)行測(cè)量設(shè)定，采集完的地形點(diǎn)經(jīng)過成圖處理，生成數(shù)字化管道地形圖。地形點(diǎn)的采集可以單人作業(yè)，極大地節(jié)約了人力和時(shí)間。

5結(jié)語

GPS系統(tǒng)的建立在測(cè)量領(lǐng)域得到了飛躍，與傳統(tǒng)的手工測(cè)量方法相比，GPS技術(shù)有巨大優(yōu)勢(shì)，利用載波相位差分技術(shù)（RTK），在實(shí)時(shí)處理兩個(gè)觀測(cè)站的載波相位的基礎(chǔ)上，可以達(dá)到厘米級(jí)的精度，并同時(shí)具有操作簡(jiǎn)便、儀器體積小便于攜帶、全天候操作、觀測(cè)點(diǎn)之間無須通視、測(cè)量結(jié)果統(tǒng)一在WGS84坐標(biāo)下及信息自動(dòng)接收、存儲(chǔ)、減少繁瑣的中間處理環(huán)節(jié)等特點(diǎn).當(dāng)前，GPS技術(shù)已廣泛應(yīng)用于大地測(cè)量、資源勘查、地殼運(yùn)動(dòng)、地籍測(cè)量等領(lǐng)域。由于對(duì)水利工程的要求極高，所以GPS高程測(cè)量為其解決了重大難題。

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