傅剛

摘 要：本文研究了內(nèi)蒙古巴丹吉林沙漠必魯圖主峰峰頂高程的測定方法，從GPS水準(zhǔn)網(wǎng)設(shè)計、外業(yè)觀測、內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理幾方面做了詳細(xì)的論述，是目前進(jìn)行沙峰測量的最新方法。

關(guān)鍵詞：水準(zhǔn)測量；GPS水準(zhǔn)網(wǎng)；似大地水準(zhǔn)面精化

中圖分類號：P224 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）13-0224-02

1 概述

內(nèi)蒙古巴丹吉林沙漠必魯圖主峰位于內(nèi)蒙古自治區(qū)阿拉善盟阿拉善右旗，主要由剝蝕的高大沙山與山間凹地組成，為阿拉善沙漠世界地質(zhì)公園的重要景區(qū)之一，曾被《國家地理》雜志評為中國最美麗的沙漠。特別是巴丹吉林沙漠最高峰必魯圖峰號稱“沙漠珠峰”，但迄今為止，尚無權(quán)威機(jī)構(gòu)對其高程進(jìn)行測量、認(rèn)證并對外發(fā)布。該項目實施有利于開展巴丹吉林沙漠與其他沙漠的對比、研究，科學(xué)分析我國西北沙漠的形成發(fā)展和環(huán)境演變過程。

2 設(shè)計方案的確定

由于必魯圖主峰位于內(nèi)蒙古巴丹吉林沙漠腹地，周圍國家等級水準(zhǔn)點(diǎn)稀少，且距離較遠(yuǎn)，采用常規(guī)水準(zhǔn)測量方法難以達(dá)到要求，經(jīng)研究決定綜合利用GPS/水準(zhǔn)數(shù)據(jù)、重力數(shù)據(jù)、數(shù)字地面高程模型數(shù)據(jù)等確定必魯圖主峰區(qū)域似大地水準(zhǔn)面模型，進(jìn)一步通過似大地水準(zhǔn)面與大地水準(zhǔn)面的差值確定必魯圖峰峰頂?shù)恼撸ê０胃撸?。在必魯圖峰峰頂周圍選擇利用已有的部分控制點(diǎn)，同峰頂及周邊埋設(shè)的控制點(diǎn)進(jìn)行GPS同步觀測。然后結(jié)合已有的水準(zhǔn)成果、重力數(shù)據(jù)、數(shù)字地面高程模型等計算出局部似大地水準(zhǔn)面，計算似大地水準(zhǔn)面和大地水準(zhǔn)面的差值，最終獲得必魯圖峰峰頂及周邊埋設(shè)的控制點(diǎn)平面坐標(biāo)和海拔高程[1]。

3 GPS水準(zhǔn)網(wǎng)設(shè)計

3.1 設(shè)計原則

為了實現(xiàn)巴丹吉林沙漠必魯圖峰區(qū)域似大地水準(zhǔn)面精化及必魯圖峰峰頂高程測定，在已有GPS點(diǎn)、水準(zhǔn)成果的點(diǎn)上選擇分布均勻、密度適中的點(diǎn)進(jìn)行GPS同步聯(lián)測，獲得這些點(diǎn)的CGCS2000成果。

3.2 埋石要求

擬在必魯圖峰主峰峰頂及必魯圖峰周邊選擇易于埋設(shè)標(biāo)石的地方（如沙湖周邊地區(qū)）埋設(shè)5個固定標(biāo)石，分別為1：必魯圖主峰峰頂，2：阿拉善沙漠地質(zhì)公園景區(qū)入口處，距必魯圖主峰約60km，3：巴丹湖，距必魯圖主峰約45km，4：音德爾圖沙湖周邊埋設(shè)2座，距必魯圖主峰約1.5km，標(biāo)石采用鋼管標(biāo)志。鋼管標(biāo)志：采用直徑為51mm不銹鋼鋼管夯入地下，埋深3m，采用不銹鋼鋼材打磨成直徑180mm，厚度為15mm的圓形標(biāo)志頭，鑲嵌在不銹鋼鋼管上。必魯圖峰峰頂標(biāo)石采用強(qiáng)制對中裝置。

3.3 GPS觀測點(diǎn)

在已有資料的基礎(chǔ)上，初步選取23個水準(zhǔn)點(diǎn)，利用其中的17個水準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行GPS點(diǎn)聯(lián)測，形成GPS水準(zhǔn)成果，用于區(qū)域似大地水準(zhǔn)面精化。

4 外業(yè)觀測

4.1 基本技術(shù)要求

GPS點(diǎn)觀測要求：（1）觀測模式：基于基準(zhǔn)站同步觀測模式，每時段觀測23.5小時以上；（2）觀測時段數(shù)：2個時段；（3）衛(wèi)星截止高度角：≥10°；（4）同時觀測有效衛(wèi)星數(shù)：≥4；（5）有效觀測衛(wèi)星總數(shù)：≥20；（6）數(shù)據(jù)采樣間隔：30秒；（7）PDOP 值：≤6。

GPS點(diǎn)觀測時段可在UTC時間0～24 h之間選取，但不得跨UTC時間0 h。一般早晨8：00多開機(jī)，次日早晨7：40關(guān)機(jī)為一個時段。

4.2 作業(yè)要求

（1）架設(shè)儀器時一定要嚴(yán)格整平、對中，將儀器安放在平穩(wěn)安全的地方，既要方便操作，又要不妨礙衛(wèi)星信號的接收；（2）架設(shè)天線時，天線定向標(biāo)志線應(yīng)指向磁北，定向誤差不得大于±5°；（3）認(rèn)真檢查儀器、天線及電源的連接情況，確認(rèn)無誤后方可開機(jī)觀測；（4）開機(jī)后應(yīng)在儀器內(nèi)輸入測站編號（或代碼）、天線高等測站信息；（5）天線高的量測方法：在每時段的觀測前后各量測一次天線高，讀數(shù)精確至1mm。天線高量測時，應(yīng)量測互為120°天線的三個位置，當(dāng)互差小于3mm后，取中數(shù)采用，否則，應(yīng)重新架設(shè)、整平儀器，量取天線高。手簿中應(yīng)詳細(xì)記錄天線高量取的位置及方式；（6）每個小組在每次量取接收機(jī)天線高時，作業(yè)組長必須安排作業(yè)組員對接收機(jī)天線高量取方式及測站周圍四個方向進(jìn)行拍照；（7）觀測過程中不記錄氣象元素，其他項目要認(rèn)真填寫，實事求是，嚴(yán)禁事后補(bǔ)記和涂改編造數(shù)據(jù)，確屬筆誤的用橫線劃掉后重寫；（8）觀測員應(yīng)定時檢查接收機(jī)的各種信息，并記錄手簿中需填寫的信息，有特殊情況時，應(yīng)在備注欄中注明；（9）觀測員要認(rèn)真、細(xì)心的操作儀器，嚴(yán)防人或牲畜碰動儀器、天線和遮擋衛(wèi)星信號；（10）雷雨季節(jié)觀測時，儀器、天線要注意防雷擊，雷雨過境時應(yīng)關(guān)閉接收機(jī)并卸下天線。

5 內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理

5.1 GPS網(wǎng)數(shù)據(jù)處理

（1）采用軟件。采用目前國際上公認(rèn)的用于GPS數(shù)據(jù)后處理最優(yōu)秀、最成熟的軟件——美國麻省理工學(xué)院（MIT）和SCRIPPS海洋研究所（SIO）共同開發(fā)的GAMIT/GLOBK軟件（10.40）。（2）數(shù)據(jù)整理。以年積日為單位整理觀測數(shù)據(jù)，并將原始觀測數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為Rinex格式數(shù)據(jù)；統(tǒng)一點(diǎn)位編號；根據(jù)外業(yè)觀測手簿，編制觀測儀器、天線、天線高與天線高量取位置等對照表；檢查點(diǎn)名一致性與正確性、接收機(jī)與天線型號的正確性、天線高的正確性及年積日的一致性等。（3）基線解算。以同步環(huán)為單位，按時段逐一解算同步環(huán)的數(shù)據(jù)，使用周跳自動修復(fù)技術(shù)，并使得同步環(huán)的Nrms小于0.5周?；€解算采用基準(zhǔn)站技術(shù)，GPS連續(xù)運(yùn)行站+測區(qū)觀測數(shù)據(jù)，采用Auto Clean周跳自動修復(fù)技術(shù)，進(jìn)行周跳剔除與修復(fù)，以獲取精確的基線解算結(jié)果。最后，使用干凈的雙差相位數(shù)據(jù)進(jìn)行定位，從而可以獲得高精度的基線處理結(jié)果。（4）網(wǎng)平差。網(wǎng)平差使用GLOBK軟件，GLOBK軟件的核心思想是卡爾曼濾波，采用各同步觀測網(wǎng)的獨(dú)立基線向量及其全協(xié)方差矩陣作為觀測量。將所有獨(dú)立基線向量及其經(jīng)調(diào)整后的協(xié)方差陣作為觀測量，平差時為消除星歷和網(wǎng)的傳遞誤差引起的整網(wǎng)在尺度和方向上的系統(tǒng)性偏差，應(yīng)對全面網(wǎng)加入一個尺度和三個轉(zhuǎn)換參數(shù)。平差后還應(yīng)進(jìn)行結(jié)果精度分析，對整體網(wǎng)的精度進(jìn)行檢驗和評估。在2000國家大地坐標(biāo)下，以國家GPS連續(xù)運(yùn)行站、國際IGS站（SELE、URUM）等高等級成果為基準(zhǔn)，采用三維約束平差，計算出GPS點(diǎn)坐標(biāo)。

5.2 似大地水準(zhǔn)面精化

5.2.1 采用的軟件

國家測繪地理信息局大地測量數(shù)據(jù)處理中心研發(fā)的重力場數(shù)據(jù)處理與區(qū)域似大地水準(zhǔn)面精化軟件[2]。

5.2.2 似大地水準(zhǔn)面精化技術(shù)流程

其技術(shù)流程如圖1所示。

5.2.3 數(shù)據(jù)預(yù)處理

（1）加密重力測量資料整理分析。加密重力資料因施測年代不同，其重力值所屬的重力基準(zhǔn)（系統(tǒng)）有1957重力控制網(wǎng)、1985重力控制網(wǎng)和2000國家重力基本網(wǎng)三種；其所屬的坐標(biāo)系統(tǒng)主要有54系、80系兩種，另外有少部分點(diǎn)坐標(biāo)系統(tǒng)屬于2000系。因此應(yīng)對加密重力點(diǎn)成果的重力基準(zhǔn)、坐標(biāo)系統(tǒng)、高程系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一。所有重力點(diǎn)的重力基準(zhǔn)全部統(tǒng)一至2000國家重力基本網(wǎng)，重力點(diǎn)高程全部統(tǒng)一至正常高系統(tǒng)。（2）數(shù)字地形模型資料整理。收集必魯圖峰及周邊地區(qū)外擴(kuò)1.5°范圍SRTM3數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)，并以此為基礎(chǔ)生成項目區(qū)域內(nèi)3"×3"、30"×30"和2.5′×2.5′數(shù)字地形模型數(shù)據(jù)。（3）地形均衡改正計算。項目承擔(dān)單位根據(jù)整理完成的數(shù)字地形模型資料，完成似大地水準(zhǔn)面精化區(qū)域3"×3"格網(wǎng)地形和均衡改正計算，以及加密重力點(diǎn)均衡重力異常歸算。在此基礎(chǔ)上完成大地水準(zhǔn)面精化區(qū)域及周邊地區(qū)格網(wǎng)平均空間異常的計算。

5.2.4 似大地水準(zhǔn)面計算數(shù)學(xué)模型

（1）重力點(diǎn)重力異常歸算；（2）3×3格網(wǎng)地形、均衡改正的確定；（3）重力異常擬合計算。

5.2.5 由重力場模型確定模型重力異常及模型似大地水準(zhǔn)面

選用適宜的參考重力場模型，分別完成相應(yīng)的模型重力異常和模型似大地水準(zhǔn)面計算。

5.2.6 由remove～restore技術(shù)計算重力似大地水準(zhǔn)面

在重力似大地水準(zhǔn)面的計算中，為提高計算速度，一般采用譜方法（FFT、FHT等）。但為了保證計算精度，避免由于采用譜方法帶來的近似影響，本次計算應(yīng)嚴(yán)格使用積分法完成；另外，在計算中使用remove～restore技術(shù)，充分發(fā)揮國內(nèi)外高階地球重力場模型在確定似大地水準(zhǔn)面中的重要作用，確保似大地水準(zhǔn)面的精度。

5.2.7 GPS水準(zhǔn)計算實測似大地水準(zhǔn)面（高程異常）

GPS水準(zhǔn)為實測似大地水準(zhǔn)面（高程異常），計算公式如下：

式中：——GPS大地高，單位為m；——正常高，單位為m。

5.2.8 任一點(diǎn)重力似大地水準(zhǔn)面的計算

在完成規(guī)則格網(wǎng)重力似大地水準(zhǔn)面計算后，為完成對重力似大地水準(zhǔn)面的擬合計算，需要計算GPS水準(zhǔn)點(diǎn)的重力似大地水準(zhǔn)面。對任一GPS水準(zhǔn)點(diǎn)重力似大地水準(zhǔn)面的計算，可采用雙線性內(nèi)插或Shepard插值法完成。

5.2.9 區(qū)域重力似大地水準(zhǔn)面擬合計算

采用多項式擬合、最小二乘配置、球冠諧函數(shù)、薄板樣條函數(shù)、多面函數(shù)等多種擬合方法對重力似大地水準(zhǔn)面進(jìn)行擬合糾正，最終采用可靠的擬合方法，求得適配于該區(qū)域的GPS水準(zhǔn)網(wǎng)的最終似大地水準(zhǔn)面模型。

5.2.10 必魯峰區(qū)域似大地水準(zhǔn)面的確定

充分利用必魯圖峰及周邊地區(qū)較密集的重力點(diǎn)成果、數(shù)字高程模型、重力場模型及分布較均勻的、現(xiàn)勢性較好的GPS水準(zhǔn)成果，采用重力法（Molodensky原理）及移去（remove）～恢復(fù)（restore）技術(shù)，完成分辨率為2.5′×2.5′的高精度似大地水準(zhǔn)面精化工作。主要工作內(nèi)容如下：

5.3 必魯圖峰正常高計算

根據(jù)已確定的必魯圖峰地區(qū)的似大地水準(zhǔn)面，結(jié)合控制點(diǎn)GPS測量成果，確定必魯圖峰峰頂及周邊控制點(diǎn)的正常高。

5.4 必魯圖峰正高（海拔高）確定

由于我國對于山峰高程的測定采用的是正高（海拔高）系統(tǒng)，因此在利用GPS技術(shù)和似大地水準(zhǔn)面技術(shù)精確求解峰頂及各控制點(diǎn)的正常高后，需要利用大地水準(zhǔn)面與似大地水準(zhǔn)面的差值求得峰頂及各控制點(diǎn)的正高。

參考文獻(xiàn)

[1]李建成，陳俊勇，寧津生，等.地球重力場逼近理論與中國2000似大地水準(zhǔn)面的確定[M].武漢大學(xué)出版社，2003.

[2]寧津生，羅志才，李建成.我國省市級大地水準(zhǔn)面的現(xiàn)狀及技術(shù)模式[J].大地測量與地球動力學(xué)，2004（1）：4-8.