GPS曲面拟合高程与水准量高程应用的研究

GPS 曲面拟合高程与水准量高程应用的研究

陈乐新 张 建 全

摘要：在开展GPS高程测量工作的过程中，大地水准面与高程基准面相互制约的现象比较常见，这类问题的存在大大降低了GPS高程曲面拟合测量精度，但是在实际工程中使用GPS曲面拟合高程测量方法进行测量，可以有效地减少高程测量的工作量，降低测量人员的工作压力，相对于这种测量方法来说，传统的水准高程测量法的精准度更高，但是存在着工作量大，测量人员工作压力大的缺点，同时测量效率也较低。鉴于此，本文立足于GPS曲面拟合高程与水准测量高程原理，围绕GPS曲面拟合高程与水准量高程应用展开探讨，以期为相关工作起到参考作用。

关键词：GPS曲面拟合；水准测量；高程精度

引言

在传统的建筑行业中，对于工程标高的控制一般都是利用水准测量，水准测量的优点就是精度高、价格便宜，受除地形以外的环境因素干扰比较小，但是其操作缓慢，在山区等地使用的限制比较大，并且水准测量连续转站会造成相应的累积误差。在目前建筑行业中相对于水准测量，GPS曲面拟合高程也普遍应用于各种工程施工中。GPS最早起源于1958年的美国研究项目，并在20世纪70年代，被应用于军事方面。随着卫星覆盖率的逐渐完善，GPS的定位以及高程控制系统逐渐地精确，现在其不仅应用于军事，还在民生工程中投入使用，GPS作业效率高、劳动强度低，在建筑领域发挥着巨大的作用。

本文主要针对这两种高程测量的方法展开研究，分析其工作特点，并了解其最佳的工作应用条件，保证工程质量以及施工效率。

1.GPS曲面拟合高程与水准测量高程原理

1.1GPS曲面拟合高程

某市南四环使用的是华测I90GPS，所以根据I90GPS展开讨论。其工作系统由三个部分组成：基准站接收机、数据链、移动站接收机。在大部分的施工作业中，使用的高程都是国家或地方坐标系，而GPS自身测量的数据为WGS-84坐标系数据，所以在正常的使用或者进行新的测量任务时，事先需要进行点校正，得出两个坐标系之间的转换参数。对于高程拟合原理见图1。GPS正常测点是在WGS-84坐标获得的成果，是该点所在的大地高H^[1]。大地水准面和似大地水准面都是不规则的，所以此点大地高与正常高之间存在一个不定的高程异常值D，关系如下：

+N（1）

从图1中可看出异常值D在不同的测点其异常值是不一样的，因此，在使用GPS测量高程时，需要相应的异常值，再结合其测定出的大地高，计算出此点位的正常高。由于地球表面的不均匀性，因此，关于异常值D也会呈现不规则的变化。所以在施工过程中需要建立合适的控制网，通过多个控制点的点校正，拟合出控制网覆盖区域不同位置的高程异常值，以满足工程施工的要求。

H-待测点大地高；Hr-该点正高；Ht-该点正常高；N-大地水准面在该点的差距；D-该点高程异常值

图1GPS高程拟合中各高程面关系

1.2水准测量高程

水准仪主要是由望远镜、水准器以及基座组成，与三脚架、水准尺联合使用。利用水准仪测量高程，主要有两种方法：高差法、仪高法。在一般的施工中主要使用高差法。本文业主要对高差法进行分析了解，图2为水准测量的原理示意图。

a-A点尺杆读数；b-B点尺杆读数；HA-A点高程；HB-B点高程hAB-B与A之间的高程差；Hi-水准仪视线高

图2水准仪测量高程原理示意图

在施工过程中，使用水准仪测量高程时，一般都是将已知高程点A或B作为后视，观测位置点B或A的高程。根据图2，可得出在一次架设仪器的观测中，仪器视线高Hi是一个固定值，满足下列等量关系：

+a= +b（2）

高差法就是通过水准仪的统一视线高程，以已知高程控制点作为后视点，结合水准尺测量两点之间的高差，通过式（2）计算出对应点位的高程。

2.水准高程测量方法

2.1外业数据采集

在进行高程测量工作时，需要运用到水准仪进行外业数据的采集工作，并且在使用水准仪进行外业数据的测量工作时，需要进行0.1毫米的估读，也就是说在进行长度为一千米的往返测量时，所读取的数值的误差要在两毫米以内，而在外作业时，需要使用双面尺法来进行观测，以此来保证外业数据观测工作的高准确率，以及数据的可靠性^[2]。

2.2数据处理

在进行测量之后的数据处理工作时，工作人员需要对之前所记录的各种数据进行合理的分析，并对数据中所存在的各种误差进行处理，并严格的检测数据的准确性和可靠性，之后在使用专用的数据分析软件对之前记录的数据进行处理，在数据的处理工作结束之后，工作人员还需要将使用分析软件处理之后的数据与GPS高程拟合测量所得的数据进行对比，并根据工程的实际要求对数据进行平差，以此来降低施工过程中的风险，提高数据的可靠性，发挥出数据测量的作用^[3]。

3.实际工程测量过程

3.1工程概况

某地区的工程项目横跨多个区县，发挥的作用为提高交通系统运行效率，施工地形包括丘陵，河谷等，致使外业工作开展难度过大，并由于整个工程项目覆盖面积较大，传统高程测量方式短时间内无法完成所有测量项目。此外由于该工程的线路较长，施工项目较多，包括高架桥梁，城市道路，乡村道路等。通过对工程项目的高程测量，可验证工程项目的施工质量。

3.2GPS网观测和数据处理

GPS高程曲线拟合技术中，在测量区域中设置观测点，数量为24，应用的设备为双频GPS接收机，高程精度达到±5mm+0．001‰，平面精度达到±3mm+0．012‰。为探究GPS曲面拟合方法的最佳运行方案，本文提出了六种数据处理方法，内容如下。（1）始端3个水准点，末端3个水准点。（2）始端5个水准点，末端5个水准点。（3）始端2个水准点，末端2个水准点，中段2个水准点。（4）始末端个4个水准点，中段4个水准点。（5）测网中均匀分布的6个水准点。（6）测网中均匀分布的12个水准点。

在数据处理中，按照建成的拟合曲线模型分析误差，方案（1）中，最大的误差为-19．02mm，最大误差区域为整个测量区域的中间部分，连续3个测点误差高于18mm。方案（2）中，最大误差为-13．54mm，集中在中间区域，连续两点误差高于13mm，但是误差量降低。方案（3）中，最大误差为44．23mm，连续3个点的误差超过38mm，大误差发生区域靠近测网的起始端。方案（4）中，最大误差为-6．72mm，连续两点的误差数值高于6．5mm，大误差数据区域集中在测网中段。方案（5）中，最大误差为6．62mm，其次为5．86mm，但是这两个大误差点的距离很远，并为呈现方案（1）～（4）中呈现的大误差数据点集中现象。方案（6）中，最大误差为4．45mm，其次为2．76mm，两个大误差点距离很大，未产生大误差数据点集中现象^[4]。

3.3GPS高程曲面拟合法测量精度

从定量分析的角度来看，GPS高程曲面拟合方法由于水准点选择方法的不同，测量精度存在差异，具体分析结果表明，采用均匀配置测点的方式能够提高高程测量精度。同时测量精度也与测点数量有关，测点数越多则测量误差越小。方案(6)与水准点测量法的对比结果表明，合理的GPS高程曲面拟合方案精度高于水准测量法^[5]。

结语

综上所述，在进行GPS曲面拟合高程测量工作时，将观测点进行合理的分布，可以有效地提高数据的精准度，并且在进行合理布置观测点之后，GPS曲面拟合高程测量方法的精度要高于水准高程测量法。

参考文献：

[1]贺贤.GPS曲面拟合高程精度探讨[J].水利规划与设计,2018,(01):105-107.

[2]谢忠俍.基于曲面拟合的GPS高程转换精度分析[J].测绘与空间地理信息,2017,40(11):39-40.

[3]贺贤.GPS曲面拟合高程精度探讨[J].西北水电,2017,(05):13-15.

[4]李洪早.GPS曲面拟合高程与水准测量高程精度分析[J].资源信息与工程,2016,31(06):122+124.

[5]倪屾.基于多项式曲面拟合GPS高程模型[J].科技风,2015,(12):3.