似大地水準(zhǔn)面成果精度檢測(cè)的研究

王鳴霄，陶駿

(南京市測(cè)繪勘察研究院有限公司，江蘇南京 210005)

似大地水準(zhǔn)面成果精度檢測(cè)的研究

王鳴霄?，陶駿

(南京市測(cè)繪勘察研究院有限公司，江蘇南京 210005)

針對(duì)南京市似大地水準(zhǔn)面的使用進(jìn)行不同觀(guān)測(cè)時(shí)間的GNSS高程觀(guān)測(cè)成果進(jìn)行高程檢查，為后期似大地水準(zhǔn)面成果的推廣應(yīng)用提出了有益的建議與思考。

GNSS高程測(cè)量；似大地水準(zhǔn)面；精度檢測(cè)

1 引 言

城市高精度似大地水準(zhǔn)面精化工程，是在國(guó)家空間數(shù)據(jù)基準(zhǔn)框架的基礎(chǔ)上，以現(xiàn)代大地測(cè)量技術(shù)為基礎(chǔ)，主要是利用GNSS技術(shù)、水準(zhǔn)測(cè)量技術(shù)、重力測(cè)量技術(shù)及現(xiàn)有重力場(chǎng)的數(shù)據(jù)、理論和方法，建立區(qū)域高分辨率的似大地水準(zhǔn)面?？梢赃M(jìn)一步完善城市基礎(chǔ)測(cè)繪基準(zhǔn)體系。

大多數(shù)城市地理信息系統(tǒng)及其應(yīng)用基于二維坐標(biāo)系，雖然系統(tǒng)可以產(chǎn)生高質(zhì)量的圖形顯示，但缺少管理、分析三維的功能，難以滿(mǎn)足數(shù)字城市的三維空間特征要求。GNSS定位技術(shù)可以直接精確地測(cè)定地面點(diǎn)的三維大地坐標(biāo)，高精度似大地水準(zhǔn)面精化成果可以較好地解決GNSS高程應(yīng)用的問(wèn)題。

本文以南京為例探討城市高精度似大地水準(zhǔn)面精化成果的檢測(cè)方法。

2 檢測(cè)方案的確定

似大地水準(zhǔn)面建立后的目的是為了替代低精度直接水準(zhǔn)，為了檢驗(yàn)建立的似大地水準(zhǔn)面精度確定了兩種檢測(cè)方案:

(1)可靠性檢測(cè)

結(jié)合南京市及周邊地形、地質(zhì)情況在似大地水準(zhǔn)面數(shù)據(jù)覆蓋范圍內(nèi)選擇8～10個(gè)區(qū)域進(jìn)行檢測(cè)，區(qū)域基本涵蓋了丘陵、平原和水網(wǎng)地區(qū)。每個(gè)區(qū)域布設(shè)檢測(cè)點(diǎn)3個(gè)左右，聯(lián)測(cè)2～3個(gè)C級(jí)網(wǎng)點(diǎn)，即每個(gè)測(cè)區(qū)由5～6點(diǎn)組成的控制網(wǎng)。檢測(cè)點(diǎn)均直接利用原有城市二等水準(zhǔn)點(diǎn)，GPS觀(guān)測(cè)按照建立全面網(wǎng)(C級(jí)網(wǎng))的觀(guān)測(cè)要求進(jìn)行。為保證水準(zhǔn)成果可靠，所有檢測(cè)點(diǎn)均需與周邊水準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行二等直接水準(zhǔn)聯(lián)測(cè)。在聯(lián)測(cè)精度符合《國(guó)家一、二等水準(zhǔn)測(cè)量規(guī)范》相關(guān)要求后方可使用該點(diǎn)水準(zhǔn)成果。

(2)實(shí)用性檢測(cè)

實(shí)用性檢測(cè)主要結(jié)合常規(guī)的GPS工程控制網(wǎng)進(jìn)行。檢測(cè)區(qū)域主要選擇在城市建設(shè)發(fā)展較快的區(qū)域。平差計(jì)算軟件采用商業(yè)隨機(jī)軟件。實(shí)用性檢測(cè)選擇一個(gè)二等GPS網(wǎng)和兩個(gè)四等GPS網(wǎng)進(jìn)行。其中二等GPS網(wǎng)是以120 min觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)獲得的精化高與二等水準(zhǔn)獲得海拔高進(jìn)行比較，以檢查120 min觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)的精化成果的可靠性。利用似大地水準(zhǔn)面成果計(jì)算出精化高程，并將精化高與直接水準(zhǔn)聯(lián)測(cè)所得的高程進(jìn)行比較，求出差值和差值的標(biāo)準(zhǔn)差，并對(duì)檢核結(jié)果進(jìn)行綜合統(tǒng)計(jì)、分析。四等GPS網(wǎng)是以45 min～60 min觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)獲得的精化高與四等水準(zhǔn)獲得海拔高進(jìn)行比較，以檢查45 min～60 min觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)的精化成果的可靠性。利用似大地水準(zhǔn)面成果計(jì)算出精化高程，并將精化高與直接水準(zhǔn)聯(lián)測(cè)所得的高程進(jìn)行比較，求出差值和差值的標(biāo)準(zhǔn)差，并對(duì)檢核結(jié)果進(jìn)行綜合統(tǒng)計(jì)、分析。

3 試驗(yàn)結(jié)果

(1)可靠性研究

選取一些符合要求的控制點(diǎn)作為檢測(cè)點(diǎn)，利用雙頻GNSS接收機(jī)對(duì)檢測(cè)點(diǎn)進(jìn)行靜態(tài)觀(guān)測(cè)(觀(guān)測(cè)要求與精化似大地水準(zhǔn)面觀(guān)測(cè)要求相同)和二等水準(zhǔn)測(cè)量，然后將獲得的精化高與幾何高程進(jìn)行比較比較結(jié)果如表1所示。

似大地水準(zhǔn)面可靠性檢測(cè)統(tǒng)計(jì)表 表1

(2)基于現(xiàn)有GNSS控制網(wǎng)的應(yīng)用

充分分析和利用現(xiàn)有GNSS工程控制網(wǎng)的基礎(chǔ)上。選擇一個(gè)二等GNSS網(wǎng)和兩個(gè)四等GNSS網(wǎng)進(jìn)行?？偢采w面積約3 000 km2。

二等GNSS網(wǎng)選擇2006年6月布設(shè)的南京市地鐵一號(hào)線(xiàn)南延線(xiàn)首級(jí)GNSS控制網(wǎng)為試驗(yàn)網(wǎng)，全網(wǎng)共有控制點(diǎn)19個(gè)，其中全面網(wǎng)點(diǎn)2點(diǎn)、待定點(diǎn)17點(diǎn)。觀(guān)測(cè)精度嚴(yán)格按照二等GNSS觀(guān)測(cè)要求進(jìn)行，同步觀(guān)測(cè)時(shí)間均大于120 min。共有50條基線(xiàn)參與平差，其中重復(fù)基線(xiàn)7組。在平差前對(duì)構(gòu)成平差網(wǎng)的基線(xiàn)進(jìn)行同步環(huán)、異步環(huán)閉合差和重復(fù)基線(xiàn)互差的檢核。GNSS網(wǎng)精度統(tǒng)計(jì)如表2所示。

GNSS網(wǎng)誤差統(tǒng)計(jì)表 表2

利用似大地水準(zhǔn)面精化成果將GNSS大地高轉(zhuǎn)換為正高與直接水準(zhǔn)成果比對(duì)結(jié)果如表3所示。

精化高成果與直接水準(zhǔn)比較表 表3

四等GNSS網(wǎng)選擇2004年布設(shè)的江北四等網(wǎng)和江南四等網(wǎng)為試驗(yàn)網(wǎng)，其中江北四等網(wǎng)共有控制點(diǎn)150點(diǎn)，其中包含框架網(wǎng)點(diǎn)1個(gè)，全面網(wǎng)點(diǎn)18點(diǎn)、四等GNSS點(diǎn)131點(diǎn)。觀(guān)測(cè)精度嚴(yán)格按照四等GNSS觀(guān)測(cè)要求進(jìn)行，同步觀(guān)測(cè)時(shí)間均大于45 min。共有505條基線(xiàn)參與平差，其中重復(fù)基線(xiàn)61組。在平差前對(duì)構(gòu)成平差網(wǎng)的基線(xiàn)進(jìn)行同步環(huán)、異步環(huán)閉合差和重復(fù)基線(xiàn)互差的檢核。GNSS網(wǎng)精度統(tǒng)計(jì)如表4所示。

GNSS網(wǎng)誤差統(tǒng)計(jì)表 表4

利用似大地水準(zhǔn)面精化成果將GNSS大地高轉(zhuǎn)換為正高與直接水準(zhǔn)成果比對(duì)結(jié)果如表5所示。

精化成果與直接水準(zhǔn)成果比較表 表5

江南四等網(wǎng)于2006年布設(shè)完成，全面網(wǎng)點(diǎn)19點(diǎn)、四等GNSS點(diǎn)45點(diǎn)。觀(guān)測(cè)精度嚴(yán)格按照四等GNSS觀(guān)測(cè)要求進(jìn)行，同步觀(guān)測(cè)時(shí)間均大于 45 min。共有171條基線(xiàn)參與平差，其中重復(fù)基線(xiàn)20組。在平差前對(duì)構(gòu)成平差網(wǎng)的基線(xiàn)進(jìn)行同步環(huán)、異步環(huán)閉合差和重復(fù)基線(xiàn)互差的檢核。GNSS網(wǎng)精度統(tǒng)計(jì)如表6所示。

GNSS網(wǎng)誤差統(tǒng)計(jì)表 表6

利用似大地水準(zhǔn)面精化成果將GNSS大地高轉(zhuǎn)換為正高與直接水準(zhǔn)成果比對(duì)結(jié)果如表7所示。

精化高成果與直接水準(zhǔn)比較表 表7

(3)RTK的應(yīng)用

采用RTK設(shè)備，采樣間隔設(shè)為1 s進(jìn)行連續(xù)采集，確定利用似大地水準(zhǔn)面數(shù)據(jù)后得到滿(mǎn)足國(guó)家基礎(chǔ)地形圖、管線(xiàn)圖精度要求的成果的技術(shù)需求。選擇34個(gè)控制點(diǎn)進(jìn)行1 s采樣間隔的RTK數(shù)據(jù)采集，采樣時(shí)間為3 min。

采樣的數(shù)據(jù)質(zhì)量要求為:置信度設(shè)置在99.9%，固定解狀態(tài)且HRMS≤0.02，VRMS≤0.02。在不提出粗差的情況下，首先將RTK測(cè)量成果與原有控制點(diǎn)進(jìn)行比對(duì)，當(dāng)△S和△H均小于5 cm時(shí)統(tǒng)計(jì)X、Y和H的最大值與最小值之差，確定數(shù)據(jù)的離散度。1 s采樣間隔數(shù)據(jù)離散度統(tǒng)計(jì)如表8所示。

1 s間隔數(shù)據(jù)采樣成果統(tǒng)計(jì)表 表8

考慮到本次實(shí)驗(yàn)RTK基準(zhǔn)站與流動(dòng)站之間的數(shù)據(jù)傳輸是利用GPRS模式進(jìn)行的，且部分地區(qū)的GPRS信號(hào)不穩(wěn)定，故對(duì)表8中S18和S15兩組數(shù)據(jù)進(jìn)行剔除后統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如表9所示。

剔除粗差后的統(tǒng)計(jì)表 表9

4 試驗(yàn)結(jié)論

(1)利用長(zhǎng)時(shí)間高精度的GNSS觀(guān)測(cè)成果配合似大地水準(zhǔn)面成果可取代長(zhǎng)距離或山地地區(qū)的二等水準(zhǔn)測(cè)量；

(2)采用雙頻接收機(jī)進(jìn)行常規(guī)等級(jí)GNSS工程網(wǎng)觀(guān)測(cè)，應(yīng)用似大地水準(zhǔn)面成果，也能取得比較理想的效果，可取代四等水準(zhǔn)測(cè)量；

(3)值得注意的是，GNSS同步觀(guān)測(cè)時(shí)間、GNSS儀器高的量取精度和觀(guān)測(cè)環(huán)境等因素對(duì)GNSS大地高測(cè)量精度的影響，會(huì)最終決定似大地水準(zhǔn)面成果的應(yīng)用效果；

(4)鑒于四等GNSS測(cè)量本身的觀(guān)測(cè)時(shí)間和觀(guān)測(cè)精度要求，四等GNSS觀(guān)測(cè)成果替代四等水準(zhǔn)成果還需謹(jǐn)慎；

(5)針對(duì)困難地區(qū)高等級(jí)水準(zhǔn)或特殊的工程需求，似大地水準(zhǔn)面成果的引用可采取高等級(jí)GNSS網(wǎng)觀(guān)測(cè)、精密的GNSS處理軟件和數(shù)據(jù)處理方法，以保證GNSS大地高成果的可靠性。

(6)由于RTK測(cè)量精度的限制，利用RTK作業(yè)模式得到的高程成果僅可作為圖根水準(zhǔn)成果使用，原則上僅能作為1∶500等大比例尺地形圖等低精度要求的測(cè)量控制點(diǎn)，若結(jié)合連續(xù)運(yùn)行衛(wèi)星定位系統(tǒng)配合使用或許能取得更佳的效果；

(7)RTK實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，RTK測(cè)量成果的平面精度和高程精度在±5 cm范圍內(nèi)，誤差呈現(xiàn)正態(tài)分布，符合RTK技術(shù)的誤差特點(diǎn)。為了保證最終成果的可靠性，建議在重置整周模糊度的情況下多次測(cè)量后取平均使用。

[1]潘寶玉.論高精度GPS高程測(cè)量[J].地礦測(cè)繪，1995(1)

[2]周忠謨，易杰軍，周琪.GPS測(cè)量原理與應(yīng)用[M].北京:測(cè)繪出版社，1997:70～225

[3]黃勁松.GPS測(cè)量數(shù)據(jù)處理教程[M].武漢:武漢測(cè)繪科技大學(xué)出版社，1998

[4]王鳴霄.南京市高精度基礎(chǔ)框架的建立與研究[D].碩士論文，2009

Accuracy Detection Research of Nanjing Quasi－Geoid Results

Wang MingXiao，Tao Jun
(Nanjing Institute of Surveying，Mapping＆Geotechnical Investigation，Co.Ltd，Nanjing 210005，China)

Nanjing quasi－geoid for the use of different observation time，observation GNSS height elevation examination results，for the latter part of quasi－geoid popularization and application of the results made useful suggestions and reflection.

GNSS height elevation；quasi－geoid refinement；accuracy detection

1672－8262(2010)02－73－03

P228

A

2009—12—17

王鳴霄(1976—)，男，工程師，主要研究方向?yàn)镚PS定位技術(shù)。