幾何水準(zhǔn)和GPS高程混合布網(wǎng)模式及其在山區(qū)水準(zhǔn)測(cè)量中的應(yīng)用

張旭東，符華年

(寧波市測(cè)繪設(shè)計(jì)研究院，浙江寧波 315041)

幾何水準(zhǔn)和GPS高程混合布網(wǎng)模式及其在山區(qū)水準(zhǔn)測(cè)量中的應(yīng)用

張旭東?，符華年

(寧波市測(cè)繪設(shè)計(jì)研究院，浙江寧波 315041)

結(jié)合生產(chǎn)實(shí)踐中的高程控制網(wǎng)測(cè)量任務(wù)，利用寧波市規(guī)劃區(qū)高精度、高分辨率的似大地水準(zhǔn)面成果，提出了幾何水準(zhǔn)和GPS高程混合布網(wǎng)模式代替?zhèn)鹘y(tǒng)的水準(zhǔn)測(cè)量作業(yè)，并探討其在山區(qū)四等水準(zhǔn)測(cè)量中的應(yīng)用。

似大地水準(zhǔn)面；幾何水準(zhǔn)；GPS高程；混合布網(wǎng)；山區(qū)水準(zhǔn)

1 引 言

2008年，寧波市完成了規(guī)劃區(qū)似大地水準(zhǔn)面的精化，確定了2′×2′高分辨率、±0.006 m高精度的高程異常模型，這是一個(gè)高科技測(cè)繪產(chǎn)品，它的推廣應(yīng)用可充分利用目前廣泛使用的GPS定位技術(shù)，改變傳統(tǒng)高程測(cè)量模式，代替低等級(jí)水準(zhǔn)測(cè)量，有效減少測(cè)繪工作量，節(jié)約大量人力、物力，滿足大比例尺數(shù)字測(cè)圖的迫切需要。

該似大地水準(zhǔn)面成果在平原、山區(qū)均完全可以利用，但是代替四等水準(zhǔn)還存在困難。平坦地區(qū)的四等水準(zhǔn)測(cè)量相對(duì)容易，但山區(qū)水準(zhǔn)測(cè)量由于道路崎嶇不平、多拐彎、坡度大、施測(cè)起來(lái)很困難，而GPS控制測(cè)量則能迅速提供控制點(diǎn)的大地經(jīng)緯度和大地高。因此如何有效利用現(xiàn)有的似大地水準(zhǔn)面成果，完成山區(qū)高程測(cè)量的任務(wù)，非常值得探討，若能采用一定的方法滿足精度要求，則可以極大地提高測(cè)量工作效率。

本文結(jié)合寧波市東錢湖福泉山區(qū)域數(shù)字地形圖測(cè)繪項(xiàng)目中的首級(jí)控制網(wǎng)測(cè)量任務(wù)，利用寧波市規(guī)劃區(qū)高精度、高分辨率的似大地水準(zhǔn)面成果，基于2009年建成并啟動(dòng)的寧波市連續(xù)運(yùn)行衛(wèi)星定位服務(wù)系統(tǒng)(NBCORS)，提出了幾何水準(zhǔn)和GPS高程混合布網(wǎng)模式，代替全部四等水準(zhǔn)測(cè)量的傳統(tǒng)作業(yè)，并探討其在山區(qū)四等水準(zhǔn)測(cè)量中的應(yīng)用。

2 作業(yè)方案

測(cè)區(qū)范圍大約為42 km2，測(cè)區(qū)海拔介于6 m～550 m之間，主要為丘陵、山地和半島圍湖地形，測(cè)量難度較大。

項(xiàng)目要求首級(jí)控制網(wǎng)完成一級(jí)GPS控制網(wǎng)及其四等水準(zhǔn)網(wǎng)的測(cè)量，共布設(shè)控制點(diǎn)132個(gè)。

考慮到山區(qū)高程高差較大，水準(zhǔn)測(cè)量困難，點(diǎn)數(shù)較多，點(diǎn)距參差不齊，作業(yè)方案采取了幾何四等水準(zhǔn)和GPS高程的混合布網(wǎng)模式以構(gòu)建首級(jí)控制網(wǎng)。這是因?yàn)橥ㄟ^GPS高程和水準(zhǔn)路線構(gòu)網(wǎng)，可以形成環(huán)線，按水準(zhǔn)規(guī)范的要求進(jìn)行質(zhì)量檢驗(yàn)，判定是否達(dá)到四等水準(zhǔn)精度，同時(shí)，通過與水準(zhǔn)路線的聯(lián)合平差，可以消除GPS高程的系統(tǒng)差，進(jìn)一步提高高程精度。

具體作業(yè)要求為，在平面控制方面，水準(zhǔn)測(cè)量較為便利的點(diǎn)位采用NBCORS網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)測(cè)量；其他點(diǎn)位采用GPS靜態(tài)測(cè)量模式；在高程控制方面，海拔較低、平坦區(qū)域、水準(zhǔn)測(cè)量方便的點(diǎn)位全部采用四等水準(zhǔn)測(cè)量，但對(duì)于山區(qū)水準(zhǔn)測(cè)量困難的點(diǎn)位，選擇性的采用四等水準(zhǔn)測(cè)量部分水準(zhǔn)路線測(cè)段，其余的均采用GPS高差代替四等水準(zhǔn)高差以完成水準(zhǔn)網(wǎng)的構(gòu)建。如圖1所示水準(zhǔn)網(wǎng)的山區(qū)部分路線，其中虛線為GPS高差路線，實(shí)線為水準(zhǔn)路線。

圖1 幾何水準(zhǔn)和GPS高程混合布網(wǎng)水準(zhǔn)路線示意圖

3 數(shù)據(jù)處理

首級(jí)控制網(wǎng)中GPS平面控制網(wǎng)的數(shù)據(jù)處理一般較為容易，本文主要介紹高程控制網(wǎng)的數(shù)據(jù)處理。

高程控制網(wǎng)測(cè)量包括四等水準(zhǔn)和GPS高差計(jì)算。我們對(duì)于平地及山地通視的一級(jí)控制點(diǎn)采用四等水準(zhǔn)聯(lián)測(cè)，平地與山地、山地與山地間不通視的一級(jí)控制點(diǎn)以及不易聯(lián)測(cè)的四等水準(zhǔn)點(diǎn)位采用GPS高差代替四等水準(zhǔn)高差。

為了對(duì)整個(gè)水準(zhǔn)網(wǎng)進(jìn)行平差計(jì)算，除了已測(cè)的幾何水準(zhǔn)測(cè)段高差，還必須計(jì)算GPS高差測(cè)段，該數(shù)據(jù)是水準(zhǔn)網(wǎng)的主要構(gòu)成部分。

GPS高差計(jì)算是在GPS控制網(wǎng)平差后進(jìn)行，它采用了寧波市規(guī)劃區(qū)似大地水準(zhǔn)面精化模型，該模型基于NBCORS系統(tǒng)，其大地起算基準(zhǔn)與規(guī)劃區(qū)似大地水準(zhǔn)面成果的基準(zhǔn)一致，即2000國(guó)家大地坐標(biāo)系。計(jì)算時(shí)，只要將所測(cè)一級(jí)GPS控制點(diǎn)的CGCS2000大地坐標(biāo)輸入該程序，即可獲取每個(gè)點(diǎn)的1985國(guó)家高程成果，由此可以計(jì)算相鄰點(diǎn)的GPS高差和測(cè)段長(zhǎng)，測(cè)段長(zhǎng)為兩點(diǎn)間平距。GPS高程差取位至毫米，測(cè)段長(zhǎng)取位至米。

四等水準(zhǔn)網(wǎng)距離總長(zhǎng)110.2 km，水準(zhǔn)觀測(cè)實(shí)際測(cè)量101個(gè)測(cè)段，長(zhǎng)度達(dá)49.4 km；GPS高差路線共99個(gè)測(cè)段，長(zhǎng)度達(dá)72.5 km；GPS高差測(cè)段與水準(zhǔn)高差同測(cè)段重復(fù)41段，總長(zhǎng)11.7 km，因此，實(shí)際利用GPS高差代替四等水準(zhǔn)高差測(cè)段共58段，測(cè)段總長(zhǎng)60.8 km。項(xiàng)目要求，水準(zhǔn)高差和GPS高程差同測(cè)段時(shí)，水準(zhǔn)網(wǎng)平差時(shí)取用水準(zhǔn)高差測(cè)段。

4 數(shù)據(jù)分析

平差前，首先對(duì)整個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行檢查和分析。

首先，對(duì)同測(cè)段的幾何水準(zhǔn)高差和GPS高差進(jìn)行比較，總共對(duì)重復(fù)測(cè)段的41個(gè)測(cè)段的高差較差絕對(duì)值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)其平均較差為0.013 m，最大較差為0.027 m，滿足限差為±30 mm的要求。

其次，對(duì)閉合差進(jìn)行計(jì)算分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)由幾何水準(zhǔn)和GPS高程混合布網(wǎng)的31個(gè)水準(zhǔn)環(huán)閉合差全部在限差內(nèi)，其中環(huán)閉合差最大值為47.0 mm(限差為±66.0 mm)，其中有17個(gè)環(huán)的閉合差在1/3限差內(nèi)，占54.8%，有28個(gè)環(huán)的閉合差在2/3限差內(nèi)，占90.3%。

以上分析表明，測(cè)量結(jié)果均符合限差要求，滿足水準(zhǔn)網(wǎng)平差的條件。

水準(zhǔn)網(wǎng)平差計(jì)算采用武漢大學(xué)科傻軟件進(jìn)行。平差結(jié)果表明，由31個(gè)環(huán)閉合差求得的高差中誤差為±7.44 mm/km(限差為±10 mm/km)，平差后單位權(quán)中誤差為±7.76 mm/km(限差為±10 mm/km)，最弱點(diǎn)高程中誤差為±10.37 mm(限差為±20 mm)。

之后，我們對(duì)于該網(wǎng)平差后的高程成果又做了對(duì)比分析。即同點(diǎn)位的水準(zhǔn)高程和GPS高程進(jìn)行比較，總共對(duì)其中77個(gè)采用GPS靜態(tài)測(cè)量的一級(jí)控制點(diǎn)的高程較差絕對(duì)值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)其平均較差為0.010 m，最大較差為0.028 m，滿足山區(qū)四等水準(zhǔn)限差即31.8 mm的要求。

上述數(shù)據(jù)對(duì)比表明，本作業(yè)方案——即采用幾何水準(zhǔn)和GPS高程混合布設(shè)水準(zhǔn)網(wǎng)的測(cè)量模式在山區(qū)代替?zhèn)鹘y(tǒng)水準(zhǔn)測(cè)量的生產(chǎn)實(shí)踐是可行的；同時(shí)也說(shuō)明了寧波市規(guī)劃區(qū)似大地水準(zhǔn)面成果的高精度、可靠性，基于NBCORS系統(tǒng)的聯(lián)合應(yīng)用也必將產(chǎn)生更好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

5 結(jié) 論

寧波市規(guī)劃區(qū)高精度、高分辨率的似大地水準(zhǔn)面成果成功應(yīng)用于山區(qū)水準(zhǔn)測(cè)量，解決了實(shí)際測(cè)量困難。同時(shí)，我們也在更深層次地探討將來(lái)使用網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)，聯(lián)合加載似大地水準(zhǔn)面成果，同時(shí)獲取地方獨(dú)立坐標(biāo)和水準(zhǔn)高程在代替四等水準(zhǔn)方面的研究，將更有效地減少測(cè)繪工作量，提高作業(yè)效率。

Mix－net Mode of Geometry Height with GPS Leveling and Applying in Mountain Leveling

Zhang XuDong，F(xiàn)u HuaNian
(NingBo Design Research Institute of Surveying and Mapping，NingBo 315041，China)

Combined with the practice of vertical control survey projects，using the high precision and high resolution quasi－geoid production of Ningbo programming section，this paper put forward a mix－net mode which mix geometry leveling with GPS height.The mode，the applying of which to leveling in a mountainous area was studied，can replace the traditional leveling.

quasi－geoid；geometry leveling；GPS height；mix－net；mountain leveling

1672－8262(2011)02－85－02

P228

B

2010—07—28

張旭東(1976—)，男，工程師，主要從事GPS測(cè)量和基礎(chǔ)測(cè)繪成果的集成應(yīng)用研究工作。