GPS靜態(tài)測量與四等水準(zhǔn)測量高程精度對比分析＊

閆建偉，顧和和，張成校

（1.中國礦業(yè)大學(xué) 國土環(huán)境與災(zāi)害監(jiān)測國家測繪局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州221116；2.中國礦業(yè)大學(xué) 環(huán)境與測繪學(xué)院，江蘇 徐州221116）

0 引 言

當(dāng)前，GPS定位技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于各種工程建設(shè)之中，特別是用于工程平面控制網(wǎng)的建立。GPS定位的平面精度已經(jīng)能夠滿足工程建設(shè)的需求，但因?yàn)楦叱坍惓５拇嬖?，GPS高程精度還不夠精密，不能滿足某些精密工程的需求，一直沿用水準(zhǔn)測量的方法［1］。針對四等水準(zhǔn)測量成果，并結(jié)合GPS靜態(tài)測量數(shù)據(jù)擬合處理后的高程，通過比較兩種測量方法得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行精度評定。

1 測區(qū)概況

本次工程是某景區(qū)旅游主干道工程，位于市主城區(qū)東南20余公里處，東西約40km，南北約10 km，面積186.22km2.區(qū)內(nèi)群峰林立，低山丘陵共173座，山林資源豐富，植被類型多樣，森林覆蓋率達(dá)89.5%，空氣清新。區(qū)內(nèi)湖泊眾多，沿故黃河兩岸分布7座大小水庫。

主干道沿線環(huán)境變化較大，沿途地形起伏比較明顯，穿越村莊水庫以及國有林場，整個(gè)測區(qū)呈帶狀分布，測區(qū)內(nèi)31個(gè)待測點(diǎn)與482、506構(gòu)成一個(gè)四等符合水準(zhǔn)路線，水準(zhǔn)路線總長度為33.66km.選取沿線通過6個(gè)GPS控制點(diǎn)作為試驗(yàn)樣本，用于比較GPS測量高程與四等水準(zhǔn)高程。

2 四等水準(zhǔn)測量

2.1 外業(yè)數(shù)據(jù)采集

本次試驗(yàn)采用的是索佳C3型自動安平水準(zhǔn)儀，讀數(shù)到1mm，估讀到0.1mm，儀器的精度是每千米往返測高差中誤差為±2mm.在觀測前對儀器進(jìn)行了檢查和校正，經(jīng)檢查儀器各項(xiàng)精度滿足要求可以進(jìn)行野外作業(yè)。四等水準(zhǔn)測量的各項(xiàng)指標(biāo)如表1所示。

表1 四等水準(zhǔn)測量的各項(xiàng)指標(biāo)

根據(jù)本次項(xiàng)目點(diǎn)位分布，將水準(zhǔn)路線布設(shè)成附和水準(zhǔn)路線。從起點(diǎn)482開始到終點(diǎn)506點(diǎn)結(jié)束，途經(jīng)6個(gè)GPS控制點(diǎn)，按照四等水準(zhǔn)測量雙面尺法觀測，在外業(yè)觀測過程中，外業(yè)人員要嚴(yán)格按照規(guī)范要求進(jìn)行操作，觀測人員要細(xì)心、耐心，減少讀數(shù)誤差；數(shù)據(jù)記錄人員要專心，認(rèn)真記錄并及時(shí)整理、計(jì)算每一站的數(shù)據(jù)，一旦發(fā)現(xiàn)超限立即進(jìn)行重測，跑尺人員要注意在觀測間歇把尺子拿離尺墊，減少下沉誤差，另外一定注意在待定點(diǎn)上一定不要使用尺墊，具體水準(zhǔn)路線圖如圖1所示。

圖1 四等水準(zhǔn)路線圖

2.2 數(shù)據(jù)處理

在完成外業(yè)數(shù)據(jù)的采集后，要對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，首先要對記錄手簿進(jìn)行檢查，查找是否存在由于記錄大意導(dǎo)致的誤差。完成初步檢查后，利用清華NASEWV3.0高程測量控制網(wǎng)數(shù)據(jù)處理自動化軟件系統(tǒng)進(jìn)行平差計(jì)算，平差結(jié)果如下：附合路線閉合差為47.0mm，最大點(diǎn)位誤差0.013 50m，最大點(diǎn)間誤差0.012 15m，而《規(guī)范》規(guī)定的附和四等水準(zhǔn)允許誤差為±116.03mm，顯然此次測量閉合差遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于限差規(guī)定，對線路進(jìn)行平差，本次試驗(yàn)只選取了部分樣本進(jìn)行研究，具體平差結(jié)果如表2所示。

表2 水準(zhǔn)路線中樣本點(diǎn)平差表

3 GPS數(shù)據(jù)采集與處理

3.1 GPS靜態(tài)觀測

外業(yè)數(shù)據(jù)采集使用6臺華測X90型接收機(jī)按照靜態(tài)定位觀測方法進(jìn)行觀測，在觀測前要對儀器進(jìn)行檢定，并提前了解GPS衛(wèi)星可見性預(yù)報(bào)表，選擇最合適的觀測時(shí)段。作業(yè)過程嚴(yán)格按照相關(guān)測量規(guī)范的要求進(jìn)行。衛(wèi)星高度角≥1 5°，有效觀測衛(wèi)星總數(shù)≥4顆，觀測時(shí)段數(shù)≥1.6，時(shí)段長度≥40 min，數(shù)據(jù)采樣間隔10s.

在進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí)，工作人員不要使用對講機(jī)，以免干擾信號，儀器高分兩次量取，兩次互差不得大于3mm，否則重新設(shè)站，取兩次量測均值作為最后儀器高記錄在記錄簿，GPS靜態(tài)觀測網(wǎng)各項(xiàng)精度指標(biāo)如表3所示［2］。

表3 GPS控制網(wǎng)的精度和各項(xiàng)控制指標(biāo)

3.2 基線解算

GPS數(shù)據(jù)處理的起算數(shù)據(jù)采用的是測繪工程院加密的四等GPS點(diǎn)三個(gè)，這幾個(gè)點(diǎn)保存完好，點(diǎn)位精度較高，作為起算數(shù)據(jù)是穩(wěn)定可靠的。利用數(shù)據(jù)處理軟件對靜態(tài)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，剔除部分基線后處理結(jié)果如表4所示。

表4 基線解算表

在完成基線解算后，在WGS－84坐標(biāo)系中進(jìn)行三維無約束平差，也稱為自由平差，無約束平差可以檢核GPS網(wǎng)中是否含有粗差，意在考察網(wǎng)的內(nèi)符合精度和基線之間是否存在系統(tǒng)的誤差，它反映了控制網(wǎng)的真實(shí)精度［3］。利用三個(gè)四等GPS點(diǎn)對完成三維無約束平差的控制網(wǎng)進(jìn)行二維約束平差，將基線向量歸化到橢球上，通過高斯正形投影方式加上1980西安坐標(biāo)系的有關(guān)參數(shù)，得到1980西安坐標(biāo)系中各網(wǎng)點(diǎn)的坐標(biāo)數(shù)據(jù)。約束平差中最弱點(diǎn)為G5，其點(diǎn)位中誤差為±0.26cm.對GPS高程進(jìn)行二次曲面擬合，得到最終擬合高程，通過對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可以確定GPS網(wǎng)結(jié)構(gòu)合理、精度較高，最終成果可靠性好。

4 GPS高程與水準(zhǔn)測量高程對比與分析

GPS擬合高程和水準(zhǔn)高程是利用不同方式得到的，由于誤差來源、種類和測量的精度不同，二者有著很大的區(qū)別。利用兩種不同方法測得的樣本點(diǎn)高程對比表詳見表5.

表5 GPS與水準(zhǔn)高程對比表

從表5數(shù)據(jù)可以分析出，通過兩種方式測量得到的高程相差都在1cm左右，最大的為1.1cm，最小0.5cm，這說明GPS擬合的高程精度很高，精度基本能達(dá)到四等水準(zhǔn)測量的精度。當(dāng)測量區(qū)域較小并且地勢較為平坦時(shí)，利用GPS進(jìn)行高程測量，通過聯(lián)測水準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行高程擬合，擬合的高程可以達(dá)到水準(zhǔn)測量的精度，為GPS高程在工程上的應(yīng)用帶來了很大的方便。

5 結(jié) 論

在小面積地形較為平坦地區(qū)或精度要求不很高的情況下進(jìn)行高程測量時(shí)，可以利用GPS進(jìn)行觀測最后擬合出GPS高程代替四等水準(zhǔn)測量高程，以減少水準(zhǔn)測量的工作量，節(jié)省人力和物力。在進(jìn)行高程擬合時(shí)，盡量多增加水準(zhǔn)點(diǎn)以提高GPS擬合的精度。但對在地形變化較大的區(qū)域還不能達(dá)到這樣的精度。隨著GPS技術(shù)的不斷發(fā)展，最終會實(shí)現(xiàn)GPS高程代替常規(guī)水準(zhǔn)測量。

［1］ 陳 奇.GPS靜態(tài)測量和四等水準(zhǔn)測量的高程比對［J］.中國新技術(shù)新產(chǎn)品，2011（15）：6－7.

［2］ 陳長謙，韓光濱.淺談GPS控制網(wǎng)的建立［J］.林業(yè)科技情報(bào)，2011，2（43）：136－138.

［3］ 俞建康，蔣惠新.長線路測量坐標(biāo)系建立與GPS的應(yīng)用［J］.現(xiàn)代測繪，2011，3（34）：34－36.