GPS水準(zhǔn)測(cè)量在渭河中下游河道測(cè)區(qū)中的應(yīng)用

史曉峰

陜西水環(huán)境工程勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，陜西西安 710018

GPS水準(zhǔn)測(cè)量在渭河中下游河道測(cè)區(qū)中的應(yīng)用

史曉峰

陜西水環(huán)境工程勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，陜西西安 710018

本文通過(guò)GPS水準(zhǔn)測(cè)量在渭河中下游河道測(cè)區(qū)的應(yīng)用，探討了GPS水準(zhǔn)測(cè)量的有關(guān)觀測(cè)技術(shù)要求，并通過(guò)對(duì)GPS網(wǎng)高程進(jìn)行擬合，分析了GPS水準(zhǔn)的平差精度。

GPS水準(zhǔn)；河道測(cè)區(qū)；觀測(cè)應(yīng)用

GPS水準(zhǔn)測(cè)量方法是大型帶狀測(cè)區(qū)測(cè)量高程最常用的一種方法。GPS水準(zhǔn)測(cè)量通過(guò)聯(lián)測(cè)測(cè)區(qū)內(nèi)一定數(shù)量的高級(jí)水準(zhǔn)點(diǎn)，計(jì)算出未知點(diǎn)的高程異常，在水利工程測(cè)量中能夠?qū)y(cè)量效率大大提高，同時(shí)還能夠保證測(cè)量的精確度，GPS水準(zhǔn)測(cè)量具有精度高、速度快、觀測(cè)時(shí)間短、坐標(biāo)實(shí)施解算等優(yōu)點(diǎn)。

1 工程測(cè)量項(xiàng)目概況

工程測(cè)量項(xiàng)目：渭河中下游河道地理信息系統(tǒng)渭河西韓鐵路橋～渭攔10區(qū)段1/萬(wàn)地形圖測(cè)量，按照“數(shù)字渭河”工程技術(shù)體系，為用戶提供地理信息數(shù)據(jù)服務(wù)和應(yīng)用服務(wù)。系統(tǒng)采用1:25萬(wàn)和1:1萬(wàn)兩種空間尺度進(jìn)行設(shè)計(jì)。沿河橫向?qū)挾葹?0km的帶狀區(qū)域，1:1萬(wàn)比例尺建設(shè)范圍為渭河干流從咸陽(yáng)鐵路橋至渭河入黃河口，1:25萬(wàn)比例尺數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)范圍為陜西省渭河流域范圍。渭河中下游河道地理信息測(cè)量采用全球定位系統(tǒng)（GPS）、利用遙感（RS）地理信息系統(tǒng)（GIS）“3S”高新技術(shù)，采集渭河中下游河道基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)，建立基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)庫(kù)。

2 GPS觀測(cè)與解算中各項(xiàng)參數(shù)設(shè)置

觀測(cè)使用的GPS設(shè)備為六臺(tái)套美國(guó)天寶GPS，均為雙頻接收機(jī)，標(biāo)稱精度為5mm+1ppm*D，項(xiàng)目參數(shù)設(shè)置：GPS接收機(jī)采用雙頻接收機(jī)，同步觀測(cè)GPS接收機(jī)臺(tái)數(shù)≥3；衛(wèi)星高度角設(shè)置（度）15，有效觀測(cè)GPS衛(wèi)星數(shù)≥4；同步跟蹤GPS衛(wèi)星數(shù)≥4；觀測(cè)時(shí)段數(shù)1.6；時(shí)段長(zhǎng)度（min）40；數(shù)據(jù)采樣間隔（sec）10；GPS衛(wèi)星象限分布≥3；PDOP/GDOP≤6，作業(yè)采用20s～30s采樣率的快速靜態(tài)測(cè)量模式，觀測(cè)2個(gè)時(shí)段。

GPS水準(zhǔn)和平面控制同步進(jìn)行，在觀測(cè)過(guò)程中，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)組網(wǎng)，整體網(wǎng)形沿著帶狀布置，同時(shí)在測(cè)區(qū)的周邊2個(gè)GPS B級(jí)網(wǎng)點(diǎn)和6個(gè)GPS C級(jí)網(wǎng)點(diǎn)，并均勻聯(lián)測(cè)14個(gè)三等水準(zhǔn)點(diǎn)。

3 GPS水準(zhǔn)測(cè)量高程擬合的分析

考慮渭河中下游河道測(cè)區(qū)屬大型帶狀測(cè)區(qū)，從咸陽(yáng)至渭河入黃河沿線河道彎曲大，渭河中下游河道測(cè)

鑒于考慮到渭河中下游的河道測(cè)區(qū)為大型帶狀測(cè)量，由咸陽(yáng)道渭河的入黃河沿線位置，河道彎曲性較強(qiáng)，渭河的中下游河道測(cè)區(qū)中，相對(duì)高差控制在50m之內(nèi)，以此決定采取多項(xiàng)化曲面擬合法，測(cè)量本測(cè)區(qū)范圍內(nèi)的GPS水準(zhǔn)高程擬合模型。

假設(shè)該網(wǎng)中的某一點(diǎn)或者多點(diǎn)具備精確WGS-84坐標(biāo)系中大地高程，當(dāng)GPS網(wǎng)實(shí)現(xiàn)平差后，可求得各GPS點(diǎn)的WGS-84大地高H84。通過(guò)GPS網(wǎng)平差，可以得到高精度的大地高差。大地高和正常高之間的關(guān)系式如下：

Hr= H84-ξ

其中ξ表示似大地水準(zhǔn)面至橢球面間的高差，叫做高程異常，它是由地下物質(zhì)及其密度分布不均勻產(chǎn)生的重力異常導(dǎo)致。

根據(jù)測(cè)區(qū)中已知點(diǎn)的坐標(biāo)（x,y）和其正常高值（h），擬合出測(cè)區(qū)似大地水準(zhǔn)面，再內(nèi)插出待定點(diǎn)的ζ，從而求出網(wǎng)中各點(diǎn)的正常高。

設(shè)網(wǎng)中某點(diǎn)的ζ與平面坐標(biāo)x,y有下列關(guān)系

其中，f（x,y）為ζ的趨勢(shì)值，ε為誤差。

對(duì)f（x,y）級(jí)數(shù)展開(kāi)

于是，（1）式的矩陣形式為

1 x1 y1 x12 …1 x2 y2 x22 ………………xn yn xn2 …1

對(duì)于上式，在Σε2=min條件下，解出各ai，然后按照矩陣式獲得各點(diǎn)ζ，進(jìn)而獲得每個(gè)點(diǎn)的正常高值。在平差情況下，采取模型處理，并對(duì)兩個(gè)子區(qū)分別進(jìn)行測(cè)量；在高程擬合狀態(tài)下，首先讀取WGS84坐標(biāo)系的無(wú)約束平差文件：Adjust.out，然后再進(jìn)行高程擬合。當(dāng)實(shí)現(xiàn)平差之后，可以判斷GPS水準(zhǔn)擬合的精確度，將網(wǎng)中某一點(diǎn)作為特定的參與擬合的三等水準(zhǔn)點(diǎn)，該高程值和本點(diǎn)GPS擬合值進(jìn)行比較。獲得GPS水準(zhǔn)擬合精度，以20(mm)來(lái)計(jì)算，其中d代表此點(diǎn)到最近的已知點(diǎn)距離。GPS水準(zhǔn)測(cè)量精度中誤差±40，從中可以看出，水準(zhǔn)點(diǎn)的幾何水準(zhǔn)高程與GPS擬合高程之差滿足了四等水準(zhǔn)的限差要求，從而說(shuō)明本次GPS水準(zhǔn)測(cè)量達(dá)到了四等水準(zhǔn)的精度要求。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)GPS水準(zhǔn)測(cè)量高程擬合分析得知，大地高差測(cè)定的精準(zhǔn)度，對(duì)GPS水準(zhǔn)精度產(chǎn)生直接影響。因此，為了確保GPS水準(zhǔn)精度，應(yīng)注重提高大地高差的測(cè)定精度。

提高大地高（差）測(cè)定的精度的措施主要有：1）提高GPS網(wǎng)基線解算的局部起算點(diǎn)坐標(biāo)精度；2）GPS儀器精度的選擇不得低于極限精度5mm+1ppm 、高程精度 10mm+2ppm ，性能相對(duì)穩(wěn)定，同時(shí)受到外界環(huán)境的影響作用較大；3）在觀測(cè)過(guò)程中，應(yīng)注重選擇最佳的衛(wèi)星分布方式；4）減少對(duì)流層延遲以及多路徑的誤差；5）大于10km的GPS網(wǎng)點(diǎn)應(yīng)實(shí)測(cè)氣象參數(shù)；6）在計(jì)算過(guò)程中，坐標(biāo)取1m或10m，但是高程必須精確到mm。計(jì)算結(jié)果通過(guò)計(jì)算機(jī)，測(cè)量高程異常的等值線圖，可分析測(cè)區(qū)的高程異常變化情況，以此保證擬合計(jì)算的精度。同時(shí)，盡量減小其它誤差因素影響。比如 GPS 圖形結(jié)構(gòu)、電離層影響、外業(yè)施測(cè)過(guò)程中正確量取天線高等，最大程度地減少GPS測(cè)量誤差影響。

總之，按照《水利水電工程測(cè)量規(guī)范》SL197-97中四等GPS網(wǎng)的要求，渭河中下游河道測(cè)區(qū)水準(zhǔn)的擬合精度中誤差在±40，可以說(shuō)“數(shù)字渭河”工程技術(shù)體系GPS水準(zhǔn)測(cè)量達(dá)到了四等水準(zhǔn)的精度要求。

[1]周忠謨等.GPS衛(wèi)星測(cè)量原理與應(yīng)用[M].測(cè)繪出版社，1997.

[2]國(guó)家測(cè)繪局.GB/T 18314-2009全球定位系統(tǒng)(GPS)測(cè)量規(guī)范 [M].測(cè)繪出版社，2009.

[3]魏海峰，劉炳森，王超賓.GPS在工程測(cè)量中的應(yīng)用分析[J].中國(guó)石油和化工標(biāo)準(zhǔn)與質(zhì)量，2011(6).

[4]李聚方，郝亞?wèn)|，婁洪富.遠(yuǎn)距離動(dòng)態(tài)GPS測(cè)量在黃河斷面測(cè)量中的應(yīng)用[J].人民黃河，2010(8).

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