萬謀知
(1. 湖北興隆測繪有限公司,湖北 興山 443700)
顧及EGM2008重力場模型的移去-恢復(fù)技術(shù)GPS高程擬合
萬謀知1
(1. 湖北興隆測繪有限公司,湖北 興山 443700)
基于重力場模型采用移去-恢復(fù)技術(shù)將GPS高程轉(zhuǎn)換為正常高,并將其與常規(guī)擬合方法進(jìn)行比較。對某一線路GPS數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,結(jié)果表明,該方法能改善高程異常擬合精度。EGM2008在不同階數(shù)計算的精度有明顯變化,階數(shù)越高,精度也越高。將EGM2008與EGM96比較發(fā)現(xiàn),EGM2008模型計算得到的高程異常精度提高更為突出。
GPS水準(zhǔn);移去-恢復(fù);高程擬合;重力場模型
利用GPS測量代替常規(guī)工程水準(zhǔn),是目前GPS測量研究的一個熱點。但是由于GPS所測定的是大地高,而大地高不能直接用作水準(zhǔn)高,必須將其轉(zhuǎn)換為正常高[1]。本文由 GPS 高程轉(zhuǎn)換的相關(guān)理論和算法推導(dǎo)了高差轉(zhuǎn)換的數(shù)學(xué)公式,并將基于EGM2008地球重力場模型的移除-恢復(fù)技術(shù)用于GPS高差轉(zhuǎn)換。 利用該算法對高海拔地區(qū)某一線路GPS大地高差觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行計算和分析,結(jié)果表明,基于移除-恢復(fù)法的GPS高差轉(zhuǎn)換方法能改善高差轉(zhuǎn)換精度,具有很好的實用價值。
進(jìn)行GPS高程轉(zhuǎn)換的原理是利用已知GPS水準(zhǔn)點的大地高和水準(zhǔn)高計算各點的高程異常。由于高程異常在局部區(qū)域變化相對比較平緩,可以利用一些初等函數(shù)建立整個測區(qū)的高程異常擬合模型,進(jìn)而推求待定點的高程異常值,求得待定點的正常高[2,3]。若某點的大地高為H,正常高為h,則高程異常ξ為:
局部區(qū)域內(nèi)的高程異常變化可以用一組線性無關(guān)的基函數(shù)的線性組合來表示:
其中,αk為擬合系數(shù);φk(x,y)為所選擇的基函數(shù)。利用式(2), 通過最小二乘平差原理可以求得函數(shù)模型參數(shù),從而計算得到未知點的高程異常。
高程異常ξ可以分解為ξGM、ξOG、ξT三部分[4,5],即其中ξGM表示長波部分,可以通過重力場模型計算得到;ξOG表示中波部分,可以通過求解重力異常邊值問題得到;ξT表示短波部分,可以通過求解地形改正得到。
移去-恢復(fù)法的基本思想是,在利用已有觀測值進(jìn)行高程擬合之前,首先利用已知重力場模型計算得到高程異常中的長波部分ξGM,從而得到殘余觀測值?ξ=ξOG+ξT。利用函數(shù)模型進(jìn)行擬合和內(nèi)插,再在內(nèi)插點上利用已知重力場模型把移去的部分恢復(fù),最終得到該點的高程異常。
重力場模型通常表示為引力位球諧函數(shù)展開的位系數(shù)。對于給定的完全規(guī)格化的位系數(shù),高程異??杀硎緸閇6]:
其中,ρ、ψ、λ分別為計算點的地心向徑、地心余緯和地心經(jīng)度;GM為萬有引力常數(shù)和地球質(zhì)量的乘積;γ為計算點的正常重力值;a為參考橢球長半軸;
為完全規(guī)格化的位系數(shù)(為減去偶次階正常位系數(shù)計算得到);(sinψ)為完全規(guī)格化的締合勒讓德函數(shù);N為重力場模型展開的最高階數(shù)。
一般來說,利用全球重力場模型求解高程異常,其絕對精度在m級,難以直接用于生產(chǎn)。但重力場模型包含較準(zhǔn)確的中長波信息,可用以改善GPS高程轉(zhuǎn)換的精度。將GPS點的高程異常分為兩部分[7],即
其中,ξGM為重力場模型求得的高程異常;?ξ為實際高程異常與由模型求得的高程異常的差值。
選取已知點?ξ,選擇函數(shù)模型進(jìn)行擬合計算出擬合模型的參數(shù),就可計算出未知點的高程異常差值,從而將計算得到的未知點的高程異常差值代入式(5)計算得到點的高程異常值,通過式(1)計算得到點的正常高。
選擇高海拔地區(qū)某一線路 GPS 水準(zhǔn)觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。該線路呈線狀分布,高程變化較大,最高點與最低點相差755 m,全長約64 km。共有18個沿線路方向布設(shè)的GPS水準(zhǔn)點,平均點間距約4 km,見圖 1。
圖1 點位分布圖
表1 采用直接擬合與重力場模型移去-恢復(fù)技術(shù)擬合點結(jié)果比較/m
表2 采用直接擬合與重力場模型移去-恢復(fù)技術(shù)檢核點結(jié)果比較/m
表3 EGM2008不同階高程異常擬合數(shù)據(jù)結(jié)果/m
采用10個正常高已知點,分別采用直接對高程異常進(jìn)行曲線擬合以及分別采用EGM96和EGM2008重力場模型通過移去-恢復(fù)技術(shù)對高程異常殘差進(jìn)行擬合(表1、表2)。
由表2得,對檢核點直接進(jìn)行高程異常擬合最大偏差為-0.036 1 m,最小偏差為-0.127 1 m;EGM96最大偏差為-0.002 6 m,最小偏差為0.122 2 m;EGM2008最大偏差為-0.000 8 m,最小偏差為-0.106 m。證明基于重力場模型的移去-恢復(fù)方法計算的結(jié)果要優(yōu)于直接擬合。從表2進(jìn)一步看出,相比EGM96重力場模型,EGM2008模型計算的結(jié)果精度更高。
為更好地揭示EGM2008模型的精細(xì)結(jié)構(gòu),本文利用EGM2008重力場模型計算了截斷階數(shù)為360,720,1 080,2 190的高程異常殘差值[8]。表3給出了不同階數(shù)的模擬結(jié)果。可以看出,EGM2008模型在對高程異常殘差值進(jìn)行擬合時,截斷階數(shù)由360階增加到720階時精度提高最為明顯,精度提高幅度達(dá)22%,中誤差減少15 mm。截斷階次在1 080時,中誤差減少5.4 mm,而1 080與最高階次為2 190階模型中誤差差別僅為2.2 mm。
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1672-4623(2014)05-0114-02
10.3969/j.issn.1672-4623.2014.05.041
萬謀知,工程師,主要從事測繪生產(chǎn)與管理工作。
2013-03-14。