GPS-RTK 高程代替等外水準(zhǔn)的應(yīng)用分析

■黃忠水 ■上饒市測(cè)繪地理信息中心，江西 上饒 334000

近些年來(lái)，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷革新，GNSS 技術(shù)以及計(jì)算機(jī)技術(shù)等獲得了飛速發(fā)展，GPS-RTK 技術(shù)也日趨成熟，在工程測(cè)量中開(kāi)始廣泛的應(yīng)用，它具有較高的作業(yè)效率，可以將具有較高精度的三維坐標(biāo)給提供出來(lái)。在水準(zhǔn)高程測(cè)量中通常不能直接應(yīng)用，還需要通過(guò)轉(zhuǎn)換GPS 高程，工程需求方可以得到滿足。另外，數(shù)據(jù)處理技術(shù)和數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)是GPS -RTK 技術(shù)的關(guān)鍵，定位時(shí)，會(huì)受到諸多因素的干擾，如遮擋、磁場(chǎng)等，某些時(shí)候，會(huì)產(chǎn)生一些假值等問(wèn)題，那么就需要精度分析結(jié)果，進(jìn)行必要的調(diào)整和改正。

1 GPS-RTK 高程測(cè)量原理

一是GPS 高程測(cè)量:將空間定位技術(shù)給應(yīng)用過(guò)來(lái)，如GPS 等，雖然可以對(duì)點(diǎn)的空間三維位置進(jìn)行確定，但是采用的高程是一個(gè)特定參考橢球的大地高。如果可以將相應(yīng)點(diǎn)上大地水準(zhǔn)面差距給求出來(lái)，就可以有效轉(zhuǎn)換高程系統(tǒng)，用正高或者正常高來(lái)轉(zhuǎn)換大地高。具體來(lái)講，GPS 高程主要是借助于GPS 技術(shù)，將地面某點(diǎn)在WGS-84 坐標(biāo)系中的三維坐標(biāo)給求出來(lái)，經(jīng)過(guò)系統(tǒng)轉(zhuǎn)化之后，地面點(diǎn)的大地高就可以得出來(lái)。有一個(gè)相應(yīng)的公式，也就是:

Hr=H84 -N，在這個(gè)公式中，H84 表示的是大地高，地面點(diǎn)沿橢球法線到參考橢球面的距離可以得出來(lái)，單位用米來(lái)表示;正常高用Hr來(lái)表示，是地面點(diǎn)到大地水準(zhǔn)面的距離，單位用米來(lái)表示。N 為大地水準(zhǔn)面差距或大地水準(zhǔn)面高，是沿著參考橢球的法線，從參考橢球面量到水準(zhǔn)面的距離，用米來(lái)作為它的單位。在這個(gè)公式中，通常將參考橢球面法線與鉛垂線的差異影響給考慮進(jìn)來(lái)。

二是GPS-RTK 技術(shù)測(cè)量原理:GPS -RTK 測(cè)量技術(shù)將GPS 全球定位導(dǎo)航技術(shù)的載波相位差分技術(shù)、OTF 技術(shù)以及無(wú)線電通訊技術(shù)等應(yīng)用了過(guò)來(lái)，基本方法是將一臺(tái)GPS 接收機(jī)安置于基準(zhǔn)站上，連續(xù)觀測(cè)所有可見(jiàn)的GPS 衛(wèi)星，向設(shè)備無(wú)線電傳輸觀測(cè)數(shù)據(jù)，向用戶實(shí)時(shí)的發(fā)送。在用戶站上，GPS 接收機(jī)除了對(duì)GPS 衛(wèi)星信號(hào)進(jìn)行接收之外，借助于無(wú)線電接收設(shè)備，對(duì)基準(zhǔn)站傳輸?shù)挠^測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行接收，然后依據(jù)相對(duì)定位的原理，對(duì)用戶站的三維坐標(biāo)和精度進(jìn)行計(jì)算和顯示。在地方坐標(biāo)系統(tǒng)中進(jìn)行測(cè)量，需要轉(zhuǎn)換坐標(biāo)，采取下面的作業(yè)步驟:

首先是在已知控制點(diǎn)上安置基準(zhǔn)站接收機(jī)，并且設(shè)置基準(zhǔn)站，然后在兩個(gè)待測(cè)點(diǎn)上依次安置流動(dòng)站接收機(jī)，將這兩點(diǎn)的WGS-84 坐標(biāo)給求出來(lái)。其次是坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，在TopSURV 界面中，對(duì)控制點(diǎn)的地方坐標(biāo)及WGS84 坐標(biāo)作為轉(zhuǎn)換點(diǎn)，對(duì)轉(zhuǎn)換參數(shù)進(jìn)行查看，其中，本轉(zhuǎn)換參數(shù)進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換后在該點(diǎn)上的剩余誤差通常用H 殘差和V 殘差來(lái)表示，一般要在2 厘米以內(nèi)。完成坐標(biāo)轉(zhuǎn)換之后，對(duì)作業(yè)/設(shè)置/坐標(biāo)轉(zhuǎn)換進(jìn)行查看，將坐標(biāo)轉(zhuǎn)換顯示于投影一欄，在這個(gè)時(shí)候，進(jìn)行點(diǎn)測(cè)量和點(diǎn)放樣，就會(huì)在地方坐標(biāo)系統(tǒng)中統(tǒng)一進(jìn)行。采用RTK 技術(shù)，將整周模糊度以及坐標(biāo)轉(zhuǎn)換問(wèn)題進(jìn)行了解決，有著較高的平面定位精度，可以達(dá)到毫米級(jí)別，高程定位精度可以達(dá)到厘米級(jí)別，這樣中小比例尺的地形測(cè)量要求就可以得到完全滿足。

2 GPS 高程擬合的精度分析

在具體的生產(chǎn)實(shí)踐中，GPS -RTK 測(cè)量主要作業(yè)于GPS 等級(jí)控制網(wǎng)內(nèi)，將已有的GPS 等級(jí)測(cè)量和水準(zhǔn)測(cè)量資料給利用起來(lái)，對(duì)區(qū)域內(nèi)坐標(biāo)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換參數(shù)進(jìn)行確定。相較于GPS 高程來(lái)講，借助于GPS 點(diǎn)的正常高和大地高，對(duì)GPS 點(diǎn)高程異常值進(jìn)行解算。在一個(gè)區(qū)域的測(cè)區(qū)內(nèi)，結(jié)合地形情況，對(duì)GPS 觀測(cè)點(diǎn)進(jìn)行合理選擇，有著較為適中的密度，進(jìn)行水準(zhǔn)聯(lián)測(cè)，以便將這些點(diǎn)的高程異常值給精確的獲得，結(jié)合測(cè)區(qū)內(nèi)的高程異常值，來(lái)對(duì)測(cè)區(qū)的大地水準(zhǔn)面進(jìn)行擬合。當(dāng)構(gòu)建了這樣一個(gè)數(shù)學(xué)模型，可以對(duì)測(cè)區(qū)大地水準(zhǔn)面高程進(jìn)行描述，結(jié)合網(wǎng)點(diǎn)的位置參數(shù)，就可以對(duì)測(cè)區(qū)內(nèi)任何一個(gè)GPS 點(diǎn)的高程異常值進(jìn)行計(jì)算。我們將一個(gè)點(diǎn)的平面坐標(biāo)用x，y 來(lái)表示，那么高程異常就可以表示為:

在高程異常已知點(diǎn)，可以寫(xiě)出:

其中，與測(cè)區(qū)打地面水準(zhǔn)面擬合的數(shù)學(xué)面就用f(x，y)來(lái)表示，GPS水準(zhǔn)點(diǎn)的高程異常在測(cè)區(qū)內(nèi)平緩的變化，在擬合的時(shí)候，可以將一組線性無(wú)關(guān)的基函數(shù)給應(yīng)用過(guò)來(lái)。

其中，擬合參數(shù)用aj 來(lái)表示，擬合參數(shù)的數(shù)目用t 來(lái)表示，如果測(cè)區(qū)內(nèi)的控制點(diǎn)有n 個(gè)，對(duì)m 個(gè)GPS 水準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行了觀測(cè)，那么擬合的誤差方程式就可以表示為:

可以對(duì)任意擬合點(diǎn)的高程異常進(jìn)行計(jì)算，表示為:

對(duì)測(cè)區(qū)GPS 點(diǎn)擬合點(diǎn)的高程異常值進(jìn)行解算之后，將GPS 點(diǎn)擬合高程給求出來(lái)，但是需要注意的是，GPS 點(diǎn)擬合高程平行于大地水準(zhǔn)面和似大地水準(zhǔn)面，它的推算條件是高程異常值沒(méi)有較大的起伏，對(duì)那些有著較大重力異常值的地區(qū)，如高山區(qū)，則不能夠采用這種方法。在GPS 等級(jí)網(wǎng)測(cè)量中，通過(guò)內(nèi)外業(yè)實(shí)地檢測(cè)，可以對(duì)高程精度進(jìn)行驗(yàn)證，保證其與四等水準(zhǔn)測(cè)量技術(shù)要求所符合。在此基礎(chǔ)上，GPS 點(diǎn)是GPS-RTK 技術(shù)作業(yè)小測(cè)區(qū)的已知點(diǎn)，對(duì)小測(cè)區(qū)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換常數(shù)值進(jìn)行計(jì)算。

通過(guò)上述分析我們可以得知，在GPS 測(cè)量過(guò)程中，通過(guò)測(cè)區(qū)已知的等級(jí)GPS 控制點(diǎn)，點(diǎn)數(shù)一般不能夠小于三個(gè)，就可以對(duì)小測(cè)區(qū)的平面坐標(biāo)轉(zhuǎn)換和高程轉(zhuǎn)換參數(shù)進(jìn)行解算。同時(shí)也可以得出，如果測(cè)區(qū)內(nèi)分布著越多的控制點(diǎn)，并且參與到解算當(dāng)中，并且較好的吻合了測(cè)區(qū)地形特征。那么轉(zhuǎn)換的數(shù)學(xué)模型就有著較高的精度，就可以得到更加精確的轉(zhuǎn)換參數(shù)，這樣就可以保證GPS -RTK 測(cè)量的坐標(biāo)具有較高的數(shù)學(xué)精度。我們從誤差傳播精度遞減的數(shù)學(xué)模型來(lái)進(jìn)行分析，從四等水準(zhǔn)測(cè)量，高程精度就會(huì)向下傳遞，如果能對(duì)技術(shù)環(huán)節(jié)合理的控制，技術(shù)指標(biāo)與高程等外水準(zhǔn)測(cè)量的精度要求所滿足。在等級(jí)GPS 測(cè)量平面精度指標(biāo)下，GPS-RTK 測(cè)量平面精度會(huì)逐漸遞減，將GPS 測(cè)量技術(shù)特點(diǎn)以及誤差傳播原理充分納入考慮范圍，與等外一級(jí)導(dǎo)線精度要求完全符合。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)上文的敘述分析我們可以得知，GPS -RTK 技術(shù)具有一系列的優(yōu)勢(shì)，如今已經(jīng)開(kāi)始廣泛的應(yīng)用。我們借助于GPS-RTK 技術(shù)，地形測(cè)繪、工程測(cè)量以及市政測(cè)量等一系列的工作都得到了完成，分析得到的結(jié)果和其他信息，說(shuō)明GPS -RTK 技術(shù)測(cè)量中高程值完全可以對(duì)等外水準(zhǔn)高程測(cè)量高程值進(jìn)行代替。因此，在如今的情況下，就需要對(duì)GPS-RTK 技術(shù)測(cè)量技術(shù)大力的推廣和應(yīng)用。

［1］陳俊林.GPS-RTK 在常規(guī)控制測(cè)量中的精度及可靠性分析［J］.測(cè)繪與空間地理信息，2011，2(5):123 -125.

［2］林常青.GPS-RTK 的發(fā)展及其在公路測(cè)量中的應(yīng)用［J］.中小企業(yè)管理與科技，2014，2(2):99 -101.

［3］蘇衡山，李輝.淺談城市工程測(cè)量中的GPS-RTK 技術(shù)應(yīng)用［J］.地球，2013，2(19):77 -90.

［4］石風(fēng)淼，管真.山區(qū)GPS-RTK 高程精度實(shí)驗(yàn)分析［J］.測(cè)繪技術(shù)裝備，2011，13(1):66 -68.