對水利測繪中GPS高程測量技術(shù)的應(yīng)用分析

孫戰(zhàn)爭

【摘 要】近些年來，隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，對GPS 定位技術(shù)的要求也越來越高。GPS 定位精確度高，不受天氣，氣候，晝夜影響，使它在軍事，地學(xué)研究等許多領(lǐng)域等到了廣泛的應(yīng)用與認(rèn)可，更是在水利測繪方面使傳統(tǒng)耗時耗力的測繪方法受到了前所未有的壓力。但是由于一些因素影響，GPS 的精確度受到一些否認(rèn)，所以，有必要對GPS 進行水準(zhǔn)測量進行深刻研究，使其可以更好的服務(wù)于我國的建設(shè)行業(yè)。本文首先對GPS 高程測量進行了研究，并論述了其基本原理；其次探討了GPS 高程測量在水利測繪工程中的應(yīng)用，并將傳統(tǒng)的幾何水準(zhǔn)測量，三角高程測量與其進行了對比，以供同僚參考。

【關(guān)鍵詞】水利測繪；GPS高程測量；應(yīng)用分析

前言

利用GPS測量相對高差，其精度一般能達到幾厘米及十幾厘米，采用適當(dāng)?shù)姆椒▽PS高程轉(zhuǎn)化為水準(zhǔn)高程并達到一定精度是可行的?？紤]到地形地貌和工程需求，合理布設(shè)控制網(wǎng)，采用相應(yīng)的擬合方案和數(shù)學(xué)模型進行計算，在平緩地區(qū)和測區(qū)范圍不大的區(qū)域，如果聯(lián)測的已知水準(zhǔn)點較多，解算的GPS水準(zhǔn)高程可以替代四等水準(zhǔn)；不加地形改正的情況下，在高原山區(qū)一般能達到五等水準(zhǔn)精度，完全能夠滿足工程線路選線、定線及測圖的精度要求。

1、高程系統(tǒng)分析

（1）正高系統(tǒng)是以大地水準(zhǔn)面為基準(zhǔn)面的高程系統(tǒng)。某點的正高是該點到通過該點的鉛垂線與大地水準(zhǔn)面的交點之間的距離，正高用符號Hg表示。（2）正常高系統(tǒng)是以似大地水準(zhǔn)面為基準(zhǔn)的高程系統(tǒng)。某點的正常高是該點到通過該點的鉛垂線與似大地水準(zhǔn)面的交點之間的距離，正常高用Hr表示。（3）大地高系統(tǒng)是以參考橢球面為基準(zhǔn)面的高程系統(tǒng)。某點的大地高是該點到通過該點的參考橢球的法線與參考橢球面的交點間的距離。大地高也稱為橢球高，大地高一般用符號H表示。大地高是一個純幾何量，不具有物理意義，同一個點，在不同的基準(zhǔn)下，具有不同的大地高。

2、對GPS高程測量的原理及方法分析

（1）對GPS高程測量原理的分析。利用GPS進行測量實質(zhì)上是一種測距后方交會的測量方法，利用衛(wèi)星星歷數(shù)據(jù)可以確足每一顆衛(wèi)星的具體位置，利用信號由衛(wèi)星傳到接收機的時間可以計算出衛(wèi)星到接收機的距離，進而可以確足接收機的位置。工作原理是：先直接測量所選測量區(qū)域內(nèi)的所有GPS點的大地高，并通過水準(zhǔn)測量方法對若干GPS點測出正常高，同時，采用平面擬合或者是曲面擬合進行高程擬合，最終得到所有GPS高程異差，并通過計算算的測量區(qū)域的其他GPS點的正常高。

（2）針對GPS測高方法的探討。GPS高程測量有幾種方法，包括等值線圖法，地球模型法，擬合法等。其中針對等值線圖法，確定點的正常高和正高時必須注意所采用的坐標(biāo)系統(tǒng)，要通過相應(yīng)坐標(biāo)系統(tǒng)的大地高數(shù)據(jù)來對其正常高河正高進行計算，該方法的結(jié)果與等值線圖的精確程度密不可分，所以，只有等值線圖十分精確，該方法測量結(jié)果也就精確了。地球模型法，由于我國的地理位置與環(huán)境的不同，適用于他國的地球模型法不太適合用于我國。擬合法，其根本就是因為在范圍小的區(qū)域中，高程異常具有一定的幾何相關(guān)性這一原理，采用數(shù)學(xué)方法，求解正高、正常高或高程異常。

（3）對GPS高程測量影響因素的分析。天高線對其影響比較大，因為在使用三腳架的過程中，高度的經(jīng)常變化導(dǎo)致一定要對天高線進行仔細(xì)測量及審核。由于衛(wèi)星分布的不均，也對GPS高程測量產(chǎn)生著誤差，由于衛(wèi)星的不可控制性，該誤差是由GPS測量本質(zhì)決定的，所以這種誤差不可避免的。在GPS測高程時，會通過基線的端點來解算基線向量，所以，由于該起算點的坐標(biāo)誤差，會導(dǎo)致最后結(jié)果的不準(zhǔn)確性，影響到GPS高程測量的精確度。同時，不明顯的因素，包括天線相位中心，由于天線的機械中心和其電子相位中心不重合，所以，使得測量時不止是要測量電子相位中心的平均位置相對于天線機械中心的變化，更是要定義整個可見天球相位中心的變化。

3、對GPS高程測量與傳統(tǒng)高程測量進行比較

（1）GPS高程測量與水準(zhǔn)測量的比較。幾何水準(zhǔn)測量有通視要求就限制了單站水準(zhǔn)路線的長度，降低了測量的效率。水準(zhǔn)測量會受到外界條件如大氣折光的影響，而GPS高程測量則不會受到外界條件的影響。而且測量結(jié)果的是均是高差，是一個連續(xù)測量的過程，必須由一個已知點測到未知點，工作量大，無法實現(xiàn)單點測量，而GPS可以實現(xiàn)單點測量。

（2）GPS高程測量與三角高程測量的比較。在國內(nèi)某民通過實驗堆GPS高程測量與三角高程測量進行了分析。實驗地點為丘陵地區(qū)的民用機場，即使兩者的高差互差均在《國家三四等水準(zhǔn)測量規(guī)范》中四等水準(zhǔn)檢測高差限差范圍內(nèi)，但是GPS高程測量準(zhǔn)確度較高，比三腳高程測量操作更為簡單。選擇布設(shè)控制點無遮擋，使得GPS測量條件非常好，應(yīng)該完善GPS高程測量技術(shù)，使其更廣泛應(yīng)用于社會生活中。

4、GPS高程測量在水利測繪中的應(yīng)用及前景

（1）對水利測繪的分析。水利工程測量是為水利工程建設(shè)服務(wù)的專門測量，水利工程測量的主要工作內(nèi)容有：平面-高程控制測量、地形測量、縱橫斷面測量、定線和放樣測量、變形觀測等。規(guī)劃設(shè)計階段的主要測量任務(wù)是對天然河道、河口、湖泊、壩區(qū)、庫區(qū)、灌區(qū)、墾區(qū)等進行平面-高程控制測量、地形測量、縱橫斷面測量、地質(zhì)勘察測量以及渠道和線路工程的初測。對水庫工程，在設(shè)計階段的后期，一般還要初測水庫淹沒界線。施工階段的主要測量任務(wù)是布設(shè)施工控制網(wǎng)，測設(shè)工程建筑物軸線和輪廓點，進行設(shè)備安裝測量和隧洞貫通測量，測定水庫淹沒界線，進行工程的竣工驗收測量。在大壩變形觀測設(shè)備埋設(shè)及地殼形變觀測網(wǎng)布置完畢后，開始先期觀測，工程運行階段的主要測量任務(wù)是建筑物變形觀測和地殼形變觀測。

（2）對重力場模型內(nèi)插法的分析。通過對全球或是局部的重力場的模型計算求出高程的異常值，并結(jié)合水準(zhǔn)測量和一定的內(nèi)插方法，實現(xiàn)測得GPS大地高高程轉(zhuǎn)換中應(yīng)用較多，且精度要求很高。該方法可以應(yīng)用于水利測繪工程，其效果顯著于傳統(tǒng)高程測量。

（3）對曲面擬合法的分析。曲面擬合法，是通過運用連續(xù)的數(shù)學(xué)曲面對大地水準(zhǔn)面進行擬合的方法，但是不能滿足于所有的高程測量要求。如若GPS布設(shè)成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)時，便不能夠采用曲面擬合法，而應(yīng)采用多項式曲面擬合，將高程異常近似看作是一定范圍內(nèi)各坐標(biāo)的曲面函數(shù)，認(rèn)為高程異常在此范圍內(nèi)變化平緩，可以用已聯(lián)測水準(zhǔn)的GPS點的高程異常來擬合這一函數(shù)。

（4）GPS高程測量在水利測繪方面的前景。水利工程大多建設(shè)在偏遠地區(qū)，不順暢的交通形式，復(fù)雜的地形，使得高程測量非常困難。此時，GPS與傳統(tǒng)高程測量相比具有很高的價值，其中，GPS高程測量無需通視，工作強度低，效率高的特點使得GPS脫穎而出。在可以達到四等及以下幾何水準(zhǔn)的要求下，GPS得到了更多地認(rèn)可與應(yīng)用?？梢酝度敫嗟馁Y金及精力到GPS高程測量中，使得其具有更長遠的發(fā)展前景。

5、結(jié)語

雖然現(xiàn)在GPS具有一些缺點，但與其優(yōu)點相比，其缺點微不足道，但我們不能忽視缺點，應(yīng)精確測量，改善細(xì)節(jié)，更應(yīng)鼓勵GPS的發(fā)展與研究。GPS高程測量在水利測繪工程中表現(xiàn)出以前從未出現(xiàn)過的優(yōu)越性，比水準(zhǔn)測量和三角高程測量均優(yōu)越，所以，政府應(yīng)加大對GPS高程測量的宣傳，使其得到更多的認(rèn)可與應(yīng)用，使我國服務(wù)建設(shè)行業(yè)更加完善。

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