淺析GPS在高程測(cè)量中的應(yīng)用

杜炳輝

【摘 要】隨著GPS技術(shù)的發(fā)展，GPS高程測(cè)量技術(shù)日益成熟，逐步取代了傳統(tǒng)的測(cè)量方法，提高了工作效率，節(jié)省了大量的財(cái)力物力。GPS技術(shù)廣泛應(yīng)用到多個(gè)領(lǐng)域，發(fā)展成為多模式、多用途、多領(lǐng)域的高新科技產(chǎn)業(yè)。本文分析了GPS定位的原理，闡述了常用的高程系統(tǒng)，進(jìn)而分析了GPS高程測(cè)量的基本原理和高程異常的計(jì)算方法，最后以地質(zhì)勘探工作為例，淺析GPS高程測(cè)量在生產(chǎn)實(shí)踐活動(dòng)中的應(yīng)用。

【關(guān)鍵詞】GPS高程測(cè)量 高程系統(tǒng) 高程異常 地質(zhì)勘探

1 引言

GPS（Global Positioning System-GPS）為全球定位系統(tǒng)，美國(guó)從20世紀(jì)80年代開始研發(fā)，現(xiàn)已得到廣泛應(yīng)用。它的主要特點(diǎn)是：（1）定位精度高；（2）觀測(cè)時(shí)間短；（3）測(cè)站間無(wú)需通視；（4）可提供三維坐標(biāo)；（5）全天候作業(yè)；（6）操作簡(jiǎn)便、應(yīng)用范圍廣，鑒于這些優(yōu)點(diǎn)及GPS的不斷發(fā)展完善，GPS技術(shù)廣泛應(yīng)用到多個(gè)領(lǐng)域，發(fā)展成為多模式、多用途、多領(lǐng)域的高新科技產(chǎn)業(yè)[1-2]。

2 GPS定位的基本原理及作用

GPS由空間衛(wèi)星、地面監(jiān)控和用戶接受三部分組成， GPS定位的原理類似于測(cè)距交會(huì)確定點(diǎn)位的方法，即空間衛(wèi)星部分不斷地發(fā)送信息，用戶接受部分接收到信息，通過(guò)計(jì)算后可以得到接受者的位置，對(duì)于接收點(diǎn)來(lái)說(shuō)，根據(jù)其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)可以將GPS定位分為靜態(tài)定位和動(dòng)態(tài)定位。目前工程測(cè)量中正常高系統(tǒng)在水利、交通、形變監(jiān)測(cè)等方面起著非常重要的作用，測(cè)量正常高最經(jīng)典、最精密的方法是幾何水準(zhǔn)法，GPS的出現(xiàn)對(duì)幾何水準(zhǔn)法造成了極大的沖擊，首先是在效率、實(shí)時(shí)和經(jīng)濟(jì)上，GPS有較大的優(yōu)勢(shì)，可以獨(dú)立完成工程和科學(xué)任務(wù)；其次，GPS測(cè)得的大地高借助于似大地水準(zhǔn)面可以轉(zhuǎn)換為正常高，為GPS海拔高測(cè)量提供了技術(shù)基礎(chǔ)[3]。

3 GPS高程測(cè)量的基本原理及常用高程系統(tǒng)計(jì)算方法介紹

3.1 GPS高程測(cè)量的基本原理

利用GPS技術(shù)測(cè)量得到的是地面某一點(diǎn)的WGS84 三維坐標(biāo)—大地經(jīng)緯度和大地高，它沒(méi)有實(shí)際的物理意義，并且我們平時(shí)使用的為正常高（如1985國(guó)家高程基準(zhǔn)等），那么我們就需要將大地高轉(zhuǎn)換為正常高，由于正常高是基于似大地水準(zhǔn)面，似大地水準(zhǔn)面不是一個(gè)規(guī)則的曲面，通過(guò)坐標(biāo)的轉(zhuǎn)化無(wú)法得到正常高，由公式ζ=H-h可知，為求出正常高關(guān)鍵是先求出高程異常值，因此在GPS測(cè)得大地高之后，計(jì)算正常高實(shí)際就是求高程異常值的過(guò)程[4]。

3.2 常用高程系統(tǒng)計(jì)算方法介紹

通過(guò)前面GPS高程測(cè)量基本理論介紹，由大地高轉(zhuǎn)換為正常高的核心在于計(jì)算高程異常，目前高程異常的計(jì)算方法有以下幾種常用的方法：

（1）在區(qū)域較小的范圍內(nèi)且測(cè)區(qū)范圍內(nèi)的地形起伏變化不大時(shí)，可認(rèn)為測(cè)區(qū)內(nèi)點(diǎn)的高程異常值是相同的，其方法是在測(cè)區(qū)內(nèi)根據(jù)已知點(diǎn)求未知點(diǎn)，例如測(cè)區(qū)內(nèi)有A、B兩點(diǎn)，其中A點(diǎn)的大地高和正常高已知，為Ha ha，B點(diǎn)的大地高通過(guò)GPS測(cè)得為Hb，由此可知：

（2）當(dāng)測(cè)區(qū)內(nèi)地形起伏較大，且測(cè)區(qū)范圍較大時(shí)，確定高程異常值的方法有解析法、GPS三角高程和重力高程法、繪制等值線法等。

目前雖然高程轉(zhuǎn)化的方法較多，但是均存在一些缺點(diǎn)：利用重力法求高程異常，需要足夠多、精度足夠高的重力測(cè)量資料；解析法和繪制等值線法對(duì)已知點(diǎn)數(shù)據(jù)的精度要求較高。

4 GPS高程測(cè)量在工程測(cè)量中的應(yīng)用

GPS高程測(cè)量是一門新興的測(cè)量技術(shù)，隨著該技術(shù)的發(fā)展日益成熟，現(xiàn)已逐步得到了廣泛應(yīng)用，逐步地向工業(yè)和民用領(lǐng)域發(fā)展，現(xiàn)從地質(zhì)勘探和石油勘探兩個(gè)方面來(lái)闡述一下該技術(shù)在工程測(cè)量中的應(yīng)用[5]。

4.1 GPS高程測(cè)量在地質(zhì)勘探中的應(yīng)用

近些年，隨著國(guó)家對(duì)礦產(chǎn)資源的需求進(jìn)一步增大，地質(zhì)勘探行業(yè)有了較快的發(fā)展，同時(shí)也對(duì)地質(zhì)勘探技術(shù)提出了新的要求，在地質(zhì)礦產(chǎn)勘探的過(guò)程中，勘探的技術(shù)控制是十分重要的，而在勘探技術(shù)中勘探精度的控制是較為重要的環(huán)節(jié)，因此為了能夠更好的為地質(zhì)勘探事業(yè)服務(wù)，GPS測(cè)量技術(shù)也被引入到其中。在以前的地質(zhì)工作中，依靠傳統(tǒng)的測(cè)量技術(shù)不僅工作量大，而且受天氣等諸多影響，工作效率較為低下，GPS測(cè)量技術(shù)的引入很好的解決了上述問(wèn)題。

地質(zhì)勘探工作一般在山區(qū)或偏遠(yuǎn)地區(qū)，礦區(qū)面積一般較小，地勢(shì)起伏大，控制點(diǎn)和已知點(diǎn)少，利用GPS測(cè)量，在高程測(cè)量精度上會(huì)存在較大誤差，此外地質(zhì)勘探工作本身對(duì)精度有較高的要求，因此，在地質(zhì)勘探工作中，對(duì)GPS高程測(cè)量精度的控制是尤為重要的。

4.2 GPS高程測(cè)量在地質(zhì)勘探中的應(yīng)用方法

GPS高程測(cè)量在地質(zhì)勘探中的應(yīng)用包括兩個(gè)方面：（1）充分利用水準(zhǔn)測(cè)量和重力測(cè)量資料，確定大地水準(zhǔn)面高程。（2）綜合利用大地水準(zhǔn)面資料確定點(diǎn)的高程。

4.2.1 地質(zhì)勘探中研究大地水準(zhǔn)面高程的傳統(tǒng)方法

在地質(zhì)勘探工作中傳統(tǒng)的做法是利用天文水準(zhǔn)法和天文重力水準(zhǔn)法、重力場(chǎng)模型等，這幾種方法的誤差主要是由測(cè)區(qū)內(nèi)重力點(diǎn)的密度和實(shí)測(cè)的精度及重力場(chǎng)模型建立精度造成的，我國(guó)礦山和地質(zhì)勘探工作中曾廣泛使用天文重力水準(zhǔn)法，確定了我國(guó)的高程異常平面圖，高程異常的精度在地勢(shì)平坦地區(qū)，約為±1m，在山區(qū)精度控制只能保持在數(shù)米之內(nèi)[6]。

4.2.2 地質(zhì)勘探中GPS高程測(cè)量的實(shí)現(xiàn)方法

（1）確定正常高的GPS高程測(cè)量方法。綜合利用GPS測(cè)量資料和大地基準(zhǔn)面資料，確定觀察點(diǎn)高程的方法，稱為GPS高程法，采用GPS高程法對(duì)地表和基面進(jìn)行科學(xué)的測(cè)量，其精度主要由GPS大地高程測(cè)量精度和高程異常測(cè)量精度決定的。但是地質(zhì)勘探工作一般在地勢(shì)起伏較大地區(qū)進(jìn)行，地形地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，目前我國(guó)采用GPS高程法在對(duì)其精度的控制上海存在著一定的困難。

（2）GPS水準(zhǔn)法確定高程異常。綜合利用GPS測(cè)量數(shù)據(jù)和水準(zhǔn)資料，確定高程異常的方法，稱為GPS水準(zhǔn)法，目前在地質(zhì)勘探工作中常用有繪制等值線法和解析法，經(jīng)實(shí)踐證明，在地勢(shì)平坦地區(qū)且高程已知點(diǎn)密度適當(dāng)，該方法的高程異常精度可達(dá)厘米級(jí)；在山區(qū)，地形起伏較大，其精度相應(yīng)較低，對(duì)于在山區(qū)高程測(cè)量可以采用一定的方法進(jìn)行改善：按照《地質(zhì)礦產(chǎn)勘察測(cè)量規(guī)范》實(shí)施作業(yè)，適當(dāng)增加高程已知點(diǎn)的數(shù)量，提高測(cè)區(qū)重力測(cè)量技術(shù)等等。

對(duì)于區(qū)域地質(zhì)勘探工作，采用上述方法能夠滿足地質(zhì)勘探工作的要求，與傳統(tǒng)測(cè)量方法相比有著無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)。

5 提高GPS測(cè)量精度的方法

5.1 合理有效的設(shè)計(jì)GPS網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)

GPS網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)會(huì)對(duì)高程精度產(chǎn)生影響，建立合理的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，能夠改善高程精度，一般情況下，面狀測(cè)區(qū)宜采用三角網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，可適當(dāng)穿插多邊環(huán)；線狀測(cè)區(qū)可布設(shè)鏈?zhǔn)饺吘W(wǎng)，即可保證點(diǎn)位的平面和高程精度。

5.2 相位整周數(shù)的正確性

相位整周解算的準(zhǔn)確性可直接影響點(diǎn)位的三維坐標(biāo)，相位整周的解算很容易產(chǎn)生錯(cuò)誤，為避免錯(cuò)誤需通過(guò)多次重復(fù)觀測(cè)。

5.3 星歷和參考坐標(biāo)的質(zhì)量

星歷和參考坐標(biāo)對(duì)三維坐標(biāo)將產(chǎn)生輕微的影響，但在世界上某些地區(qū)要獲得一個(gè)理想的WGS84參考位置（±10m或更好）卻存在著問(wèn)題。

5.4 減少多路徑效應(yīng)的影響

多路徑效應(yīng)的影響分為直接的或間接的，并能對(duì)三維坐標(biāo)產(chǎn)生dm級(jí)的影響。間接影響是指影響求解整周模糊度。因此選擇好的站點(diǎn)避免多路徑效應(yīng)以及增加多余觀測(cè)是很重要的。

5.5 減少電離層的影響

電離層也對(duì)三維坐標(biāo)產(chǎn)生影響。這種影響在地極處以及地磁赤道附近要比其他地方大些，并隨太陽(yáng)周期變化而變化。因此，在某些地區(qū)和某個(gè)時(shí)間，電離層的影響很大。所以對(duì)于高程測(cè)量，需作長(zhǎng)時(shí)間觀測(cè)，以獲得可靠的對(duì)流層延遲。

5.6 減少潮汐作用的影響

潮汐現(xiàn)象（包括陸地潮汐和海洋潮汐）也對(duì)GPS測(cè)高產(chǎn)生影響，其產(chǎn)生的影響相對(duì)較小，可以通過(guò)一些軟件來(lái)消除這些影響。

5.7 正確量取天線高

天線高是一個(gè)明顯的誤差來(lái)源。如果使用三角架，由于高度經(jīng)常變化，所以室外作業(yè)時(shí)要求必須對(duì)天線高測(cè)量進(jìn)行檢查。

6 結(jié)語(yǔ)

隨著GPS技術(shù)的發(fā)展，GPS高程測(cè)量技術(shù)日益成熟，逐步取代了傳統(tǒng)的測(cè)量方法，提高了工作效率，節(jié)省了大量的財(cái)力物力。本文從以下幾個(gè)方面闡述了GPS技術(shù)的基礎(chǔ)理論和應(yīng)用。

（1）闡述了常用高程系統(tǒng)—大地高系統(tǒng)、正高系統(tǒng)和正常高系統(tǒng)。（2）列舉了幾種高程異常的分析方法—解析法、重力法和繪制等高線法。（3）從地質(zhì)勘探工作切入分析GPS高程技術(shù)在實(shí)踐活動(dòng)中的應(yīng)用。（4）闡述了提高GPS測(cè)量精度的方法。

參考文獻(xiàn)：

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