GPS高程代替四等水準(zhǔn)的可行性分析

吳經(jīng)鵬

（貴州省有色金屬和核工業(yè)地質(zhì)勘查局三總隊，貴州 遵義 563004）

在當(dāng)下，GPS技術(shù)憑借全天候精準(zhǔn)定位、實時定位和高精度定位的優(yōu)勢被廣泛地應(yīng)用于各行各業(yè)。針對于工程測繪領(lǐng)域來說，工程測繪領(lǐng)域內(nèi)的控制網(wǎng)平面測量需要精準(zhǔn)定位的優(yōu)勢，而在控制網(wǎng)高程測量時，如果只采用幾何水準(zhǔn)的形式進行，那么平面網(wǎng)和高程網(wǎng)的獨立觀測難度可能逐漸加大，等于是人為地增加測繪外業(yè)的觀測以及內(nèi)業(yè)平差計算的工作量和難度，使得測繪人員的工作強度大大提升[1]。因此，測量研究者認(rèn)為，若采用GPS高程測繪技術(shù)結(jié)合四等水準(zhǔn)測繪，其可完善測量結(jié)果的可行性及可靠性，從而能夠使得幾何水準(zhǔn)的測繪形式有新的發(fā)展。

1 GPS高程測量基本方式探討

1.1 傳統(tǒng)幾何水準(zhǔn)高程測量基本方式

高程測量基本方式的分辨原則，主要是依據(jù)觀測手段和差異性的對比，以此來劃分高程測量方式，可將其分為傳統(tǒng)幾何水準(zhǔn)、三角高程測量與GPS測量三種方式，其中以GPS測量的高程擬合度最高，且其測量的精準(zhǔn)度較大。高程測量基本方式中的傳統(tǒng)幾何水準(zhǔn)測量方法主要采用的是人為控制的光學(xué)或電子水準(zhǔn)儀器，配合人工控制的水準(zhǔn)尺其精度有差異，時常會有誤差，誤差度在一定范圍之內(nèi)。按照點位間的測量段高度差傳遞，主張外業(yè)主點觀測，慢慢臨近控制點，由觀測人員控制觀測點位之間的最高差，并借助高等級控制點所構(gòu)成的閉合環(huán)和復(fù)合水準(zhǔn)網(wǎng)約束傳統(tǒng)高程測量基本精度。很多研究者發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過這種傳統(tǒng)的水準(zhǔn)網(wǎng)平差求解未知點，這種高程模式容易受到復(fù)雜地性的干擾，極易受到地形條件的限制，這種制約作用使得測繪外業(yè)的測量強度增大。

1.2 三角高程測量的基本方式

三角高程測量指的是利用三角高程的原理，通過采集地面兩點位之間的水平距離來測量，測量時的測量儀器較高，棱鏡也很高，垂直角度等要素均需要被考慮在內(nèi)，為了求解待定位置點和區(qū)間之間的距離，應(yīng)使用可套用的高程測量公式，此時的三角高程測量精度雖然比傳統(tǒng)的幾何水準(zhǔn)測量要較為具有優(yōu)勢，但是其精度仍然受到觀測條件，地質(zhì)條件折光系數(shù)等影響，尤其是在一些特殊的地點折光系數(shù)的影響是比較顯著的[2]。此時研究者們就發(fā)現(xiàn)，如果能夠代替這兩種傳統(tǒng)的高程測量基本方式，采用全球定位的GPS高程擬和測量，就可以使用移動站和流動站之間相互配合的數(shù)據(jù)，實行實時測繪及三維坐標(biāo)體系的延伸。由于我國地大物博，地域面積較為廣闊，普遍采用高程基準(zhǔn)為正常高系統(tǒng)測量，目前，GPS直接結(jié)合高程點位的測量方式并沒有完全普及，因此，需要在下一個階段考慮如何使用GPS高程測量求解帶測點位的正常高度，因為這一正常高度的精度將直接關(guān)系到待測點位高程測繪的實際精度和最終結(jié)果。

1.3 GPS高程測量基本概述

GPS高程測量的高程指的是大地高而正常測繪平均使用的是正常高大，低高和正常高之間存在著一個高程異常值，這也就是為什么GPS測繪技術(shù)需要測量高程的原因，其基本規(guī)律公總結(jié)如下：

大地高=正常高+高程異常值

在GPS高程測量中，由GPS全球定位獲得三維基線向量，使用GPS網(wǎng)平差就可以求得以WGS－84橢球面為基準(zhǔn)的高精度大地高。而我國采用的高程系統(tǒng)則是以似大地水準(zhǔn)面為基準(zhǔn)的正常高系統(tǒng)，傳統(tǒng)的幾何水準(zhǔn)或三角高程測量方法是獲取以似大地水準(zhǔn)面為基準(zhǔn)的正常高的主要手段。找出似大地水準(zhǔn)面與橢球面這兩個基準(zhǔn)面間差距的數(shù)學(xué)表達(dá)式（似大地水準(zhǔn)面模型），就能將GPS大地高換算成正常高，從而實現(xiàn)GPS測高來代替高精度的幾何水準(zhǔn)或三角高程測量。目前這種新穎的GPS高程測量技術(shù)，在道路工程應(yīng)用尋根應(yīng)用，車輛跟蹤方面也有很好的發(fā)展前景，再需要常規(guī)布線，而是使用GPS高程測量，達(dá)到電子巡航和跟蹤的效果。來說GPS高程測量這種全新的方式在于傳統(tǒng)的幾何水準(zhǔn)高程測量和三角高程測量相比的過程中有更高的可行性，減少人力成本的耗損，而且可以測量一些較難測量的地形，其精度和智能化水平也相對較高，更容易與計算機系統(tǒng)之間實現(xiàn)快速對接，記錄并分析有關(guān)數(shù)據(jù)。

2 GPS高程擬和測量基本方式

2.1 GPS高程擬和測量方式的概述

GPS作為全球定位技術(shù)，在很多領(lǐng)域內(nèi)均有其獨特的使用功效，而GPS高程觀測的基本原理，其待定點和高程異常點之間的關(guān)鍵性因素將成為求解最終實施測量可行性的依據(jù)。利用GPS擬合原理，加入實際測量點周邊的實際環(huán)境，采用數(shù)值內(nèi)差的方法來計算，是目前比較先進的一種高程擬合測量方法，這種方法能夠很好的發(fā)現(xiàn)高程測量的異常點，并且進一步實現(xiàn)GPS高程擬和測量點與點之間的轉(zhuǎn)換，從而能夠最終求解出待定點之間的正常高度。之所以認(rèn)為GPS高程你和測量方式比較先進，是因為GPS測量方式可在測量區(qū)域之內(nèi)使用高等控制點其控制點點數(shù)的規(guī)律，能夠依據(jù)最小二乘原理。依據(jù)測量區(qū)域內(nèi)大地水準(zhǔn)面的擬合模型，再根據(jù)待定點的平面坐標(biāo)（x，y），此時的曲面內(nèi)差可求得P點的高程異常值而聯(lián)系特定點及關(guān)鍵高等級控制點的數(shù)量要求控制點數(shù)量大于3，以后可采用基于曲面條件的擬合基于多面函數(shù)擬合和小區(qū)域平面擬合等多種形式，使用數(shù)值迭代的方法，結(jié)合最小二乘與數(shù)值推估方法的計算，得到最終的求解結(jié)果，尋求帶定點的正常高度值。假設(shè)測量區(qū)域內(nèi)的任何一點，其高程異常值與點位平面坐標(biāo)存在著函數(shù)關(guān)系，那么這一函數(shù)關(guān)系式一般被約束為：

研究者發(fā)現(xiàn)，利用GPS高程觀測原理能夠很好的確定待定點的高程異常值?，也就是說，如果使用數(shù)值多次平均計算和內(nèi)差的計算方法，那么就能夠確保代測點高程測繪的精度達(dá)到一個相當(dāng)?shù)娜≈捣秶畠?nèi)。

2.2 GPS高程擬和實踐經(jīng)驗分析

（1）RTK延長觀測時段的由來。根據(jù)以往的項目實踐經(jīng)驗，在利用GPS高程擬合測試實驗中，選取一定的GPS高程擬合模型，在一定的范圍內(nèi)實現(xiàn)分級布設(shè)和逐級加密的原則，從而能夠使得整個測量項目區(qū)域內(nèi)的目測控制網(wǎng)達(dá)到較為密集的效果，使用GPS首級控制網(wǎng)與測量區(qū)域內(nèi)的施工圖紙之間對接，這樣就可以使得整個測量區(qū)域的范圍被較為具體的概括，精準(zhǔn)定位之后的GPS測量控制網(wǎng)，使用外業(yè)靜態(tài)觀測的方法，同時其首級控制網(wǎng)，還可以結(jié)合內(nèi)業(yè)評差結(jié)算的方式，達(dá)到最終的測定點高度值。配合相關(guān)的微機技術(shù)，GPS高程擬和實踐體現(xiàn)了測量區(qū)域內(nèi)施工圖，根據(jù)控制點，采用的RTK延長觀測時段，在使用差分定位和高程擬合共同組成測量模型的同時，有效獲取了平面與高程數(shù)據(jù)。由于使用了RTK延長觀測時段的方式，使得GPS高程擬和實踐中的數(shù)據(jù)獲取量更大，能夠更好的取得穩(wěn)定的觀測效果。

（2）GPSKZ01-GPSKZ05三維控制點的確定。使用GPS首級高程擬合控制網(wǎng)，在布設(shè)控制網(wǎng)點之初，就應(yīng)該考慮到覆蓋測量區(qū)域的各個控制點，比如在某項目實驗測量區(qū)域內(nèi)控制點被命名為GPSKZ01-GPSKZ05，將這些控制點采用3～4臺雙頻GPS接收機，借助靜態(tài)觀測的方式測量兩個RTK觀測時間段，在該項目中每個時間段的時長限定為兩個小時，以局域網(wǎng)連接的形式布設(shè)各個控制點，并且計算其內(nèi)頁聯(lián)合評差。這一檢測及勘探的目的，是為了能夠求解GPSKZ01-GPSKZ05控制點的實際點坐標(biāo)在求解大地坐標(biāo)和測圖坐標(biāo)之間的轉(zhuǎn)換參數(shù)時，按照GPS高程擬合原理實現(xiàn)實時測量點點位的高程信息精準(zhǔn)化。這也正是GPS高程擬和測量的優(yōu)勢，在各個觀測點內(nèi)架設(shè)三腳架，獨立觀測兩個時段，每個時段都要沿用RTK延長觀測時段的方式，每時段的取值最低不能少于30秒，取兩次觀測平均值作為點位平面和高程數(shù)據(jù)的最終參照數(shù)據(jù)。

（3）光學(xué)水準(zhǔn)儀水準(zhǔn)聯(lián)測布局誤差。在實驗中，研究人員也按照四等水準(zhǔn)測量規(guī)范，選取部分高程點，采用光學(xué)儀器，實行幾何水準(zhǔn)儀計算及水準(zhǔn)聯(lián)測方法，這種測量方式是為了能夠借助水準(zhǔn)聯(lián)測觀測兩種不同測量方式的誤差比率和分布情況，為未來的分析和實驗提供依據(jù)。另外根據(jù)靜態(tài)GPS觀測點點位的精度，將其控制在三毫米左右，并滿足三等水準(zhǔn)線指標(biāo)要求，同時使用多種聯(lián)測方式，在采集點周邊控制布點計算坐標(biāo)數(shù)據(jù)，也可以規(guī)避由于人工失誤或其他因素所導(dǎo)致的誤差。最終的實驗結(jié)果是通過建立GPS高程擬合模型，使用GPS-RTK延長實際觀測時間之后，觀測點的點位被精確的控制，總體誤差在三厘米以下，已經(jīng)滿足了我國城市測量規(guī)范條件中所規(guī)定的最弱誤差數(shù)值要求。而在進行多次大量實驗數(shù)據(jù)的分析結(jié)果比對之后，研究人員發(fā)現(xiàn)觀測精度分析方面，以GPS高程擬和測量方式更占優(yōu)勢，其誤差較為均勻，外業(yè)觀測強度和平差計算工作量不大，而且數(shù)據(jù)采集效率也比較高，這一優(yōu)勢已經(jīng)明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的幾何水準(zhǔn)測量方式。

3 結(jié)論

綜上所述，GPS高程擬和測量方式在測量大地高方面有明顯優(yōu)勢，為了計算更具備精準(zhǔn)度的三維基線向量，使用GPS網(wǎng)評差求得高精度大提高。在比較GPS高程擬合理論之后，結(jié)合某項目的工程實踐經(jīng)驗，闡述了利用GPS觀測手段實現(xiàn)靜態(tài)觀測，并借助RTK延長觀測時間，這一作業(yè)流程遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)的幾何水準(zhǔn)觀測方式，能夠得到更加具有精準(zhǔn)度的檢測效果。研究表明，使用GPS高程擬和測量直接引入等級高程觀測其精度完全滿足四等水準(zhǔn)要求，而且GPS高程擬和方法所進行的水準(zhǔn)觀測，能提升測繪作業(yè)現(xiàn)代化程度，并且對于我國的測繪技術(shù)提升并與國際測繪流程及精度水準(zhǔn)接軌，做出了巨大的貢獻(xiàn)。