測量工程師評職稱論文發(fā)表期刊推薦《科技創(chuàng)新導(dǎo)報》是經(jīng)國家新聞出版總署批準(zhǔn)的，由中國航天科技集團(tuán)公司主管、中國宇航出版社-北京合作創(chuàng)新國際科技服務(wù)中心主辦的科技綜合類期刊。
　　摘要：本文簡單介紹GPS水準(zhǔn)測量在工程中的運(yùn)用。

　　關(guān)鍵詞：GPS水準(zhǔn)測量,工程運(yùn)用

　　傳統(tǒng)的工程水準(zhǔn)測量主要采用方法是分級布設(shè)高精度的施工控制網(wǎng)，而GPS高程測量方法其精度一直被認(rèn)為不太可靠，但在一般的工程測量中，只要經(jīng)過處理，GPS高程測繪方法是完全可以應(yīng)用的。本文針對這個問題對GPS水準(zhǔn)測量的理論和方法進(jìn)行探討，并結(jié)合實驗對GPS擬合高程和四等水準(zhǔn)平差高程進(jìn)行了比較和分析。

　　1GPS水準(zhǔn)測量的基本原理

　　GPS測量獲得的觀測量為WGS-84橢球體上的空間直角坐標(biāo)，在我國常用的平面坐標(biāo)系為1954年北京坐標(biāo)系或80坐標(biāo)系，高程基準(zhǔn)為正高基準(zhǔn)，因此，GPS水準(zhǔn)測量的數(shù)據(jù)處理的目的是將WGS-84的空間坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成當(dāng)?shù)貐⒖枷档钠矫孀鴺?biāo)和高程。在這個處理過程中，要完成平差、轉(zhuǎn)換、投影3個步驟。目前常用的數(shù)據(jù)處理方法有空間強(qiáng)制符合法、空間平差空間轉(zhuǎn)換法等。

　　GPS觀測數(shù)據(jù)經(jīng)轉(zhuǎn)換、平差等數(shù)學(xué)處理后，可得到兩點間的基線向量及高精度的大地高差，如果已知一點的大地高，即可求得全國各點的大地高。大地高是以橢球面為基準(zhǔn)的高程系統(tǒng)，其定義為由地面點沿該點的橢球法線到橢球面的距離。但是，目前常用的高程是以鉛垂線和水準(zhǔn)面為依據(jù)的水準(zhǔn)測量得來的，所以，在實際工程中一般不采用大地高系統(tǒng)，而采用正高系統(tǒng)或正常高系統(tǒng)。正高即地面點沿垂線方向到大地水準(zhǔn)面的距離，正常高即地面點沿垂線方向到似大地水準(zhǔn)面的距離，其相互關(guān)系為:

　　H大地高=H正高+N

　　H大地高=H正常高+ξ

　　式中，N為大地水準(zhǔn)面差距:ξ為高程異常。由于GPS水準(zhǔn)測量得到的是地面點的大地高，而通常的測量工作需要的是正高，因此，為了得到一個點的正高，除了要觀測該點的大地高以外，還需要知道該點的大地水準(zhǔn)面差距。實際上，正高是不可能精確求出的，而我國的國家高程系統(tǒng)為正常高系統(tǒng)，它是與正高系統(tǒng)非常接近，在實際中又能嚴(yán)格和精確求定的，因此，為了得到某點的正常高，需知道該點的大地高和高程異常。

　　計算大地水準(zhǔn)面差距和高程異常的方法主要是重力測量法，但在一般的工程測量工作中是難以實現(xiàn)的，因此，需采取其他的方法。如果已知某點的正常高，且利用GPS觀測該點的大地高，則可精確求得該點的高程異常，考慮到工程測量控制網(wǎng)的范圍較小，似大地水準(zhǔn)面的變化較平緩，因此，可利用一些聯(lián)測水準(zhǔn)的GPS點，求得各點的高程異常值，再用曲面擬合的方法來逼近擬大地水準(zhǔn)面，以求得其它GPS點的高程異常，從而達(dá)到高程系統(tǒng)轉(zhuǎn)換的目的。曲面擬合法僅是將高程異常近似地看作是一定范圍內(nèi)各點坐標(biāo)的曲面函數(shù),用已聯(lián)測水準(zhǔn)的GPS點的高程異常來擬合這一函數(shù)，在求得函數(shù)的擬合常數(shù)后，就可利用這一函數(shù)來計算其他GPS點的高程異常。常用的擬合函數(shù)為二次曲面函數(shù)，其模型為ξk=a0+a1Xk+a2Yk+a3X2k+a4Y2k+a5XkYk-εk在采用二次曲面擬合時，一般應(yīng)用6個以上的GPS水準(zhǔn)聯(lián)測點，但測區(qū)的聯(lián)測水準(zhǔn)點少于6個時，可采用平面函數(shù)擬合，這時的擬合模型為:ξk=a0+a1Xk+a2Yk–εk在實際的工作中，應(yīng)根據(jù)測區(qū)地理條件的不同、范圍的不同等因素選擇合理的擬合函數(shù)，以使測點的擬合精度達(dá)到最高。

　　2試驗數(shù)據(jù)分析

　　為驗證GPS水準(zhǔn)的測量精度，我們選擇一大型工程為試驗基地。根據(jù)以往實驗成果，觀測時間的長短對大地高的測值精度有一定程度的影響，觀測時間加長，測值逐漸趨于穩(wěn)定，其中誤差有減小的趨勢。在1h內(nèi)，其精度隨時間的增加而提高趨勢是明顯的。在1h之外，若繼續(xù)增加觀測時間，則測值的精度提高不是很明顯。在這里，我們采用D級網(wǎng)的要求進(jìn)行觀測。根據(jù)觀測所得的數(shù)據(jù),并以7個大致分布均勻的三等水準(zhǔn)點為已知點,采用次曲面擬合法進(jìn)行了高程擬合,擬合后7個已知點的正常高殘差均在10mm以下,中誤差為m=7.1mm，精度是相當(dāng)可以的。而檢核基線的均方差Rms均在10mm以下,沒有異常。

　　3GPS水準(zhǔn)應(yīng)用

　　隨著GPS相對定位技術(shù)的不斷發(fā)展和定位精度的不斷提高，GPS精密測高向傳統(tǒng)的水準(zhǔn)測高提出了挑戰(zhàn)。兩者相比,最大的優(yōu)點表現(xiàn)在一個測站跨越距離上。目前GPS測高精度在5～l0km的距離上已達(dá)到三等水準(zhǔn)測量的精度，在大范圍內(nèi)可接近二等水準(zhǔn)的精度。傳統(tǒng)水準(zhǔn)測量的缺陷，除了作業(yè)效率低外，還由于地面折射引起系統(tǒng)誤差積累，而且重復(fù)水準(zhǔn)測量所得的高程變化并不完全是地殼垂直運(yùn)動，含有因地殼質(zhì)量遷移而引起的大地水準(zhǔn)面變化。相反GPS相對定位具有速度快、精度高、全天候、全自動化的特點，使GPS水準(zhǔn)將得到愈來愈多的應(yīng)用。GPS水準(zhǔn)測量的唯一缺點是，它沒有有效的校核條件，假如由于人為的原因使接收機(jī)天線高量取錯誤，將直接導(dǎo)致測點高程錯誤，且會在直到我們用到該點高程時才會發(fā)現(xiàn)。這種情況出現(xiàn)的可能性是很大的，我們應(yīng)該加以注意。

　�。�1）GPS三四等水準(zhǔn)加密

　　在山區(qū)或丘陵地區(qū)進(jìn)行水準(zhǔn)測量，工作量大，因此可利用GPS測量進(jìn)行三四等水準(zhǔn)加密。

　�。�2）過河水準(zhǔn)測量

　　近年來，在跨越寬水域的水準(zhǔn)測量時，人們常用三角高程測量的方法。其實，三角高程測量受到折光、垂線偏差或大地水準(zhǔn)面起伏的誤差影響，這種測定方法可以獲得較高的表面精度，但上述誤差影響可能潛伏在內(nèi)，往往在水準(zhǔn)大環(huán)的閉合差檢查時表現(xiàn)出來。利用GPS相對定位，跨越距離大，精度高，如果利用一岸已有的國家水準(zhǔn)點，選取合理的圖形構(gòu)成GPS水準(zhǔn)網(wǎng)(一般3～5點)，這樣，利用曲線或曲面擬合方法，即可把GPS大地高差轉(zhuǎn)化為正常高差，其精度是完全可以保證的，而三角高程是難以實現(xiàn)的。

　　（3）GPS用于變形觀測

　　經(jīng)典變形監(jiān)測網(wǎng)，通常是將水平形變和高程變化分開測設(shè)，因受各種因素的限制，未能建立高精度的3維監(jiān)測網(wǎng)�？紤]誤差傳播和通視條件等因素，監(jiān)測網(wǎng)布設(shè)范圍不可能很大，常設(shè)在形變區(qū)內(nèi)。這就造成形變分析時難以找到穩(wěn)定的基準(zhǔn)，影響形變分析的質(zhì)量。GPS技術(shù)以其速度快、精度高和不受通視條件、邊長限制等優(yōu)點，將會廣泛地應(yīng)用于地殼形變、海洋面變化等監(jiān)測，它可以直接測定3維形變，布設(shè)范圍可擴(kuò)大至相對穩(wěn)定區(qū)域，以便建立可靠的形變分析穩(wěn)定基準(zhǔn)。

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