所属栏目：应用电子技术论文范文发布时间：2011-02-25浏览量:155
副标题#e#摘要：本文论述了GPS水准测量的应用现状，分析出水准测量不能直接应用于实际工程的原因，并给出解决的办法，并指出GPS在水准测量中直接应用应该注意的事项，为测绘工程中高程测量直接应用GPS提供参考。
关键词： GPS;水准测量；原理；精度；
中图分类号:TU198.1 文献标识码:A
一、GpS水准测量应用现状
全球定位系统(Global Positioning system--GpS)是美国从20世纪70年代开始研制，历时20年，耗资200亿美元，于1994年全面建成，具有在海陆空进行全方位实时三维导航与定位能力的新一代卫星导航与定位系统。
众所周知，GPS测量的优越性和现代特征之一是能同时获得测站的平面和高程两方面的信息。当前国内外大量的实践表明，利用GPS进行平面相对定位精度能够达lmm甚至更高，这一点是常规测量技术难以比拟的。但是，GPS测量经过平面处理所得到的高程是相对于WGS一84参考椭球面而言的，称为大地高(或椭球面高);而传统水准测量所测得的高程则是参照于大地水准面或似大地水准面而言的，称为正高或正常高(我国采用正常高系统)。由于基准面的不同，使得这两种高程存在着本质上得差别。WGS一84椭球的大地高具有明确的几何意义而缺乏物力意义，而在实际工程应用中使用的是水准高(正常高)具有严格的物理意义。参考椭球面与似大地水准面之差称为高程异常，由于GPS测高要远比传统水准测量来得便捷，故人们期望能用GPS高程测量来逐步取代传统的水准测量，而成果又希望统一使用测站点的正常高，这就需要研究GPS大地高与正常高之间的转换关系，从而需要研究高程异常的问题。
我国所使用的正常高程系统是以似大地水准面为基准的高程系统，它在水利、排灌、交通以及地壳形变监等方面有着非常重要的作用。测定正常高，经典的、最精密的方法是几何水准。Ikm的水准测量误差大约lmm，1000km的累积误差约32mm，2000km的累积误差约为45mm。精密水准测量是建立国家高程控制网的基本手段。水准测量基于水准仪的水平视线，读取两标尺点间的高差，仪器至标尺的距离不超过100m，通常采用往返测，每隔2~6km要埋设标石，至少要3人作业。GPS的出现对许多常规测量技术产生了极大冲击，对几何水准也不例外。首先，在效率、经济性、实时性甚至在精度上，GPS的挑战是明显的。在不一定要正常高的许多场合，GPS可以代替水准测量，单独完成工程和科学任务，如地面沉降监测、水面运输监控、防灾与地震监测等。其次，通过似大地水准面(确定高程异常)，GPS测量的大地高可以转换成正常高，从而代替水准测量。GPS水准测量是指GPS测量的大地高，借助似大地水准面转换为正常高。GPS技术的发展，特别是cm级似大地水准面的进展，为GPS海拔高测量提供了技术基础。据相关文献表明，精化后的省级似大地水准面，20k以内的高程异常差的不确定性可达1cm;20一50km的不确定性小于2一3cm;而GPS测定大地高差不确定性在短距离左右，(如小于10km)上可以达到±2cm。那么，通过高程转换得到的正常高精度也在2cm而用GPS的费用仅为经典方法的20%一30%。这表明:大地高通过高程转换代替水准是可行的。
二、GPS水准测量原理
众所周知，实际应用中的地面点高程是以似大地水准面为起算面的正常高，而GPS高程是以wGS一84椭球为基准的大地高。由前所述知两者之间相差高程异常 (1)式，显然，如果知道了各GPS点的高程异常雪，则可由各GPS点的大地高求得各点的正常高，如图1所示。 
我国似大地水准面主要是采用天文重力方法测定的，其精度较低，再加上我国重力数据具有保密性，因此很难直接由GPS大地高求得正常高。目前在#p#副标题#e#小区域范围内，常采用GPS水准的方法较为精确地计算GPS点的正常高。所谓GPS水准就是在小区域范围的GPS网中，用水准测量的方法联测网中若干个GPS点的正常高(这些联测点称为公共点)，那么根据各GPS点的大地高就可按(1)式求得各公共点上的高程异常。然后由公共点的平面坐标和高程异常采用数值拟合计算方法，拟合出区域的似大地水准面，即可求出各点的高程异常值，并由此求出各GPS点的正常高。
三、GPS水准常用方法分类
GPS测量得到是相对于WGS一84椭球的大地高，它没有物理意义，因而在应用于生产实际之前，应作一些相应的转换。而我国采用的是正常高系统，它是以似大地水准面作为参考面的。因此，在实际工程中应用高程时，将GPS高程转换为正常高是非常必要的。
目前，对GPS高程进行转换的常用方法有物理重力法和数值逼近法两种。在实际应用中，由于无法获得必要的重力数据，故重力法难于普及。因此，在工程应用中以数值逼近法居多。根据我们所采用的数学拟合模型的不同，我们可将GPS水准拟合分为函数拟合模型、统计拟合模型以及综合拟合模型。函数拟合模型一般求定逼近场的系统性或某种规律性趋势。其研究成果相当丰富，先后提出了曲面内插逼近法、多项式拟合法、多面函数法、回归逼近法、快速傅里叶变换法等; 统计拟合模型则求定随机性变化。其主要方法有加权平均法、以及克里格(Kriging逼近法等。函数拟合和统计拟合两种模型有着各自的优缺点，将二者结合起来形成综合拟合模型，可望提高拟合的精度与可靠性。综合拟合模型典型的有移动曲面法和最小二乘配置法。此外，随着人工神经这门新兴交叉科学的发展，近年来产生了一种新的方法—神经网络法。基于神经网络来转换GPS高程是一种自适应的映射方法，没作假设，理论上比较合理，能避开未知因素的影响，减少人为构造的数学模型误差。
四、GPS水准的精度评定指标
为了在检验测量结果的精度，下面给出了几种GPS水准(即GPS高程转换)的精度评定指标。
(1)内符精度
式中n为参与检核的点数。
(2)外符精度
式中n为参与检核的点数。
内符合精度与外符合精度都是从点的统计角度出发的，可以说是一种相对意义上的绝对精度评定。垂直数据因参考基准的不同，会有不同的系统偏差，所以在某种意义相对对精度的评定更有说服力。GPS水准相对精度评定的方法也有两种。
(l)相对误差检核
根据检核点至已知点的距离乙(单位:公里)，按表1计算检核点残差的限值，以此评定GPS水准所能达到的精度。 
(2)闭合差检核
用GPS水准求出的GPS点间的正常高程差，在己知点间组成符合或闭合高程导线，算的闭合差W与表1中允许的残差比较，来衡量GPS水准达到的精度。
五、结论
在通过转化的情况下，适用GPS测量水准速度更快、精度更高，特别对于大量测量数据时，更能提高测量效率，本研究对GPS水准测量在工程中应用提供参考。
参考文献
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