对水利测绘中GPS高程测量技术的应用分析

孙战争

【摘 要】近些年来，随着科学技术的迅猛发展，对GPS 定位技术的要求也越来越高。GPS 定位精确度高，不受天气，气候，昼夜影响，使它在军事，地学研究等许多领域等到了广泛的应用与认可，更是在水利测绘方面使传统耗时耗力的测绘方法受到了前所未有的压力。但是由于一些因素影响，GPS 的精确度受到一些否认，所以，有必要对GPS 进行水准测量进行深刻研究，使其可以更好的服务于我国的建设行业。本文首先对GPS 高程测量进行了研究，并论述了其基本原理；其次探讨了GPS 高程测量在水利测绘工程中的应用，并将传统的几何水准测量，三角高程测量与其进行了对比，以供同僚参考。

【关键词】水利测绘；GPS高程测量；应用分析

前言

利用GPS测量相对高差，其精度一般能达到几厘米及十几厘米，采用适当的方法将GPS高程转化为水准高程并达到一定精度是可行的。考虑到地形地貌和工程需求，合理布設控制网，采用相应的拟合方案和数学模型进行计算，在平缓地区和测区范围不大的区域，如果联测的已知水准点较多，解算的GPS水准高程可以替代四等水准；不加地形改正的情况下，在高原山区一般能达到五等水准精度，完全能够满足工程线路选线、定线及测图的精度要求。

1、高程系统分析

（1）正高系统是以大地水准面为基准面的高程系统。某点的正高是该点到通过该点的铅垂线与大地水准面的交点之间的距离，正高用符号Hg表示。（2）正常高系统是以似大地水准面为基准的高程系统。某点的正常高是该点到通过该点的铅垂线与似大地水准面的交点之间的距离，正常高用Hr表示。（3）大地高系统是以参考椭球面为基准面的高程系统。某点的大地高是该点到通过该点的参考椭球的法线与参考椭球面的交点间的距离。大地高也称为椭球高，大地高一般用符号H表示。大地高是一个纯几何量，不具有物理意义，同一个点，在不同的基准下，具有不同的大地高。

2、对GPS高程测量的原理及方法分析

（1）对GPS高程测量原理的分析。利用GPS进行测量实质上是一种测距后方交会的测量方法，利用卫星星历数据可以确足每一颗卫星的具体位置，利用信号由卫星传到接收机的时间可以计算出卫星到接收机的距离，进而可以确足接收机的位置。工作原理是：先直接测量所选测量区域内的所有GPS点的大地高，并通过水准测量方法对若干GPS点测出正常高，同时，采用平面拟合或者是曲面拟合进行高程拟合，最终得到所有GPS高程异差，并通过计算算的测量区域的其他GPS点的正常高。

（2）针对GPS测高方法的探讨。GPS高程测量有几种方法，包括等值线图法，地球模型法，拟合法等。其中针对等值线图法，确定点的正常高和正高时必须注意所采用的坐标系统，要通过相应坐标系统的大地高数据来对其正常高河正高进行计算，该方法的结果与等值线图的精确程度密不可分，所以，只有等值线图十分精确，该方法测量结果也就精确了。地球模型法，由于我国的地理位置与环境的不同，适用于他国的地球模型法不太适合用于我国。拟合法，其根本就是因为在范围小的区域中，高程异常具有一定的几何相关性这一原理，采用数学方法，求解正高、正常高或高程异常。

（3）对GPS高程测量影响因素的分析。天高线对其影响比较大，因为在使用三脚架的过程中，高度的经常变化导致一定要对天高线进行仔细测量及审核。由于卫星分布的不均，也对GPS高程测量产生着误差，由于卫星的不可控制性，该误差是由GPS测量本质决定的，所以这种误差不可避免的。在GPS测高程时，会通过基线的端点来解算基线向量，所以，由于该起算点的坐标误差，会导致最后结果的不准确性，影响到GPS高程测量的精确度。同时，不明显的因素，包括天线相位中心，由于天线的机械中心和其电子相位中心不重合，所以，使得测量时不止是要测量电子相位中心的平均位置相对于天线机械中心的变化，更是要定义整个可见天球相位中心的变化。

3、对GPS高程测量与传统高程测量进行比较

（1）GPS高程测量与水准测量的比较。几何水准测量有通视要求就限制了单站水准路线的长度，降低了测量的效率。水准测量会受到外界条件如大气折光的影响，而GPS高程测量则不会受到外界条件的影响。而且测量结果的是均是高差，是一个连续测量的过程，必须由一个已知点测到未知点，工作量大，无法实现单点测量，而GPS可以实现单点测量。

（2）GPS高程测量与三角高程测量的比较。在国内某民通过实验堆GPS高程测量与三角高程测量进行了分析。实验地点为丘陵地区的民用机场，即使两者的高差互差均在《国家三四等水准测量规范》中四等水准检测高差限差范围内，但是GPS高程测量准确度较高，比三脚高程测量操作更为简单。选择布设控制点无遮挡，使得GPS测量条件非常好，应该完善GPS高程测量技术，使其更广泛应用于社会生活中。

4、GPS高程测量在水利测绘中的应用及前景

（1）对水利测绘的分析。水利工程测量是为水利工程建设服务的专门测量，水利工程测量的主要工作内容有：平面-高程控制测量、地形测量、纵横断面测量、定线和放样测量、变形观测等。规划设计阶段的主要测量任务是对天然河道、河口、湖泊、坝区、库区、灌区、垦区等进行平面-高程控制测量、地形测量、纵横断面测量、地质勘察测量以及渠道和线路工程的初测。对水库工程，在设计阶段的后期，一般还要初测水库淹没界线。施工阶段的主要测量任务是布设施工控制网，测设工程建筑物轴线和轮廓点，进行设备安装测量和隧洞贯通测量，测定水库淹没界线，进行工程的竣工验收测量。在大坝变形观测设备埋设及地壳形变观测网布置完毕后，开始先期观测，工程运行阶段的主要测量任务是建筑物变形观测和地壳形变观测。

（2）对重力场模型内插法的分析。通过对全球或是局部的重力场的模型计算求出高程的异常值，并结合水准测量和一定的内插方法，实现测得GPS大地高高程转换中应用较多，且精度要求很高。该方法可以应用于水利测绘工程，其效果显著于传统高程测量。

（3）对曲面拟合法的分析。曲面拟合法，是通过运用连续的数学曲面对大地水准面进行拟合的方法，但是不能满足于所有的高程测量要求。如若GPS布设成网状结构时，便不能够采用曲面拟合法，而应采用多项式曲面拟合，将高程异常近似看作是一定范围内各坐标的曲面函数，认为高程异常在此范围内变化平缓，可以用已联测水准的GPS点的高程异常来拟合这一函数。

（4）GPS高程测量在水利测绘方面的前景。水利工程大多建设在偏远地区，不顺畅的交通形式，复杂的地形，使得高程测量非常困难。此时，GPS与传统高程测量相比具有很高的价值，其中，GPS高程测量无需通视，工作强度低，效率高的特点使得GPS脱颖而出。在可以达到四等及以下几何水准的要求下，GPS得到了更多地认可与应用。可以投入更多的资金及精力到GPS高程测量中，使得其具有更长远的发展前景。

5、结语

虽然现在GPS具有一些缺点，但与其优点相比，其缺点微不足道，但我们不能忽视缺点，应精确测量，改善细节，更应鼓励GPS的发展与研究。GPS高程测量在水利测绘工程中表现出以前从未出现过的优越性，比水准测量和三角高程测量均优越，所以，政府应加大对GPS高程测量的宣传，使其得到更多的认可与应用，使我国服务建设行业更加完善。

参考文献：

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