GPS水准高程模型的研究与应用

摘要：GPS水准高程模型的研究和应用在地理测量领域具有重要意义。综述了目前关于GPS水准高程模型的研究成果和应用情况。首先，介绍了GPS水准高程模型的基本原理和工作原理，包括全球定位系统（GlobalPositioningSystem，GPS）测量技术、高程模型的建立方法等。其次，总结了GPS水准高程模型的研究进展，包括GPS测量误差的影响因素、高程模型的精度评定方法等。再次，探讨了GPS水准高程模型在实际应用中的作用，如地形测量、地质灾害监测等。最后，提出了GPS水准高程模型研究的发展方向，如改进GPS测量技术、提高高程模型的精度等。研究结果对GPS水准高程模型的进一步发展和应用具有重要参考价值。

关键词：全球定位系统水准高程模型测量误差精度评定

中图分类号：TP393

ResearchandApplicationofGPS-LevelingElevationModels

XUANXuejing

（GansuWaterConservancyandHydroelectricPowerConstructionBureauCo.，Ltd.Lanzhou，GansuProvince，730046China）

Abstract：TheresearchandapplicationofGPS-levelingelevationmodelsisofgreatsignificanceinthefieldofgeographicsurvey.ThispaperreviewsthecurrentresearchresultsandapplicationsofGPS-levelingelevationmodels.Firstly，itintroducesthebasicprinciplesandworkingprinciplesoftheGPS-levelingelevationmodel，includingGPS（GlobalPositioningSystem）measurementtechnologyandtheestablishmentmethodofelevationmodels.Then，itsummarizestheresearchprogressofGPS-levelingelevationmodels， includingtheinfluencingfactorsofGPSmeasurementerrorsandtheaccuracyevaluationmethodofelevationmodels.Next，itdiscussestheroleofGPS-levelingelevationmodelsinpracticalapplications，suchastopographicsurveyandgeologicalhazardmonitoring.Finally，itproposesthedevelopmentdirectionofresearchonGPS-levelingelevationmodels，suchasimprovingGPSmeasurementtechnologyandimprovingtheaccuracyofelevationmodels.TheresultsofthispaperhaveimportantreferencevalueforthefurtherdevelopmentandapplicationofGPS-levelingelevationmodels.

KeyWords：GlobalPositioningSystem;Levelingelevationmodel;Measurementerror;Accuracyevaluation

GPS水准高程模型是一种用于测量地球表面上不同点的高度差的工具，随着科技不断发展，全球定位系统（GlobalPositioningSystem，GPS）技术在测量定位领域得到广泛应用。在水准高程测量过程中，传统水准测量方法要使用水准仪、测量杆等设备进行测量，且要在测量过程中进行大量的人工操作，不仅费时费力，还容易受到天气、地形等因素影响，从而影响整个测量结果的精度。而GPS水准高程模型利用全球定位系统（GlobalPositioningSystem，GPS）卫星进行高程测量，无须人工操作，有效提高测量效率和精度，通过接收多颗GPS卫星发射的信号，接收器准确计算出测量点的三维坐标，从而得到该点的高程信息。而研究GPS水准高程模型的主要目的是为了提高高程测量的可靠性，在实际应用中高程信息对于土地开发、工程建设和水资源管理等方面都具有重要意义。例如：在城市规划中，要准确测量地面的高程，有利于确定建筑物的实际位置；在水资源管理中，要了解河流高程变化，便于工作人员进行洪水预警和水资源调配[1]。

然而，GPS水准高程模型也存在各种限制，GPS信号在穿过大气层时会发生折射，从而影响测量结果的精度；地球表面地形起伏会导致信号传播路径的变化，进而影响高程测量的准确性；由于GPS接收器和卫星之间的相对位置关系不确定，也会产生误差问题。为了克服这些挑战，研究人员通过使用多颗GPS卫星的信号进行测量，采用差分GPS技术提高测量精度，并结合地形数据和气象信息对测量结果进行校正。总之，GPS水准高程模型的研究和应用具有重要意义，不仅提高高程测量的精度，还为土地开发、工程建设和水资源管理等领域提供可靠的高程数据。随着技术的不断进步，相信GPS水准高程模型将在未来得到更广泛的应用[2]。

1GPS水准高程模型的基本原理

GPS水准高程模型是一种用于确定地球上不同点的高度差的技术，其利用全球定位系统（GPS）接收器接收卫星信号，并通过计算、测量等方式，确定地面上的高程。该模型的基本原理如下。

1. GPS水准高程模型依赖于卫星信号。GPS接收器接收到来自多颗卫星的信号，并通过计算卫星信号与接收器之间的距离，确定接收器的位置，这些卫星的位置信息通常是通过卫星测量和跟踪系统获得的。
2. GPS接收器要获得一个已知的高程基准点，该基准点高程被认定为零点，其他点的高程将相对于这个基准点来测量。通常使用国际海平面作为高程基准点，因为海平面的高程是相对稳定。
3. GPS接收器通过测量来自卫星的信号与接收器之间的时间差来计算距离，这是通过计算信号的传播时间并乘以光速来完成的。由于GPS接收器要同时接收多颗卫星的信号，所以要同时测量多个时间差。
4. 通过比较接收器位置和已知高程基准点的位置，计算出接收器相对于高程基准点的高度差。该高度差表示为正数或负数，具体取决于接收器的位置是在高程基准点的上方还是下方。但需要注意的是，GPS水准高程模型在实际应用中仍然存在误差，这些误差可能来自卫星信号传播的大气层延迟、接收器本身误差、地球引力变化等因素[3]。为了提高精确度，工作人员通常要进行多次测量和数据处理，并使用更先进的技术进行校正误差。

2GPS水准高程模型的实践应用

2.1工程概述

某实验区位于某市工业园区，总面积13.17km2，地势相对平坦。为了建立准确的控制网，先期设置一套3级和4级GPS平面控制网，共包含28个控制点。其中，有11个控制点属于3级，17个控制点属于4级。3等GPS平面控制网是基于1985年国家高程标准，通过GPS接收信号机测量GPS高程。而4等水平控制网将与若干3等控制点结合，作为工程校核的依据，用于采集工程区测量点的数据。我们将采用专业的平差计算软件来计算不同控制点的平差值，以确保数据的准确性，并保证不同数据点的准确度符合规范要求。同时，在高程模拟模型中，将这些数据点作为基础点，在标准网络中进行计算，为该实验区的测量工作提供可靠的基准数值。

2.2GPS水准高程模拟模型应用

研究人员根据28个控制点的数据，对不同控制点的高程异常进行了测量，并绘制出了高程异常值的完整趋势图。研究发现，在测量区域的28个控制点中，高程异常值的范围在11.33～11.79m之间。在获取这28个控制点的数据后，研究人员选择使用GPS水平高程拟合的移动抗差二次曲面、移动二次曲面、距离加权等模型。通过MATLAB程序设计软件对不同模型的精度数据进行计算，从而确定项目区域的最佳拟合模型[4]。

2.2.1内符合精度

内部符合精度主要包括最小残差、最大残差以及拟合模型计算中的平均误差等。在8款机型中，多面函数机型的误差数值最高，数据达到0.183m；而二次面误差数值最低，仅为0.0133m。残差值最大的是多面函数模型，数值是0.36m；而二曲面车型的最大残差则是最低的，只有0.0317m。最小残差为距加权模型0.006m。值得注意的是，残差值最小的是二次曲面模型，残差值为0.0003m。通过对以上数值进行分析发现，适用于工程区GPS水准高程转换的二次曲面模型具有较高的精度[5]。

2.2.2残差分布统计

研究人员需要掌握8个转换模型的残差分布特征，并根据测量控制点在不同模型下的残差值分布进行计算，以确定精度较高的转换模型位置。为了确定具有较高精度的转换模型位置，研究人员分析多面函数模型的残差值分布。在此分析中，共使用18个控制点，其中有20个控制点的残差值超过5cm，占总数的71.4%。此外，在残差值为4cm以下的情况下，共有26个控制点适用于移动二次曲面残差模型；而对于残差值为2cm的二次曲面模型，共有24个控制点，占总数的85.7%[6]。

2.2.3外业精度检测

为了验证GPS水平高程模型的准确性，工作人员要采用外业检测方法，判断外业精度特征值。同时，组织工作人员购买了先进的测量设备进行外业精度检测，并确保控制点与原测量区域控制点之间存在较大差异。为形成一个完整的观测GPS的平面网络，选择了6个检测点和4个未知点位进行测量。此外，还需结合GPS观测资料和检测点的水准测量资料，按照四等水准测量要求，得出准确的水准测量结果（如表1所示）。

通过对上述表格内容进行分析，得出以下结论：经过二次曲面模型转换后，最大高程误差为0.042m，说明转换结果精度超过标准值。因此，工作人员要使用MATLAB编写算法来反推相关数据，得到了最佳的参数结果，即二次曲面数为3，从而得到完整的二次曲面模型表达。在本项目区域中，我们采用了二次曲面模型来进行GPS水准高程转换，并经过了各种型号内部的精度验算和外业精度检测，结果显示其更具合理性。

式（1）～式（3）中：为任意常数；d为水平距离；H水准表示水准高度；a为待定系数；yx，表示已知高程拟合点的平面坐标值。

3结语

综上所述，GPS水准高程模型是一种基于全球定位系统（GPS）的技术，用于测量地球表面的高程。通过收集卫星信号并计算位置坐标，精确测量地球上不同区域的高程。在过去的几十年里，GPS水准高程模型已经得到广泛的研究。在研究方面，许多学者和科研机构致力于改进GPS水准高程模型的精度，通过对GPS信号分析，提出一系列的算法和方法，以减小误差和提高精度。如采用差分GPS技术消除大气延迟对高程测量的影响；使用多普勒效应可以提高高程的测量精度。此外，还有一些研究致力于改进GPS接收器和天线的设计，以提高仪器的灵敏度和稳定性。

在应用方面，GPS水准高程模型已经在许多领域得到广泛的应用。首先，在地理测量和地形制图中起着重要的作用。通过测量地面的高程，可以绘制出精确的地形图，并为工程建设和城市规划提供基础数据。其次，GPS水准高程模型在地质勘探和资源开发中也起到了关键的作用。通过测量地下地层的高程，可以帮助研究人员理解地球的构造和地质演化过程，并为矿产资源的勘探和开发提供依据。此外，GPS水准高程模型还在气象、海洋学和环境科学等领域中得到了广泛的应用，为气候变化、海平面上升等问题提供了重要的数据支持。

参考文献

[1]赫林.利用重力场模型和GPS/水准数据研究局部高程基准[J].测绘学报，2023，52（5）：865.

[2]李志懂.GPS水准高程转换模型在工程测量中的应用研究[J].技术与市场，2020，27（7）：71-72.

[3]葛于席，王淑兰.GPS水准高程转换模型在工程测量中的应用研究[J].百科论坛电子杂志，2020（13）：1804.

[4]江民芳.探析GPS水准高程转换模型在工程测量中的应用[J].大科技，2020（28）：103-104.

[5]李宗勋.基于EGM2008模型的GPS水准拟合方法应用研究：以尼泊尔西北部山区某水电站测量工程为例[J].工程技术研究，2023，8（1）：71-73，152.

[6]黄碧辉.GPS水准高程转换模型在工程测量中的应用研究[J].中国周刊，2020（8）：0114.

[7]雷白鸽.基于最优加权平均模型的高程异常拟合分析[J].城市勘测，2022（5）：117-120.