水利测绘工程中GPS高程测量的有效运用

吴佳坤

【摘 要】经济的快速发展带动着科技的进步，GPS高程测量技术的应用范围也越来越广泛，为我国水利测绘领域的发展提供了技术支持。本文对GPS高程测量进行概述，总结GPS高程测量技术在我国水利测绘中的应用现状，对如何提高GPS高程测量技术在水利测绘中的应用效率提出相关建议，旨在为我国水利测绘领域的发展提供理论帮助。

【关键词】水利测绘；GPS高程测量；应用现状；应用效率

近年来，我国的经济进步速度加快，国内的科学技术水平也随之提高，GPS定位技术在各个领域受到了广泛欢迎。在水利测绘领域中，GPS高程测绘技术对平面控制的有效进行具有重要作用。采用GPS定位技术测得的数据精度较高，数据比较准确，但前提是测量工作要严格按照规定的程序进行。因此，对GPS高程测量技术在水利测绘中的应用现状与方法进行研究具有重要意义。

一、GPS高程测量概述

GPS高程测量技术是指利用GPS定位技术来测量地面的正常高。其工作原理为，以需要测量地区内所有点为基础进行测量，确定其大地高，之后在这些点中选出若干个位置相分布相对均匀的点，测量出正常高，将大地高和正常高作差，并利用拟合技术得出需要测量的区域内所有的GPS点的正常高，这个过程需要用到水准测量的技术。在测量过程中，涉及到以下几个内容：

（一）大地高的测量

大地高的测量是以椭球面为参考的，具体的测量方法为找出固定的GPS点和经过这一点的椭球法线，沿着这条法线来得出点到椭球面的距离，这个距离就叫做大地高[1]。测量过程中得到的数据坐标是以某个大地参考系为标准的，数据坐标随着参考系的改变而改变。我国目前所用到的大地坐标系为WGS-84坐标系，用大写字母H来表示大地高，得出的大地高数据为以该坐标系为基础的大地高程。

（二）正高的概念

正高是指从固定点到大地水准面的垂线距离，用字母表示为Hg，此概念包含在大地高之中，由大地高分解而来。

（三）正常高的测量

正常高的物理意义比较明确，且正常高的确定需要两个基本点，为固定的地面点和经过固定点的铅垂线与水准面的交点，点的正常高即为这两点之间的直线距离。我国目前的水准面是以大地为基础的，正常高Hr为固定点到大地水准面的垂线距离。正常高与正高的区别在于，正高的范围更广，正常高是相对于某个点来说的。

（四）高程异差的测量

高程异差是指椭球面与水准面之间的距离。以不同的椭球面为参考，得到的高程异差也不尽相同。这里的水准面通常为大地水准面，椭球参考系通常为WGS-84参考系。高程异差和正常高组成了大地水准面差距，用字母表示为N。大地水准面差距N又与正高Hg组成大地高H[2]。

（四）高程系统的计算公式

正常高、大地高、高程异差三者紧密相连，缺一不可，共同组成组成高程系统公式：正常高=大地高-高程异差。严格来说，此公式是不完美的，原因为此公式中不包含铅垂线和法线的偏离而产生的误差。对于精度要求较低的普通水利工程来说，误差不予考虑，若工程对于数据的精度要求较高，一般将0.1mm以内的误差计算在内，由于偏差数值较小，不会对数据的结果产生较大影响，一般工程都选择不予计算。

二、GPS高程测量在水利测绘中的应用

（一）GPS高程测量在水利测绘中的应用现状

GPS高程测量技术在我国目前的水利工程测量过程中已经得到广泛应用。GPS定位技术在相对测量与定位中起到了重要作用。为了提高测量数据的精准度，L1、L2载波被用来对局域差分进行测量，不同的接收机之间的接收数据不同，差分法被用来计算各数据之间的差异，之后，一次差异被经过处理，得出二次差异值。待定基线的长度为一次差和二次差相减得到的数值。

目前，静态作业、PTK等作业模式是应用率最高的两个计算模型，具有测量数据精度高，测量用时较短、应用范围广等多个特点，受到水利测绘人员的青睐。

我国的GPS高程测量技术应用范围较广，技术水平较高，特别在最近几年取得了巨大的进步，在三峡大坝的建设等重要的水利工程中都起到重要的作用。经过长期的时间与完善，国内的GPS高程测量技术水平已经达到四星级。在之后的水利工程测绘中，GPS高程测量将成为必不可少的一项技术。

（二）GPS高程测量在水利测绘的应用方法

GPS高程测量技术对于水利测绘的作用非常大，在实际运用过程中，主要通过三种实施方法来发挥其优越性。

1、曲面擬合法。该方法的具体步骤为找出数学曲面，保证多个数学曲面的连续性，在大地水准高程系统的基础上进行拟合，这种方法因涉及到众多数学曲面，被称为曲面拟合法。此方法在GPS高程测量技术的发展前期被广泛应用，但是经过发展，水利测绘的难度加大，级别升高，此方法不再适用于高级水利工程测绘过程。

2、重力场的模型内插。首先根据局部或是整体的重力特点构建物理模型。利用重力场模型对高程系统的异常值进行计算，运用模型内插来实现正常高和大地高的转换过程。此过程的测量精度要达到较高的标准，例如，GPS高程测量的控制网要选用高规格的PTK接收机和高规格的单频接收机来进行综合测量；从网内选取多个点，以此为水准进行控制，将重力似水准与水准似大地水准进行拟合，来获得高精度的水准结果；要求数据的极差控制在0.1mm以内，标准差要尽可能的小，避免数据离散程度较高[3]。

3、顾及地形改正拟合法

利用DEM来对高程异差进行计算分析，确定其短波分量的大小，对该分量进行处理，减缓高程数据的上下波动，使其达到平缓状态，再将短波分量进行还原处理。水利工程的修建地点多为地形复杂的山区，当地的地形条件与经济条件较差，硬件设施比较落后，给水利工程的测绘过程带来巨大的不便，此种方法对于地势起伏较大的山区测量有重要作用，能够降低由于海拔相差较大带来的工作困难，目前已经达到广泛应用。

三、提高GPS高程测量在水利测绘中应用效率的相关建议

（一）继续加强GPS技术的建设

对GPS高程测量技术进行完善，加强其硬件设施的质量，对于测量工作较多的水利工程，争取同时利用GPS高程测量技术进行多项测量工作，加快工程建设进度，提高工作的效率。

（二）选取更高质量的GPS设备

为了保证测量数据的精度，保证工作的质量，要提高对于GPS设备的要求。例如，基线精度要高于5mm+1ppm，高程精度要高于10mm+2ppm，以此来保证工作时设备的稳定性不受环境影响。

（三）控制误差

在测量过程中，除了仪器设备自身具有的固定误差以外，工作人员操作不规范，天气恶劣，电离层的干扰等因素都会造成测量精度降低，误差增大，为此，工作人员要严格按照规定程序来操作仪器，尽量避免恶劣的天气下进行作业，对测量数据进行误差估计，将误差计算在统计数据之内。

（四）根据具体情况选择GPS技术

部分小型水利工程测绘不适合采用GPS高程测量，由于GPS测量的作业条件较高，在测量之前要进行大量的准备工作，小型水利测绘利用传统的测绘技术即可满足测量需要，利用GPS高程测量技术反而会取得事倍功半的效果，降低工作效率。因此，要根据工程的实际情况来选择使用GPS高程测量技术。

结语：

总而言之，GPS高程测量技术在水利工程测绘领域中起着至关重要的作用，在我国已经得到广泛应用。要想保证其应用效率，必须对严格规范操作步骤，加强设备建设，有选择的采用GPS高程测量技术。

参考文献：

[1]孔繁昌，袁丽娟.GPS高程测量及在水利测绘工程中的应用[J].消费电子，2014，（10）：71-72.

[2]马金丽.GPS高程测量及在水利测绘工程中的应用[J].科技致富向导，2015，（4）：307-308.

[3]迟本良.GPS高程测量分析及其水利测绘工程中的运用探讨[J].科技创新导报，2011，（29）：121-122.