GPS高程代替四等水准的可行性分析

吴经鹏

（贵州省有色金属和核工业地质勘查局三总队，贵州 遵义 563004）

在当下，GPS技术凭借全天候精准定位、实时定位和高精度定位的优势被广泛地应用于各行各业。针对于工程测绘领域来说，工程测绘领域内的控制网平面测量需要精准定位的优势，而在控制网高程测量时，如果只采用几何水准的形式进行，那么平面网和高程网的独立观测难度可能逐渐加大，等于是人为地增加测绘外业的观测以及内业平差计算的工作量和难度，使得测绘人员的工作强度大大提升[1]。因此，测量研究者认为，若采用GPS高程测绘技术结合四等水准测绘，其可完善测量结果的可行性及可靠性，从而能够使得几何水准的测绘形式有新的发展。

1 GPS高程测量基本方式探讨

1.1 传统几何水准高程测量基本方式

高程测量基本方式的分辨原则，主要是依据观测手段和差异性的对比，以此来划分高程测量方式，可将其分为传统几何水准、三角高程测量与GPS测量三种方式，其中以GPS测量的高程拟合度最高，且其测量的精准度较大。高程测量基本方式中的传统几何水准测量方法主要采用的是人为控制的光学或电子水准仪器，配合人工控制的水准尺其精度有差异，时常会有误差，误差度在一定范围之内。按照点位间的测量段高度差传递，主张外业主点观测，慢慢临近控制点，由观测人员控制观测点位之间的最高差，并借助高等级控制点所构成的闭合环和复合水准网约束传统高程测量基本精度。很多研究者发现，经过这种传统的水准网平差求解未知点，这种高程模式容易受到复杂地性的干扰，极易受到地形条件的限制，这种制约作用使得测绘外业的测量强度增大。

1.2 三角高程测量的基本方式

三角高程测量指的是利用三角高程的原理，通过采集地面两点位之间的水平距离来测量，测量时的测量仪器较高，棱镜也很高，垂直角度等要素均需要被考虑在内，为了求解待定位置点和区间之间的距离，应使用可套用的高程测量公式，此时的三角高程测量精度虽然比传统的几何水准测量要较为具有优势，但是其精度仍然受到观测条件，地质条件折光系数等影响，尤其是在一些特殊的地点折光系数的影响是比较显著的[2]。此时研究者们就发现，如果能够代替这两种传统的高程测量基本方式，采用全球定位的GPS高程拟和测量，就可以使用移动站和流动站之间相互配合的数据，实行实时测绘及三维坐标体系的延伸。由于我国地大物博，地域面积较为广阔，普遍采用高程基准为正常高系统测量，目前，GPS直接结合高程点位的测量方式并没有完全普及，因此，需要在下一个阶段考虑如何使用GPS高程测量求解带测点位的正常高度，因为这一正常高度的精度将直接关系到待测点位高程测绘的实际精度和最终结果。

1.3 GPS高程测量基本概述

GPS高程测量的高程指的是大地高而正常测绘平均使用的是正常高大，低高和正常高之间存在着一个高程异常值，这也就是为什么GPS测绘技术需要测量高程的原因，其基本规律公总结如下：

大地高=正常高+高程异常值

在GPS高程测量中，由GPS全球定位获得三维基线向量，使用GPS网平差就可以求得以WGS－84椭球面为基准的高精度大地高。而我国采用的高程系统则是以似大地水准面为基准的正常高系统，传统的几何水准或三角高程测量方法是获取以似大地水准面为基准的正常高的主要手段。找出似大地水准面与椭球面这两个基准面间差距的数学表达式（似大地水准面模型），就能将GPS大地高换算成正常高，从而实现GPS测高来代替高精度的几何水准或三角高程测量。目前这种新颖的GPS高程测量技术，在道路工程应用寻根应用，车辆跟踪方面也有很好的发展前景，再需要常规布线，而是使用GPS高程测量，达到电子巡航和跟踪的效果。来说GPS高程测量这种全新的方式在于传统的几何水准高程测量和三角高程测量相比的过程中有更高的可行性，减少人力成本的耗损，而且可以测量一些较难测量的地形，其精度和智能化水平也相对较高，更容易与计算机系统之间实现快速对接，记录并分析有关数据。

2 GPS高程拟和测量基本方式

2.1 GPS高程拟和测量方式的概述

GPS作为全球定位技术，在很多领域内均有其独特的使用功效，而GPS高程观测的基本原理，其待定点和高程异常点之间的关键性因素将成为求解最终实施测量可行性的依据。利用GPS拟合原理，加入实际测量点周边的实际环境，采用数值内差的方法来计算，是目前比较先进的一种高程拟合测量方法，这种方法能够很好的发现高程测量的异常点，并且进一步实现GPS高程拟和测量点与点之间的转换，从而能够最终求解出待定点之间的正常高度。之所以认为GPS高程你和测量方式比较先进，是因为GPS测量方式可在测量区域之内使用高等控制点其控制点点数的规律，能够依据最小二乘原理。依据测量区域内大地水准面的拟合模型，再根据待定点的平面坐标（x，y），此时的曲面内差可求得P点的高程异常值而联系特定点及关键高等级控制点的数量要求控制点数量大于3，以后可采用基于曲面条件的拟合基于多面函数拟合和小区域平面拟合等多种形式，使用数值迭代的方法，结合最小二乘与数值推估方法的计算，得到最终的求解结果，寻求带定点的正常高度值。假设测量区域内的任何一点，其高程异常值与点位平面坐标存在着函数关系，那么这一函数关系式一般被约束为：

研究者发现，利用GPS高程观测原理能够很好的确定待定点的高程异常值ς，也就是说，如果使用数值多次平均计算和内差的计算方法，那么就能够确保代测点高程测绘的精度达到一个相当的取值范围之内。

2.2 GPS高程拟和实践经验分析

（1）RTK延长观测时段的由来。根据以往的项目实践经验，在利用GPS高程拟合测试实验中，选取一定的GPS高程拟合模型，在一定的范围内实现分级布设和逐级加密的原则，从而能够使得整个测量项目区域内的目测控制网达到较为密集的效果，使用GPS首级控制网与测量区域内的施工图纸之间对接，这样就可以使得整个测量区域的范围被较为具体的概括，精准定位之后的GPS测量控制网，使用外业静态观测的方法，同时其首级控制网，还可以结合内业评差结算的方式，达到最终的测定点高度值。配合相关的微机技术，GPS高程拟和实践体现了测量区域内施工图，根据控制点，采用的RTK延长观测时段，在使用差分定位和高程拟合共同组成测量模型的同时，有效获取了平面与高程数据。由于使用了RTK延长观测时段的方式，使得GPS高程拟和实践中的数据获取量更大，能够更好的取得稳定的观测效果。

（2）GPSKZ01-GPSKZ05三维控制点的确定。使用GPS首级高程拟合控制网，在布设控制网点之初，就应该考虑到覆盖测量区域的各个控制点，比如在某项目实验测量区域内控制点被命名为GPSKZ01-GPSKZ05，将这些控制点采用3～4台双频GPS接收机，借助静态观测的方式测量两个RTK观测时间段，在该项目中每个时间段的时长限定为两个小时，以局域网连接的形式布设各个控制点，并且计算其内页联合评差。这一检测及勘探的目的，是为了能够求解GPSKZ01-GPSKZ05控制点的实际点坐标在求解大地坐标和测图坐标之间的转换参数时，按照GPS高程拟合原理实现实时测量点点位的高程信息精准化。这也正是GPS高程拟和测量的优势，在各个观测点内架设三脚架，独立观测两个时段，每个时段都要沿用RTK延长观测时段的方式，每时段的取值最低不能少于30秒，取两次观测平均值作为点位平面和高程数据的最终参照数据。

（3）光学水准仪水准联测布局误差。在实验中，研究人员也按照四等水准测量规范，选取部分高程点，采用光学仪器，实行几何水准仪计算及水准联测方法，这种测量方式是为了能够借助水准联测观测两种不同测量方式的误差比率和分布情况，为未来的分析和实验提供依据。另外根据静态GPS观测点点位的精度，将其控制在三毫米左右，并满足三等水准线指标要求，同时使用多种联测方式，在采集点周边控制布点计算坐标数据，也可以规避由于人工失误或其他因素所导致的误差。最终的实验结果是通过建立GPS高程拟合模型，使用GPS-RTK延长实际观测时间之后，观测点的点位被精确的控制，总体误差在三厘米以下，已经满足了我国城市测量规范条件中所规定的最弱误差数值要求。而在进行多次大量实验数据的分析结果比对之后，研究人员发现观测精度分析方面，以GPS高程拟和测量方式更占优势，其误差较为均匀，外业观测强度和平差计算工作量不大，而且数据采集效率也比较高，这一优势已经明显优于传统的几何水准测量方式。

3 结论

综上所述，GPS高程拟和测量方式在测量大地高方面有明显优势，为了计算更具备精准度的三维基线向量，使用GPS网评差求得高精度大提高。在比较GPS高程拟合理论之后，结合某项目的工程实践经验，阐述了利用GPS观测手段实现静态观测，并借助RTK延长观测时间，这一作业流程远远优于传统的几何水准观测方式，能够得到更加具有精准度的检测效果。研究表明，使用GPS高程拟和测量直接引入等级高程观测其精度完全满足四等水准要求，而且GPS高程拟和方法所进行的水准观测，能提升测绘作业现代化程度，并且对于我国的测绘技术提升并与国际测绘流程及精度水准接轨，做出了巨大的贡献。