GPS静态测量与四等水准测量高程精度对比分析＊

闫建伟，顾和和，张成校

（1.中国矿业大学 国土环境与灾害监测国家测绘局重点实验室，江苏 徐州221116；2.中国矿业大学 环境与测绘学院，江苏 徐州221116）

0 引 言

当前，GPS定位技术已被广泛应用于各种工程建设之中，特别是用于工程平面控制网的建立。GPS定位的平面精度已经能够满足工程建设的需求，但因为高程异常的存在，GPS高程精度还不够精密，不能满足某些精密工程的需求，一直沿用水准测量的方法［1］。针对四等水准测量成果，并结合GPS静态测量数据拟合处理后的高程，通过比较两种测量方法得到的数据进行精度评定。

1 测区概况

本次工程是某景区旅游主干道工程，位于市主城区东南20余公里处，东西约40km，南北约10 km，面积186.22km2.区内群峰林立，低山丘陵共173座，山林资源丰富，植被类型多样，森林覆盖率达89.5%，空气清新。区内湖泊众多，沿故黄河两岸分布7座大小水库。

主干道沿线环境变化较大，沿途地形起伏比较明显，穿越村庄水库以及国有林场，整个测区呈带状分布，测区内31个待测点与482、506构成一个四等符合水准路线，水准路线总长度为33.66km.选取沿线通过6个GPS控制点作为试验样本，用于比较GPS测量高程与四等水准高程。

2 四等水准测量

2.1 外业数据采集

本次试验采用的是索佳C3型自动安平水准仪，读数到1mm，估读到0.1mm，仪器的精度是每千米往返测高差中误差为±2mm.在观测前对仪器进行了检查和校正，经检查仪器各项精度满足要求可以进行野外作业。四等水准测量的各项指标如表1所示。

表1 四等水准测量的各项指标

根据本次项目点位分布，将水准路线布设成附和水准路线。从起点482开始到终点506点结束，途经6个GPS控制点，按照四等水准测量双面尺法观测，在外业观测过程中，外业人员要严格按照规范要求进行操作，观测人员要细心、耐心，减少读数误差；数据记录人员要专心，认真记录并及时整理、计算每一站的数据，一旦发现超限立即进行重测，跑尺人员要注意在观测间歇把尺子拿离尺垫，减少下沉误差，另外一定注意在待定点上一定不要使用尺垫，具体水准路线图如图1所示。

图1 四等水准路线图

2.2 数据处理

在完成外业数据的采集后，要对数据进行处理，首先要对记录手簿进行检查，查找是否存在由于记录大意导致的误差。完成初步检查后，利用清华NASEWV3.0高程测量控制网数据处理自动化软件系统进行平差计算，平差结果如下：附合路线闭合差为47.0mm，最大点位误差0.013 50m，最大点间误差0.012 15m，而《规范》规定的附和四等水准允许误差为±116.03mm，显然此次测量闭合差远远低于限差规定，对线路进行平差，本次试验只选取了部分样本进行研究，具体平差结果如表2所示。

表2 水准路线中样本点平差表

3 GPS数据采集与处理

3.1 GPS静态观测

外业数据采集使用6台华测X90型接收机按照静态定位观测方法进行观测，在观测前要对仪器进行检定，并提前了解GPS卫星可见性预报表，选择最合适的观测时段。作业过程严格按照相关测量规范的要求进行。卫星高度角≥1 5°，有效观测卫星总数≥4颗，观测时段数≥1.6，时段长度≥40 min，数据采样间隔10s.

在进行数据采集时，工作人员不要使用对讲机，以免干扰信号，仪器高分两次量取，两次互差不得大于3mm，否则重新设站，取两次量测均值作为最后仪器高记录在记录簿，GPS静态观测网各项精度指标如表3所示［2］。

表3 GPS控制网的精度和各项控制指标

3.2 基线解算

GPS数据处理的起算数据采用的是测绘工程院加密的四等GPS点三个，这几个点保存完好，点位精度较高，作为起算数据是稳定可靠的。利用数据处理软件对静态采集数据进行处理，剔除部分基线后处理结果如表4所示。

表4 基线解算表

在完成基线解算后，在WGS－84坐标系中进行三维无约束平差，也称为自由平差，无约束平差可以检核GPS网中是否含有粗差，意在考察网的内符合精度和基线之间是否存在系统的误差，它反映了控制网的真实精度［3］。利用三个四等GPS点对完成三维无约束平差的控制网进行二维约束平差，将基线向量归化到椭球上，通过高斯正形投影方式加上1980西安坐标系的有关参数，得到1980西安坐标系中各网点的坐标数据。约束平差中最弱点为G5，其点位中误差为±0.26cm.对GPS高程进行二次曲面拟合，得到最终拟合高程，通过对数据进行分析，可以确定GPS网结构合理、精度较高，最终成果可靠性好。

4 GPS高程与水准测量高程对比与分析

GPS拟合高程和水准高程是利用不同方式得到的，由于误差来源、种类和测量的精度不同，二者有着很大的区别。利用两种不同方法测得的样本点高程对比表详见表5.

表5 GPS与水准高程对比表

从表5数据可以分析出，通过两种方式测量得到的高程相差都在1cm左右，最大的为1.1cm，最小0.5cm，这说明GPS拟合的高程精度很高，精度基本能达到四等水准测量的精度。当测量区域较小并且地势较为平坦时，利用GPS进行高程测量，通过联测水准点进行高程拟合，拟合的高程可以达到水准测量的精度，为GPS高程在工程上的应用带来了很大的方便。

5 结 论

在小面积地形较为平坦地区或精度要求不很高的情况下进行高程测量时，可以利用GPS进行观测最后拟合出GPS高程代替四等水准测量高程，以减少水准测量的工作量，节省人力和物力。在进行高程拟合时，尽量多增加水准点以提高GPS拟合的精度。但对在地形变化较大的区域还不能达到这样的精度。随着GPS技术的不断发展，最终会实现GPS高程代替常规水准测量。

［1］ 陈 奇.GPS静态测量和四等水准测量的高程比对［J］.中国新技术新产品，2011（15）：6－7.

［2］ 陈长谦，韩光滨.浅谈GPS控制网的建立［J］.林业科技情报，2011，2（43）：136－138.

［3］ 俞建康，蒋惠新.长线路测量坐标系建立与GPS的应用［J］.现代测绘，2011，3（34）：34－36.