基于GPS的跨河水准测量技术研究

■王必成 陈富强 米川

（河南省地质矿产勘查开发局测绘地理信息院河南郑州450006）

基于GPS的跨河水准测量技术研究

■王必成 陈富强 米川

（河南省地质矿产勘查开发局测绘地理信息院河南郑州450006）

GPS测量技术因其具有全天候作业、操作简单、精度高等得天独厚的优势，已经广泛应用于大地测量、工程测量等领域。本文对采用GPS进行跨河水准测量的技术方法进行了有益的探索，对提高跨河水准测量的质量、效率具有一定的参考意义。

GPS 跨河水准 高程拟合

1　GPS水准测量原理

1.1大地高和正常高的关系

我国目前采用的高程基准为正常高系统，其基准面为似大地水准面。常规施测的水准高程是地面点相对于大地水准面的垂线距离Hγ。GPS定位技术测得的高程是大地高系统，是地面点相对于参考椭球面（WGS-84椭球）法线方向的距离HG，正常高与大地高之间的差异称为高程异常ζ。三者之间的关系见图1。

图1　

由上图可知：Hγ=HG-ζ

因此，GPS水准测量法的原理就是使用GPS接收机和水准仪分别测定两岸点位的大地高差HG和同岸点位的水准高差（正常高）Hγ，通过合适的高程拟合模型，求出两岸的高程异常差和两岸高差。

1.2高程拟合模型的选择

高程异常拟合的数学模型主要有线状拟合模型、曲面拟合模型以及重力场拟合法三种类型。重力场拟合法常用于精化大区域似大地水准面；曲面拟合模型适应于地形平缓的面状测区；而线状拟合模型适合于按线状或带状布设的GPS水准联测点，跨河水准测量可采用线状拟合模型。线状拟合模型有等值线图示法、多项式曲线拟合法、三次样条曲线拟合法和Akima函数拟合法等方法，等值线图示法适用于地势比较平坦的地区，高程异常变化的趋势比较直观；多项式曲线拟合法适合已知点个数较少的情况；三次样条曲线拟合法适于测线长、已知点多、变化大时的拟合；Akima函数拟合法适合于地形起伏较小的平坦测区。

2　GPS水准测量方法

2.1点位布设

GPS跨河水准测量最好选择在地形较为平坦的平原、丘陵且河流两岸地貌形态基本一致地区进行。

采用GPS测量法进行跨河水准测量时，GPS水准点尽可能选于水准测线附近，并有利于进行GPS观测及水准联测。应避开土质松软和强磁场地段，以及行人、车辆来往较多等场所。应分析已有的地形、重力和水准等与大地水准面相关的测量资料，选择河流两岸大地水准面具有相同的变化趋势，且变化相对平缓的方向上布设跨河路线。

2.2GPS观测注意事项

采用GPS测量法进行跨河水准测量时，观测组应严格遵守调度命令，按规定的时间进行作业。经检查接收机电源电缆和天线等连接无误后，方可开机。观测前及观测过程中，应逐项填写测量手簿中的各项信息。每时段开始及结束时，均应记录天气状况、实时经纬度、每测段开始与结束时间等信息。观测中不得进行以下操作：关机重启动（排除故障除外）；改变卫星截止高度角；改变数据采样间隔；改变天线位置；按动关闭或删除文件功能键，观测中应防止仪器受震动或移动，防止人和其他物体遮挡卫星信号。雷电、风暴天气时，不应进行观测。观测中应保持接收机数据记录的正常运行，每日观测结束后应及时将数据转存至数据存储器。转存数据时，不得进行删改和编辑。

2.3跨河水准测量GPS平差处理

GPS网平差软件应采用经过有关部门批准使用的软件。在基线解算向量检核符合要求后，以三维基线向量及其相应方差一协方差阵作为观测信息，以某一跨河点的三维地心坐标系下的三维坐标作为起算数据，进行GPS网的无约束平差。

无约束平差基线向量改正数绝对值V△X、V△y、v△z应不大于3δ，否则应认为该基线或附近基线存在粗差，应在平差中采用软件提供的自动方法或人工方法剔除，直到满足该要求。

2.4GPS跨河水准高差计算

由图1可知，A、B两点间的高程异常变化率：

αAB=（ΔHGAB—ΔHγAB）/SAB

由每一个非跨河点与最近跨河点计算出一个α值，最后将河流两岸得到的不同的αAB与αCD取平均值作为跨河河段的高程异常变化率α值。αAB与αCD较差应满足规范相应要求。

高程异常差：ΔζAB=αAB×SAB

则跨河水准高差：ΔHγBC=ΔHGBC—αBC×SBC

3　GPS跨河高程测量误差分析

从上述推论中可以看出，GPS高程转换用到三个量为GPS所测的相对于参考椭球的大地高、几何水准所测的相对于似大地水准面正常高，以及通过重力测量等手段所得到的地球重力场模型。所以考虑GPS水准的误差源，应分别考虑影响大地高、正常高、地球重力场模型精度的因素以及它们的综合作用。

4　提高GPS跨河水准精度措施

基于以上误差分析，结合误差理论研究，欲提高GPS跨河水准的精度，可采取以下措施：

4.1提高GPS观测、解算精度。如控制点必须使用强制对中装置；改善GPS星历的精度；消弱卫星不对称对定位精度的影响；选择最佳的卫星几何图形，选用双频GPS接收机，有效地消除电离层折射的延迟误差，减弱多路径误差和对流层延迟误差；提高整周模糊度的解算精度等。

4.2提高联测几何水准精度。用精密水准联测，可以有效提高GPS大地高精度。

4.3尽量选择河流两岸大地水准面具有相同的变化趋势、且变化相对平缓的方向上布设跨河路线；水准路线尽量直伸且等距，可有效地抵消地球重力场模型带来的误差。

5　结语

本文简述了GPS跨河水准测量的基本原理和方法，分析了GPS跨河高程测量误差来源，提出了提高GPS跨河水准精度的具体措施，为跨河水准测量的实施提供了科学高效的技术方法。该方法经本作者在实际作业中多次应用，效果良好，具有较高的实际应用价值。

［1］潘柏龙，匡翠林.GPS高程拟合模型确定 [J].现代测绘,2004,2,27(1).

［2］林康力，李贤忠.基于GPS的跨河水准测量技术研究 [J].科技咨询,2011,NO.11.

P228.4[文献码]B

1000-405X（2016）-7-167-1

王必成（1981～），男，测绘工程师，硕士，研究方向为工程测量、不动产测绘、地理信息系统等。