内蒙古巴丹吉林沙漠必鲁图主峰峰顶高程测量研究

2017-08-09傅刚

中国科技纵横 2017年13期

关键词：水准测量

傅刚

摘要：本文研究了内蒙古巴丹吉林沙漠必鲁图主峰峰顶高程的测定方法，从GPS水准网设计、外业观测、内业数据处理几方面做了详细的论述，是目前进行沙峰测量的最新方法。

关键词：水准测量；GPS水准网；似大地水准面精化

中图分类号：P224 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2017）13-0224-02

1 概述

内蒙古巴丹吉林沙漠必鲁图主峰位于内蒙古自治区阿拉善盟阿拉善右旗，主要由剥蚀的高大沙山与山间凹地组成，为阿拉善沙漠世界地质公园的重要景区之一，曾被《国家地理》杂志评为中国最美丽的沙漠。特别是巴丹吉林沙漠最高峰必鲁图峰号称“沙漠珠峰”，但迄今为止，尚无权威机构对其高程进行测量、认证并对外发布。该项目实施有利于开展巴丹吉林沙漠与其他沙漠的对比、研究，科学分析我国西北沙漠的形成发展和环境演变过程。

2 设计方案的确定

由于必鲁图主峰位于内蒙古巴丹吉林沙漠腹地，周围国家等级水准点稀少，且距离较远，采用常规水准测量方法难以达到要求，经研究决定综合利用GPS/水准数据、重力数据、数字地面高程模型数据等确定必鲁图主峰区域似大地水准面模型，进一步通过似大地水准面与大地水准面的差值确定必鲁图峰峰顶的正高（海拔高）。在必鲁图峰峰顶周围选择利用已有的部分控制点，同峰顶及周边埋设的控制点进行GPS同步观测。然后结合已有的水准成果、重力数据、数字地面高程模型等计算出局部似大地水准面，计算似大地水准面和大地水准面的差值，最终获得必鲁图峰峰顶及周边埋设的控制点平面坐标和海拔高程[1]。

3 GPS水准网设计

3.1 设计原则

为了实现巴丹吉林沙漠必鲁图峰區域似大地水准面精化及必鲁图峰峰顶高程测定，在已有GPS点、水准成果的点上选择分布均匀、密度适中的点进行GPS同步联测，获得这些点的CGCS2000成果。

3.2 埋石要求

拟在必鲁图峰主峰峰顶及必鲁图峰周边选择易于埋设标石的地方（如沙湖周边地区）埋设5个固定标石，分别为1：必鲁图主峰峰顶，2：阿拉善沙漠地质公园景区入口处，距必鲁图主峰约60km，3：巴丹湖，距必鲁图主峰约45km，4：音德尔图沙湖周边埋设2座，距必鲁图主峰约1.5km，标石采用钢管标志。钢管标志：采用直径为51mm不锈钢钢管夯入地下，埋深3m，采用不锈钢钢材打磨成直径180mm，厚度为15mm的圆形标志头，镶嵌在不锈钢钢管上。必鲁图峰峰顶标石采用强制对中装置。

3.3 GPS观测点

在已有资料的基础上，初步选取23个水准点，利用其中的17个水准点进行GPS点联测，形成GPS水准成果，用于区域似大地水准面精化。

4 外业观测

4.1 基本技术要求

GPS点观测要求：（1）观测模式：基于基准站同步观测模式，每时段观测23.5小时以上；（2）观测时段数：2个时段；（3）卫星截止高度角：≥10°；（4）同时观测有效卫星数：≥4；（5）有效观测卫星总数：≥20；（6）数据采样间隔：30秒；（7）PDOP 值：≤6。

GPS点观测时段可在UTC时间0～24 h之间选取，但不得跨UTC时间0 h。一般早晨8：00多开机，次日早晨7：40关机为一个时段。

4.2 作业要求

（1）架设仪器时一定要严格整平、对中，将仪器安放在平稳安全的地方，既要方便操作，又要不妨碍卫星信号的接收；（2）架设天线时，天线定向标志线应指向磁北，定向误差不得大于±5°；（3）认真检查仪器、天线及电源的连接情况，确认无误后方可开机观测；（4）开机后应在仪器内输入测站编号（或代码）、天线高等测站信息；（5）天线高的量测方法：在每时段的观测前后各量测一次天线高，读数精确至1mm。天线高量测时，应量测互为120°天线的三个位置，当互差小于3mm后，取中数采用，否则，应重新架设、整平仪器，量取天线高。手簿中应详细记录天线高量取的位置及方式；（6）每个小组在每次量取接收机天线高时，作业组长必须安排作业组员对接收机天线高量取方式及测站周围四个方向进行拍照；（7）观测过程中不记录气象元素，其他项目要认真填写，实事求是，严禁事后补记和涂改编造数据，确属笔误的用横线划掉后重写；（8）观测员应定时检查接收机的各种信息，并记录手簿中需填写的信息，有特殊情况时，应在备注栏中注明；（9）观测员要认真、细心的操作仪器，严防人或牲畜碰动仪器、天线和遮挡卫星信号；（10）雷雨季节观测时，仪器、天线要注意防雷击，雷雨过境时应关闭接收机并卸下天线。

5 内业数据处理

5.1 GPS网数据处理

（1）采用软件。采用目前国际上公认的用于GPS数据后处理最优秀、最成熟的软件——美国麻省理工学院（MIT）和SCRIPPS海洋研究所（SIO）共同开发的GAMIT/GLOBK软件（10.40）。（2）数据整理。以年积日为单位整理观测数据，并将原始观测数据转换为Rinex格式数据；统一点位编号；根据外业观测手簿，编制观测仪器、天线、天线高与天线高量取位置等对照表；检查点名一致性与正确性、接收机与天线型号的正确性、天线高的正确性及年积日的一致性等。（3）基线解算。以同步环为单位，按时段逐一解算同步环的数据，使用周跳自动修复技术，并使得同步环的Nrms小于0.5周。基线解算采用基准站技术，GPS连续运行站+测区观测数据，采用Auto Clean周跳自动修复技术，进行周跳剔除与修复，以获取精确的基线解算结果。最后，使用干净的双差相位数据进行定位，从而可以获得高精度的基线处理结果。（4）网平差。网平差使用GLOBK软件，GLOBK软件的核心思想是卡尔曼滤波，采用各同步观测网的独立基线向量及其全协方差矩阵作为观测量。将所有独立基线向量及其经调整后的协方差阵作为观测量，平差时为消除星历和网的传递误差引起的整网在尺度和方向上的系统性偏差，应对全面网加入一个尺度和三个转换参数。平差后还应进行结果精度分析，对整体网的精度进行检验和评估。在2000国家大地坐标下，以国家GPS连续运行站、国际IGS站（SELE、URUM）等高等级成果为基准，采用三维约束平差，计算出GPS点坐标。

5.2 似大地水准面精化

5.2.1 采用的软件

国家测绘地理信息局大地测量数据处理中心研发的重力场数据处理与区域似大地水准面精化软件[2]。

5.2.2 似大地水准面精化技术流程

其技术流程如图1所示。

5.2.3 数据预处理

（1）加密重力测量资料整理分析。加密重力资料因施测年代不同，其重力值所属的重力基准（系统）有1957重力控制网、1985重力控制网和2000国家重力基本网三种；其所属的坐标系统主要有54系、80系两种，另外有少部分点坐标系统属于2000系。因此应对加密重力点成果的重力基准、坐标系统、高程系统进行统一。所有重力点的重力基准全部统一至2000国家重力基本网，重力点高程全部统一至正常高系统。（2）数字地形模型资料整理。收集必鲁图峰及周边地区外扩1.5°范围SRTM3数字高程模型数据，并以此为基础生成项目区域内3"×3"、30"×30"和2.5′×2.5′数字地形模型数据。（3）地形均衡改正计算。项目承担单位根据整理完成的数字地形模型资料，完成似大地水准面精化区域3"×3"格网地形和均衡改正计算，以及加密重力点均衡重力异常归算。在此基础上完成大地水准面精化区域及周边地区格网平均空间异常的计算。

5.2.4 似大地水准面计算数学模型

（1）重力点重力异常归算；（2）3×3格网地形、均衡改正的确定；（3）重力异常拟合计算。

5.2.5 由重力场模型确定模型重力异常及模型似大地水准面

选用适宜的参考重力场模型，分别完成相应的模型重力异常和模型似大地水准面计算。

5.2.6 由remove～restore技术计算重力似大地水准面

在重力似大地水准面的计算中，为提高计算速度，一般采用谱方法（FFT、FHT等）。但为了保证计算精度，避免由于采用譜方法带来的近似影响，本次计算应严格使用积分法完成；另外，在计算中使用remove～restore技术，充分发挥国内外高阶地球重力场模型在确定似大地水准面中的重要作用，确保似大地水准面的精度。

5.2.7 GPS水准计算实测似大地水准面（高程异常）

GPS水准为实测似大地水准面（高程异常），计算公式如下：

式中：——GPS大地高，单位为m；——正常高，单位为m。

5.2.8 任一点重力似大地水准面的计算

在完成规则格网重力似大地水准面计算后，为完成对重力似大地水准面的拟合计算，需要计算GPS水准点的重力似大地水准面。对任一GPS水准点重力似大地水准面的计算，可采用双线性内插或Shepard插值法完成。

5.2.9 区域重力似大地水准面拟合计算

采用多项式拟合、最小二乘配置、球冠谐函数、薄板样条函数、多面函数等多种拟合方法对重力似大地水准面进行拟合纠正，最终采用可靠的拟合方法，求得适配于该区域的GPS水准网的最终似大地水准面模型。

5.2.10 必鲁峰区域似大地水准面的确定

充分利用必鲁图峰及周边地区较密集的重力点成果、数字高程模型、重力场模型及分布较均匀的、现势性较好的GPS水准成果，采用重力法（Molodensky原理）及移去（remove）～恢复（restore）技术，完成分辨率为2.5′×2.5′的高精度似大地水准面精化工作。主要工作内容如下：

5.3 必鲁图峰正常高计算

根据已确定的必鲁图峰地区的似大地水准面，结合控制点GPS测量成果，确定必鲁图峰峰顶及周边控制点的正常高。

5.4 必鲁图峰正高（海拔高）确定