小区域GPS高程控制测量分析研究

小区域GPS高程控制测量分析研究

赵远汪杰黄振杨

南京交通职业技术学院路桥与港航工程学院江苏南京211188

摘要：在研究GPS高程控制测量的相关问题中，可以通过实验分析法进行研究。利用若干台GPS接收机，以相对静态定位的方式来对控制网进行测量。同时，对于GPS高程测量还应通过多时段测量的方式进行，并对采集所得数据加以处理，对测量精度进行分析，在此基础上对GPS高程控制测量的使用范围以及影响因素进行探讨，从而得出小区域GPS高程控制测量的主要方法。

关键词：小区域；高程控制测量；分析

目前，随着社会的不断发展以及科学技术的不断创新，测量技术也得到了持续更新，对测量技术进行控制的有效途径也越来越多。从目前来看，人们对测量的要求也越来越高，因此，改善测量工具，并提升测量工具的使用效率和准确度是当前重点研究的内容。GPS测量技术作为先进技术在社会中已经得到了广泛的应用，众所周知，GPS相对静态定位能够满足各级别的平面控制测量要求。也能够达到工程测量的相关精度要求，但是一直以来，高程控制精度测量并不被认可。此次研究以实验作为主要方法，对小区域的GPS高程控制测量进行研究和分析，并在实验的基础之上，通过一定条件，并对GPS高程控制测量技术进行应用，从而使高精度高差得以获取。

1.高程精度的主要影响因素

1.1大地高的测量精度

大地高主要是通过椭球面作为参考标准的一种高程系统。大地高一般指的是地面上某一点沿着这一点椭球面的法线至大地水准面之间的距离，而正高则是地面某一点沿着垂直的方向至大地水准面之间的距离。因对大地水准面进行确定的难度通常较大，致使正高根本未能够有效获得。为了使这一方面得到补充，相关研究人员对正常高系统进行了研究，主要是对大地的水准面进行了假设，形成了大地近似水准面，而正常高则是地面某一点沿着垂涎至大地近似水准面之间的距离。高程异常值即为大地高减去正常高之后所形成的差值。高程异常受地区地层密度以及地形变化所影响，而若要使正常高保持一定的精确性，则必须对高程差异值进行准确的获取。

GPS测量技术自产生以来，在很多领域中都取得了较好的应用。对于测量方面GPS技术也发挥着较大的作用，其能够保证测量的精度，尤其是应用于静态高程精度控制方面，有较好的效果，通过GPS技术的应用能够为高程差异值精准的计算提供条件，因此，被广大测量者所推崇。

1.2水准测量的精度

一般而言，对测量点的正常高的控制主要是通过大地高以及高程异常值所确定，其中大地高以及高程异常值在上述内容中以说明。所以水准测量的起算点精度深刻影响着高程约束平差的精度，并且水准测量的精度还需要符合小区域测量的相关要求。同时，水准高程点也受城市建设、矿产开发、地下水开发以及认为破坏等因素的影响，导致水准高程点容易出现偏差，因此，需要对GPS高程控制测量的整体精度进行保证。

除此之外，测量区域范围之内的高程控制点个数是否充足，点是否均匀分布也会对高程测量的精度产生影响。

2.GPS高程控制测量精度提升的技术手段

对GPS高程控制测量的精度进行提升主要可从大地高测量、高程拟合模型以及高程控制点三个方面进行实现。以下便分别对这三个方面进行说明。

2.1大地高测量

在大地高测量方面所采取的技术手段主要包括以下五点：

（1）通过同步观测进行求差。对卫星星历产生的误差进行减小，并对对流层产生的影响减弱，对电离层产生的影响减弱，这些方面的措施有很多种，但是对于GPS高程控制测量过程中所采取最为简单的方法便是同步求差法。这种方法主要的依据在于，当2个观测点之间的距离所差较小的情况下（一般在20km之内），卫星星历产生的误差、电离层产生的影响以及对流层产生的影响会基本相同，利用同步求差法便能够使2个观测点产生的误差得以消除，但前提是需要保证同步观测，并且还应该保证观测间距上限。

（2）对合适站址进行选择。即使2个GPS观测站之间没有必要进行互相通视，但是应该注意到2个观测站之间的距离和位置。因此，需对相关的标准和规范进行满足的前提下，还应该注意多路径效应所产生的影响，例如，GPS观测站应与大面积水面保持一定的距离，并且应该远离高层建筑等。

（3）GPS信号衍射出现的误差应该通过环境建模法进行减小。一般情况下，GPS相关的数据处理软件会把接收到的电磁波信号当做传播信号，事实上，在小区域范围内GPS高程测量过程中出现的衍射误差是无法进行避免的，从而GPS信号会形成冗杂的弯曲路径传输信号。对于此类信号，西南交通大学的熊永良教授提出了环境建模法，可以有效的减弱对其产生的不良影响。

（4）对天线的高度进行准确的测量。GPS高程测量误差形成的主要原因之一便是天线高度测量误差，并且这一项测量往往会被测量人员所忽略，在进行野外作业的过程中，通常对天线的斜高进行测量，所以应该将天线圆盘划分为三等分，并按照这三个方向对天线高进行测量，这三次测量所得结果之差应该在3mm之内，并且还应该将三次测量结果作为依据，取得平均值。除此之外，野外测量的过程中若测量天线的类型存在差异，则应该对高度中的相位中心变化量多加注意。

（5）对GPS网图形结构进行优化设计。GPS控制网在高程测量精度方面与其图形结构存在一定的联系，但使高程测量精度质量受到影响的主要因素还是基线的数量及权阵。但若要保证高程测量的精度，各方面影响因素都应该进行合理的控制。

2.2高程拟合模型的选择与应用

为了使GPS测量区域范围之内待定点和控制点的正常高得以推求，一般情况下需要通过拟合的方法对大地水准面进行假设。拟合方法之中比较常见的方法包括数字拟合法、多面函数法、平面拟合法、样条函数法以及二次曲面拟合法等。为了对高程异常值进行精确化，目前在进行GPS高程控制测量过程中，比较常用的方法为数值拟合法和二次曲面拟合法。

2.3高程控制点

若要使得通过拟合得出的GPS高程点可以对相关测量的标准和要求得到满足，应该对高程起算点精度进行保证，主要包括点位稳定性和精度等级。与此同时，拟合过程中需要的水准点数量也应该得到满足，一般情况下应该在6个以上，并且还应该尽量保证各点均匀分布，除此之外，若测量区域的范围过大，并且区域之中地形地貌存在较大的差异时，为了使拟合的精度得到提升，应该将测量区域划分为若干块，并在各块分区之中建立相应的模型，从而使拟合的效果得到提升。

3.测量实验的设计

3.1实验选地概况

实验选取部分区域的GPS网，通过对GPS水准法进行测量，也就是通过几何水准对一部分GPS点进行联测，联测的内容为正常的点高，同时，通过数值拟合法对测量区域的近似大地水准面进行求出，并对未进行联测的GPS点高程测量，进而对此类正常的GPS点高进行求得，然后在对数据进行比较和分析。

对于测量区域的选择方面，所选区域具备南低北高的地势特征，南北地势高差在10m以内。在测量区域范围之内，依据控制点的择取原则，建立点位共计14个，测量区域的总体面积近1000亩，使用6台型号为zenith15的GPS接收机，同时形成3个同步观测环，各同步观测环之间的连接方式为边连接，并以JM2JM11边以及JM4JM10边作为公共边，还依据四等水准的相关测量要求对测量区域进行联测。

3.2测量实验分析

根据测量实验设计可知，全网所涵盖的观测点共计14个，生成基线共计42条，形成的闭合环共计125个，在125个闭合环之中，包含了78个同步环，其余为异步环，通过测试分析结算可得知，先验中误差10.0，W-检验临界值1.96，临界值T-检验（2维）2.42，临界值T-检验（3维）1.89，F-检验临界值0.95，F-检验值0.46，可以接受。据此可对数据解算结果的可靠性进行肯定，并且可以将其当做高程拟合过程中的基准数据，见图1。

根据上图数据可通过计算得出，3个已知点和4个已知点的高程拟合所产生的正常高同大地高的高差变化较小，前者的为12.375m，高程异常值平均为0.31m；后者的为20.194m，高程异常值平均为2.8m。且两者高程异常的RMS值仅为0.034。通过上图能够观察到，通过3个已知点所产生的正常高同4个已知点所产生的正常高进行对比可知，两者差异不大，或者说基本上达到了一致，因此，可以说明高程异常值所产生的变化比较小。

通过以上实验所形成的数据进行对比能够得出：在一个小区域的范围内，高程异常值发生的变化通常比较小，而在对大地高向正常高转换的过程中，对高程异常值进行确定是转换过程的重点，由于高程异常值产生的变化比较小，所以在对拟合条件进行满足的情况下，实施高程拟合，所求得的精度差异也比较小。

（5）水准测量被GPS高程测量所取代的可行性实验

通过GPS对高程误差进行测量，并将这种测量方法与水准测量相应的规范中所规定的限差加以对比，可将四等水准限差取值为；图根高程测量限差取值为，其中，L即为最近起算点与GPS高程点之间的距离，此距离单位为Km。选择已知点4个，通过平差能够获取GPS高程的结果，并将其结果和同名点水准测量形成的结果之差所产生的值与水准测量规范之中相关规定限差进行对比实验。此次实验主要选择JM7、JM4、JM10以及JM11这4个已知点，最小的条件下所求得的高程同水准高程之间加以对比，对比的结果见表3。

表3水准高程与GPS高程的对比结果

通过上表可以看出，在测量区域范围内，4个已知点大概占总点数的30%的情况下，若在点位选择方面良好的情况下，所形成的拟合高程有可能达到四等水准的限差要求。若在点位选择方面比较一般的情况下，所形成的拟合高程能够达到图根高程的限差要求。

4.结束语：

综上所述，随着我国科学技术以及测量技术的发展，GPS技术应用于高程控制测量也会越来越多，在采用GPS技术进行测量的过程中，应该选择适当的模型，并在各项工作中注意相关的标准和要求，保证拟合精度，才能够使得GPS高程控制测量的有效性得到提升。

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项目来源：南京交通职业技术学院2018年大学生创新项目<<基于高程控制网建设的研究>>