GPS高程转换常用方法评价及精度分析

GPS高程转换常用方法评价及精度分析

沙建恒

阳江市测绘地理信息中心(阳江市海域使用动态监测中心) 广东阳江  529500 

摘要：GPS高程既有优点也有缺点，优点是实时，快速，需要较少的人力，缺点是不能直接应用于实际应用中。但随着社会的高速发展，测量技术的日益进步，软件的更新，GPS 高程也受到了越来越多的关注。GPS高程转换是指由GPS所测得的大地高转换为正常高。国内外在GPS高程转换的方法上做出了比较成熟研究成果。本文就是在此基础上对GPS高程转换的方法及精度进行了分析，以供同行参考。

关键词：GPS；高程转换；常用方法评价；精度分析；

引言

GPS高程测量具有高效性和实时性，使其逐渐替代经典的精密水准测量成为当前研究的热点，可满足当前测量动态化和现代化技术的要求。本文主要在国内外GPS高程转换研究的基础上，结合实测数据对现有方法进行讨论。在现阶段，国内外学者进行GPS高程转换可用的方法有重力法和数值逼近法，但在实际应用中，由于重力施测的困难性，相对成本较高，加之一般生产单位由于保密等原因无法获取重力数据，使利用重力法进行GPS高程转换成为一种难以推广的方法，较为常用的方法仍然是数值逼近法。其中，数值逼近法主要分为几何逼近法和神经网络法。

1.GPS高程转换的重要意义

GPS 定位系统由于它具有明显的优势，对传统的测量高程的技术显然是一次强有力的冲击。GPS在平面坐标的测量方面的优势是显而易见的，它的弱点就在于高程方面，若测绘工程中不需要正常高，比如在沉降监测等工程应用中，那么这个弱点就不那么明显，我们可以直接利用GPS高程。但往往我们在一般的测量中需要使用我国的高程系统，也就是正常高系统，这时候GPS的不足就显现出来了，这点大大降低了它的在测绘领域的广泛应用，因而也掩盖了它在效率、经济性、实时性、三维性等优势。这时就需要有一定的方法进行GPS高程和正常高之间的转换，可以的得到正常高，其次，在得到大地高的同时还要保证其精度的要求。我国所采用的高程是正常高系统，正常高是以似大地水准面为参考面，大地高和正常高之间存在着高程异常值，所以就要把GPS测量的大地高和正常高做出转换才能进行实际应用，在转换过程中求出高程异常值，然后根据拟合模型求出所有GPS点的正常高，也就是如何在拟合GPS高程点时能更迅速，更准确的求出相应的正常高。

2.影晌GPS高程测量精度因素　　

2.1卫星实际分布因素

卫星实际分布因素是影响GPS高程测量精度的一个重要因素。在测量平面位置时，可以通过对时间段的观测和选择的卫星来保证卫星呈基本对称分布，进而减弱或者消除测量距离中的偏差、卫星信号传播过程中引发的延迟误差等其他误差对平面位置的影响。但是，对于高程测量来说，被观测的卫星基本全部处在地平面以上，呈不对称的分布状态，因此，很多系统误差较难得到很好的消除，这对于高程测量精度有重要的影响。

2.2对流层延迟改正的残差因素

对流层延迟改正的残差问题是影响GPS高程测量精度的另一个重要因素。在高程测量中，对流层延迟改正不完善，就会产生一定的误差，而高程分量的精度主要受到这个方面的影响，尤其对短基线造成的影响更明显。对流层改正的精度受到下列因素影响：1)对流层延迟改正模型自身的误差；2)气象元素的量测误差，尤其是气象元素的代表性误差；3)大气的实际与理想状态之间存在的差异。

2.3基线起算点坐标误差因素

基线起算点坐标误差因素是影响GPS高程测量精度的第四个因素。解析基线向量时，一般会应用该基线向量的一个端点作为起算点坐标，因此，若基线计算点存在误差，基线向量的结算结果也会存在误差。例如，起算点的水平坐标存在10 m的误差，那么长度为10 km的基线向量的高度则会产生3 m的误差。

3.GPS高程转换的方法

GPS定位技术最近几年里在很多领域得到了广泛的应用，这归功于GPS有诸多优点，其中GPS测量数据精度高、测量速度快、节省大量的人力和物力等优点被人们普遍认同。所以人们在布设不同形式不同等级的控制网、建筑施工测量及放样以及建（构）筑物变形监测等方面都不约而同的给予了GPS测量大量的关注。使GPS测量在各个领域都显示出了它的三维、快速、实时的优越性能。对于GPS高程的不便性，国内外也给予了普遍的关注。国内外在GPS高程转换的方法上进行了深入的研究，以使GPS高程能更广泛的应用到测量领域。GPS高程转换实际上就是求出大地高和正常高的高程异常。当前我们可以归纳出国内外进行GPS高程转换的方法主要有以下几种：

3.1重力测量法

地球重力场直接反映了地球内部的密度分布。由于它在地球物理学、海洋学和空间技术中有着广泛的应用前景。且高程异常是地球重力场的参数，可以通过建立地球重力场模型求取高程异常值，地球重力场模型由一组重力位系数表示。利用重力场模型可以根据点位信息计算出点位的高程异常值。这种方法在地形复杂的地方使用起来时非常实用，也是比较可靠的一种求解高程异常值并计算出正常高的一种方法，比如在山区和丘陵地带。但是在地形条件好的地方这种方法过于复杂，不如以下几种方法简便。因为这种方法要有大量的重力测量资料，并且这些资料的精度要高，这个条件在一般情况下比较难以实现。所以也限制了重力测量法转换GPS高程的应用。

3.2数值遇近法

通常采用利用数学模型解算某地区的高程异常值就是数值逼近法，其原理可以总结如下在测区范围内，选取若干已知水准点，这些水准点的正常高是已知的，然后可以在这些已知的水准点上进行GPS测量，得到这些已知点的大地高，有了大地高和正常高后可以利用公式求算这些已知点的高程异常值，接下来利用这些高程异常值模拟一个数学模型。这个数学模型就是用来拟合这个测区内点的高程异常值的。这个测区内的任意一点都可以根据数学模型内插出高程异常值。高程异常值有了，接下来的高程转换就非常方便了，只要用GPS测量出的大地高减去求算出的高程异常值就可以得到所要的正常高。

4.GPS高程转换精度应用

GPS高程能否满足相应工程应用需要，取决于GPS高程精度的高低。对于GPS高程精度，可依据《国家三、四等水准测量规范》限差要求来评定，可采用三种水准路线来计算高差闭合差（三种水准路线为任意两计算点构成一条附合水准路线、在任一计算点与任一检查点上建立的一条附合水准路线或任意两检查点构成的一条附合水准路线），根据GPS高程精度评定限差，将计算得到的高差闭合差与限差进行比较。

1）GPS高程转换的精度，受GPS基线解算及平差精度、几何水准精度、转换模型及参与计算点的个数与分布等因素影响较大，在进行GPS高程转换时，高精度的GPS测量和几何水准测量、合适的转换模型以及数据粗差剔除是保证GPS高程转换精度的重要基础。

2）基于二次曲面-RBF神经网络组合模型的GPS高程转换思路可行，组合模型中二次曲面能较好拟合高程异常中趋势平滑的中长波项，而其RBF神经网络可对高程异常中短波项及二次曲面部分模型误差进行改正，组合模型结合了二次曲面及RBF神经网络的优点，转换精度优于两种单一模型。

3）在利用RBF神经网络进行建模时，数据预处理及参数的优化有助于增强模型的泛化能力。但由于RBF神经网络模型在进行GPS高程转换时物理含义不明确，组合模型的转换效果有待进一步研究检验。

5.结束语

GPS高程测量技术为确定大地水准面提供了新的办法，也提高了作业效率。但是在实际运用中，GPS高程测量精度受到若干因素的影响，因此，提高GPS高程测量精度的措施对实际生产运用有重要的指导作用。与实际情况结合，通过低成本、高效、高质方法提高GPS高程测量精度，具体推广意义。

参考文献

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