GPS跨河水准测量的理论与实践

GPS定位技术运用于跨河水准测量的理论与实践目录第一节GPS定位技术运用于跨河水准测量的理论依据1第二节GPS定位技术运用于跨河水准测量的适用范围5第三节GPS定位技术运用于跨河水准测量的布点要求5第四节GPS技术运用于跨河水准测量中GPS观测及数据处理7第五节GPS定位技术运用于淮扬镇新建铁路项目跨河水准测量9第一节GPS定位技术运用于跨河水准测量的理论依据1GPS大地高，水准测量的正常高，高程异常GPS测量是以WGS84椭球面为基准,在WGS84地心坐标系中进行的,所提供的高程为相对于WGS84椭球的大地高,遗憾的是相对于WGS84椭球的GPS大地高是没有物理意义的,只是一个假定的高程系统,而实际工程应用中采用的是以似大地水准面为基准的正常高系统。所以,在实际应用中一般要将GPS大地高转化为目前我国使用的正常高我国现有的高程资料基本属于黄海56高程系或85高程系。进行GPS高程转换要考虑WGS84椭球和本地参考椭球的差异以及大地水准面和似大地水准面相对本地参考椭球的高差,即大地水准面高和高程异常。大地高、正常高和高程异常之间有如下关系HGHN其中,HG为大地高HN为正常高为高程异常，高程异常，即同一测站点以WGS84为基准的GPS大地高与以似大地水准面为基准的正常高之间的高程异常。其几何关系见下图高程异常变化值，高程异常变化率高程异常变化值当测区中某一个点A既用GPS定位技术测得其GPS大地高HGA，又用常规高程测量方法测得其正常高HNA,我们就可以求出A点的高程异常值；AHGAHNA同样，当测区中某一个点B既用GPS定位技术测得其GPS大地高HGB，又用常规高程测量方法测得其正常高HNB,我们就可以求出B点的高程异常值。BHGBHNB测区中AB两点的高程异常变化值即为ABABHGAHNAHGBHNB高程异常变化率当AB两点的水平距离为LAB时，那么AB两点高程异常变化率即为VABAB/LAB跨河水准测量理论依据高程异常变化值，以及高程异常变化率在工程实践中应用非常广泛，其内涵及外延各种论述专著各有不同，本文上述两个概念是专为论述跨河水准测量而设，仅以此文为限。高程异常产生的物理原因如下第一地球是一个类椭球，而非严格意义上的椭球。在某些区域地球形状与几何椭球相去甚远。第二组成地球的介质的质量分布不均匀。由于万有引力定律得知，各地地球重力加速度分布不均匀，造成似大地水准面与WGS84椭球面不一致。知道了高程异常产生的物理原因，我们就容易明白高程异常规律难寻，因此，GPS定位技术在水准高程方面一直存在难以逾越的障碍，但高程异常变化在对于某一具体位置而言是恒定的，他取决于该地地球的形状及该地地下介质的质量（即该地的重力加速度），同时，对于某一个区域而言高程异常变化值是有规律可循。地球的介质的质量的变化，导致该地重力加速度的变化。从而导致高程异常变化，但是，对于某一个区域而言，地球的介质的质量的变化是渐进的过程，这是地球在几亿年的变化的过程中逐渐形成。从而导致重力加速度的变化也是渐进的过程，最终导致高程异常变化也是渐进的过程，因而，对于某一个较小区域而言，高程异常变化率呈现逐渐递增或者逐渐递减的变化趋势。对于一条直线而言，如下图所示从AB区间的高程异常变化率，到BC区间的高程异常变化率,到CD区间的高程异常变化率，必然是一个渐进的过程。因此AB区间的高程异常变化率是BC区间的高程异常变化率与CD区间的高程异常变化率的平均值。如下列公式所示VBC（VABVCD）/2长江ABCD跨河点非跨河点这就是GPS定位技术运用于跨河水准测量的理论依据第二节GPS定位技术运用于跨河水准测量的适用范围当海拔高度超过500米的地区，不宜进行一二等水准测量，当海拔高度超过多少米的地区，不宜进行三四等水准测量，在测量规范没有规定，本人认为应根据实地情况，具体确定，当河两端的高程异常变化率差值超过每公里15MM时，不宜采用GPS定位技术进行三四等跨河水准测量。这既考虑了仪器系统误差，也考虑人为观测误差，同时考虑三四等跨河水准测量限差要求。当海拔高度超过500米的地区，河面宽度小于1000米，河两端的高程异常变化率的差值小于每公里15MM时，本人认为可以采用GPS定位技术进行三四等跨河水准测量。当河两端的高程异常变化值大于每公里70MM时，不宜采用GPS定位技术进行一等跨河水准测量。当河两端的高程异常变化值大于每公里130MM时，不宜采用GPS定位技术进行二等跨河水准测量。当河两端的高程异常变化值大于每公里200MM时，不宜采用GPS定位技术进行三四等跨河水准测量。第三节GPS定位技术运用于跨河水准测量的布点要求GPS跨河水准测量应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。在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。GPS水准点尽可能选在水准测线附近，并有利于进行GPS观测及水准连测。应避开土质松软、强磁场地段以及行人、车辆来往较多等场所。三四等跨河水准测量中，非跨河点（A、D）宜位于跨河点（B、C）连线的延长线上，点间距大致与跨河距离相等，非跨河点偏离跨河方向轴线的垂距不得大于BC的14。长江ABCD跨河点非跨河点二等跨河水准测量中，非跨河点（A、D）宜位于跨河点（B、C）连线的延长线上，点间距大致与跨河距离相等，非跨河点偏离跨河方向轴线的垂距不得大于BC的125。二等跨河水准测量中，非跨河点（A、D）宜位于跨河点（B、C）连线的延长线上，点间距大致与跨河距离相等，非跨河点偏离跨河方向轴线的垂距不得大于BC的125。当跨河距离小于2公里时，同一河岸非跨河点距跨河点的距离以2公里为宜。第四节GPS技术运用于跨河水准测量中GPS观测及数据处理本文所说GPS观测及数据处理仅适用于三四等跨河水准测量，为保证GPS所测基线及大地高正确性，三四等跨河水准测量中GPS观测规定严于国家B级网的要求，松于国家A级网的要求。GPS测量作业的基本技术要求（1）全部仪器、光学对中基座生产作业前都必须按要求进行检校合格且应在有效检定期内才能投入使用。所有仪器在观测前统一进行设置数据采样间隔10秒，设置高度角为15度。（2）观测前，应做好星历预报，避开不利于观测的时间段。级别项目卫星高度角（）15有效卫星总数4时段长度（MIN）120观测时段数4数据采样间隔（S）10静态测量PDOP或GDOP6（3）观测时，天线整平对中误差不得大于1MM，每时段观测前后各量取天线高一次，两次互差小于2MM，并取其平均值作为最后结果。双时段观测时第二时段仪器必须重新对中整平，重新量取天线高度。（4）观测过程中按规定填写观测手簿。观测点名、仪器高、仪器号、时间、日期以及观测者均应详细记录。GPS数据处理GPS基线解算应符合以下要求基线解算应采用双差相位观测值。采用精密星历作为基线解算的起始值。基线解算的起始坐标应采用GPS连续运行站坐标。基线解算时，应以2H为一单元，将连续观测数据截断并划分为多个时段进行基线解算，使每一个同步观测图形各基线边具有至少4个时段的重复基线处理结果。”基线解算方案可采用单基线或多基线模式，应采用双差固定解作为基线解算的最终结果。GPS基线解算的质量检核基线处理数据采用率不低于80。采用单基线处理模式时，同步时段中任一三边同步环的坐标分量相对闭合差应小于20PPM，环线全长相对闭合差应小于30PPM由独立基线构成的异步环坐标分量闭合差和全长闭合差应满足WX2N；WY2N；WZ2NW2N3重复基线的长度互差（DS）及大地高高差互差（DH）应不大于2N以上式中一相应测量等级基线长度标准差，单位为毫米（MM）跨河水准测量GPS网平差处理在基线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同的无约束平差。无约束平差应提供各点在三维地心坐标系下的三维坐标、各基线向量改正数和精度信息。无约束平差基线向量改正数绝对值应满足XV3；Y3；ZV3一相应测量等级基线长度标准基，单位为毫米（MM）。否则应认为该基线或附近基线存在租差，应在平差中采用软件提供的自动方法或人工方法剔除，直到满足上式要求。第五节GPS定位技术运用于淮扬镇新建铁路项目跨河水准测量淮扬镇铁路北起江苏淮安，位于江苏省中北部的纵向中轴线上。线路北起苏北淮安市，与京杭运河、京沪高速铁路并行，向南经苏中扬州市（宝应、高邮、江都），跨长江后止于镇江市。测区位于东经1190011947，北纬32013338。测区内水系密集，河流众多。淮扬镇铁路由中铁上海设计院集团有限公司承担勘察设计，中铁上海设计院委托中铁第一勘察设计集团有限公司航测遥感处承担基础控制网的测量及12000航测图测量。本项目共从事5处跨河水准测量。跨河长度分别为1899米，1744米，1596米，1019米，2019米，下面就世业洲跨河水准说明如下这是推荐线路方案跨越长江的情景，该处位于江苏省镇江市世业镇。世业镇又称世业洲，是长江上仅次于崇明岛第二大岛屿，长江在此处分开为两条河，经过世业洲后又合为一条河，长江上润扬大桥即从此穿过。其测量数据及计算过程如下表BM05719GPS2830B5M1差6038,差4,差097,差差差点号大地高椭球高差椭球距离水准高差高差异常变化值高差异常变化率高差异常变化率均值高差异常变化值水准高差GPS13187013BM599490307892134604807998001080005059485BM5994903GPS1308790700320871603509178E050000106274070041GPS130879BM588841900519162749060043500084000516132HGPS130HBM59070041点号大地高椭球高差椭球距离水准高差高差异常变化值高差异常变化率高差异常变化率均值高差异常变化值水准高差GPS12989238BM1108935700119206705850006000590002854298BM11089357BM10967493218641690567600042792760007234405217917BM10967493BM0574121626277209413082603800239001141285HGPS109HBM110217917从上表可以看出第一处跨河水准中南端高程异常变化率为0005059485M/KM北端高程异常变化率为000516132M/KM跨河处高程异常变化率为509178E05M/KM。跨河处高程异常变化值为0000106274MGPS130与BM59椭球高差值07003MGPS130与BM59