GPS跨河水准测量的理论与实践

1、GPSt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1 GPS大地高，水准测量的正常高，高程异常GPS测量是以WGS-84椭球面为基准，在WGS-84地心坐标系中进 行的,所提供的高程 为相对于 WGS-84 椭球的大地高 ,遗憾的是相对 于WGS-8

2、4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WGS-84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 :HG=HN+ E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WGS-84为基准的GPS大地高与以似大地水准面为基准的正

3、常高之间的高程异常。其几何关系见 下图2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大地咼HGA，又用常规咼程测量方法测得其正常咼HNA,我们 就可以求出A点的高程异常值;直二H GA- HNA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B=H GB- H NB测区中 AB 两点的高程异常 变化 值即为ab =直-fe=( HGA- Hna)-( Hgb- Hnb)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

4、为：V E AB =三 AB / L AB3. 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 WGS-84 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

5、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

6、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：V E BC=( V E AB +V E CD) /2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1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

7、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。2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。3. 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。4. 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。5. 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

8、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1. 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。2. 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。3. 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1/4。跨河点。非跨河点4. 二等跨河水准测 量中，非跨河点A、D）宜位于跨

9、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1/25。5. 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1/25。&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，1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。2. GPS测量作业的基

10、本技术要求级别项目静态 测 量卫星高度角（ 15有效卫星总数4时段长度min） 120观测时段数4数据米样间隔S）10PDOP或 GDOPW61）全咅仪器、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

11、号、 时间、日期以及观测 者均应详细记录。3. 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2.0ppm,环线全长相对闭合

12、差应小于3.0ppm 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Wx 2 ” n d ; Wyw 2 n d ; Wz w 2 山 rWw2 ,3n d 重复基线的长度互差as）及大地高高差互差dH）应不大于 2 n以上式中：厂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：V

13、店 3b； V凶 3b； V应 w 3（T严一相应测量等级基线长度标准基，单位为毫米（hm）。 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119 02119 47,：北韦32 0133 38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

14、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1:2000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A BM057差差 BM057BM109=2603.8,BMA BM109 毎BM110差差差差 BM058BM130=43. 5,差差 BM110BM129=-6,空空3仏GPS129令M059差差BM059BM13仁799. 8,BM131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

15、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：点号大地高椭球高差椭球距离水准咼差咼差异常变化值咼差异常变化 率咼差异常变化 率均值咼差异常变化值水准咼差GPS1318.7013BM599.49030.7892134.60480.7998-0.0108-0.005059485BM599.4903GPS1308.79-0.70032087.16035.09178E-050.000106274-0.70041GPS1308.79BM588.84190.05191627.49060.04350.00840.00516132HGPS130-HBM59=-0.70041点号大地

16、高椭球高 差椭球距离水准咼差咼差异常 变化值咼差异常变化 率咼差异常变化 率均值咼差异常变化值水准咼差GPS1298.9238BM1108.93570.01192067.05850.0060.00590.002854298BM1108.9357BM1096.7493-2.18641690.5676-0.004279276-0.007234405-2.17917BM1096.7493BM0574.1216-2.62772094.1308-2.6038-0.0239-0.01141285HGPS109-HBM110=-2.17917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 ：-0.005059485m/km. 北端高程异常 变化率 为 ：0.00516132m/km.跨河处高程异常变化率为：.09178E-05m/km。跨河处高程异常 变化值为 ：0.000106274mGPS130 与 BM59 椭球高差值：-0.7003mGPS130与 BM59 水准高差值：-0.70041m第二处跨河水准