gps技术在大地水准面中的应用

gps技术在大地水准面中的应用

0gps定位技术的应用过去，高距离控制的主要方法是几何水平测量和三角高距离测量。几何水准测量以其高精度而被广泛地应用于控制测量和施工测量中。当高精度的测距仪发明并应用于测绘行业后,三角高程测量也成为高程测量的主要手段之一。实践证明,三角高程测量可以代替三、四、五等水准测量,在各类测量规范中,对此都有相应的规定和说明。虽然三角高程测量和水准测量相比,在一定程度上减少了劳动强度,尤其在山区的控制测量中,但它受天气的影响较大,同时还受到竖直角测量和量取仪器高和觇标高的精度影响,且受到通视条件的制约。在山区控制测量中,高程控制测量采用水准测量时,是相当的辛苦,而且费时、费力,有时甚至十分艰难。从20世纪90年代开始,GPS(全球定位系统)定位技术以其精度高、速度快、费时少,操作简便等优点被广泛地应用于控制测量和工程测量中。经过十几年的工程实践,在GPS测量技术方面积累了丰富的经验,到现在为止,GPS定位技术已经完全可以取代常规的测角、测距的方法来建立大地控制网和工程控制网。由于应用GPS测量技术可以快速准确地获得高精度的3维测量数据,不仅大大地提高了工作效率,而且也减轻了野外的劳动强度,是控制测量作业的首选方法。可以说,GPS定位技术的应用带来了测量方法的历史性变革。我国从20世纪90年代开始,在全国范围内布设了国家A级和B级网。其中B级网共布测了818个点左右,总的独立基线数2200多条,平均边长在我国东部地区为50km,在中部地区为100km,在西部地区为150km,经过整体平差后,点位地心坐标精度达到±0.1m,GPS基线边长相对中误差为2.0×10-8的精度,高程(大地高H)分量相对中误差为3.0×10-8。由此可见,这个精度是我们用常规的传统方法无法达到的。但是,由于GPS定位结果给出的是相对于WGS-84椭球的大地高H或大地高差ΔH,而我国的高程系统采用的是正常高系统,地形测图及工程建设都是依据水准高程,GPS定位提供的高程分量还不能直接应用。因此,必须把GPS测定的大地高转换成实用的正常高。由于将大地高H转换成正常高Hr的计算没有统一的严密的数学公式,受外部的影响因素较多,一直处于试验阶段。有关的测量规范对GPS高程测量的应用也未作明确的规定。但是,如果对GPS测定的高精度的大地高差ΔH的信息不加以利用而放弃了的话,就没有充分发挥GPS测量的优越性。所以,如何充分利用GPS定位技术提供的高精度高程分量是学术界及生产单位研究的重要课题。1降低地表面质量高程测量的基准面就是指地面点高程的起算面。由于地球表面是一个曲面,所以高程起算面也是一个曲面。常用的高程基准面有大地水准面、似大地水准面和椭球面。根据不同的高程基准面就有不同的高程系统。1.1重力加速度agdh地面点沿铅垂线方向到大地水准面的距离称之为正高,即海拔高。地面上A点的正高可表示成:HAg=1gAm∫OAgdhΗgA=1gmA∫ΟAgdh式中,gAmmA为A点沿铅垂线方向到大地水准面的这段距离上的重力加速度的平均值。由于gAmmA不能精确测定,所以严格地讲,地面上一点的正高是不能准确求得的。1.2正常重力计算地面点沿铅垂线方向到似大地水准面的距离,称为正常高。地面上点A的正常高表示成:HAr=1rAm∫OAgdhΗrA=1rmA∫ΟAgdh式中,rAmmA是A点沿铅垂线方向到似大地水准面距离上的平均正常重力值,可以通过计算得到g值再由重力测量的结果求得,dh由水准测量结果求得。因此,地面某点的正常高可以精确求得。需要指出的是似大地水准面是一个与大地水准面相距很近的曲面,正高与正常高(即两水准面间的距离)在平原地区只有几个厘米,而在高山地区也不过只有2m。1.3同一部分的土地高差和gps测量地面上的点沿参考椭球面的法线到参考椭球面的距离叫该点的大地高,也称为椭球高,用符号H表示。大地高是一个纯几何量,不具有物理意义。在不同的椭球基准面上,同一点的大地高是不同的。两点之间的大地高差ΔH可直接由GPS测量得到。3种高程系统之间的关系如图1所示。大地水准面到参考椭球面的距离称为大地水准面差距hg,于是大地高H和正高Hg的关系式为:H=Hg+hgΗ=Ηg+hg似大地水准面到参考椭球面的距离称为高程异常ζ,于是大地高H与正常高Hr之间的关系为:H=Hr+ζΗ=Ηr+ζ由于GPS测量得到的是大地高,要求出地面点的正高Hg或正常高Hr,就必须先求出该点处的大地水准面差距hg或高程异常值ζ。2重力场模型法与gps高程异常法的区别GPS测量能够提供WGS-84大地坐标下的3维基准线向量(ΔX,ΔY,ΔZ),通过网平差就可以得到相应于WGS-84椭球的大地高H或大地高差ΔH。大量的实践资料表明,大地高H(或ΔH)的精度与平面坐标的定位精度是相当的。根据上面的公式可知,利用GPS高程测量来求取正常高Hr,就必须加上高程异常值ζ的改正。对于一个测区或区域来说,求定点的高程异常值实质上就是确定局部的似大地水准面。目前确定(似)大地水准面的方法主要有:几何水准法、重力场模型法及几何水准与重力场模型组合法。几何水准法就是在GPS网中选取均匀分布的一些GPS点进行水准联测,利用GPS测出的大地高和水准测量出的正常高,计算出这些点的高程异常,然后采用数学方法利用这些点的位置及高程异常值拟合出测区的高程异常ζ与点的平面位置(X,Y)的一个函数关系ζ=f(X,Y),从而得到测区的一个局部似大地水准模型。利用这个模型就可以求出其他点的高程异常值,根据公式Hr=H-ζ即可求出该点的正常高Hr值。高程异常是地球重力场的一个参数。重力场模型法就是利用高阶次的地球重力场模型如EGM96、OSU91A、WDM94等,根据该点位信息,直接求出该点的高程异常值。用求出的高程异常值就可以确定似大地水准面。椐有关资料介绍,应用我国的WDM-89模型,在沿海平原地区计算出来的高程异常值ζ可达到厘米级的精度,在山区可达到0.2m的精度,而在西部高山地区精度为1.0～1.5m,这是因为重力点密度不足造成的。在大区域的范围内确定大地水准面主要是采用几何水准和重力学方法相结合的组合法。这种方法通常是先应用移去—恢复原理和IDFFT技术计算重力大地水准面,采用多项式拟合法或其他拟合方法将重力大地水准面拟合到GPS水准确定的几何大地水准面上,以达到精化局部大地水准面的目的。对于重力大地水准面和GPS水准面之间的残差,可利用Shepard曲面拟合法,如加权平均法及最小二乘配置等对于剩余残差进行格网拟合,并将拟合结果与消除了系统误差之后的重力大地水准面叠加,得到大地水准面的最终数值结果。在一个较小范围内建立的GPS控制网中主要运用几何水准法对GPS高程进行拟合以获取GPS点的正常高。用于拟合的方法较多,主要有多项式曲线拟合法、多项式曲面的拟合法、样条函数法、多面函数法等。由于二次曲面的数学模型简单,所要求的已知水准点较少,所以,很多GPS软件都提供了这种方法对GPS高程进行拟合,用最小二乘法原理确定拟合曲面的系数,能够较精确地得到待定的高程异常值。3“0.2.2”测区模型的建立及验证选择合适的方法确定区域的似大地水准面,充分利用GPS高程信息,以代替水准测量或三角高程测量的方法得到正常高Hr的研究试验自20世纪90年代就开始了。1992年武汉测绘科技大学在河北某测区的试验表明,只要联测GPS网中1515点的几何水准,拟合出的似大地水准面的精度可达2cm,用GPS测出的正常高的误差约为3cm,当边长为4km以内时,正常高测定精度为2cm。在南水北调西线工程区中,国家大地测量数据处理中心利用测区及周边一定密度的重力资料和数字高程模型DEM,建立了测区的重力大地水准面,然后应用GPS/水准资料作为控制,将重力大地水准面拟合到由GPS水准确定的几何水准面上,完成了南水北调西线工程区高精度大地水准面模型。经检验内部符合中误差为±8.6cm,最大误差为±18.0cm。黄委会勘测规划设计研究院总队和国家测绘局大地测量数据处理中心在塔里木河流域综合治理工程中利用该地区及周边现有的重力资料、地形资料、30″×30″分辨率的DEM模型、360阶次的国内外先进的重力场模型(EGM96)、GPS/水准成果以及水准点成果,采用重力法(Stokes,Molodensky原理)及移去—恢复技术完成了该地区分辨率为(ΔB)2.5′×2.5′(ΔL)精度优于±0.15m的似大地水准面。该测区共测量了86个高程控制点,用得到的似大地水准面计算这些控制点的高程值与已知高程值进行比较,其中差值最大的为-0.160m,最小的为-0.000m,大于0.1m的仅有8个点,计算得到的高程中误差为±0.088m,说明该似大地水准面成果完全能满足测绘1∶10000的地形图的要求。宁夏回族自治区第一测绘院和国家测绘局大地测量数据处理中心合作,在卫宁测区确定了高精度的似大地水准面。他们采用了高阶次的地球重力场模型EGM96完成了模型大地水准面及重力异常的计算;应用30″×30″的DEM模型,经过地形改正、均衡改正和拟合及移去—恢复技术完成了分辨率为2.5′×2.5′(5km×3km)的似大地水准面模型。得到的测区似大地水准面的内部符合中误差为±5.0cm,最大误差为13.1cm。同时,也作了外部的检验,检验结果为:西北区最大差值为9.8cm,中误差为±5.35cm;东南区最大差值16.3cm,中误差±6.63cm。两区的外部检验结果其中误差均在±10cm以内,最大差值不超过20cm。该测区高精度的大地水准面成果已全面应用于1∶10000地形测图中。用几何水准对像控点进行高程检测,精度完全满足要求。4继续精化区域蛋糕水准面GPS高程测量在实际应用中的主要问题是要求得GPS点的高程异常值,确定和精化测区的(似)大地水准面是GPS高程应用的关键。GPS技术结合高精度的(似)大地水准面模型,可以改变传统的高程测量的方法,真正意义上实现GPS技术的3维定位功能,使得平面控制和高程控制有机地统一起来。因此,大地水准面的精化是一项具有重要实用价值的测绘工作。目前,我国新一代的似大地水准面模型(简称CQG2000模型)以分米级的总体精度覆盖了包括海域在内的我国全部领土范围。CQG2000模型的研制成功是我国精化似大地水准面的一个阶段性成果,其分辨率和精度达到了一个新的水平。在西部地区,CQG2000模型可以满足中小比例尺航测测图的需要,但是在中、东部地区,特别是沿海经济发达地区,由于大比例尺测图快速增长的趋势,CQG2000模型的精度还只是优于0.3m的分米级水平,所以不能满足要求。为了适应快速发展的经济建设、国防建设和科学研究对测绘工作的需求,继续精化我国区域大地水准面是国家测绘局在“十五”期间的基础测绘项目之一,目标就是要提高我国大地水准面的精度,使得在中小比例尺测图的高程控制测量中,能以GPS高程全面取代传统的水准测量和三角高程测量。为此,2003年国家测绘局启动了在浙江、江西、福建三省区域开展“精化区域大地水准面的试点”工作。在历时两年的努力后,该项目于2004年底完成,2005年2月该项目在北京通过国家测绘局验收。完成后的区域大地水准面,经外部56个GPS/水准点的检验,大地水准面精度为±6.2cm,分辨率为5′×5′,可以满足比例尺小于1∶1000测图对高程的要求。在精化区域大地水准面试点工作顺利完成后,国家测绘局在2004年年初和年底分别启动了华北和华中、华东地区区域大地水准面的精化项目,共涉及到12个省市范围。该项目的实施可以获得这些区域高分辨率的似大地水准面,使区域大地水准面的精度达到厘米级的水平,应用似大地水准面成果将逐步取代该区域低等级的水准测量。其中华东、华中区域涉及8个省市,总面积达到114万km。在华东、华中区域中,精化后的大地水准面,在城市及平地的精度将达到±8cm,能基本满足区域内一般工程及1∶2000或更小比例尺地形测图的要求;在山地和高山地的精度将达到±15cm,能基本满足1∶5000或更小比例尺地形测绘的需要。到目前为此,全国已有20多个省市建立了高分辨率、高精度的似大地水准面,其