GPS曲面拟合高程与水准测量高程精度分析

杜巧志

摘要：GPS定位技术日趋成熟，已被广泛应用于各项工程建设中。本文通过实例数据对GPS曲面拟合高程与水准测量高程两者的精度分析对比，可知控制网布设合理、观测时间较好的情况下，GPS曲面拟合法得到的高程精度已达到四等水准测量精度。在地形复杂、水准测量困难的山区，GPS曲面拟合高程可代替水准测量。

关键词:GPS曲面拟合;四等水准测量;精度分析

引言

为了满足工程建设和地形测量的需要，测区都要进行平面和高程控制测量。近几年以来，GPS卫星定位技术已在许多领域得到了广泛应用，目前使用GPS进行测量，能容易得到WGS－84系统下的3维坐标，将观测数据通过处理可以很容易得到观测点的国家或地方3维坐标，平面精度一般都能达到精度要求，但是得到的高程成果不一定满足工程建设要求，特别在山区误差更大。GPS得到的是大地高程(椭球高)，实际应用中所采用的高程为海拔高程(正常高)，两者之间存在高程异常值的差异。本文结合工作实际，从高程异常拟合函数、转换常数解算及实践应用等几方面，来论述GPS测量中拟合高程值代替等外水准的可行性以及应用。

1GPS技术概要及与工程测量相结合

GPS技术即为当今最为广泛使用的定位系统，全称为全球定位系统，其主要是依靠卫星的三点定位来实现在地面上的准确地理位置标记作用。其最早发展是由美国在上世纪七十年代提出的卫星导航计划而产生的，最开始用于军事用途，随时当今社会不断发展，各国也不断地研究卫星技术，至此其已经成为当前较为普遍性的民用导航技术，而且由于其技术特点，也逐渐应用到各个领域当中，并且应用成果不俗。GPS系统的整体组成主要是有空间部分、地面控制部分、用户设备这三个方面构成的。并且根据这三个主要构成进行卫星通信连接，实现整个导航和定位工作的完成。在我国目前的工程测量技术发展过程当中，其技术主要是进行测绘工作，并且工程测量的方面涉及到了勘测设计、施工、竣工、管理等多个环节。而在以往的工程测量技术当中由于因为我国科学技术发展较为落后，受到的制约和限制非常大，测量环节中误差以及测量效率都不理想。而当今的GPS技术的飞速发展，应用于我国工程测量中表现出非常乐观的发展前景。

2我国工程测量与GPS技术应用的发展现状及应用

在当今时代发展过程当中，从城市规划和建设到基础设施和道路交通的建设，对于工程测量的应用和需求越来越大。而全球定位系统GPS则是利用无线导航，依靠发射的人工卫星作为技术的基础，通过对于地面的三维坐标进行标记实现对于任何物体或是地理位置的确定。由于目前工程测量技术所面临的迫切发展的挑战以及越来越多的应用机会，建立较为完善和精准测量的工程测量技术是尤为重要的，为此对于加强工程测量技术的不断发展需要投入更加现今以及具备可使用的技术是当今工程测量技术和完成效果的重要基础。为此GPS技术则首当其冲，因为该技术精准的定位能力以及有效的节约成本等诸多有利效果，确定GPS技术在我国目前发展现状中应用到工程测量方面的可行性和未来发展的必要性都显而易见。

2．1高程拟合分析

将测区控制点分别采用下面7种方案进行高程拟合，并将各点的原四等水准高程和拟合高程进行比较，得出差值，结果见表1。其中参与代表采用的已知高程拟合点，其中方案1～方案4采用平面拟合方法，当已知点多于3个时采用最小二乘原理拟合;方案5～方案7采用曲面拟合方法，当已知点多于6个时采用最小二乘原理拟合。

2．2精度分析

方案分析比较:1)方案1与方案2比较来看，方案2的精度要优于方案1。通过布置方案可知拟合点分布在测区周围时，拟合效果更好。

2)方案2与方案3以及方案2与方案4比较来看，方案3，4的精度要高。由此可知对于平面拟合的方法，在点位分布均匀情况下，利用最小二乘原理的拟合算法可得到更好的拟合效果。3)方案4与方案5比较来看，方案5的拟合效果要优越一些，也就是说，二次曲面拟合精度有提高，但是不显著。

4)方案5与方案6及方案7相比较，三者的拟合精度并无明显差别，甚至会降低精度，说明并非拟合点越多，拟合效果越好，与拟合点在测区分布均匀状况也有一定关系。因此，在高程拟合中，适当增加拟合点数可以提高精度，但并非点数越多越好，拟合精度与点位分布、数学模型等有一定关系。通过以上分析及精度对比可知，在高程异常变化比较平缓地区，如果已知水准点有足够的精度，且均匀选取拟合点，根据《水利水电工程测量规范》(规划设计阶段)中的水准限差可知，GPS拟合高程可达五等水准测量精度。

3作业探讨

最近几年，GPS测量技术的应用使得测量技术发生了较大的变化，但在实际测量作业中，应注意一些影响GPS测量高程的问题:

1)GPS网的布设原则

测区内联测几何水准的点数应尽量多一些，以检测拟合精度。一个局部GPS网中最少联测几何水准的点数，不能少于选用计算模型中未知参数的个数。联测几何水准的点位，应均匀布设在测区范围内，以达到整体控制测区的要求。

2)提高拟合计算的精度

包括选用合适的拟合模型、落差较大的测区加地形改正、不同趋势测区进行分区计算等。

3)其他影响

及时做好星历预报，避开不利观测时段，并注意遵守外业操作过程中的规范要求。

4结束语

通过上述数据分析对比，可得出只要GPS控制网布设合理，静态观测时间段较好，基础控制点选择合理，高精度GPS曲面拟合高程精度已达到四等水准测量精度。在水准测量比较困难的山区，GPS曲面拟合高程可代替四等水准测量，这样可大大减少人力、物力、财力及作业时间，给测量工作者极大的方便。

参考文献:

[1]简程航.GPS高程拟合方法研究及其工程应用[D].中国地质大学（北京）,2014.

[2]高立友.GPS控制网的优化设计及高程异常拟合的应用研究[D].西南交通大学,2014.

[3]祝鹏.基于SVM的GPS高程拟合研究[D].东华理工大学,2014.

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