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[论文] gps控制网在水利工程实际应用

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发表于 2011-5-17 05:20 | 显示全部楼层 |阅读模式
前言
水利水电工程建设的各个阶段,对高程均有严格的要求。常规高程测量采用几何水准方法,辅以光电测距三角高程测量来实现。水利水电工程具有鲜明的行业特性,即山高谷狭、交通不便、植被茂密、国家水准点稀少,使得高程的施测不仅困难,而且费时、费力。
随着GPS(全球卫星定位系统)的发展,因其具有"高精度、高效益、高可靠性、高自动化"的优势,在水利水电工程中得以广泛应用。应用 GPS 测量技术可获得三维测量数据,其中平面测量技术日臻完善,高程测量技术由于其外界影响因素较多,且具有不确定性,比如计算软件、高程拟合方法的选择以及适用条件、误差来源等问题,一直未形成定论。有关测量规范对 GPS 高程测量的精度和方法也无明确的规定。水利水电工程测量中的高程测量一直采用传统的高程施测手段--几何水准测量方法。此方法虽然精度较高,但实施起来费时费力,作业效率低。
本文在介绍GPS高程测量原理及方法的基础上,结合水利水电工程的实际,对GPS高程测量的应用进行探讨,以期使GPS高程测量技术在水利水电工程建设中发挥更大的作用,从而真正实现GPS三维测量在水利水电工程测量中的应用。

2 GPS
高程测量原理及方法
由GPS相对定位得到的三维基线向量,通过GPS网平差,可以得到高精度的大地高差。如果网中有一点或多点具有精确的WGS-84坐标系的大地高程,则在GPS网平差后,可求得各GPS点的WGS-84大地高H84。
大地高是由地面点沿通过该点的椭球面法线到参考椭球面的距离,是一个几何量,不具有物理上的意义。 它通过与水准测量资料、重力测量资料等相结合,来确定测点的正常高,具有重要的意义。
但在实际应用中,地面点高程采用正常高系统。地面点的正常高Hr是地面点沿铅垂线至似大地水准面的距离。正常高系统为我国通用的高程系统,水利水电工程常用的1956年黄海高程系和1985国家高程基准,都是正常高系统。这种高程是通过水准测量来确定的。
  大地高与正常高之间的关系式:Hr= H84-ξ
其中ξ表示似大地水准面至椭球面间的高差,叫做高程异常,它是由地下物质及其密度分布不均匀产生的重力异常导致的。显然,如果知道了各GPS点的高程异常ξ值,则不难由各GPS点的大地高H84求得各GPS点的正常高Hr值。如果同时知道了各GPS点的大地高H84和正常高Hr,则可以求得各点的高程异常ξ。
实际上,很难获得高精度的高程异常,而GPS单点定位误差又较大,一般测区内缺少高精度的GPS基准点,GPS网平差后,很难得到高精度的大地高H84。所以很难应用上式精确的计算各GPS点正常高Hr。
精确计算各GPS点的正常高Hr,目前主要有GPS水准高程,GPS重力高程,GPS三角高程等方法。
2.1 GPS水准高程
目前,国内外用于GPS水准计算的各种方法主要有:绘等值线图法;解析内插法(包括曲线内插法、样条函数法和Akima法);曲面拟和法(包括平面拟合法、多项式曲面拟合法、多面函数拟合法、曲面样条拟合法、非参数回归曲面拟和法和移动曲面法)。
1、绘等值线图法
这是最早的GPS水准方法。其原理是:设在某一测区,有m个GPS点,用几何水准联测其中n个点的正常高(联测水准的点称为已知点),根据GPS观测获得的点的大地高,可以求出n个已知点的高程异常。然后,选定适合的比例尺,按n个已知点的平面坐标(平面坐标经GPS网平差后获得),展绘在图纸上,并标注上相应的高程异常,再用1~5cm的等高距,绘出测区的等高异常图。在图上内插出未联测几何水准的(m-n)个点(未联测几何水准GPS的称为待求点),从而求出这些待求点的正常高。
2、解析内插法

当GPS点布设成测线时,可应用曲线内插法,求定待求点的正常高。其原理是:根据测线上已知点的平面坐标和高程异常,用数值拟合的方法,拟合出测线方向的似大地水准面曲线,再内插出待求点的高程异常,从而求出点的正常高。
3、曲面拟合法

当GPS点布设成一定区域面时,可以应用数学曲面拟合法求待定点的正常高。其原理是:根据测区中已知点的平面坐标和高程异常,用数值拟合法,拟合出测区似大地水准面,再内插出待求点的高程异常,从而求出正常高。
2.2 GPS重力高程

GPS
重力高程是用重力资料求待定点的高程异常,结合GPS求出的大地高,再求出点的正常高。
2.3 GPS三角高程

GPS
三角高程是在GPS点上加测各GPS点间的高度角(或天顶距)。利用GPS求出的边长,按三角高程测量公式计算GPS点间的高差,从而求出GPS点的正常高(或正高)的一种方法。

3 GPS 高程测量在生产实际中的应用情况
  
近年来,国内外有些测绘科研、生产部门,在 GPS控制网的布测和拟合方面,做了大量的研究工作,其主要目的就是精化大地水准面,提高 GPS 高程测量精度,这些科研成果已广泛应用于生产实际中。
  在局部地区的GPS网中,用几何水准联测部分GPS点的正常高,用数值拟合的方法求出测区的似大地水准面,计算出未联测几何水准的GPS点的高程异常,从而求出这些GPS点的正常高。这是目前GPS作业中,应用最广泛的GPS水准方法。我院利用 GPS 三维测量技术,在五峰县麒麟观水利水电枢纽工程控制网测量,南漳两河口水电站可行性研究控制网测量中施行 GPS 平面和高程测量技术,经施工单位复测控制网,没有大的误差,取得了较好的效果,为今后水利水电工程建设快速、准确地进行 GPS 三维测量积累了宝贵的经验。

4 提高GPS水准精度的措施
4.1 提高大地高(差)测定的精度
大地高(差)测定的精度是影响GPS水准精度的主要因素之一。因此,要提高GPS水准的精度,必须有效地提高大地高(差)测定的精度,其措施主要有:
1、提高局部GPS网基线解算的起算点坐标的精度。
2、改善GPS星历的精度。
3GPS 仪器要选择精度不低于基线精度 5mm+1ppm 、高程精度 10mm+2ppm ,性能较为稳定且受外界环境因素影响小的双频GPS接收机。
4、观测时应选择最佳的卫星分布。
5、减弱多路径误差和对流层延迟误差。
6、大于10km的GPS网点应实测气象参数。
4.2提高拟合计算的精度
拟合计算的精度与联测几何水准点的分布、密度以及拟合模型有关。提高拟合计算精度的方法有:
1、根据测区似大地水准面变化情况,合理地布设并选定足够的已知点。
2、根据不同测区,选用合适的拟合模型。对高差大于是100m的测区,一般要加地形改正。
3、对含有不同趋势地区的大测区,可采取分区计算的办法。
4、计算时,坐标取到米或10m,但高程异常应取到毫米。计算结果应由计算机绘出测区高程异常等值线图,以便分析测区高程异常变化情况,提高拟合计算精度。
4.3减小其它误差因素影响
比如 GPS 图形结构、电离层影响、外业施测过程中正确量取天线高等,最大程度地减少GPS测量误差影响。

5 结论
对于测区面积不大的平坦地区,特别是测区内高程异常的变化有规律的地区,在公共点分布均匀的情况下,多项式曲面拟合法能够达到比较理想的精度。只要用三等几何水准联测已知点,点位分布合理,点数足够,GPS水准可代替四等几何水准;即使是高山峡谷区的河流规划和库区控制网,只要合理的设计与施测,并采用恰当的数据处理模型,并施加地形改正,也可达到四等几何水准的精度,利用 GPS 测量技术可以做到同时完成平面、高程测量,充分发挥 GPS 测量方便、高效的优势,提高工作效率

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发表于 2011-5-17 08:27 | 显示全部楼层
国内外用于GPS水准计算的各种方法主要有:绘等值线图法;解析内插法(包括曲线内插法、样条函数法和Akima法);曲面拟和法(包括平面拟合法、多项式曲面拟合法、多面函数拟合法、曲面样条拟合法、非参数回归曲面拟和法和移动曲面法)。

1、绘等值线图法

这是最早的GPS水准方法。其原理是:设在某一测区,有m个GPS点,用几何水准联测其中n个点的正常高(联测水准的点称为已知点),根据GPS观测获得的点的大地高,可以求出n个已知点的高程异常。然后,选定适合的比例尺,按n个已知点的平面坐标(平面坐标经GPS网平差后获得),展绘在图纸上,并标注上相应的高程异常,再用1~5cm的等高距,绘出测区的等高异常图。在图上内插出未联测几何水准的(m-n)个点(未联测几何水准GPS的称为待求点),从而求出这些待求点的正常高。

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发表于 2011-6-4 21:27 | 显示全部楼层
好资料,谢谢提供
该会员没有填写今日想说内容.

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 楼主| 发表于 2011-6-4 21:55 | 显示全部楼层
cug0204 发表于 2011-6-4 21:27
好资料,谢谢提供

一起交流学习,呵呵
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发表于 2011-8-25 13:57 | 显示全部楼层
学习中,特别关注高程的计算方法。

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 楼主| 发表于 2011-8-25 19:28 | 显示全部楼层
平面和高程一样关注
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