论文部分内容阅读
摘 要：本文阐述了GPS跨河水准测量的概念、方法，并以实例验证了跨河水准测量方法的可行性。
关键词：GPS；跨河水准测量；高程异常
1 前言
当精密水准路线必须跨越江河或峡谷时，其视线长度将明显增长。此时，不仅照准水准尺读数的精度显著降低，而且视准轴与水准轴不平行及大气折光的影响也急剧增大，水面上空的温度梯度与陆地上的温度梯度完全不同，使得折光影响更加复杂化。为了顾及这些影响因素以求得可靠的成果，《国家一、二等水准测量规范》（GB 12897-1991）规定：当水准路线跨越江、河，视线长度超过100m时，应根据视线长度和仪器设备情况，选择适当的跨河水准测量发放。
2 GPS在跨河水准测量中的应用
2.1 常规的跨河水准测量方法简介
目前，常规的跨河水准测量方法主要有光学测微法、倾斜螺旋法、经纬仪倾角法、测距三角高程及冰上观测等几种方法。对于长距离的跨河水准测量，由于需要观测多个测回，费时、费力，而且对角度观测的精度要求较高，经常出现返工现象。如果在跨河水准测量中，能够利用GPS定位技术，无疑将显著提高工作效率。
2.2 GPS高程的概念
GPS测量是在WGS-84地心坐标系上进行的，它所测得的高程是测站相对于WGS-84椭球面的大地高。而水准测量测得的高程则是以水准原点为基准相对于大地面的海拔高，以大地水准面为基准的高程系统，称为正高系统。由于地面点至大地水准面的平均重力加速度无法直接测定，所以正高是无法严格确定的。因此，我国采用的高程系统是相对于似大地水准面的正常高系统，其高程称为正常高。似大地水准面同大地水准面非常接近，在海洋面上是重合的，在平原地区仅差数厘米，在高程异常值较大时，最大可达数米。正由于高程异常的差异性带来了GPS高程的不确定性。
图1 大地高、正常高、高程异常的关系示意图
图1为大地、高和正常高之间的关系。其中，为高程异常。HWGS-84为GPS测得的大地高，Hr为正常高，即Hr=HWGS-84-ξ根据以上公式和高程异常的特点，可以考虑将GPS高程应用于跨河水准测量中。
2.3 GPS大地高高差代替跨河水准测量高差的方法
2.3.1 由GPS相对定位得到的基线向量，通过GPS网平差，可以得到高精度的WSG-84大地坐标系中的大地高高差。
2.3.2 由公式Hr=HWGS-84-ξ可知，地面上两点之间的正常高高差hr，大地高高差HWGS-84以及高程异常之差的关系为：hr=HWGS-84-Δξ。
2.3.3 在大江、大河、湖泊、海湾两岸地形起伏不大（<50m）的平坦地区，当两岸过江点之间的距离不大（<3km）时，可以认为两岸过江点的高程异常相同，这样可用两岸过江点之间的GPS大地高高差来代替正常高高差，即hr=hWGS84。
2.4 实例
A市跨河大桥，桥位附近河宽2.1km，两岸高差采用两台Zeiss Ni004水准仪，配以0.5cm分划的铟瓦水准标尺，按水准仪倾斜螺旋法，以双线过江组成过江水准环测定两岸高差（如图2所示），每条过江线观测16个双测回，半测回观测读数为8组，外业观测历时20天，达到二等跨河水准测量精度要求。
图2 跨河水准测量示意图
为了对比分析，采用4台Leica 350C GPS接收机，分别设置在BM1，BM2，BM3，BM4，按相对静态定位模式观测3个时段，每一时段观测4h，对外业观测数据进行GPS网平差，得到BM1-BM3，BM1-BM2，BM2-BM4，BM3-BM4各段的大地高高差。然后将各段的大地高高差以及过江环的环闭合差与跨河水准测量的结果进行比较，发现GPS大地高高差与跨河水准高差以及GPS大地高高差闭合环与跨河水准高差闭合环吻合很好，符合限差要求。
此外，还比较了B市长江大桥、C市大桥和D市大桥，这4座桥梁GPS大地高高差与跨河水准高差的结果对照见表1。
表1 GPS大地高高差与跨河水准高差对照（mm）
通过理论分析和工程实例对比分析，可见：在大江、大河、湖泊、海湾两岸地形起伏不大的平坦地区（<50m），当两岸过江点之间的距离不大（<3km）时，可以采用两岸过江点之间的GPS大地高高差来代替正常高高差，以节约时间，提高两岸高程联测效率。采用GPS代替跨河水准测量，在一定条件下是可行的。
采用两岸过江点之间的GPS大地高高差来代替正常高高差，要尽可能提高GPS大地高高差的精度。在实测时应遵循以下原则：1）提高GPS网基线解算的起算点坐标精度；2）改善GPS星历精度，尽可能采用精度星历；3）选用双频GPS接收机；4）观测时应选择最佳的卫星分布；5）观测时段不小于2，每一时段观测时间应大于4h；6）GPS天线高应准确量取。
参考文献
[1]国家测绘局测绘标准化研究所.1992.GB 12897-1991 国家一、二等水准测量规范[S].北京：中国标准出版社.
[2]国家测绘局测绘标准化研究所.2001.GB/T 18314-2001 全球定位系统（GPS）测量规范[S].北京：中国标准出版社.
关键词：GPS；跨河水准测量；高程异常
1 前言
当精密水准路线必须跨越江河或峡谷时，其视线长度将明显增长。此时，不仅照准水准尺读数的精度显著降低，而且视准轴与水准轴不平行及大气折光的影响也急剧增大，水面上空的温度梯度与陆地上的温度梯度完全不同，使得折光影响更加复杂化。为了顾及这些影响因素以求得可靠的成果，《国家一、二等水准测量规范》（GB 12897-1991）规定：当水准路线跨越江、河，视线长度超过100m时，应根据视线长度和仪器设备情况，选择适当的跨河水准测量发放。
2 GPS在跨河水准测量中的应用
2.1 常规的跨河水准测量方法简介
目前，常规的跨河水准测量方法主要有光学测微法、倾斜螺旋法、经纬仪倾角法、测距三角高程及冰上观测等几种方法。对于长距离的跨河水准测量，由于需要观测多个测回，费时、费力，而且对角度观测的精度要求较高，经常出现返工现象。如果在跨河水准测量中，能够利用GPS定位技术，无疑将显著提高工作效率。
2.2 GPS高程的概念
GPS测量是在WGS-84地心坐标系上进行的，它所测得的高程是测站相对于WGS-84椭球面的大地高。而水准测量测得的高程则是以水准原点为基准相对于大地面的海拔高，以大地水准面为基准的高程系统，称为正高系统。由于地面点至大地水准面的平均重力加速度无法直接测定，所以正高是无法严格确定的。因此，我国采用的高程系统是相对于似大地水准面的正常高系统，其高程称为正常高。似大地水准面同大地水准面非常接近，在海洋面上是重合的，在平原地区仅差数厘米，在高程异常值较大时，最大可达数米。正由于高程异常的差异性带来了GPS高程的不确定性。
图1 大地高、正常高、高程异常的关系示意图
图1为大地、高和正常高之间的关系。其中，为高程异常。HWGS-84为GPS测得的大地高，Hr为正常高，即Hr=HWGS-84-ξ根据以上公式和高程异常的特点，可以考虑将GPS高程应用于跨河水准测量中。
2.3 GPS大地高高差代替跨河水准测量高差的方法
2.3.1 由GPS相对定位得到的基线向量，通过GPS网平差，可以得到高精度的WSG-84大地坐标系中的大地高高差。
2.3.2 由公式Hr=HWGS-84-ξ可知，地面上两点之间的正常高高差hr，大地高高差HWGS-84以及高程异常之差的关系为：hr=HWGS-84-Δξ。
2.3.3 在大江、大河、湖泊、海湾两岸地形起伏不大（<50m）的平坦地区，当两岸过江点之间的距离不大（<3km）时，可以认为两岸过江点的高程异常相同，这样可用两岸过江点之间的GPS大地高高差来代替正常高高差，即hr=hWGS84。
2.4 实例
A市跨河大桥，桥位附近河宽2.1km，两岸高差采用两台Zeiss Ni004水准仪，配以0.5cm分划的铟瓦水准标尺，按水准仪倾斜螺旋法，以双线过江组成过江水准环测定两岸高差（如图2所示），每条过江线观测16个双测回，半测回观测读数为8组，外业观测历时20天，达到二等跨河水准测量精度要求。
图2 跨河水准测量示意图
为了对比分析，采用4台Leica 350C GPS接收机，分别设置在BM1，BM2，BM3，BM4，按相对静态定位模式观测3个时段，每一时段观测4h，对外业观测数据进行GPS网平差，得到BM1-BM3，BM1-BM2，BM2-BM4，BM3-BM4各段的大地高高差。然后将各段的大地高高差以及过江环的环闭合差与跨河水准测量的结果进行比较，发现GPS大地高高差与跨河水准高差以及GPS大地高高差闭合环与跨河水准高差闭合环吻合很好，符合限差要求。
此外，还比较了B市长江大桥、C市大桥和D市大桥，这4座桥梁GPS大地高高差与跨河水准高差的结果对照见表1。
表1 GPS大地高高差与跨河水准高差对照（mm）
通过理论分析和工程实例对比分析，可见：在大江、大河、湖泊、海湾两岸地形起伏不大的平坦地区（<50m），当两岸过江点之间的距离不大（<3km）时，可以采用两岸过江点之间的GPS大地高高差来代替正常高高差，以节约时间，提高两岸高程联测效率。采用GPS代替跨河水准测量，在一定条件下是可行的。
采用两岸过江点之间的GPS大地高高差来代替正常高高差，要尽可能提高GPS大地高高差的精度。在实测时应遵循以下原则：1）提高GPS网基线解算的起算点坐标精度；2）改善GPS星历精度，尽可能采用精度星历；3）选用双频GPS接收机；4）观测时应选择最佳的卫星分布；5）观测时段不小于2，每一时段观测时间应大于4h；6）GPS天线高应准确量取。
参考文献
[1]国家测绘局测绘标准化研究所.1992.GB 12897-1991 国家一、二等水准测量规范[S].北京：中国标准出版社.
[2]国家测绘局测绘标准化研究所.2001.GB/T 18314-2001 全球定位系统（GPS）测量规范[S].北京：中国标准出版社.