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摘要：为改善目前工程测量中，用GPS水准高程法代替常规水准高程法精度不高的状况，本次研究在不同观测条件下得到同一测区的多组GPS数据，同时采用电子水准测量得到了测区的水准数据。然后分别处理GPS数据和水准数据得到待测点的高程。通过对比各组GPS高程和水准高程，来分析不同影响因素对GPS水准高程精度的影响，总结各精度影响因素对GPS水准高程的影响。结果表明，观测时间、GPS网形、多路径效应、障碍物以及水准拟合模型均对GPS水准高程有不同程度的影响。而多路径和障碍物干扰影响最大，且规则GPS网形精度高于不规则GPS网形。
关键词：GPS测量；水准测量；精度；影响因素
中图分类号： O441 文献标识码： A 文章编号：
1 引言
在工程水准测量中主要采用传统的方法建立高精度的施工控制网，而GPS高程却常常被忽视。由于受到坐标系不一致的影响，其精度一直被认为不太可靠。但在一般的工程测量中，只要处理得当，GPS高程是完全可以应用的。针对目前很多工程测量中，人们用GPS水准高程方法代替传统水准高程测量法的做法。我们在不同观测条件下得到同一测区的多组数据，通过对数据处理结果的对比，来分析各种影响因素对高程测量精度有什么样的影响，影响有多大。为GPS水准测量更广泛的使用提供一个参考。
在搞清楚GPS水准测量中各种影响因素的影响程度以后，我们就可以根据实际测量的情况，满足一定的附加条件，来避免或者削弱某个特定因素对水准精度的影响。使得GPS水准测量在更广领域内得到应用。从而大大减少测量工作者的工作量，缩短工期，提高效率，降低成本。
水准测量和GPS测量的原理
2.1 水准测量的原理
水准测量的原理是利用水准仪提供的一条水平视线，测出两地面点之间的高差，然后根据已知点的高程和高差，推算出另一个点的高程[2]。
已知地面上A点的高程为HA，欲测定B点的高程HB，需要先测出A、B两点间的高差hAB，为此在A、B之间安置一台水准仪，再在A、B两点上各竖立一根水准尺。根据仪器的水平视线，分别读取A、B尺上的读数a和b，则B点对于A点的高差为：
hAB＝a－b(2-1)
2.2 GPS水准测量原理
GPS定位系统中卫星的位置精确可知，在GPS观测中，我们可得到卫星到接收机的距离，利用三维坐标中的距离公式，利用3颗卫星，就可以组成3个方程式，解出观测点的位置。利用GPS测量所得到的高程值是在WGS-84椭球上的大地高，而水准测量是以水准原点为基准相对于平均海平面的海拔高。由于地球内部质量分布不均匀，大地水准面与参考椭球面之间存在着不同的差异，称之为大地水准面起伏。要从椭球高得到海拔高，就需要利用数学模型把椭球高转换成海拔高。这些数学模型有直接法，拟合法，修正法，参差最小法等。
数据采集与处理
3.1数据采集
水准数据采集用了电子水准仪。水准路线采用闭合水准路线，从已知点出发依次经过目标点后回到已知点，如图3-1所示：
GPS数据的采集分为多次进行。在不同的观测条件下对同样的目标点进行对此观测。由于目标点数目较少，故而没有布设复杂的GPS测网。而是用不同的简单图形，如单基线，三角形等进行同步观测得到单一时段数据。具体布设的形状如图4-2所示：
(a)(b) (c)
图3-2 GPS观测图形
图3-2（a）是单基线测量定位，图3-2（b）是不规则三角形定位，图3-2（c）是规则三角形测量定位。
3.2數据处理
3.2.1水准仪测量校正后结果如下表
表3-3 改正后水准高程
3.2.2 GPS数据处理的过程主要分三个部分：
（1）原始数据处理；（2）基线解算；（3）网平差。
GPS数据处理后，各种不同方案的结果如表3-4。
表3-4 GPS处理后高程值
4精度影响因素分析
GPS的精度影响因素有很多，产生的误差大体上可以分为系统误差和偶然误差两类。系统误差主要包括卫星星历误差、接收机钟误差以及大气折射的误差等。偶然误差主要包括多路径效应。
在GPS水准应用中，精度影响因素有：GPS网的布设结构、多路径效应的影响、天线高误差、以及大地水准面模型精度。基于试验数据处理结果，我们就从这些方面进行精度影响因素的分析:
（1）观测时间长短的影响。我们用同样的观测图形，分别采用15分钟和40分钟的观测时间对同一个点C4点进行了观测。从试验数据处理的结果看，观测时间长则精度相对较高。所以在有条件的情况下，GPS同步观测时间应该在保持30分钟以上。以得到更高的测量精度。
（2）GPS网形布设。网形对于观测的影响是人为可以进行改善的。我们在实验中用了单基线、不规则三角形和规则三角形，三种网形进行观测，发现用规则三角形观测得到的数据要明显优于其它两种方式。主要原因是因为用规则三角形可以对观测的高差值进行检核然后平差得到改正后的高差值，这样就提高了待测点的高程精度。
（3）多路径效应。多路径效应是指在测站的周围有反射强的地物将卫星信号反射到接收机，和直接来自卫星的信号产生干涉，从而使观测值偏离真值。在用规则三角形观测的方案中有一个测站位于水域旁，但对观测值造成不大。
（4）天线高误差。因为天线高的量取一般都用卷尺测量，所以精度很难控制。一定要从脚架的三个方向分别量取天线高，取平均值。正确的天线高量取方法对于GPS高程定位很重要。
5 结束语
在工程测量中，特别是精度要求不是很高的工作中，如果能充分考虑GPS水准的影响因素，完全可以用GPS水准代替常规水准测量。在GPS水准测量用于较高精度要求的工作方面，还应该考虑更为复杂的问题。除了本文所涉及的常见的影响因素外，地形改正，重力异常，垂线偏差等问题也都要考虑。
参考文献：
[1] 郏红伟.GPS水准测量应用探讨.测绘通报,2005, 8:29-31.
[2] 徐绍铨,张华海,杨志强,等.GPS测量原理及应用.修订版,2004.
[3] 魏二虎．GPS测量操作与数据处理.武汉：武汉大学出版社，2004．
关键词：GPS测量；水准测量；精度；影响因素
中图分类号： O441 文献标识码： A 文章编号：
1 引言
在工程水准测量中主要采用传统的方法建立高精度的施工控制网，而GPS高程却常常被忽视。由于受到坐标系不一致的影响，其精度一直被认为不太可靠。但在一般的工程测量中，只要处理得当，GPS高程是完全可以应用的。针对目前很多工程测量中，人们用GPS水准高程方法代替传统水准高程测量法的做法。我们在不同观测条件下得到同一测区的多组数据，通过对数据处理结果的对比，来分析各种影响因素对高程测量精度有什么样的影响，影响有多大。为GPS水准测量更广泛的使用提供一个参考。
在搞清楚GPS水准测量中各种影响因素的影响程度以后，我们就可以根据实际测量的情况，满足一定的附加条件，来避免或者削弱某个特定因素对水准精度的影响。使得GPS水准测量在更广领域内得到应用。从而大大减少测量工作者的工作量，缩短工期，提高效率，降低成本。
水准测量和GPS测量的原理
2.1 水准测量的原理
水准测量的原理是利用水准仪提供的一条水平视线，测出两地面点之间的高差，然后根据已知点的高程和高差，推算出另一个点的高程[2]。
已知地面上A点的高程为HA，欲测定B点的高程HB，需要先测出A、B两点间的高差hAB，为此在A、B之间安置一台水准仪，再在A、B两点上各竖立一根水准尺。根据仪器的水平视线，分别读取A、B尺上的读数a和b，则B点对于A点的高差为：
hAB＝a－b(2-1)
2.2 GPS水准测量原理
GPS定位系统中卫星的位置精确可知，在GPS观测中，我们可得到卫星到接收机的距离，利用三维坐标中的距离公式，利用3颗卫星，就可以组成3个方程式，解出观测点的位置。利用GPS测量所得到的高程值是在WGS-84椭球上的大地高，而水准测量是以水准原点为基准相对于平均海平面的海拔高。由于地球内部质量分布不均匀，大地水准面与参考椭球面之间存在着不同的差异，称之为大地水准面起伏。要从椭球高得到海拔高，就需要利用数学模型把椭球高转换成海拔高。这些数学模型有直接法，拟合法，修正法，参差最小法等。
数据采集与处理
3.1数据采集
水准数据采集用了电子水准仪。水准路线采用闭合水准路线，从已知点出发依次经过目标点后回到已知点，如图3-1所示：
GPS数据的采集分为多次进行。在不同的观测条件下对同样的目标点进行对此观测。由于目标点数目较少，故而没有布设复杂的GPS测网。而是用不同的简单图形，如单基线，三角形等进行同步观测得到单一时段数据。具体布设的形状如图4-2所示：
(a)(b) (c)
图3-2 GPS观测图形
图3-2（a）是单基线测量定位，图3-2（b）是不规则三角形定位，图3-2（c）是规则三角形测量定位。
3.2數据处理
3.2.1水准仪测量校正后结果如下表
表3-3 改正后水准高程
3.2.2 GPS数据处理的过程主要分三个部分：
（1）原始数据处理；（2）基线解算；（3）网平差。
GPS数据处理后，各种不同方案的结果如表3-4。
表3-4 GPS处理后高程值
4精度影响因素分析
GPS的精度影响因素有很多，产生的误差大体上可以分为系统误差和偶然误差两类。系统误差主要包括卫星星历误差、接收机钟误差以及大气折射的误差等。偶然误差主要包括多路径效应。
在GPS水准应用中，精度影响因素有：GPS网的布设结构、多路径效应的影响、天线高误差、以及大地水准面模型精度。基于试验数据处理结果，我们就从这些方面进行精度影响因素的分析:
（1）观测时间长短的影响。我们用同样的观测图形，分别采用15分钟和40分钟的观测时间对同一个点C4点进行了观测。从试验数据处理的结果看，观测时间长则精度相对较高。所以在有条件的情况下，GPS同步观测时间应该在保持30分钟以上。以得到更高的测量精度。
（2）GPS网形布设。网形对于观测的影响是人为可以进行改善的。我们在实验中用了单基线、不规则三角形和规则三角形，三种网形进行观测，发现用规则三角形观测得到的数据要明显优于其它两种方式。主要原因是因为用规则三角形可以对观测的高差值进行检核然后平差得到改正后的高差值，这样就提高了待测点的高程精度。
（3）多路径效应。多路径效应是指在测站的周围有反射强的地物将卫星信号反射到接收机，和直接来自卫星的信号产生干涉，从而使观测值偏离真值。在用规则三角形观测的方案中有一个测站位于水域旁，但对观测值造成不大。
（4）天线高误差。因为天线高的量取一般都用卷尺测量，所以精度很难控制。一定要从脚架的三个方向分别量取天线高，取平均值。正确的天线高量取方法对于GPS高程定位很重要。
5 结束语
在工程测量中，特别是精度要求不是很高的工作中，如果能充分考虑GPS水准的影响因素，完全可以用GPS水准代替常规水准测量。在GPS水准测量用于较高精度要求的工作方面，还应该考虑更为复杂的问题。除了本文所涉及的常见的影响因素外，地形改正，重力异常，垂线偏差等问题也都要考虑。
参考文献：
[1] 郏红伟.GPS水准测量应用探讨.测绘通报,2005, 8:29-31.
[2] 徐绍铨,张华海,杨志强,等.GPS测量原理及应用.修订版,2004.
[3] 魏二虎．GPS测量操作与数据处理.武汉：武汉大学出版社，2004．