[摘要]GPS水準法由于其在測量精度上的優(yōu)勢,在很多方面和領(lǐng)域都有過使用。文章就是從煤田高程控制測量的角度來探析GPS水準法的使用,首先探析了GPS水準法的基本原理,優(yōu)勢,然后結(jié)合具體的工程實踐情況,以比較的方法展示了GPS水準法在煤田高程控制測量工作中的巨大作用,并對于其水準擬合方法的選擇做了詳細的解釋和說明,在此基礎(chǔ)上,探析了如何實現(xiàn)高程控制測量精度的策略,為更好的使用GPS水準法打下了堅實的基礎(chǔ)。因此,本文對于如何開展煤田高程控制測量工作有著一定的借鑒意義。
[關(guān)鍵詞]GPS水準法 系統(tǒng) 煤田高程 控制測量
全球定位系統(tǒng),英文全稱為Global Positioning System,縮寫為GPS。其起初是美國第二代衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng),實現(xiàn)了全方位三維定位導(dǎo)航體系的建立,現(xiàn)在被很多行業(yè)和領(lǐng)域廣泛使用。其布網(wǎng)簡單快捷,成本消耗經(jīng)濟節(jié)約,測量精度準確高效,在平面控制測量作業(yè)中有著很廣泛的使用。對于高程控制測量方面,雖然在很多方面有著很多的嘗試和改進,但是依然存在需要完善的地方。尤其是在使用過程中,基于全球定位系統(tǒng)得到的高程往往都是相對于WGS-84 橢球系的大地高H84,也就是說顯示的只是地面店沿著法線方向到參考橢球面的距離,再加上我國都使用的是正常的高系統(tǒng),從而使得GPS在應(yīng)用過程中缺乏有效的物理意義,難以直接被使用到各項高程工程中去。在這樣的情況下, GPS 水準法應(yīng)運而生,可以完美的實現(xiàn)高程精度水準網(wǎng)的建設(shè)工作。文章以具體的某預(yù)查區(qū)為參考背景,開展全球定位系統(tǒng)水準法去開展高程測量工作。
1GPS水準法的概況
1.1GPS的優(yōu)勢所在
GPS之所以得到很多領(lǐng)域的使用,是因為其在很多方面發(fā)揮了巨大的作用。詳細來講其具備以下幾方面的優(yōu)勢:其一,覆蓋范圍全球化,在衛(wèi)星數(shù)量不斷增加,分布不斷優(yōu)化的背景下,無論在哪一點都可以實現(xiàn)四顆衛(wèi)星的定位,實現(xiàn)了空間和時間的突破;其二,功能多樣化,無論是什么需求的客戶,全球定位系統(tǒng)都可以依據(jù)其要求的不同反映出不同的定位信息,實現(xiàn)了功能上的多樣性;其三,精度高效化,由于GPS接收機的高性能,使得其能夠在差分矯正信息上發(fā)揮一定的積極作用;其四,定位速度化,只要有相關(guān)設(shè)備,即使連接以一秒鐘的實踐,也能夠?qū)崿F(xiàn)有效的定位;其五, 抗干擾性強,安全性能好,在偽碼擴頻技術(shù)背景下,衛(wèi)星的信號可以很好的實現(xiàn)接收,并且保證了安全性。
1.2GPS水準法的基本原理
在高程系統(tǒng)環(huán)境下,一般都會使用兩個高值:其一,大地高;其二,正常高。其中的大地高是指WGS-84 橢球系下的GPS 高,以WGS-84 橢球體面為基準,由地面點沿通過該點的橢球面法線到WGS-84 橢球體面的距離。其中的正常高是以似大地水準面為基準的高程系統(tǒng),由地面點沿該點的鉛垂線至似大地水準面的距離,這是我國高程測量環(huán)境下使用的高值。至于兩者之間的關(guān)系我們可以通過圖示1理解:
由上述圖示中我們可以得出以下幾方面的結(jié)論:其一,如果將大地水準面到地球橢球面的距離,稱為大地水準面差距,并且記為N的話,大地高與正高之間的關(guān)系可表示為:H = Hg + N;其二,如果將似大地水準面和地考橢球面之間的距離,稱為高程異常,并且記為ζ的話,大地高與正常高之間的關(guān)系可表示為:H = Hγ + ζ 。由此我們?nèi)崿F(xiàn)大地高向正常高轉(zhuǎn)換的時候,需要將主要精力集中在求取大地高H84與正常高Hr之間的差值,我們把這個取值叫做是高程異常值 ζ,其基本轉(zhuǎn)換公式也可以這樣寫: Hr = H84 - ζ。為了計算出此區(qū)域的各點高程異常,可以使用水準測量的方式去實現(xiàn)正常高的界定,在得出各個公共點的高程異常取值之后,應(yīng)該使用公共點的高程異常值和平面坐標開展數(shù)值的擬合,并在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)似大地水準面的界定,并結(jié)合上述公式計算出各個點的正常高,在此過程的操作方式就是全球定位系統(tǒng)水準法的要義。
2工程實踐情況
我們以某煤田預(yù)查區(qū)域為例,其勘探區(qū)域的東西長度為8 ~ 9 km,南北寬約6 km,呈現(xiàn)出北低南高的特點,其兩者之間高度差距為108. 2 m。為了能夠有效的實現(xiàn)煤田地質(zhì)勘查工作,在區(qū)域布設(shè)了E級GPS控制網(wǎng),總計測試點為50個,以合理的距離分布在測試區(qū)域范圍內(nèi)部。另外,為了保證高程數(shù)據(jù)的高精度,也在區(qū)域內(nèi)設(shè)置了四等水準,并聯(lián)測了43個E級GPS點,保證其都符合相關(guān)標準和規(guī)范。同時為了有效的處理好控制點分布和擬合高程精度之間的關(guān)系,假定了水準高程H是真,再選取3組高程控制點,在軟件的曲面擬合效果下,實現(xiàn)兩者之間的對比。其詳細的情況可以參見下面的表1。
綜合上述表格信息,我們可以看到以方案3是比較精確的,高程誤差也是比較小的,相對來講是比較合理的方案。依據(jù)《地質(zhì)礦產(chǎn)勘查測量規(guī)范》,各等級水準網(wǎng)最弱點高程中誤差,對起始點不大于0. 05 m。由計算的數(shù)據(jù)可以看出上述方案三是滿足這樣的基本原則的。因為從理論上來講,能夠?qū)τ诟叱叹犬a(chǎn)生影響的主要由以下幾個方面的內(nèi)容:其一,在高程控制點距離一定的情況下,就要合理的控制其范圍,保證其處于均勻的分布狀態(tài),方案3就是均勻分布在整個測試區(qū)域,并保證點位之間的距離,使得精度呈現(xiàn)出理想的狀態(tài),而方案1和2顯然在這方面難以與方案3比擬。
3GPS水準擬合方法的選擇
在目前的GPS作業(yè)過程中,水準法是使用比較普遍的方法。而用于高程計算的方法主要可以分為曲線擬合法、多項式曲面擬合法、移動法、地形改正法等。上述幾種擬合方法各有各的優(yōu)勢,在各個領(lǐng)域都有著廣泛的使用,需要我們堅持具體問題具體分析的原則,有針對性的使用相應(yīng)的擬合方法,從而實現(xiàn)有效數(shù)據(jù)結(jié)果的獲取。一般情況下,如果GPS點沿道路,管線等線狀地物體分布的話,我們可以使用多項式曲線擬合法;如果測線比較長,點數(shù)較多,高程異常變化程度比較大的話,就可以適當(dāng)?shù)氖褂萌螛訔l曲線擬合法,其會在精度上有著很好的表現(xiàn)。從上述煤田預(yù)查區(qū)實際看,控制點呈片狀分布,不適宜采用曲線擬合法,而應(yīng)采用曲面擬合法。在計算中采用多項式曲面擬合法。曲面擬合法是利用擬合區(qū)域內(nèi)多個重合點( GPS /水準) ,建立2 個不同基準的地面曲面模型,并充分考慮模型所含的各種誤差改正,采用一個多項式曲面來擬合出該區(qū)域的似大地水準面的方法。
[關(guān)鍵詞]GPS水準法 系統(tǒng) 煤田高程 控制測量
全球定位系統(tǒng),英文全稱為Global Positioning System,縮寫為GPS。其起初是美國第二代衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng),實現(xiàn)了全方位三維定位導(dǎo)航體系的建立,現(xiàn)在被很多行業(yè)和領(lǐng)域廣泛使用。其布網(wǎng)簡單快捷,成本消耗經(jīng)濟節(jié)約,測量精度準確高效,在平面控制測量作業(yè)中有著很廣泛的使用。對于高程控制測量方面,雖然在很多方面有著很多的嘗試和改進,但是依然存在需要完善的地方。尤其是在使用過程中,基于全球定位系統(tǒng)得到的高程往往都是相對于WGS-84 橢球系的大地高H84,也就是說顯示的只是地面店沿著法線方向到參考橢球面的距離,再加上我國都使用的是正常的高系統(tǒng),從而使得GPS在應(yīng)用過程中缺乏有效的物理意義,難以直接被使用到各項高程工程中去。在這樣的情況下, GPS 水準法應(yīng)運而生,可以完美的實現(xiàn)高程精度水準網(wǎng)的建設(shè)工作。文章以具體的某預(yù)查區(qū)為參考背景,開展全球定位系統(tǒng)水準法去開展高程測量工作。
1GPS水準法的概況
1.1GPS的優(yōu)勢所在
GPS之所以得到很多領(lǐng)域的使用,是因為其在很多方面發(fā)揮了巨大的作用。詳細來講其具備以下幾方面的優(yōu)勢:其一,覆蓋范圍全球化,在衛(wèi)星數(shù)量不斷增加,分布不斷優(yōu)化的背景下,無論在哪一點都可以實現(xiàn)四顆衛(wèi)星的定位,實現(xiàn)了空間和時間的突破;其二,功能多樣化,無論是什么需求的客戶,全球定位系統(tǒng)都可以依據(jù)其要求的不同反映出不同的定位信息,實現(xiàn)了功能上的多樣性;其三,精度高效化,由于GPS接收機的高性能,使得其能夠在差分矯正信息上發(fā)揮一定的積極作用;其四,定位速度化,只要有相關(guān)設(shè)備,即使連接以一秒鐘的實踐,也能夠?qū)崿F(xiàn)有效的定位;其五, 抗干擾性強,安全性能好,在偽碼擴頻技術(shù)背景下,衛(wèi)星的信號可以很好的實現(xiàn)接收,并且保證了安全性。
1.2GPS水準法的基本原理
在高程系統(tǒng)環(huán)境下,一般都會使用兩個高值:其一,大地高;其二,正常高。其中的大地高是指WGS-84 橢球系下的GPS 高,以WGS-84 橢球體面為基準,由地面點沿通過該點的橢球面法線到WGS-84 橢球體面的距離。其中的正常高是以似大地水準面為基準的高程系統(tǒng),由地面點沿該點的鉛垂線至似大地水準面的距離,這是我國高程測量環(huán)境下使用的高值。至于兩者之間的關(guān)系我們可以通過圖示1理解:
由上述圖示中我們可以得出以下幾方面的結(jié)論:其一,如果將大地水準面到地球橢球面的距離,稱為大地水準面差距,并且記為N的話,大地高與正高之間的關(guān)系可表示為:H = Hg + N;其二,如果將似大地水準面和地考橢球面之間的距離,稱為高程異常,并且記為ζ的話,大地高與正常高之間的關(guān)系可表示為:H = Hγ + ζ 。由此我們?nèi)崿F(xiàn)大地高向正常高轉(zhuǎn)換的時候,需要將主要精力集中在求取大地高H84與正常高Hr之間的差值,我們把這個取值叫做是高程異常值 ζ,其基本轉(zhuǎn)換公式也可以這樣寫: Hr = H84 - ζ。為了計算出此區(qū)域的各點高程異常,可以使用水準測量的方式去實現(xiàn)正常高的界定,在得出各個公共點的高程異常取值之后,應(yīng)該使用公共點的高程異常值和平面坐標開展數(shù)值的擬合,并在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)似大地水準面的界定,并結(jié)合上述公式計算出各個點的正常高,在此過程的操作方式就是全球定位系統(tǒng)水準法的要義。
2工程實踐情況
我們以某煤田預(yù)查區(qū)域為例,其勘探區(qū)域的東西長度為8 ~ 9 km,南北寬約6 km,呈現(xiàn)出北低南高的特點,其兩者之間高度差距為108. 2 m。為了能夠有效的實現(xiàn)煤田地質(zhì)勘查工作,在區(qū)域布設(shè)了E級GPS控制網(wǎng),總計測試點為50個,以合理的距離分布在測試區(qū)域范圍內(nèi)部。另外,為了保證高程數(shù)據(jù)的高精度,也在區(qū)域內(nèi)設(shè)置了四等水準,并聯(lián)測了43個E級GPS點,保證其都符合相關(guān)標準和規(guī)范。同時為了有效的處理好控制點分布和擬合高程精度之間的關(guān)系,假定了水準高程H是真,再選取3組高程控制點,在軟件的曲面擬合效果下,實現(xiàn)兩者之間的對比。其詳細的情況可以參見下面的表1。
綜合上述表格信息,我們可以看到以方案3是比較精確的,高程誤差也是比較小的,相對來講是比較合理的方案。依據(jù)《地質(zhì)礦產(chǎn)勘查測量規(guī)范》,各等級水準網(wǎng)最弱點高程中誤差,對起始點不大于0. 05 m。由計算的數(shù)據(jù)可以看出上述方案三是滿足這樣的基本原則的。因為從理論上來講,能夠?qū)τ诟叱叹犬a(chǎn)生影響的主要由以下幾個方面的內(nèi)容:其一,在高程控制點距離一定的情況下,就要合理的控制其范圍,保證其處于均勻的分布狀態(tài),方案3就是均勻分布在整個測試區(qū)域,并保證點位之間的距離,使得精度呈現(xiàn)出理想的狀態(tài),而方案1和2顯然在這方面難以與方案3比擬。
3GPS水準擬合方法的選擇
在目前的GPS作業(yè)過程中,水準法是使用比較普遍的方法。而用于高程計算的方法主要可以分為曲線擬合法、多項式曲面擬合法、移動法、地形改正法等。上述幾種擬合方法各有各的優(yōu)勢,在各個領(lǐng)域都有著廣泛的使用,需要我們堅持具體問題具體分析的原則,有針對性的使用相應(yīng)的擬合方法,從而實現(xiàn)有效數(shù)據(jù)結(jié)果的獲取。一般情況下,如果GPS點沿道路,管線等線狀地物體分布的話,我們可以使用多項式曲線擬合法;如果測線比較長,點數(shù)較多,高程異常變化程度比較大的話,就可以適當(dāng)?shù)氖褂萌螛訔l曲線擬合法,其會在精度上有著很好的表現(xiàn)。從上述煤田預(yù)查區(qū)實際看,控制點呈片狀分布,不適宜采用曲線擬合法,而應(yīng)采用曲面擬合法。在計算中采用多項式曲面擬合法。曲面擬合法是利用擬合區(qū)域內(nèi)多個重合點( GPS /水準) ,建立2 個不同基準的地面曲面模型,并充分考慮模型所含的各種誤差改正,采用一個多項式曲面來擬合出該區(qū)域的似大地水準面的方法。
4如何提高GPS水準計算的精度
綜合上述內(nèi)容我們看到GPS水準法的主要優(yōu)勢在于其準確性上,如何有效的提高其計算精度就成了比較關(guān)鍵的內(nèi)容。對此,我們可以從以下幾個方面入手:其一,在開展全球定位系統(tǒng)高程轉(zhuǎn)換的情況下,要保證已知點均勻的分布到整個測試區(qū)域,使得其有著比較鮮明的代表作用,此時是不管數(shù)量多少都要保證其均勻性;其二,如果測試區(qū)域的范圍比較大,就需要結(jié)合實際情況開展分區(qū)的高程轉(zhuǎn)化方式,這種方式往往難度比較大,建議不要使用,最好的是使用移動模型的方式去實現(xiàn)一定區(qū)域已知點模型的建立,保證其轉(zhuǎn)換點在位置上的變換;其三,在選擇眾多的模型的時候,應(yīng)該堅持首先選擇綜合性較強的模型,避免選擇其它類型的模型;其四,如果出現(xiàn)參與計算的數(shù)據(jù)出現(xiàn)不正確的時候,應(yīng)該注重使用抗差的方法,對于粗差數(shù)據(jù)進行處理之后再開展顯著性檢驗,從而獲得最理想的模型狀態(tài)。
5結(jié)束語
結(jié)合上述實踐生產(chǎn)經(jīng)驗,我們明顯的看到GPS水準法能夠在煤田測量工作中發(fā)揮巨大的作用。相對于傳統(tǒng)的測量方式,其在精度上更加準確,在效率上更加的理想,在綜合效益上更加的符合現(xiàn)代化發(fā)展需求。文章以具體的某預(yù)查區(qū)為參考背景,開展全球定位系統(tǒng)水準法去開展高程測量工作。從這個角度來講,我們應(yīng)該積極探析如何更加高效的將GPS水準法使用到煤田高程測量工作中去,從而更好的發(fā)揮其在煤田高程測量工作中的效能,為煤田事業(yè)的發(fā)展做出巨大的貢獻。
參考文獻
[1] 車延國. GPS高程水準擬合模型與精度分析[J]. 遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版). 2008(01).
[2] 朱增鋒,魏向輝,張紅娟. GPS-RTK高差測量代替四等水準可行性的探討[J]. 山西建筑. 2012(08).
[3] 張昊,王琪潔,朱建軍,張曉紅. 樣本數(shù)據(jù)預(yù)處理對基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的GPS高程擬合的影響[J]. 大地測量與地球動力學(xué). 2011(02).
[4] 王新志,楊志強,王興國,陳濤. 基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的廈門集美大橋高程傳遞的設(shè)計與實現(xiàn)[J]. 南京信息工程大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版). 2010(05).
[5] 曹月玲,王解先. 利用球冠諧分析擬合GPS水準高程[J]. 武漢大學(xué)學(xué)報(信息科學(xué)版). 2008(07).
綜合上述內(nèi)容我們看到GPS水準法的主要優(yōu)勢在于其準確性上,如何有效的提高其計算精度就成了比較關(guān)鍵的內(nèi)容。對此,我們可以從以下幾個方面入手:其一,在開展全球定位系統(tǒng)高程轉(zhuǎn)換的情況下,要保證已知點均勻的分布到整個測試區(qū)域,使得其有著比較鮮明的代表作用,此時是不管數(shù)量多少都要保證其均勻性;其二,如果測試區(qū)域的范圍比較大,就需要結(jié)合實際情況開展分區(qū)的高程轉(zhuǎn)化方式,這種方式往往難度比較大,建議不要使用,最好的是使用移動模型的方式去實現(xiàn)一定區(qū)域已知點模型的建立,保證其轉(zhuǎn)換點在位置上的變換;其三,在選擇眾多的模型的時候,應(yīng)該堅持首先選擇綜合性較強的模型,避免選擇其它類型的模型;其四,如果出現(xiàn)參與計算的數(shù)據(jù)出現(xiàn)不正確的時候,應(yīng)該注重使用抗差的方法,對于粗差數(shù)據(jù)進行處理之后再開展顯著性檢驗,從而獲得最理想的模型狀態(tài)。
5結(jié)束語
結(jié)合上述實踐生產(chǎn)經(jīng)驗,我們明顯的看到GPS水準法能夠在煤田測量工作中發(fā)揮巨大的作用。相對于傳統(tǒng)的測量方式,其在精度上更加準確,在效率上更加的理想,在綜合效益上更加的符合現(xiàn)代化發(fā)展需求。文章以具體的某預(yù)查區(qū)為參考背景,開展全球定位系統(tǒng)水準法去開展高程測量工作。從這個角度來講,我們應(yīng)該積極探析如何更加高效的將GPS水準法使用到煤田高程測量工作中去,從而更好的發(fā)揮其在煤田高程測量工作中的效能,為煤田事業(yè)的發(fā)展做出巨大的貢獻。
參考文獻
[1] 車延國. GPS高程水準擬合模型與精度分析[J]. 遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版). 2008(01).
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[3] 張昊,王琪潔,朱建軍,張曉紅. 樣本數(shù)據(jù)預(yù)處理對基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的GPS高程擬合的影響[J]. 大地測量與地球動力學(xué). 2011(02).
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[5] 曹月玲,王解先. 利用球冠諧分析擬合GPS水準高程[J]. 武漢大學(xué)學(xué)報(信息科學(xué)版). 2008(07).