探讨GPS和水准测量相结合在工程中的应用

　　摘要：文章结合某电厂水源工程，详细论述了GPS和水准测量相结合的基本原理及工作方法，并得出了有益的结论，对今后类似的工程具有一定的借鉴作用。
　　关键词：GPS；水准测量；应用
　　
　　1概述
　　目前，在工程测量中，一般使用GPS完成平面控制测量，而高程的获取则采用水准测量或三角高程测量的方法。这种方法适合于测区面积较小、控制点较少的工程。对于测区面积上百平方公里、控制点较多的水源工程不适合。由于GPS高程系统的特殊性，GPS高程还不能直接使用，因此只有将GPS和水准测量相结合，综合利用GPS成果和水准测量的结果，才能把GPS高程转化为实用的正常高。满足工程的需要。
　　2基本原理
　　2.1几种常用的高程系统
　　常用的高程系统包括大地高程系统、正常高系统和正高系统。大地高程系是以椭球面为基准面的高程系统。大地高的定义是，由地面点沿通图1
　　过该点的椭球面法线到椭球面的距离，通常以H表示。GPS可以直接测量测站在WGS-84椭球中的大地高；正高系统是以大地水准面为基准的高程系统，正高是指由地面点沿该点的铅垂线至大地水准面的距离，通常用Hg表示；由于正高无法精确测定，工程中采用正常高系统，即我国采用的高程系统。正常高是指地面点沿铅垂线到似大地水准面的距离，通常用Hr表示。如图1所示。
　　
　　2.2GPS大地高和正常高的关系
　　由图1可知：
　　Hr=H-ξ(式2-1)
　　其中ξ为似大地水准面的高程异常。
　　似大地水准面与椭球面的高程差，称为高程异常。
　　由于似大地水准面是一个不规则的曲面，高程异常无法精确求得。因此目前常用的方法是根据测区内若干已知高程（通常为正常高或海拔高），来拟合确定各点的高程异常值。
　　设GPS基线向量网经三维无约束平差后，求得各点的大地高平差值为Hi，已知网中有m个点（网内总点数为n个，m<n）具有正常高Hr，根据式(2-1)可知：
　　ξi=Hi-Hri(i=1，2，3⋯，m）（式2-2）
　　设测区内ξi可用一多项式来拟合
　　ξi=a0+ai∠Bi+a2∠Li+a3∠Bi2+a4∠Li2+a5
　　∠Bi∠Li（式2-3）
　　其中∠Bi=Bi-；∠Li=Li-
　　=；=
　　则根据m个点的ξi值，列方程求得多项式(2-3)中的系数。当m≥6时可确定所有系数，当m≥3且m<6时可确定a0、a1和a2三个系数，当m<3时只能确定a0一个系数。所以这种方法至少需要三个已知高程点。当已知高程点分布均匀且测区内地形平坦时，这种方法拟合确定的ξi精度可以达到10-20cm，甚至优于5cm。在确定了多项式(2-3)中的系数后，即可应用该式求j点（j=m+1，m+2，⋯，n）的ξj，然后有
　　Hrj=Hj-ξj
　　得到各点的海拔高程值。
　　3GPS和水准测量相结合在某水源地复查综合评价工程中的应用-
　　3.1工程概述
　　本次工程经分析和计算，最终为甲方提供电厂水源地复查综合评价报告。面积约为860Km。最大高程210米，最小高程180米，平均高程195米，地势较平坦。本次测量工作的主要任务是为地质专业提供民井的坐标和高程。由于测区面积较大，国家三角点及水准点破坏严重，民井数量较多，加之时间紧、任务急，因此决定采用GPS和水准测量相结合的方法，测定民井的坐标和高程。
　　3.2工作方法
　　3.2.1收资及分析
　　通过收资发现，三个三角点分布在测区的中部且呈东西方向排列；两个水准点分布在测区的南部且相距16公里。由于水准点没有均匀分布在测区且数量较少，无法满足高程拟合的要求。因此必须在测区布设水准网。
　　3.2.2GPS测量
　　（1）布网方案
　　在测区中轴线附近选择民井G11、#10和G45为基准站，布设星形GPS网。
　　（2）作业过程及使用仪器
　　采用四台JavadGPS接收机，按快速静态作业模式，一台GPS接收机分别架在G11、#10和G45保持不动，其他三台流动，观测20分钟，并纪录点号和仪器高。输入数据采用随机软件“PCCDU”,基线解算和平差采用随机软件“Pinnacle”。满足本次工程的要求。
　　（3）成果精度评定
　　基线解算及平差后成果精度见表1单位：mm
　　
　　
　　3.2.3水准测量
　　水准测量采用四等水准。
　　3.2.4拟合高程
　　采用四等水准测量的方法在GPS网的周边和中部联测了10个GPS点、2个三角点。采用随机软件“Pinnacle”进行高程拟合。
　　GPS网高程拟合的精度见表2。
　　
　　
　　
　　3.3检查
　　检查点采用G15、G36、#30、#41。
　　检查点的精度见表3。
　
　　
　　4结语
　　（1）GPS和水准测量相结合适合大面积、地势平坦的水源工程。
　　（2）检查点要均匀分布在网的四周和中部。
　　（3）和常规方法比较，可以节约三分之二的水准工作量。就此工程来说，所有民井的高程若采用水准测量的方法测定，需四等水准约600公里；而采用GPS和水准测量相结合的方法，只需四等水准约200公里。
　　
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