GPS跨河水准测量的理论与实践.pdf

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GPS定位技术运用于跨河水准测量的理论与实践
目录
第一节:GPS定位技术运用于跨河水准测量的理论依据...................................................................1
第二节GPS定位技术运用于跨河水准测量的适用范围.......................................................................5
第三节GPS定位技术运用于跨河水准测量的布点要求.......................................................................6
第四节GPS技术运用于跨河水准测量中GPS观测及数据处理.......................................................7
第五节GPS定位技术运用于淮扬镇新建铁路项目跨河水准测量..................................................10
第一节:GPS定位技术运用于跨河水准测量的理论依据
⒈GPS大地高,水准测量的正常高,高程异常
GPS测量是以WGS-84椭球面为基准,在WGS-84地心坐标系中进
行的,所提供的高程为相对于WGS-84椭球的大地高,遗憾的是相对于
WGS-84椭球的GPS大地高是没有物理意义的,只是一个假定的高程
系统,而实际工程应用中采用的是以似大地水准面为基准的正常高系
统。所以,在实际应用中一般要将GPS大地高转化为目前我国使用的
正常高(我国现有的高程资料基本属于黄海56高程系或85高程系)。
进行GPS高程转换要考虑WGS-84椭球和本地参考椭球的差异以及
大地水准面和似大地水准面相对本地参考椭球的高差,即大地水准面
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高和高程异常。大地高、正常高和高程异常之间有如下关系:
H=H+ξ
GN
其中,HG为大地高;HN为正常高;ξ为高程异常,
高程异常,即同一测站点以WGS-84为基准的GPS大地高与以似
大地水准面为基准的正常高之间的高程异常。其几何关系见下图
⒉高程异常变化值,高程异常变化率
高程异常变化值:当测区中某一个点A既用GPS定位技术测得其
GPS大地高HGA,又用常规高程测量方法测得其正常高HNA,我们
就可以求出A点的高程异常值;
ξA=HGA-HNA
同样,当测区中某一个点B既用GPS定位技术测得其GPS大地高
HGB,又用常规高程测量方法测得其正常高HNB,我们就可以求出B
点的高程异常值。
ξ=H-H
BGBNB
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测区中AB两点的高程异常变化值即为
=-=()-(
△ξABξAξBHGA-HNAHGB-
)
HNB
高程异常变化率:当AB两点的水平距离为LAB时,那么AB两点高
程异常变化率即为:
△ξL
V=/
ξABABAB
⒊跨河水准测量理论依据
高程异常变化值,以及高程异常变化率在工程实践中应用非常广
泛,其内涵及外延各种论述专著各有不同,本文上述两个概念是专
为论述跨河水准测量而设,仅以此文为限。
高程异常产生的物理原因如下:
第一:地球是一个类椭球,而非严格意义上的椭球。在某些区域
地球形状与几何椭球相去甚远。
第二:组成地球的介质的质量分布不均匀。由于万有引力定律得
知,各地地球重力加速度分布不均匀,造成似大地水准面与
WGS-84椭球面不一致。
知道了高程异常产生的物理原因,我们就容易明白高程异常规律
难寻,因此,GPS定位技术在水准高程方面一直存在难以逾越的障
碍,但高程异常变化在对于某一具体位置而言是恒定的,他取决于
该地地球的形状及该地地下介质的质量(即该地的重力加速度),
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同时,对于某一个区域而言高程异常变化值是有规律可循。地球的
介质的质量的变化,导致该地重力加速度的变化。从而导致高程异
常变化,但是,对于某一个区域而言,地球的介质的质量的变化是
渐进的过程,这是地球在几亿年的变化的过程中逐渐形成。从而导
致重力加速度的变化也是渐进的过程,最终导致高程异常变化也是
渐进的过程,因而,对于某一个较小区域而言,高程异常变化率呈
现逐渐递增或者逐渐递减的变化趋势。
对于一条直线而言,如下图所示:从AB区间的高程异常变化率,
到BC区间的高程异常变化率,到CD区间的高程异常变化率,必然是
一个渐进的过程。
因此:AB区间的高程异常变化率是BC区间的高程异常变化率与
CD区间的高程异常变化率的平均值。如下列公式所示:
V=(V+V)/2
ξBCξABξCD
ABCD
长
江
跨河点非跨河点
●○
这就是GPS定位技术运用于跨河水准测量的理论依据
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第二节GPS定位技术运用于跨河水准测量的适用范围
⒈当海拔高度超过500米的地区,不宜进行一二等水准测量,当
海拔高度超过多少米的地区,不宜进行三四等水准测量,在测量规
范没有规定,本人认为:应根据实地情况,具体确定,当河两端的
高程异常变化率差值超过每公里15mm时,不宜采用GPS定位技术
进行三四等跨河水准测量。这既考虑了仪器系统误差,也考虑人为
观测误差,同时考虑三四等跨河水准测量限差要求。
⒉当海拔高度超过500米的地区,河面宽度小于1000米,河两端
的高程异常变化率的差值小于每公里15mm时,本人认为:可以采
用GPS定位技术进行三四等跨河水准测量。
⒊当河两端的高程异常变化值大于每公里70mm时,不宜采用
GPS定位技术进行一等跨河水准测量。
⒋当河两端的高程异常变化值大于每公里130mm时,不宜采用
GPS定位技术进行二等跨河水准测量。
⒌当河两端的高程异常变化值大于每公里200mm时,不宜采用
GPS定位技术进行三四等跨河水准测量。
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第三节GPS定位技术运用于跨河水准测量的布点要求
⒈GPS跨河水准测量应选择在地形较为平坦的平原、丘陵且河流
两岸地貌形态基本一致地区。在河流两岸大地水准面具有相同的变
化趋势,且变化相对平缓的方向上布设跨河路线。
⒉GPS水准点尽可能选在水准测线附近,并有利于进行GPS观测
及水准连测。应避开土质松软、强磁场地段以及行人、车辆来往较
多等场所。
⒊三四等跨河水准测量中,非跨河点(A、D)宜位于跨河
点(B、C)连线的延长线上,点间距大致与跨河距离相等,非跨
河点偏离跨河方向轴线的垂距不得大于BC的1/4。
ABCD
长
江
跨河点非跨河点
●○
⒋二等跨河水准测量中,非跨河点(A、D)宜位于跨河
点(B、C)连线的延长线上,点间距大致与跨河距离相等,非跨
河点偏离跨河方向轴线的垂距不得大于BC的1/25。
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⒌二等跨河水准测量中,非跨河点(A、D)宜位于跨河点(B、
C)连线的延长线上,点间距大致与跨河距离相等,非跨河点偏离跨
河方向轴线的垂距不得大于BC的1/25。
⒍当跨河距离小于2公里时,同一河岸非跨河点距跨河点的距离
以2公里为宜。
第四节GPS技术运用于跨河水准测量中GPS观测及数据处理
本文所说GPS观测及数据处理仅适用于三四等跨河水准测量,
⒈为保证GPS所测基线及大地高正确性,三四等跨河水准测量中
GPS观测规定严于国家B级网的要求,松于国家A级网的要求。
⒉GPS测量作业的基本技术要求
级别
项目
卫星高度角(°)≥15
静有效卫星总数≥4
态时段长度(min)≥120
测观测时段数4
量数据采样间隔(S)10
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PDOP或GDOP≤6
(1)全部仪器、光学对中基座生产作业前都必须按要求进行检校
合格且应在有效检定期内才能投入使用。所有仪器在观测前统一进
行设置:数据采样间隔10秒,设置高度角为15度。
(2)观测前,应做好星历预报,避开不利于观测的时间段。
(3)观测时,天线整平对中误差不得大于1mm,每时段观测前
后各量取天线高一次,两次互差小于2mm,并取其平均值作为最后
结果。双时段观测时第二时段仪器必须重新对中整平,重新量取天
线高度。
(4)观测过程中按规定填写观测手簿。观测点名、仪器高、仪器
号、时间、日期以及观测者均应详细记录。
⒊GPS数据处理
⑴GPS基线解算应符合以下要求
①基线解算应采用双差相位观测值。
②采用精密星历作为基线解算的起始值。
③基线解算的起始坐标应采用GPS连续运行站坐标。
④基线解算时,应以2h为一单元,将连续观测数据截断并划分
为多个时段进行基线解算,使每一个同步观测图形各基线边具有至
少4个时段的重复基线处理结果。”
⑤基线解算方案可采用单基线或多基线模式,应采用双差固定解
作为基线解算的最终结果。
⑵GPS基线解算的质量检核
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①基线处理数据采用率不低于80%。
②采用单基线处理模式时,同步时段中任一三边同步环的坐标分
,
③由独立基线构成的异步环坐标分量闭合差和全长闭合差应满足
Wx≤2n·σ;Wy≤2n·σ;Wz≤2n·σ
W≤23n·σ
④重复基线的长度互差(ds)及大地高高差互差(dH)应不大于
2n·σ
以上式中:σ-一相应测量等级基线长度标准差,单位为毫米
(mm)
⑶跨河水准测量GPS网平差处理
①在基线向量检核符合要求后,以三维基线向量及其相应方差一
协方差阵作为观测信息,以某一跨河点的三维地心坐标系下的三维
坐标作为起算数据,进行GPS同的无约束平差。无约束平差应提供
各点在三维地心坐标系下的三维坐标、各基线向量改正数和精度信
息。
②无约束平差基线向量改正数绝对值应满足:
VVV
x≤3σ;y≤3σ;z≤3σ
σ-一相应测量等级基线长度标准基,单位为毫米(mm)。
否则应认为该基线或附近基线存在租差,应在平差中采用软件提供
的自动方法或人工方法剔除,直到满足上式要求。
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第五节GPS定位技术运用于淮扬镇新建铁路项目跨河水准测量
淮扬镇铁路北起江苏淮安,位于江苏省中北部的纵向中轴线上。
线路北起苏北淮安市,与京杭运河、京沪高速铁路并行,向南经苏
中扬州市(宝应、高邮、江都),跨长江后止于镇江市。
测区位于东经119°00’~119°47’,北纬32°01’~33°38’。测区内
水系密集,河流众多。
淮扬镇铁路由中铁上海设计院集团有限公司承担勘察设计,中铁
上海设计院委托中铁第一勘察设计集团有限公司航测遥感处承担基
础控制网的测量及1:2000航测图测量。
本项目共从事5处跨河水准测量。跨河长度分别为1899米,1744
米,1596米,1019米,2019米,下面就世业洲跨河水准说明如下
BM057
高差BM057-BM109=,
长江BM109
BM058长江
BM110
高差BM058-BM130=-,高差BM110-BM129=-6,
长江GPS130
GPS129
BM059长江
高差BM059-BM131=-,
BM131
这是推荐线路方案跨越长江的情景,该处位于江苏省镇江市世业
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镇。世业镇又称世业洲,是长江上仅次于崇明岛第二大岛屿,长江
在此处分开为两条河,经过世业洲后又合为一条河,长江上润扬大
桥即从此穿过。其测量数据及计算过程如下表:
.:.
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椭球高水准高高差异常高差异常变化高差异常变化
点号大地高椭球距离高差异常变化值水准高差
差差变化值率率均值

--

---


HGPS130-HBM59=-
点号大地高椭球高椭球距离水准高高差异常高差异常变化高差异常变化高差异常变化值水准高差
.:.
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差差变化值率率均值



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HGPS109-HBM110=-
.:.
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从上表可以看出:
第一处跨河水准中:
南端高程异常变化率为:-.
北端高程异常变化率为:.
跨河处高程异常变化率为:-05m/km。
跨河处高程异常变化值为:
GPS130与BM59椭球高差值:-
GPS130与BM59水准高差值:-
第二处跨河水准中:
南端高程异常变化率为:.
北端高程异常变化率为:-.
跨河处高程异常变化率为:-。
跨河处高程异常变化值为:-
BM109与BM110椭球高差值:-
BM109与BM110水准高差值:-
后将上述水准高差值纳入至水准网进行平差,各项指标均符合四
等水准测量要求。经多种渠道认证。上述方法具有较高的精度和较
高的可靠性。
印灯平
2010-7-21
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