1、GPS跨河水准测量的理论与实践 GPS 定位技术运用于跨河水准测量的理论与实践 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 . 5 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 . 9 第一节：GPS 定位技术运用于跨河水准测量的理论依据 大地高，水准测量的正常高，高程异常 GPS1 测量是以椭球面为基准在地心坐标系中进 WGS-84 GPS ,WGS-84 行的所提供的高程
2、为相对于椭球的大地高遗憾的是相对, WGS-84, 于椭球的大地高是没有物理意义的只是一个假定的高, WGS-84 GPS 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大地高转化为目前我国使用 ,GPS 的正常高我国现有的高程资料基本属于黄海高程系或高程系。)85 (56 进行高程转换要考虑椭球和本地参考椭球的差异以及 WGS-84 GPS 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, 高和高程异常。大地高、正常高和高程异常之间有如下关系: =HH+NG其中为大地高为正常高为高程异常， ,HG ;HN 高程异常，即同一测站点以为基
3、准的大地高与以似 WGS-84 GPS 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 高程异常变化值，高程异常变化率 高程异常变化值：当测区中某一个点既用定位技术测得其 GPS A 大地高，又用常规高程测量方法测得其正常高我们HNA, GPS HGA 就可以求出点的高程异常值； A -H NAA=HGA 大地得其术测既用，当测区中某一个点定位技样同 B GPS GPS 高，又用常规高程测量方法测得其正常高我们就可以求HNB,HGB 出点的高程异常值。 B -H NBB=HGB 为值即两点的高程异常变化测区中 AB =-=()-()HH-HH- NBABGAANAGBB 两点，那么为
4、时两点的水平距离高程异常变化率当 LAB : AB AB 高程异常变化率即为： L V = /ABABAB 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椭 WGS-84 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
5、规律难 寻，因此，定位技术在水准高程方面一直存在难以逾越的障碍， GPS 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 于对，时地的重力加速度），同该量（即质的质地地下介该球的形状及 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
6、言，如下图所示：从区间的高程异常变化率， AB 到区间的高程异常变化率到区间的高程异常变化率，必然是 ,CD BC 一个渐进的过程。 因此区间的高程异常变化率是区间的高程异常变化率与 : AB BC 区间的高程异常变化率的平均值。如下列公式所示： CD （）/2 V +V=V CDABBC DACB 长 江 跨河点非跨河点 依据量的理运用于跨河水准定位技术就是这测论 GPS 第二节 GPS 定位技术运用于跨河水准测量的适用范围 当海拔高度超过米的地区，不宜进行一二等水准测量，当海 500 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，
7、当河两端的高程异常 变化率差值超过每公里时，不宜采用定位技术进行三四 GPS 15mm 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。 当海拔高度超过米的地区，河面宽度小于米，河两端 1000 500 的高程异常变化率的差值小于每公里时，本人认为：可以采用 15mm 定位技术进行三四等跨河水准测量。 GPS 当河两端的高程异常变化值大于每公里时，不宜采用 70mm 定位技术进行一等跨河水准测量。 GPS 当河两端的高程异常变化值大于每公里时，不宜采用 130mm 定位技术进行二等跨河水准测量。 GPS 当河两端的高程异常变化值大于每公里时，不
8、宜采用 200mm 定位技术进行三四等跨河水准测量。 GPS 第三节 GPS 定位技术运用于跨河水准测量的布点要求 跨河水准测量应选择在地形较为平坦的平原、丘陵且河流 GPS 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。 水准点尽可能选在水准测线附近，并有利于进行观测 GPS GPS 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。 三四等跨河水准测量中，非跨河点（、）宜位于跨河DA 点（、）连线的延长线上，点间距大致与跨河距离相等，非跨河点CB 偏离跨河方向轴线的垂距不得大于的。4BC 1 DBCA 长 江 跨
9、河点非跨河点 二等跨河水准测量中，非跨河点（、）宜位于跨河DA 点（、）连线的延长线上，点间距大致与跨河距离相等，非跨河点CB 偏离跨河方向轴线的垂距不得大于的。25 1 BC 二等跨河水准测量中，非跨河点（、）宜位于跨河点（、）连CDAB 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的。251 BC 当跨河距离小于公里时，同一河岸非跨河点距跨河点的距离 2 以公里为宜。 2 第四节 GPS 技术运用于跨河水准测量中 GPS 观测及数据处理 本文所说观测及数据处理仅适用于三四等跨河水准测量， GPS 为保证所测基线及大地高正确性，三四等跨河水准测量中 GPS
10、 观测规定严于国家级网的要求，松于国家级网的要求。 A BGPS 测量作业的基本技术要求 GPS 别 级 目项 ）卫星高度角（ 15 数星总有效卫4 静 ）长度（时段min120 态 段数观测时4 测 ）隔（数据采样间 S10 量 或GDOP PDOP6 校合检行须按要求进中基座生（）全部仪器、光学对产作业前都必1 设行一进检定期内才能投入使用。所有仪在有效器在观测前统格且应 度。为秒，隔设置高度角样间置：数据采 10 15 时间段。观测历预报应观测）（前，做好星，避开不利于的2 前后各差不得大于，每时段观测（）观测时，天线整平对中误1mm3 结果。值作为最后量取天线高一次，两次互差小于，并取
11、其平均2mm 线高度。须重新中整平，重新量取天对时段观测时第二时段仪器必双 观测手簿。观测点名、仪器高、仪器号、定填写程中按规（）观测过4 应详细记录。者均时间、日期以及观测 理处数据 GPS 符合以下要求解算应线基 GPS 观测值。应采用双差相位基线解算 值。线解算的起始采用精密星历作为基 标。运行站坐连续基线解算的起始坐标应采用 GPS 为数据截断并划分以为一单元，将连续观测基线解算时，应 h 2 具有至少线解算，使每一个同步观测图形各基线边段多个时进行基4 结果。个时段的重复基线处理” 采用双差固定解或多基线应模式，基线解算方案可采用单基线 终结果。解算的最基线作为 核量检基线解算的质
12、GPS 。线处理数据采用率不低于基80 分标段中任一三边同步环的坐时采用单基线处理模式，同步时 小于相应对闭合差小于量相对闭合差应，环线全长3.0ppm 2.0ppm 足应满闭坐标分量合差和全长闭合差环由独立基线构成的异步 nnn 2；Wz WyWx2 ；2 3n 2W 不大于）应的长度互差（）及大地高高差互差（重复基线dHds n 2 以上式中：一相应测量等级基线长度标准差，单位为毫米 （）mm 跨河水准测量网平差处理 GPS 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，进行同的无约束平差。无约束平差应
13、提供各点 GPS 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。 无约束平差基线向量改正数绝对值应满足： VVVy?x? 3； 3 3z? ）毫米（单位为级基线长度标准基，否。一相应测量等mm 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。 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，北纬。测区内水 320111947 1190
14、0 3338 系密集，河流众多。 上，中铁团有限公司承担勘察设计淮扬镇铁路由中铁上海设计院集 础处承担基有限公司航测遥感院委托中铁第一勘察设计集团海设计 测图测量。航测量及：控制网的 2000 1 米，别为跨河水准测量。跨河长度分本项目共从事处1744 1899 5 明如下说业洲跨河水准米，米，米，米，下面就世 1596 20191019 BM057 差 差 BM057- BM109=2603. 8, 差差 BM109 差差 BM058 BM110 差 差 BM058- BM130=- 43. 5,差 差 BM110- BM129=- 6, 差差 GPS130 GPS129 差差BM059 差
15、 差 BM059- BM131=- 799. 8, BM131 业镇。江市世镇位于江苏省线这是推荐路方案跨越长江的情景，该处 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： 椭球水准高差异高差异常变高差异常变高差异常变化点水准高椭球距大地率均变化GPS138.701-0.0109.490BM52134.6040.780.799-0.00505948BM59.490-0.70040.000106278.7GPS13-0.7002087.1605.09178E-0GPS138.70.00
16、516138.841BM50.0430.0511627.4900.008HGPS130-HBM59=-0.7004高差异常变椭球高差异常变水准高差异水准高点大地椭球距高差异常变化率均变化GPS128.9230.005BM110.002854298.9350.0112067.0580.00BM118.935-2.1791-0.00427927BM106.749-2.1861690.567-0.00723440BM106.749-0.01141284.121BM05-2.6272094.130-2.603-0.023 HGPS109-HBM110=-2.17917 从上表可以看出： 第一处跨河水准
17、中： 南端高程异常变化率为：-0.005059485m/km. 北端高程异常变化率为：0.00516132m/km. 跨河处高程异常变化率为：。5.09178E-05m/km 跨河处高程异常变化值为：0.000106274m GPS130 与 BM59 椭球高差值：-0.7003m ：与值水准高差-0.70041mGPS130 BM59 第二处跨河水准中： 南端高程异常变化率为：0.002854298m/km. 北端高程异常变化率为：-0.01141285m/km. 跨河处高程异常变化率为：。-0.004279276m/km 跨河处高程异常变化值为：-0.007234405m BM109 与 BM110 椭球高差值：-2.1864m ：水准高差与值-2.17917mBM110 BM109 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
