1、高程測量的精度研究摘 要由于其高效方便，得到了迅猛發(fā)展，成為了現(xiàn)在地形測量、變形監(jiān)測、低等級高程控制測量的首選。近年來在理論和技術(shù)高速發(fā)展的帶動下在平面測量精度和高程測量精度方面都得到了很大的提高。硬件方面，扼流圈天線使得的多路徑效應(yīng)得到了有效的消除；理論方面，各種對流層、電離層延遲改正模型的提出及其應(yīng)用，以及許多研究表明有效的消除誤差理論的應(yīng)用，使得的諸多與衛(wèi)星及接收機之間的誤差得到了很好的改正，所以在平面位置和高程的測量精度也進一步提高。由于測量的大地高應(yīng)用于實際時需要經(jīng)過高程轉(zhuǎn)換為正常高，中間轉(zhuǎn)換過程中需要解算高程異常，一系列的計算使得在高程控制測量方面誤差偏大，影響了高程控制測量在許多

2、方面的應(yīng)用。本文在雙頻觀測的基礎(chǔ)上，通過解算原始的觀測數(shù)據(jù)，建立一種區(qū)域的電離層延遲改正模型，取代現(xiàn)在最常用的克羅布歇模型來消除電離層對測量的影響，更好的消除電離層延遲的影響，以提高的解算數(shù)據(jù)的精度。本文在闡述高程系統(tǒng)和高程測量原理的基礎(chǔ)上，首先分析并總結(jié)了影響測高的各種因素及大地高的測定精度；其次對現(xiàn)有的高程轉(zhuǎn)換方法進行了全面分析，結(jié)合工程算例，深入探討了各種擬合模型的適合范圍及精度情況；同時針對高程測量中幾何方法轉(zhuǎn)換的不足，本文研究了基于人工神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換高程的新方法，通過實例分析證明了該方法轉(zhuǎn)換高程的可行性與可靠，對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型轉(zhuǎn)換高程的BP網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中隱層單元數(shù)量的確定、隱含層數(shù)的確定、

3、學習速率的選擇、初始權(quán)值的選擇、訓練樣本對網(wǎng)絡(luò)泛化能力的影響等問題進行了較為深入的探討。為避免應(yīng)用單一模型進行高程擬合方法的局限性，在吸收和學習己有研究成果的基礎(chǔ)上，將不同的擬合模型進行迭加，提高高程異常的逼近精度和可靠性。關(guān)鍵詞：1、三角高程；2、測量精度；3、井下三角；4、GPS高程測量目 錄一、緒 論6二、基本概念概述8（一）三角高程測量定義8（二）三角高程測量基本原理8（三）全站儀三角高程測量的技術(shù)指標8三、測量精度分析11（一）測量精度分析11（二）誤差方法的共同點11（三）提高精度的措施12四、井下三角高程測量的精度分析13五、GPS高程測量精度15（一）GPS高程測量概述15（二

4、）影響GPS測高的各種因素151、衛(wèi)星分布不對稱152、對流層延遲改正殘差的影響163、基線起算點的坐標誤差解算基線16（三）GPS高程測量精度研究161、利用重力測量方法162、轉(zhuǎn)換參數(shù)法163、GPS三角高程法164、聯(lián)合平差法165、GPS水準法17六、結(jié)論18致 謝19參考文獻20一、 緒 論全站儀，即全站型電子速測儀（Electronic Total Station）。是一種集光、機、電為一體的高技術(shù)測量儀器，是集水平角、垂直角、距離（斜距、平距）、高差測量功能于一體的測繪儀器系統(tǒng)。因其一次安置儀器就可完成該測站上全部測量工作，所以稱之為全站儀。全站儀是一種集光、機、電為一體的新型測

5、角儀器，與光學經(jīng)緯儀比較電子經(jīng)緯儀將光學度盤換為光電掃描度盤，將人工光學測微讀數(shù)代之以自動記錄和顯示讀數(shù)，使測角操作簡單化，且可避免讀數(shù)誤差的產(chǎn)生。電子經(jīng)緯儀的自動記錄、儲存、計算功能，以及數(shù)據(jù)通訊功能，進一步提高了測量作業(yè)的自動化程度。 全站儀采用了光電掃描測角系統(tǒng)，其類型主要有：編碼盤測角系統(tǒng)、光柵盤測角系統(tǒng)及動態(tài)（光柵盤）測角系統(tǒng)等三種。全站儀按其外觀結(jié)構(gòu)可分為兩類：（1）積木型（Modular，又稱組合型）早期的全站儀，大都是積木型結(jié)構(gòu)，即電子速測儀、電子經(jīng)緯儀、電子記錄器各是一個整體，可以分離使用，也可以通過電纜或接口把它們組合起來，形成完整的全站儀。 （2）整體性（Integral

6、）隨著電子測距儀進一步的輕巧化，現(xiàn)代的全站儀大都把測距，測角和記錄單元在光學、機械等方面設(shè)計成一個不可分割的整體，其中測距儀的發(fā)射軸、接收軸和望遠鏡視準軸為同軸結(jié)構(gòu)。全站儀幾乎可以用在所有的測量領(lǐng)域。電子全站儀由電源部分、測角系統(tǒng)、測距系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理部分、通訊接口、及顯示屏、鍵盤等組成。全站儀的主要特點如下：（1）電腦操作系統(tǒng)：全站儀具有像通常PC級一樣的DOS操作系統(tǒng)。（2）大屏幕顯示：可顯示數(shù)字、文字、圖像，也可顯示電子氣泡居中情況，以提高儀器安置的速度與精度，并采用人機對話式控制面板。（3）大容量內(nèi)存：一般內(nèi)存在1M以上，其中主內(nèi)存有640K，數(shù)據(jù)內(nèi)存320K，程序內(nèi)存512K，擴展內(nèi)存

7、512K。（4）采用國際計算機通用磁卡：所有測量信息都以文件形式記入磁卡或電子記錄簿，磁卡優(yōu)先采用無觸點感應(yīng)式，可以長期保留數(shù)據(jù)。（5）自動補償功能：補償器裝有雙軸傾斜傳感器，能直接檢測出儀器的垂直軸，在視準軸方向和橫軸方向上的傾斜量，經(jīng)儀器處理計算出改正值并對垂直方向和水平方向值加以改正，提高測角精度。（6）測距時間短，耗電量低。全站儀具有角度測量、距離（斜距、平距、高差）測量、三維坐標測量、導線測量、交會定點測量和放樣測量等多種用途。內(nèi)置專用軟件后，功能還可進一步拓展。 全站儀的基本操作與使用方法：1、水平角測量（1）按角度測量鍵，使全站儀處于角度測量模式，照準第一個目標A。 （2）設(shè)置A

8、方向的水平度盤讀數(shù)為。 （3）照準第二個目標B，此時顯示的水平度盤讀數(shù)即為兩方向間的水平夾角。 2、距離測量 （1）設(shè)置棱鏡常數(shù)。測距前須將棱鏡常數(shù)輸入儀器中，儀器會自動對所測距離進行改正。 （2）設(shè)置大氣改正值或氣溫、氣壓值。 光在大氣中的傳播速度會隨大氣的溫度和氣壓而變化，15和760mmHg是儀器設(shè)置的一個標準值，此時的大氣改正為0ppm。實測時，可輸入溫度和氣壓值，全站儀會自動計算大氣改正值（也可直接輸入大氣改正值），并對測距結(jié)果進行改正。 （3）量儀器高、棱鏡高并輸入全站儀。（4）距離測量。照準目標棱鏡中心，按測距鍵，距離測量開始，測距完成時顯示斜距、平距、高差。 3、坐標測量（1）

9、設(shè)定測站點的三維坐標。 （2）設(shè)定后視點的坐標或設(shè)定后視方向的水平度盤讀數(shù)為其方位角。當設(shè)定后視點的坐標時，全站儀會自動計算后視方向的方位角，并設(shè)定后視方向的水平度盤讀數(shù)為其方位角。 （3）設(shè)置棱鏡常數(shù)。 （4）設(shè)置大氣改正值或氣溫、氣壓值。 （5）量儀器高、棱鏡高并輸入全站儀。 （6）照準目標棱鏡，按坐標測量鍵，全站儀開始測距并計算顯示測點的三維坐標。 二、基本概念概述（一）三角高程測量定義三角高程測量（trigonometric leveling），通過觀測兩點間的水平距離和天頂距（或高度角）求定兩點間高差的方法。它觀測方法簡單，不受地形條件限制，是測定大地控制點高程的基本方法。（二）三角

10、高程測量基本原理隨著科學技術(shù)的高速發(fā)展，測量設(shè)備也不斷換代更新。全站儀現(xiàn)已普遍用于控制測量、地形測量及工程測量中，并以其簡捷的測量手段，高速的電腦計算和精確的邊長測量，被廣大測繪人員所鐘愛。圖2.1三角高程測量原理圖三角高程測量的基本原理如圖2.1，A、B為地面上兩點，自A點觀測B點的豎直角為，S為兩點間水平距離，i為A點儀器高，i為B點覘標高，則A、B兩點間高差為，上式是假設(shè)地球表面為一平面，觀測視線為直線條件推導出來的。在大地測量中，因邊長較長，必須顧及地球彎曲差和大氣垂直折光的影響。為了提高三角高程測量的精度，通常采取對向觀測豎直角，推求兩點間高差，以減弱大氣垂直折光的影響。（三）全站儀

11、三角高程測量的技術(shù)指標隨著全站儀在工程測量中的廣泛使用，全站儀三角高程測量也得到廣泛的應(yīng)用。新頒布的工程測量規(guī)范對其主要技術(shù)要求作了具體規(guī)定，見下表2.1。表2.1全站儀三角高程測量的技術(shù)指標等級儀器測回數(shù)指標差較差()豎直角較差()對向觀測高差較差(mm)附合或環(huán)形閉合差（mm）三絲法中絲法四等3五等12傳統(tǒng)的幾何水準測量在坡度較大的地區(qū)難以實施，由于測站太多，精度很難保證。利用三角高程測量時，由于大氣折光誤差、垂直角觀測誤差以及丈量儀器儀器高和目標高的誤差影像，精度很難有顯著的提高。理論和實踐表明，當距離小于400m時，大氣折光的影像不是主要的。因此只要采取一定的觀測措施，達到毫米級的精度

12、是可能的。三、測量精度分析（一）測量精度分析根據(jù)三角高程測量中誤差計算公式，可計算每測段高差中誤差及歸算為每千米路線的高差中誤差。如果垂直作業(yè)按平地、丘陵和山地的平均值，取為；垂直角觀測采用級全站儀觀測；??；邊長測量中誤差按全站儀測距精度計算；大氣垂直折光系數(shù)中誤差取，、均按8mm計算?？梢钥闯鰞x器高與覘標高的量取誤差較大，影響了整個三角高程的測量精度，若加大測段邊長，可相對減小儀器高與覘標高的量取誤差。因此，全站儀三角高程測量，測段邊長在500800米間，其高差測量精度較好，可代替精度較低的水準測量。如城市工程水準測量、線路水準測量等。表4.1 全站儀三角高程精度表1°10

13、6;20°三等水準限差四等水準限差項目m（mm）S(m)2mh2mh2mh12mm20mm502.913.483.862.684.471003.153.414.093.796.323004.995.195.736.5710.955007.427.557.928.4914.1470010.0110.0910.3110.0416.73100014.0014.0114.0512.0020.00200027.5727.4026.9216.9728.28標稱精度通常是指儀器核心部件的設(shè)計加工精度和標準觀測精度，只有在理想的環(huán)境條件下才有可能實現(xiàn)。（二）誤差方法的共同點在上述介紹的兩種全站儀三角

14、高程測量方法中，無論是對向觀測法還是中間法觀測，觀測高差中誤差均隨著豎直角和觀測距離的增大而增大。這說明在三角高程的高差測量中，應(yīng)盡量控制豎直角和觀測距離在一定范圍內(nèi)。其次，當視線距離較小時，儀器高和棱鏡高量測誤差是全站儀三角高程的主要誤差。（三）提高精度的措施（1）影響高差測量精度主要是豎直角觀測誤差、測距誤差、儀器高與棱鏡高量測誤差，其中豎直角觀測誤差較之其他兩項的影響要大的多。故豎直角的測定誤差是全站儀三角高程測量的主要誤差，所以在觀測中應(yīng)采取適當?shù)拇胧┨岣哓Q直角的觀測精度。（2）若要再次提高三角高程測量精度，只有提高垂直角觀測精度，減小儀器高與覘標高的量取誤差，才能有效地提高三角高程測

15、量精度。（3）在平坦地區(qū)，視線離地表的高度基本一致，其上各點處的溫度大致相同，氣象代表性誤差較小，故在平坦地區(qū)進行測距作業(yè)時既不必選擇氣溫梯度逆轉(zhuǎn)時刻，也不需按上段介紹的大氣模型進行修正。在丘陵山區(qū)和高山地區(qū)，要想真正實現(xiàn)精密全站儀的標稱測距精度，除了應(yīng)選擇最佳觀測時間或按大氣模型進行氣象代表性誤差的修正之外，還需定期對儀器(包括溫度計、氣壓表) 進行檢驗、校正，并正確地測量氣象參數(shù)。四、井下三角高程測量的精度分析礦山測量是煤礦開采的基礎(chǔ)工作，煤礦的所有井巷工程都已測量先導，測量工作主要確定巷道的平而位置和垂直位置，平而主要采用導線測量，垂直位置即高程有兩個途徑:二角測量和準測量，井下巷道高低

16、變化較多，采用兩種測量方法，測量人員任務(wù)量大，影響生產(chǎn)時間長，本章通過分析計算，在實際工作中，用三角測量替代水準測量。生產(chǎn)中對高度的要求是滿足生產(chǎn)需要，生產(chǎn)實際中對高程測量要求最高的應(yīng)是貫通工程。一般情況下，主要貫通中腰線偏差小于220mm即可認為能滿足生產(chǎn)需要。要求二角高程閉合差應(yīng)小于，（L為閉合線路長度，單位km)。要使貫通對高程閉合差小于220mm,即則L<4km。由此可見在貫通路線長度小于4km時，采用二角高程測量即能滿足要求，那么，對于路線長度大于 4km的貫通工程又如何呢?在傾斜巷道中必須采用二角高程測量，這里則卞要討論在水平巷道中垂直角小于2°情況下的二角高程測量

17、。二角高程測量兩點間的高差中誤差為：由于水平巷道中垂直角石很小，故由量邊誤差所引起的高差中誤極小，可以忽略不計。為便于討論，設(shè)導線邊長基木相等，平均邊長為L，則單位長度海km，以下同的高差中誤差彈位為的為：儀器高、胡標高丈量相同，利一認為其中誤差相等為，且，如果L單位為米，單位為秒，、單位為毫米，則胡標高、儀器高的丈量誤差一般小于3mm，兩次平均值誤差則小于2mm，由伽榔中垂直角測量限差得出垂直角中誤差對于6級儀器為小于9，2級儀器小于5",水準返往測量高差較差應(yīng)小于50mm，則單位長度高差中誤差應(yīng)小于17.6m m，采用6"級儀器又垂直角，當邊長在40m以上時，二角高程單

18、位長度中誤差小任17.6mm，當采用2"級儀器觀測垂直角時，平均邊長L和單位長度高差中誤差Mh.存在以下關(guān)系：從以上關(guān)系中可以看出，當平均邊長等于110米時，Mh為最小，平均邊長在70m-200m時，mh小于13mm。目前在大型貫通工程和基木控制測量中普遍采用了光電測距儀，從而使導線邊長有所加大，人們普遍認為光電測距導線邊長在100mm-200mm時，對觀測較為有利，以上結(jié)果表明，導線邊長在此范圍內(nèi)，也使得二角高程測量成果最佳，即單位長度中誤差為最小，mh<13mm，生產(chǎn)實際中常常采用的是邊長垂直角往硯測，完全達到水準測量要求。在邊長較短時，儀器高、胡標高的丈量誤差在高差中誤差

19、中比垂直角誤差比重大，因此在邊長較短時，我們應(yīng)注意儀器高、胡標高的的丈量，嚴格按伽榔的要求操作，測前測后各量一次，以提高二角高程測量精度當貫通長度小于4km時，采用二角高程測量，即能滿足貫通工程搞成上的要求對于導線長度大于4km的貫通工程和井下基木控測量，由于采用了光電測距儀，其平均邊長遠遠大于30m，因此采用二角高程測量同樣能滿足要求。五、GPS高程測量精度（一）GPS高程測量概述由GPS相對定位得到的三維基線向量，通過GPS網(wǎng)平差，可以得到高精度的大地高差。如果網(wǎng)中有一點或多點具有精確的WGS-84大地坐標系的大地高程，則在GPS網(wǎng)平差后，可以求得各GPS點的WGS - 84大地高H。但在

20、實際應(yīng)用中，我國國家高程系基準點，統(tǒng)采用的是正常高系統(tǒng)，通過水準測量確定的是正常高H,。大地高和正常高的關(guān)系為：顯然如果知道了各GPS點的高程異常值，則不難由各GPS點的大地高求得各GPS點的正常高。而實際上，很難獲得高精度的高程異常值，一般測區(qū)內(nèi)缺少高精度的GPSGPS網(wǎng)平差后，很難得到高精度的大地高H，精確計算各GPS點的正常高。但如果在測區(qū)中的一些GPS點上同時進行水準測量，則可求得這些點上的高程異常值咨，內(nèi)插其它GPS測點的高程異常值，進而可將各點的GPS大地高轉(zhuǎn)換為各點的正常高，這是GPS高程控制測量的常用方法。（二）影響GPS測高的各種因素一般說來，GPS測量的各種誤差對平面、高程

21、兩方面均會有影響，但影響的程度不盡相同，影響GPS高程測量中大地高精度的因素主要來源于GPS衛(wèi)星、衛(wèi)星信號的傳播過程和地面接收設(shè)備，還有與地球整體運動有關(guān)的地球潮汐、負荷潮等的影響。影響GPS測高的各種因素主要來自于。1、衛(wèi)星分布不對稱GPS測量中所有被觀測衛(wèi)星均在地平面以上，平面定位時可以通過對時段及衛(wèi)星的選擇來保證衛(wèi)星分布的基本對稱，以消除或削弱測距誤差、星歷誤差、信號傳播中大氣延遲誤差等的影響；但對于測高來講，所有被觀測的衛(wèi)星均在地平面以上，衛(wèi)星分布總是不對稱的，許多系統(tǒng)性的誤差難以消除。這種影響是GPS測量的固有特征，作為事實無法改變。但是在實際工作中，我們可以適當限制基線的長度，使基

22、線兩端所產(chǎn)生的誤差具有更好的相關(guān)性，通過差分可大大削弱這種誤差對測高的影響；另外，通過減小測距誤差、星歷誤差、大氣延遲誤差的殘差等誤差，也可取得一定的效果。2、對流層延遲改正殘差的影響對流層延遲改正不完善殘留下來的誤差將主要影響高程分量的精度，對于短基線這種影響尤為明顯。星歷誤差衛(wèi)星星歷誤差是GPS定位中的一個重要誤差源。3、基線起算點的坐標誤差解算基線需要用到基線向量一個端點的坐標作為起算數(shù)據(jù)。該起算點的坐標誤差將影響基線的解算結(jié)果，使解算出來的基線向量在垂直面上旋轉(zhuǎn)一個角度。其它誤差電離層延遲改正的殘余誤差，多路徑誤差，接收機天線相位中心的誤差以及天線高的量測誤差等也都會影響GPS測高的精

23、度。（三）GPS高程測量精度研究1、利用重力測量方法高程異常是地球重力場的參數(shù)，利用地球重力場模型，根據(jù)衛(wèi)星跟蹤數(shù)據(jù)、地球重力數(shù)據(jù)、衛(wèi)星測高數(shù)據(jù)等重力場信息，由地球擾動位的球諧函數(shù)級數(shù)展開式求出高程異常咨，結(jié)合GPS求出的大地高，再求出正常高。由物理大地測量學知道，地面點P的擾動位T與該點引力位V和正常引力位U之間的關(guān)系為:T=V-U而P點的高程異常值為=Tlr，其中；為地面點P的正常重力值。正常重力值；和正常引力位U可以精確計算，可見只要求出地面點P的引力位V，就可求出高程異常。模型，除利用國外資料外，還用了我國5萬多個重力資料，采用該模型，在沿海平原地區(qū)計算咨可達到厘米級精度，山區(qū)為0.2

24、米精度，其他地區(qū)為1.0-1.5米左右?？梢妼τ趯嵤┧疁蕼y量比較困難得丘陵和山區(qū)，利用重力測量方法是比較實用且可靠的方法，但是需要足夠多且精度足夠高的重力測量資料。2、轉(zhuǎn)換參數(shù)法在某一區(qū)域內(nèi)，如果有一定數(shù)量的點具有己知的平面坐標和高程，即可根據(jù)坐標轉(zhuǎn)換的原理，求得參考橢球面與似大地水準面之間的平移和旋轉(zhuǎn)參數(shù)，并把這些參數(shù)加入GPS網(wǎng)平差，在己知點的約束下，通過平差即可求得GPS觀測點的平面坐標和正常高高程。這種方法的精度取決于己知點的密度，己知數(shù)據(jù)的精度以及平移旋轉(zhuǎn)參數(shù)的精度。3、GPS三角高程法這種方法是在GPS點上加測各GPS點間的高度角(或天頂距)，利用求出的邊長，按三角高程測量公式計算

25、GPS點間的高差，從而求出GPS點正常高的一種方法。4、聯(lián)合平差法當測區(qū)內(nèi)具有天文大地、重力測量、水準測量及GPS測量等多種觀測數(shù)據(jù)時，我們即可用整體平差模型將這些觀測數(shù)據(jù)進行聯(lián)合平差，最終可求得地面點的平面坐標及(正常高)高程的最優(yōu)無偏估值。此種方法的精度取決己知高程點的分布及其精度。5、GPS水準法這種方法一般是將部分GPS點布設(shè)在已知高的控制點上，或使用水準聯(lián)測的方法，使部分GPS點具有水準高程。從而GPS網(wǎng)中部分點既有大地高，又有水準高(這些點稱為水準重合點)，求得這些點的高程異常。因高程異常變化平緩，可利用一定的數(shù)學模型對其進行擬合，從而求得未知點的高程異常，進而求得各未知點的正常高。六、結(jié)論全站儀三角高程測量由于其簡便靈活，可以與地表導線復測同時進行，尤其在山區(qū)的高程控制和平面控制點的高程測定中已廣泛應(yīng)用。實踐證明，它的精度可以代替三、四等幾何水準，而且從經(jīng)濟指標方面比較，則遠較幾何水準為優(yōu)。由于垂直角觀測誤差、大氣垂直折光誤差和外業(yè)實測條件和不利的影響，全站儀三角高程測量誤差較難克服。因