gps高程轉(zhuǎn)換工程小測區(qū)級進(jìn)級控制測量試驗研究

隨著gps設(shè)備的產(chǎn)業(yè)化和價值以及價值的提高，gps、rtk和cormrtk技術(shù)發(fā)展迅速，其用于定位和測量的方法成熟，其工作效率和結(jié)果表明精度不斷提高，在測繪界引起了廣泛的應(yīng)用。而由于參考橢球面不同的緣故,在沒有精化似大地水準(zhǔn)面的地區(qū),該技術(shù)直接用于正常高測量存在一定困難,其應(yīng)用方法不太完善、結(jié)果精度隨觀測條件和GPS高程轉(zhuǎn)換模型的不同變化較大,有待于進(jìn)一步探討和研究。本文僅介紹在沒有精化似大地水準(zhǔn)面的小測區(qū),采用多種擬合方式對首級高程控制測量進(jìn)行GPS高程轉(zhuǎn)換工程試驗,探討GPS高程轉(zhuǎn)換工作應(yīng)遵循的原則和GPS、RTK技術(shù)應(yīng)用于大比例尺地形圖測繪高程測量的有效方法。1gps高距離轉(zhuǎn)換工程的經(jīng)驗1.1道路高程控制測量點(diǎn)本工程為?？谑薪检`山鎮(zhèn)6km2的1∶1000比例尺地形圖測繪。建筑區(qū)面積2.5km2,其他地形區(qū)面積3.5km2、地勢平坦。其主要任務(wù)之一為首級高程控制測量、圖根高程控制測量和碎部高程測量。測區(qū)及周邊78km2共有12個D級GPS三等水準(zhǔn)點(diǎn),其中離測區(qū)最近的有5個可用的D級GPS三等水準(zhǔn)點(diǎn),2個三等水準(zhǔn)點(diǎn),這些點(diǎn)均可作為測區(qū)的高程起算點(diǎn)。本工程高程測量投入了6臺套HD-5800型雙頻GPSRTK接收機(jī)、2臺套DSZ2型水準(zhǔn)儀和銦瓦標(biāo)尺等設(shè)備。1.2測區(qū)5個級控制點(diǎn)的rtk測量,獲得正常高根據(jù)測區(qū)的已知點(diǎn)和地形條件及測圖需要,測區(qū)首級控制布設(shè)成E級GPS四等水準(zhǔn)網(wǎng),待定點(diǎn)52個。四等水準(zhǔn)網(wǎng)中有4個環(huán)、路線長30km、高程起算點(diǎn)2個。首先對水準(zhǔn)網(wǎng)進(jìn)行觀測,獲得首級控制點(diǎn)的四等水準(zhǔn)高程,然后采用下列7種GPS高程轉(zhuǎn)換方法獲得另外7組正常高,把所有利用GPS、RTK技術(shù)方法獲取的待定點(diǎn)的正常高與四等水準(zhǔn)測量獲得的正常高進(jìn)行比較,從而進(jìn)行深入的分析研究。方法1:由測區(qū)首級控制點(diǎn)組成E級GPS網(wǎng),網(wǎng)中有5個D級GPS起算點(diǎn);GPS網(wǎng)采用靜態(tài)模式測量,獲得其點(diǎn)位平面坐標(biāo);采用測區(qū)及周邊12個D級GPS三等水準(zhǔn)點(diǎn)(控制面積78km2)對測區(qū)52個首級控制點(diǎn)進(jìn)行曲面高程擬合,獲得其正常高。方法2:利用測區(qū)及周邊5個D級GPS三等水準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行RTK比測、建立平面轉(zhuǎn)換模型,對測區(qū)52個首級控制點(diǎn)進(jìn)行RTK測量,獲得其點(diǎn)位平面坐標(biāo);采用測區(qū)及周邊12個D級GPS三等水準(zhǔn)點(diǎn)(控制面積78.0km2)對測區(qū)52個首級控制點(diǎn)進(jìn)行曲面高程擬合(用自編軟件),獲得其正常高。方法3:利用測區(qū)及周邊5個D級GPS三等水準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行比測、建立平面轉(zhuǎn)換模型,對52個首級控制點(diǎn)進(jìn)行RTK測量,獲得其點(diǎn)位平面坐標(biāo);采用周邊5個D級GPS三等水準(zhǔn)點(diǎn)和測區(qū)內(nèi)4個E級GPS四等水準(zhǔn)點(diǎn)(控制面積20.6km2)對測區(qū)52個首級控制點(diǎn)進(jìn)行曲面高程擬合(用隨機(jī)軟件),獲得其正常高。方法4:利用測區(qū)及周邊2個D級GPS三等水準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行比測,建立平面轉(zhuǎn)換模型,對測區(qū)52個首級控制點(diǎn)進(jìn)行RTK測量,獲得其點(diǎn)位平面坐標(biāo);采用測區(qū)內(nèi)7個E級GPS四等水準(zhǔn)點(diǎn)(控制面積4.9km2)對測區(qū)52個首級控制點(diǎn)進(jìn)行曲面高程擬合(用隨機(jī)軟件),獲得其正常高。方法5:利用測區(qū)及周邊2個D級GPS三等水準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行比測、建立平面轉(zhuǎn)換模型,對測區(qū)52個首級控制點(diǎn)進(jìn)行RTK測量,獲得其點(diǎn)位平面坐標(biāo);采用測區(qū)內(nèi)4個E級GPS四等水準(zhǔn)點(diǎn)(控制面積4.7km2)對測區(qū)52個首級控制點(diǎn)進(jìn)行平面高程擬合(用隨機(jī)軟件),獲得其正常高。方法6:利用測區(qū)及周邊4個D級GPS三等水準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行比測,建立平面轉(zhuǎn)換模型,對測區(qū)52個首級控制點(diǎn)進(jìn)行RTK測量,獲得其點(diǎn)位平面坐標(biāo);采用周邊4個D級GPS三等水準(zhǔn)點(diǎn)(控制面積20.4km2)對測區(qū)52個首級控制點(diǎn)進(jìn)行平面高程擬合(用隨機(jī)軟件),獲得其正常高。方法7:利用測區(qū)內(nèi)1個D級GPS三等水準(zhǔn)點(diǎn)對測區(qū)52個首級控制點(diǎn)進(jìn)行RTK測量,建立平面轉(zhuǎn)換模型,獲得其點(diǎn)位平面坐標(biāo);并根據(jù)單片已知點(diǎn)高程和平均高程異常直接進(jìn)行外推(用隨機(jī)軟件),獲得其正常高。1.3測量精度檢驗四等水準(zhǔn)網(wǎng)測量的最弱環(huán)閉合差為±13mm(限差±64.8mm),每km高差中數(shù)全中誤差為±2.4mm(限差±10mm),網(wǎng)平差后點(diǎn)位高程中誤差最弱為±5mm(限差±20mm),其結(jié)果的各項精度指標(biāo)均滿足《城市測量規(guī)范》的要求。從表1可以看出,總體上,采用曲面高程擬合方法(方法1至方法4)的結(jié)果精度較高,均達(dá)到《城市測量規(guī)范》中四等水準(zhǔn)測量的精度要求,其中方法1的結(jié)果精度最高,方法2至方法4的結(jié)果的誤差離散度稍大且基本一致;平面高程擬合方法(方法5和方法6)的結(jié)果精度次之,均達(dá)到1∶500測圖的圖根高程測量精度要求,其中方法5比方法6的結(jié)果精度較高;測區(qū)單基站高程外推方法(方法7)的結(jié)果精度較差,但仍達(dá)到1∶500測圖的碎部點(diǎn)高程測量精度要求。2試驗結(jié)果分析傳統(tǒng)高程控制測量的原則為逐級或跳級布控,但必須由高級到低級。在本次試驗的方法中,起算點(diǎn)的高程既有單獨(dú)使用三等和四等的成果,也有三四等成果混合使用的。因此,從上述試驗方案及其結(jié)果的精度統(tǒng)計可以看出:1)方法1和方法2均符合由三等向四等及等外級別的高程傳遞原則。方法2的結(jié)果雖然總體上滿足四等水準(zhǔn)測量的精度要求,但仍有27%的點(diǎn)位高程較差≥2cm、6%的點(diǎn)位高程較差≥2倍中誤差±3.6cm,這是由于用常規(guī)RTKGPS儀器進(jìn)行高程測量具有固定誤差較大(2cm)且測量誤差離散度較大等固有特性的緣故,故在沒有大幅降低RTKGPS儀器高程測量固定誤差和沒有精化似大地水準(zhǔn)面的情況下不宜用RTK模式(方法2)進(jìn)行等級高程的傳遞,最佳的做法是采用GPS靜態(tài)測量模式(方法1)進(jìn)行。方法2適用于進(jìn)行≤1∶500比例尺測圖的圖根高程控制測量和碎部高程測量。2)方法3至方法6均符合由四等向圖根及碎部高程傳遞原則。方法3至方法6的結(jié)果精度很接近,其精度高低的順序依次為曲面擬合法(方法3和方法4)、平面擬合法(方法5和方法6),均滿足≤1∶500比例尺測圖的圖根高程控制測量精度要求,均適用于進(jìn)行≤1∶500比例尺測圖的圖根高程控制測量和碎部高程測量,不同之處是GPS高程擬合的模型差異即擬合所用的已知GPS水準(zhǔn)點(diǎn)的數(shù)量不等,同時反映出所需補(bǔ)充首級控制點(diǎn)的水準(zhǔn)聯(lián)測和RTK比測工作量的差異,其大小依次為方法4、方法3、方法6和方法5,其具體方法的應(yīng)用選擇視已知GPS水準(zhǔn)點(diǎn)的多寡及其離測區(qū)遠(yuǎn)近而定。方法6的結(jié)果精度相對弱一點(diǎn),是由該方法使用了較少(4個)的、離測區(qū)較遠(yuǎn)的GPS水準(zhǔn)點(diǎn)和平面高程擬合模型所致。3)方法7符合由四等向圖根及碎部高程傳遞原則。在小測區(qū)中,在沒有足夠已知GPS水準(zhǔn)點(diǎn)、很難或無需建立首級高程控制且確認(rèn)基站點(diǎn)的坐標(biāo)及正常高無明顯位移的情況下,采用單基站進(jìn)行RTK測量,并且進(jìn)行正常高的外推,其結(jié)果精度主要取決于基站點(diǎn)至外推點(diǎn)的高程異常差及其方向,其次是RTK高程測量誤差,其誤差估算公式為:式中的△ζop、vp分別為基站點(diǎn)O至外推點(diǎn)P的高程異常差和RTK高程測量誤差;假設(shè)小測區(qū)內(nèi)的高程異常等值線呈線性分布(見圖1),則其高程異常差存在下列關(guān)系:式中的k、dop、aop、ao分別為小測區(qū)內(nèi)高程異常垂直于其等值線方向的線性變化率(m/km)、基站點(diǎn)至外推點(diǎn)的距離、基站點(diǎn)至外推點(diǎn)的方位角、過基站點(diǎn)的高程異常等值線的方位角;n為符號閥值,當(dāng)基站點(diǎn)至外推點(diǎn)的高程異常值為遞增時n=1,反之n=-1;式中的c0、c1分別為RTKGPS儀器高程測量標(biāo)稱精度的常數(shù)誤差(m)和比例誤差系數(shù)(ppm),短距離內(nèi)測量可忽略其比例誤差,則式(3)變?yōu)樵诒敬卧囼烅椖恐?測區(qū)的k=0.058m/km、c0=0.020m,若按方法7進(jìn)行1∶500比例尺地形測繪的圖根和碎部高程測量,即δhp≤0.050m、0.150m,按式(4)、(2)和(1)分別計算出最大量值的dop≈0.5km、2.2km。實際試驗的結(jié)果為:在以基站為中心、半徑為dop≈0.6km范圍內(nèi)的結(jié)果精度滿足于1∶500比例尺測圖的圖根高程控制測量精度要求;在以基站為中心、半徑為≈2.3km的范圍內(nèi)的結(jié)果精度滿足于1∶500比例尺測圖的碎部高程測量精度要求?？梢姺治龅慕Y(jié)果與試驗的結(jié)果一致,方法7在一定測區(qū)范圍內(nèi)適用于進(jìn)行1∶500比例尺測圖的圖根高程控制測量和碎部高程測量。從式(2)可以看出,若流動點(diǎn)位于過基站點(diǎn)的高程異常等值線附近,其高程異常差對GSP高程轉(zhuǎn)換的精度影響很小,此時RTK測量正常高的作業(yè)距離可大幅增加。因此,采用方法7進(jìn)行測量之前,首先確定GPS高程轉(zhuǎn)換的精度需求,了解測區(qū)高程異常的最大線性變化率及其等值線圖走向和擬使用RTKGPS儀器高程測量的標(biāo)稱精度,再根據(jù)精度需求和上述公式計算確定RTK測量的作業(yè)距離界線,并嚴(yán)格在此界線范圍內(nèi)進(jìn)行作業(yè)。3應(yīng)遵循gps高變化的原則3.1gps基準(zhǔn)等級控制高程擬合所用的已知GPS水準(zhǔn)點(diǎn)所形成的區(qū)域應(yīng)盡量包圍整個測區(qū),且分布要均勻,其密度要根據(jù)測圖比例尺的高程精度等級要求和高程擬合模型確定,沒有足夠密度的已知等級GPS水準(zhǔn)點(diǎn)時要用水準(zhǔn)測量方法聯(lián)測一定數(shù)量的等級控制點(diǎn);對所用的年代較久的已知GPS水準(zhǔn)點(diǎn)要進(jìn)行檢測和篩選;曲面高程擬合至少要有6個已知GPS水準(zhǔn)點(diǎn),平面高程擬合至少要有3個已知GPS水準(zhǔn)點(diǎn),有條件進(jìn)行曲面或平面高程擬合的不提倡用單基站RTK測量的方法(方法7)進(jìn)行高程外推;在缺少等級控制點(diǎn)的小測區(qū),可根據(jù)上述GPS高程擬合法的適用性分析做法,慎用方法7在測區(qū)內(nèi)進(jìn)行GPS高程外推;在滿足高程擬合點(diǎn)數(shù)量要求的前提下,已知GPS水準(zhǔn)點(diǎn)離測區(qū)越近,水準(zhǔn)聯(lián)測工作量越少越好;要盡量留有多余的已知GPS水準(zhǔn)點(diǎn)用于RTK測量結(jié)果檢核;當(dāng)測區(qū)面積和地形起伏較大、高程控制要求較高時要考慮分區(qū)進(jìn)行GPS高程擬合。3.2腳架的觀察方法進(jìn)行首級高程控制和圖根高程控制時應(yīng)在其點(diǎn)位上設(shè)置三腳架,精確對中和量取天線高,獲取一定量的多余觀測;進(jìn)行碎部高程測量時應(yīng)使用帶有對中器的標(biāo)桿并精確量取天線高,要經(jīng)常對附近的首級點(diǎn)或已知GPS水準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行檢核。4gps高程轉(zhuǎn)換測量1)大比例尺測圖的GPS高程轉(zhuǎn)換工作應(yīng)遵循上述GPS水準(zhǔn)點(diǎn)布設(shè)、使用原則及應(yīng)用GPS和RTK技術(shù)進(jìn)行高程測量作業(yè)原則。2)≥1∶500比例尺測圖的首級高程控制應(yīng)達(dá)到四等以上水準(zhǔn)測量精度要求,應(yīng)該用GPS靜態(tài)測量模式進(jìn)行首級高程控制測量和曲面高程擬合模型進(jìn)行GPS高程轉(zhuǎn)換工作。測區(qū)圖根高程控制測量和碎部高程測量可以用RTK測量模式和曲面或平面高程擬合模型進(jìn)行GPS高程轉(zhuǎn)換工作。3)1∶1000和1∶2000比例尺測圖的首級高程控制應(yīng)達(dá)到五等以上水準(zhǔn)測量精度要求,可用RTK測量模式進(jìn)行首級高程控制測量、圖根高程控制測量和碎部高程測量