基于多模型分析的山區(qū)GPS水準(zhǔn)高程控制精度提升與應(yīng)用研究一、引言1.1研究背景與意義在地形測繪、工程建設(shè)以及地質(zhì)勘探等眾多領(lǐng)域中，高程控制測量都扮演著舉足輕重的角色，特別是在山區(qū)環(huán)境下，其重要性更是不言而喻。山區(qū)的地形地貌復(fù)雜多變，山巒起伏、溝壑縱橫，這使得高程控制測量面臨著諸多嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的水準(zhǔn)測量方法在這樣的地形條件下，不僅作業(yè)難度極大，而且效率低下，成本高昂。例如，在地勢陡峭的山區(qū)，測量人員需要耗費大量的時間和精力搬運儀器，艱難地尋找合適的測量點位，而且還可能因地形限制導(dǎo)致測量視線受阻，無法順利完成測量任務(wù)。此外，山區(qū)的氣候條件也較為復(fù)雜，經(jīng)常出現(xiàn)惡劣天氣，如暴雨、大霧等，這會進(jìn)一步影響水準(zhǔn)測量的精度和進(jìn)度。隨著全球定位系統(tǒng)（GPS）技術(shù)的飛速發(fā)展，其在測量領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛。GPS測量具有無需通視、全天候作業(yè)、定位速度快以及能直接獲取三維坐標(biāo)等顯著優(yōu)勢，為山區(qū)高程控制測量提供了新的解決方案。然而，GPS測量所得到的高程是基于WGS-84橢球的大地高，而在實際工程應(yīng)用中，我們通常需要的是基于似大地水準(zhǔn)面的正常高。因此，如何將GPS大地高精確地轉(zhuǎn)換為正常高，成為了GPS技術(shù)在高程控制測量中應(yīng)用的關(guān)鍵問題。GPS水準(zhǔn)作為一種將GPS測量與水準(zhǔn)測量相結(jié)合的技術(shù)，通過對GPS點進(jìn)行水準(zhǔn)聯(lián)測，獲取這些點的正常高和大地高，進(jìn)而計算出高程異常，從而實現(xiàn)大地高向正常高的轉(zhuǎn)換。在山區(qū)，這種技術(shù)有著獨特的應(yīng)用價值。它能夠充分發(fā)揮GPS測量的優(yōu)勢，減少傳統(tǒng)水準(zhǔn)測量在山區(qū)面臨的困難，同時通過合理的數(shù)據(jù)處理方法，提高高程轉(zhuǎn)換的精度，滿足山區(qū)各種工程建設(shè)和地形測繪對高程精度的要求。對GPS水準(zhǔn)在山區(qū)高程控制中的應(yīng)用及精度進(jìn)行深入研究，具有重要的理論意義和實際應(yīng)用價值。從理論層面來看，這有助于進(jìn)一步完善大地測量學(xué)中關(guān)于高程轉(zhuǎn)換的理論體系，深入探討似大地水準(zhǔn)面的特性以及高程異常的分布規(guī)律，為后續(xù)的研究提供更為堅實的理論基礎(chǔ)。在實際應(yīng)用方面，精確的高程數(shù)據(jù)對于山區(qū)的道路橋梁建設(shè)、水利水電工程、礦產(chǎn)資源勘探以及地形測繪等項目至關(guān)重要。準(zhǔn)確的高程信息能夠確保工程設(shè)計的合理性和科學(xué)性，避免因高程誤差導(dǎo)致的工程質(zhì)量問題和安全隱患，同時也能提高工程建設(shè)的效率，降低成本，為山區(qū)的經(jīng)濟發(fā)展和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)提供有力的支持。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.2.1GPS水準(zhǔn)技術(shù)發(fā)展研究自GPS技術(shù)問世以來，其在測量領(lǐng)域的應(yīng)用研究不斷深入。早期，由于技術(shù)限制，GPS測量主要集中于平面定位，高程精度較低。隨著相關(guān)技術(shù)的不斷進(jìn)步，如衛(wèi)星星座的完善、信號處理算法的改進(jìn)以及接收機性能的提升，GPS高程測量逐漸成為研究熱點。國外在GPS水準(zhǔn)技術(shù)研究方面起步較早。美國、歐洲等發(fā)達(dá)國家和地區(qū)的科研機構(gòu)和學(xué)者，對GPS水準(zhǔn)的理論基礎(chǔ)進(jìn)行了深入研究，提出了多種高程異常計算模型和數(shù)據(jù)處理方法。例如，利用地球重力場模型結(jié)合GPS測量數(shù)據(jù)來確定高程異常，通過對重力場模型的不斷優(yōu)化和改進(jìn)，提高了高程異常計算的精度。此外，還研究了基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、小波分析等智能算法的高程轉(zhuǎn)換方法，以更好地適應(yīng)復(fù)雜地形條件下的高程轉(zhuǎn)換需求。國內(nèi)對GPS水準(zhǔn)技術(shù)的研究也取得了顯著進(jìn)展。眾多高校和科研單位積極開展相關(guān)研究，在高程異常擬合模型、GPS水準(zhǔn)測量精度影響因素分析以及GPS水準(zhǔn)與其他測量技術(shù)融合應(yīng)用等方面取得了一系列成果。例如，通過對不同地區(qū)的實測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，提出了適合我國地形特點的高程異常擬合模型，如多面函數(shù)擬合法、二次曲面擬合法等，并對這些模型的適用范圍和精度進(jìn)行了深入研究。同時，還研究了如何利用重力測量數(shù)據(jù)、地形數(shù)據(jù)等輔助信息來提高GPS水準(zhǔn)測量的精度，通過將多種數(shù)據(jù)源進(jìn)行融合處理，有效改善了高程轉(zhuǎn)換的精度和可靠性。1.2.2GPS水準(zhǔn)在山區(qū)應(yīng)用研究山區(qū)地形復(fù)雜，傳統(tǒng)水準(zhǔn)測量面臨諸多困難，因此GPS水準(zhǔn)在山區(qū)的應(yīng)用研究具有重要的現(xiàn)實意義。國外學(xué)者針對山區(qū)地形特點，開展了大量的GPS水準(zhǔn)應(yīng)用實驗研究。例如，在阿爾卑斯山區(qū)、落基山區(qū)等地形復(fù)雜區(qū)域，通過建立高精度的GPS水準(zhǔn)控制網(wǎng)，對不同的高程轉(zhuǎn)換方法進(jìn)行了對比分析，研究了地形起伏、重力異常等因素對GPS水準(zhǔn)測量精度的影響。實驗結(jié)果表明，在山區(qū)采用適當(dāng)?shù)母叱剔D(zhuǎn)換模型和數(shù)據(jù)處理方法，GPS水準(zhǔn)可以達(dá)到較高的精度，滿足山區(qū)工程建設(shè)和地形測繪的需求。國內(nèi)在山區(qū)GPS水準(zhǔn)應(yīng)用研究方面也進(jìn)行了大量工作。針對我國山區(qū)眾多、地形差異大的特點，研究人員在不同山區(qū)開展了廣泛的應(yīng)用實踐。如在青藏高原、云貴高原等地區(qū)，通過建立GPS水準(zhǔn)網(wǎng)，結(jié)合當(dāng)?shù)氐牡匦?、重力等?shù)據(jù)，對GPS水準(zhǔn)測量的精度和可靠性進(jìn)行了深入研究。研究發(fā)現(xiàn)，在山區(qū)利用地形改正、重力異常改正等方法，可以有效提高GPS水準(zhǔn)測量的精度。同時，還探索了將GPS水準(zhǔn)與其他測量技術(shù)，如三角高程測量、水準(zhǔn)測量等相結(jié)合的方法，以進(jìn)一步提高山區(qū)高程控制測量的精度和可靠性。例如，在一些山區(qū)工程中，采用GPS水準(zhǔn)測量確定首級控制點的高程，再利用三角高程測量對次級控制點進(jìn)行加密，取得了良好的應(yīng)用效果。1.2.3GPS水準(zhǔn)精度研究GPS水準(zhǔn)的精度一直是研究的重點和難點。國外學(xué)者在精度研究方面，從多個角度進(jìn)行了深入分析。一方面，研究了衛(wèi)星信號傳播過程中的誤差源，如電離層延遲、對流層延遲、多路徑效應(yīng)等對GPS水準(zhǔn)精度的影響，并提出了相應(yīng)的改正模型和方法。例如，通過建立電離層延遲模型、對流層延遲模型等，對衛(wèi)星信號進(jìn)行修正，以減少這些誤差對高程測量精度的影響。另一方面，對不同的高程轉(zhuǎn)換模型和數(shù)據(jù)處理方法的精度進(jìn)行了對比分析，研究了模型參數(shù)的選擇、數(shù)據(jù)質(zhì)量等因素對精度的影響規(guī)律。例如，通過模擬實驗和實際數(shù)據(jù)驗證，分析了不同擬合模型在不同地形條件下的精度表現(xiàn)，為選擇合適的高程轉(zhuǎn)換模型提供了依據(jù)。國內(nèi)在GPS水準(zhǔn)精度研究方面也取得了豐碩成果。研究人員結(jié)合我國的實際情況，對影響GPS水準(zhǔn)精度的因素進(jìn)行了全面分析。除了對衛(wèi)星信號誤差進(jìn)行研究外，還重點研究了地面控制點的精度、分布密度以及高程異常擬合模型的適應(yīng)性等因素對精度的影響。通過大量的實驗數(shù)據(jù)和實際工程案例分析，提出了一系列提高GPS水準(zhǔn)精度的方法和措施。例如，通過優(yōu)化地面控制點的分布，增加控制點的數(shù)量和密度，提高控制點的精度，從而提高高程異常擬合的精度；同時，根據(jù)不同地區(qū)的地形特點，選擇合適的高程異常擬合模型，并對模型進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)，以提高GPS水準(zhǔn)測量的精度。此外，還研究了利用現(xiàn)代數(shù)據(jù)處理技術(shù)，如卡爾曼濾波、最小二乘配置等方法，對GPS水準(zhǔn)測量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，以進(jìn)一步提高精度。1.3研究目標(biāo)與內(nèi)容1.3.1研究目標(biāo)本研究旨在深入探究GPS水準(zhǔn)在山區(qū)高程控制中的應(yīng)用效果，通過理論分析、模型構(gòu)建以及實際案例驗證，建立適用于山區(qū)地形特點的高精度GPS水準(zhǔn)高程轉(zhuǎn)換模型，提高GPS水準(zhǔn)在山區(qū)高程控制測量中的精度，使其能夠滿足山區(qū)各類工程建設(shè)和地形測繪對高程精度的嚴(yán)格要求，為山區(qū)的經(jīng)濟發(fā)展和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)提供可靠的高程數(shù)據(jù)支持。同時，通過對GPS水準(zhǔn)測量過程中各種影響因素的分析，提出針對性的精度優(yōu)化措施和質(zhì)量控制方法，為實際工程應(yīng)用提供科學(xué)的指導(dǎo)和參考，推動GPS水準(zhǔn)技術(shù)在山區(qū)高程控制領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用和發(fā)展。1.3.2研究內(nèi)容GPS水準(zhǔn)原理與方法研究：系統(tǒng)梳理GPS水準(zhǔn)的基本原理，包括GPS測量獲取大地高的原理以及水準(zhǔn)測量獲取正常高的原理，深入剖析兩者結(jié)合實現(xiàn)高程轉(zhuǎn)換的理論基礎(chǔ)。詳細(xì)研究GPS水準(zhǔn)測量中的數(shù)據(jù)處理方法，如最小二乘法、曲線擬合法等在高程異常計算中的應(yīng)用，分析不同方法的優(yōu)缺點及適用范圍。同時，對GPS水準(zhǔn)測量的作業(yè)流程和技術(shù)要求進(jìn)行總結(jié)歸納，為后續(xù)研究提供理論依據(jù)。山區(qū)地形對GPS水準(zhǔn)精度影響分析：針對山區(qū)地形復(fù)雜多變的特點，分析地形起伏、坡度、地貌類型等因素對GPS信號傳播和水準(zhǔn)測量的影響機制。通過實地觀測和數(shù)據(jù)模擬，研究山區(qū)地形導(dǎo)致的GPS信號遮擋、多路徑效應(yīng)以及水準(zhǔn)測量視線受阻等問題對GPS水準(zhǔn)測量精度的影響程度。結(jié)合地球重力場理論，探討山區(qū)重力異常對高程異常計算的影響，為建立考慮山區(qū)地形因素的GPS水準(zhǔn)模型提供依據(jù)。適合山區(qū)的GPS水準(zhǔn)模型構(gòu)建：在分析山區(qū)地形特點和影響因素的基礎(chǔ)上，綜合考慮多種因素，如地形改正、重力異常改正等，構(gòu)建適合山區(qū)的GPS水準(zhǔn)高程轉(zhuǎn)換模型。利用最小二乘配置法、多面函數(shù)擬合法等方法，結(jié)合山區(qū)的地形數(shù)據(jù)、重力數(shù)據(jù)等，對高程異常進(jìn)行擬合和內(nèi)插，提高模型的精度和適應(yīng)性。同時，采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、支持向量機等智能算法，建立基于機器學(xué)習(xí)的GPS水準(zhǔn)模型，通過對大量實測數(shù)據(jù)的學(xué)習(xí)和訓(xùn)練，提高模型對復(fù)雜地形的適應(yīng)性和高程轉(zhuǎn)換精度。案例分析與精度驗證：選取典型山區(qū)進(jìn)行GPS水準(zhǔn)測量實驗，按照設(shè)計的測量方案和數(shù)據(jù)處理流程，獲取GPS點的大地高和水準(zhǔn)測量的正常高數(shù)據(jù)。利用構(gòu)建的GPS水準(zhǔn)模型進(jìn)行高程轉(zhuǎn)換，并與傳統(tǒng)方法的轉(zhuǎn)換結(jié)果進(jìn)行對比分析。通過計算中誤差、相對誤差等精度指標(biāo)，對不同模型和方法的精度進(jìn)行評估，驗證所構(gòu)建模型的有效性和優(yōu)越性。同時，分析實際測量過程中出現(xiàn)的問題和誤差來源，提出相應(yīng)的改進(jìn)措施和建議。精度優(yōu)化與質(zhì)量控制措施研究：針對影響GPS水準(zhǔn)精度的各種因素，提出相應(yīng)的精度優(yōu)化措施。例如，通過合理選擇GPS測量時段、優(yōu)化觀測衛(wèi)星組合等方法，減少衛(wèi)星信號誤差對高程測量的影響；通過增加水準(zhǔn)聯(lián)測點數(shù)、優(yōu)化控制點分布等措施，提高高程異常擬合的精度。同時，研究GPS水準(zhǔn)測量的質(zhì)量控制方法，建立質(zhì)量控制指標(biāo)體系，對測量數(shù)據(jù)的質(zhì)量進(jìn)行實時監(jiān)測和評估，確保測量成果的可靠性和準(zhǔn)確性。1.4研究方法與技術(shù)路線1.4.1研究方法文獻(xiàn)研究法：全面搜集和整理國內(nèi)外關(guān)于GPS水準(zhǔn)技術(shù)原理、在山區(qū)應(yīng)用以及精度研究等方面的文獻(xiàn)資料，包括學(xué)術(shù)論文、研究報告、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)等。通過對這些文獻(xiàn)的系統(tǒng)分析，了解GPS水準(zhǔn)技術(shù)的發(fā)展歷程、研究現(xiàn)狀以及存在的問題，為本研究提供堅實的理論基礎(chǔ)和研究思路，避免重復(fù)研究，并借鑒前人的研究成果和方法。案例分析法：選取多個典型山區(qū)作為研究案例，詳細(xì)分析在這些地區(qū)進(jìn)行GPS水準(zhǔn)測量的實際應(yīng)用情況。對案例中的測量方案、數(shù)據(jù)處理方法、測量結(jié)果以及遇到的問題進(jìn)行深入剖析，總結(jié)成功經(jīng)驗和不足之處，為后續(xù)的模型構(gòu)建和精度優(yōu)化提供實踐依據(jù)。通過實際案例的對比分析，驗證所提出的方法和模型的有效性和可行性。實驗對比法：在選定的山區(qū)進(jìn)行實地測量實驗，采用不同的GPS水準(zhǔn)測量方案和數(shù)據(jù)處理方法，獲取測量數(shù)據(jù)。對不同方法得到的測量結(jié)果進(jìn)行對比分析，包括精度指標(biāo)的計算和比較，如中誤差、相對誤差等。通過實驗對比，找出影響GPS水準(zhǔn)測量精度的關(guān)鍵因素，篩選出最適合山區(qū)的測量方案和數(shù)據(jù)處理方法，優(yōu)化測量流程和技術(shù)參數(shù)。理論分析法：基于大地測量學(xué)、地球重力場理論等相關(guān)學(xué)科知識，深入分析GPS水準(zhǔn)測量的基本原理和高程轉(zhuǎn)換的理論基礎(chǔ)。研究山區(qū)地形、重力異常等因素對GPS信號傳播和高程異常計算的影響機制，從理論層面揭示GPS水準(zhǔn)測量精度的影響因素，為模型構(gòu)建和精度優(yōu)化提供理論支持。數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計分析法：運用專業(yè)的數(shù)據(jù)處理軟件和統(tǒng)計分析方法，對實驗測量數(shù)據(jù)和案例數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析。通過數(shù)據(jù)處理，提取有用信息，如高程異常值、精度指標(biāo)等；利用統(tǒng)計分析方法，研究數(shù)據(jù)的分布規(guī)律和相關(guān)性，評估不同方法和模型的精度和可靠性，為研究結(jié)論的得出提供數(shù)據(jù)支持。1.4.2技術(shù)路線本研究的技術(shù)路線如圖1-1所示，首先通過廣泛的文獻(xiàn)研究，全面了解GPS水準(zhǔn)在山區(qū)高程控制中的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢，明確研究的重點和難點問題。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合山區(qū)的實際地形特點，設(shè)計科學(xué)合理的GPS水準(zhǔn)測量方案，包括測量儀器的選擇、測量點的布設(shè)、觀測時段的安排等。在實地測量過程中，嚴(yán)格按照測量方案進(jìn)行操作，獲取高精度的GPS測量數(shù)據(jù)和水準(zhǔn)測量數(shù)據(jù)。對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，包括數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換、粗差剔除、異常值處理等，確保數(shù)據(jù)的質(zhì)量和可靠性。運用多種數(shù)據(jù)處理方法和模型，如最小二乘法、多面函數(shù)擬合法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等，對預(yù)處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，計算高程異常，實現(xiàn)大地高向正常高的轉(zhuǎn)換。同時，利用統(tǒng)計分析方法對不同模型和方法的轉(zhuǎn)換結(jié)果進(jìn)行精度評估，通過對比分析，確定最適合山區(qū)地形的GPS水準(zhǔn)模型和數(shù)據(jù)處理方法。將構(gòu)建的模型應(yīng)用于實際案例中進(jìn)行驗證，分析模型的實際應(yīng)用效果和存在的問題，針對問題提出相應(yīng)的改進(jìn)措施和建議，進(jìn)一步優(yōu)化模型和測量方案。最后，總結(jié)研究成果，撰寫研究報告和學(xué)術(shù)論文，為GPS水準(zhǔn)在山區(qū)高程控制中的應(yīng)用提供理論支持和實踐指導(dǎo)。二、GPS水準(zhǔn)相關(guān)理論基礎(chǔ)2.1GPS測量原理與特點2.1.1GPS測量基本原理GPS測量的基本原理是基于衛(wèi)星與地面接收機之間的距離測量，通過多顆衛(wèi)星的距離交會來確定接收機的三維坐標(biāo)，即經(jīng)度、緯度和高程（大地高）。GPS系統(tǒng)由空間衛(wèi)星星座、地面監(jiān)控站和用戶設(shè)備三部分組成?？臻g衛(wèi)星星座通常由24顆衛(wèi)星組成，其中21顆為工作衛(wèi)星，3顆為備用衛(wèi)星，這些衛(wèi)星均勻分布在6個軌道平面內(nèi)，軌道平面的傾角為55°，衛(wèi)星的平均高度約為20200km，運行周期為11小時58分鐘。衛(wèi)星不間斷地向地面發(fā)送包含衛(wèi)星位置、時間信息等的導(dǎo)航信號。地面監(jiān)控站負(fù)責(zé)監(jiān)測衛(wèi)星的運行狀態(tài)，收集衛(wèi)星的觀測數(shù)據(jù)，計算衛(wèi)星的軌道參數(shù)、鐘差參數(shù)等，并將這些數(shù)據(jù)編制成導(dǎo)航電文，通過注入站發(fā)送給衛(wèi)星，衛(wèi)星再將導(dǎo)航電文發(fā)送給用戶設(shè)備。用戶設(shè)備主要是GPS接收機，它通過接收衛(wèi)星發(fā)射的信號，測量信號從衛(wèi)星到接收機的傳播時間，根據(jù)光速不變原理，計算出衛(wèi)星與接收機之間的距離。由于衛(wèi)星的位置是已知的，通過測量至少四顆衛(wèi)星與接收機之間的距離，利用空間后方交會的原理，就可以確定接收機在WGS-84坐標(biāo)系中的三維坐標(biāo)。其數(shù)學(xué)模型可表示為：\begin{cases}\sqrt{(x-x_1)^2+(y-y_1)^2+(z-z_1)^2}=c\times\Deltat_1+\deltad_1\\\sqrt{(x-x_2)^2+(y-y_2)^2+(z-z_2)^2}=c\times\Deltat_2+\deltad_2\\\sqrt{(x-x_3)^2+(y-y_3)^2+(z-z_3)^2}=c\times\Deltat_3+\deltad_3\\\sqrt{(x-x_4)^2+(y-y_4)^2+(z-z_4)^2}=c\times\Deltat_4+\deltad_4\end{cases}其中，(x,y,z)為接收機的三維坐標(biāo)，(x_i,y_i,z_i)為第i顆衛(wèi)星的三維坐標(biāo)，c為光速，\Deltat_i為信號從第i顆衛(wèi)星到接收機的傳播時間，\deltad_i為各種誤差改正項。通過求解上述方程組，即可得到接收機的三維坐標(biāo)。2.1.2GPS測量技術(shù)特點高精度：在靜態(tài)測量模式下，GPS測量能夠達(dá)到毫米級的平面定位精度和厘米級的高程定位精度。通過采用差分GPS技術(shù)（DGPS）、實時動態(tài)定位技術(shù)（RTK）等，可以進(jìn)一步提高測量精度。例如，在一些高精度的工程測量項目中，如橋梁變形監(jiān)測、高層建筑施工測量等，利用高精度的GPS接收機和先進(jìn)的數(shù)據(jù)處理方法，能夠滿足工程對精度的嚴(yán)格要求。全天候作業(yè)：GPS測量不受天氣條件的限制，無論是晴天、雨天、霧天還是黑夜，只要衛(wèi)星信號能夠被接收機接收，就可以進(jìn)行測量作業(yè)。這使得GPS測量在各種惡劣的自然環(huán)境下都能正常進(jìn)行，大大提高了測量工作的效率和可靠性。例如，在山區(qū)進(jìn)行地形測繪時，傳統(tǒng)的測量方法可能會因天氣原因無法作業(yè)，而GPS測量則可以不受影響，保證測量工作的連續(xù)性。高效率：GPS測量無需點與點之間通視，測量速度快，能夠快速獲取大量的測量數(shù)據(jù)。與傳統(tǒng)的測量方法相比，如經(jīng)緯儀測量、全站儀測量等，GPS測量可以節(jié)省大量的時間和人力成本。例如，在進(jìn)行大面積的土地測量時，使用GPS測量可以在短時間內(nèi)完成大量的測量任務(wù)，提高工作效率。定位速度快：GPS接收機能夠在短時間內(nèi)完成定位解算，實時提供測量點的坐標(biāo)信息。特別是在動態(tài)測量模式下，如車輛導(dǎo)航、飛機定位等，GPS能夠快速準(zhǔn)確地確定載體的位置，滿足實時定位的需求。無需通視：GPS測量不依賴于測量點之間的通視條件，這使得在地形復(fù)雜、通視困難的區(qū)域，如山區(qū)、城市高樓密集區(qū)等，也能夠順利進(jìn)行測量工作。相比傳統(tǒng)的測量方法，如水準(zhǔn)測量需要保證前后視通視，GPS測量的這一特點大大拓寬了測量的應(yīng)用范圍。然而，GPS測量在高程測量方面也存在一些不足。首先，GPS測量得到的高程是基于WGS-84橢球的大地高，而在實際工程應(yīng)用中，通常需要的是基于似大地水準(zhǔn)面的正常高，大地高與正常高之間存在高程異常，需要通過一定的方法進(jìn)行轉(zhuǎn)換。其次，由于衛(wèi)星信號傳播過程中受到電離層延遲、對流層延遲、多路徑效應(yīng)等因素的影響，以及衛(wèi)星星座幾何圖形的變化，會導(dǎo)致GPS高程測量的精度相對平面測量精度較低。特別是在山區(qū)，地形復(fù)雜，信號遮擋和多路徑效應(yīng)更為嚴(yán)重，會進(jìn)一步影響GPS高程測量的精度。此外，在一些特殊環(huán)境下，如室內(nèi)、地下等，衛(wèi)星信號無法到達(dá)，GPS測量無法進(jìn)行。2.2高程系統(tǒng)及轉(zhuǎn)換2.2.1大地高、正常高與高程異常大地高系統(tǒng)是以地球橢球面為基準(zhǔn)面的高程系統(tǒng)，其定義為地面點沿通過該點的橢球面法線到橢球面的距離，一般用符號H表示。大地高是一個純幾何量，不具有物理意義，且同一個點在不同的基準(zhǔn)下，具有不同的大地高。例如，在WGS-84坐標(biāo)系下，利用GPS測量技術(shù)可以直接測定地面點的大地高，其測量原理基于衛(wèi)星與地面接收機之間的距離交會，通過測量衛(wèi)星信號的傳播時間來計算距離，進(jìn)而確定接收機在WGS-84坐標(biāo)系中的三維坐標(biāo)，其中高程分量即為大地高。正常高系統(tǒng)是以似大地水準(zhǔn)面為基準(zhǔn)面的高程系統(tǒng)，其定義為地面點沿通過該點的鉛垂線到似大地水準(zhǔn)面的距離，一般用符號h表示。似大地水準(zhǔn)面是前蘇聯(lián)地球物理學(xué)家、測量學(xué)家莫洛金斯基為避免大地水準(zhǔn)面無法精確確定而引進(jìn)的輔助面，它與大地水準(zhǔn)面十分接近，在海洋上兩者完全重合，而在大陸上有微小差異。正常高具有明確的物理意義，在實際工程應(yīng)用中，如道路建設(shè)、建筑施工等，通常使用的高程就是正常高。高程異常則是似大地水準(zhǔn)面與參考橢球面之間的高程差，記為\zeta。它反映了大地水準(zhǔn)面與參考橢球面的差異程度，是實現(xiàn)大地高與正常高轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵參數(shù)。在小范圍區(qū)域內(nèi)，高程異常具有一定的相關(guān)性，可以通過數(shù)學(xué)方法進(jìn)行擬合和內(nèi)插，從而計算出該區(qū)域內(nèi)任意點的高程異常值。大地高、正常高與高程異常之間的關(guān)系可以用公式表示為：H=h+\zeta，即大地高等于正常高與高程異常之和。通過測量得到大地高H，若能準(zhǔn)確獲取高程異常\zeta，就可以計算出正常高h(yuǎn)。2.2.2GPS大地高與正常高轉(zhuǎn)換關(guān)系在實際應(yīng)用中，由于GPS測量得到的是大地高，而大多數(shù)工程和地理信息系統(tǒng)需要的是正常高，因此需要將GPS大地高轉(zhuǎn)換為正常高。其轉(zhuǎn)換的理論關(guān)系基于公式h=H-\zeta，即通過獲取GPS點的大地高H以及該點的高程異常\zeta，就可以計算出正常高h(yuǎn)。然而，準(zhǔn)確獲取高程異常\zeta是實現(xiàn)高精度轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵和難點。高程異常的獲取方法主要有以下幾種：一是利用地球重力場模型，如EGM96、EGM2008等全球重力場模型，通過模型計算得到高程異常，但這些全球模型在局部地區(qū)的精度可能無法滿足工程需求。二是采用GPS水準(zhǔn)測量方法，通過在測區(qū)內(nèi)選擇一定數(shù)量的GPS點，同時進(jìn)行水準(zhǔn)測量獲取這些點的正常高，利用這些已知點的大地高和正常高計算出高程異常，然后采用數(shù)學(xué)擬合方法，如多面函數(shù)擬合法、二次曲面擬合法等，建立測區(qū)的似大地水準(zhǔn)面模型，進(jìn)而內(nèi)插出其他GPS點的高程異常。三是結(jié)合重力測量數(shù)據(jù)，利用重力異常與高程異常之間的關(guān)系，通過重力測量獲取重力異常數(shù)據(jù)，經(jīng)過一系列的數(shù)據(jù)處理和計算，得到高程異常。實現(xiàn)GPS大地高與正常高的精確轉(zhuǎn)換具有重要意義。在地形測繪中，精確的正常高數(shù)據(jù)能夠提高地形圖的精度和可靠性，為地形分析、地貌研究等提供準(zhǔn)確的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。在工程建設(shè)領(lǐng)域，如道路、橋梁、水利水電等工程，正常高數(shù)據(jù)是工程設(shè)計、施工和監(jiān)測的重要依據(jù)，準(zhǔn)確的高程信息能夠確保工程的質(zhì)量和安全。例如，在山區(qū)道路建設(shè)中，如果高程數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確，可能導(dǎo)致道路坡度設(shè)計不合理，影響行車安全和舒適性；在橋梁建設(shè)中，高程誤差可能導(dǎo)致橋墩高度不一致，影響橋梁的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。因此，深入研究GPS大地高與正常高的轉(zhuǎn)換方法，提高轉(zhuǎn)換精度，對于滿足各類工程和地理信息應(yīng)用的需求具有重要的現(xiàn)實意義。2.3GPS水準(zhǔn)基本原理2.3.1GPS水準(zhǔn)的定義與原理GPS水準(zhǔn)是一種將全球定位系統(tǒng)（GPS）測量與水準(zhǔn)測量相結(jié)合的高程測量技術(shù)。其核心目的是通過利用GPS測量獲取的大地高以及水準(zhǔn)測量獲取的正常高，來精確確定高程異常，進(jìn)而實現(xiàn)大地高向正常高的轉(zhuǎn)換，以滿足實際工程和測繪應(yīng)用中對正常高的需求。在實際操作中，首先利用GPS接收機進(jìn)行觀測，依據(jù)衛(wèi)星與接收機之間的距離交會原理，精確測定出地面點在WGS-84坐標(biāo)系下的大地高H。與此同時，運用水準(zhǔn)測量方法，沿著地面點的鉛垂線方向，測定該點到似大地水準(zhǔn)面的垂直距離，即正常高h(yuǎn)。由于大地高H、正常高h(yuǎn)與高程異常\zeta之間存在著明確的數(shù)學(xué)關(guān)系，即H=h+\zeta，通過對這一關(guān)系式的運用，便可以輕松計算出該點的高程異常\zeta，其計算公式為\zeta=H-h。以一個具體的山區(qū)測量項目為例，在該區(qū)域內(nèi)選取若干個具有代表性的測量點。在這些點上，分別使用高精度的GPS接收機進(jìn)行長時間的靜態(tài)觀測，以獲取高精度的大地高數(shù)據(jù)。同時，組織專業(yè)的水準(zhǔn)測量隊伍，嚴(yán)格按照國家水準(zhǔn)測量規(guī)范，采用高精度的水準(zhǔn)儀和水準(zhǔn)標(biāo)尺，對這些點進(jìn)行水準(zhǔn)測量，獲取準(zhǔn)確的正常高數(shù)據(jù)。通過對這些測量數(shù)據(jù)的計算和分析，得到各個測量點的高程異常值。然后，基于這些已知點的高程異常值，運用合適的數(shù)學(xué)模型和數(shù)據(jù)處理方法，如多面函數(shù)擬合法、二次曲面擬合法等，對整個測區(qū)的高程異常進(jìn)行擬合和內(nèi)插，從而構(gòu)建出該山區(qū)測區(qū)的似大地水準(zhǔn)面模型。利用這個模型，就可以方便地計算出測區(qū)內(nèi)其他任意點的高程異常值，進(jìn)而將GPS測量得到的大地高轉(zhuǎn)換為正常高，為山區(qū)的地形測繪、道路橋梁建設(shè)、水利水電工程等提供高精度的高程數(shù)據(jù)支持。2.3.2GPS水準(zhǔn)的計算方法繪等值線圖法：該方法是一種較為直觀的計算方式。首先，依據(jù)測區(qū)內(nèi)已知的GPS水準(zhǔn)點的高程異常值，在地圖上精確標(biāo)注出這些點的位置，并將對應(yīng)的高程異常值標(biāo)注在旁邊。然后，通過對這些離散點的高程異常值進(jìn)行分析和比較，按照一定的高程異常差值間隔，如0.1米或0.2米，繪制出一系列的等值線，這些等值線將具有相同高程異常值的點連接起來，形成一幅連續(xù)的高程異常等值線圖。在實際應(yīng)用中，對于需要確定高程異常的未知點，只需根據(jù)其在地圖上的位置，通過在等值線圖上進(jìn)行內(nèi)插的方式，就可以估算出該點的高程異常值。例如，如果未知點位于兩條相鄰等值線之間，且這兩條等值線的高程異常值分別為\zeta_1和\zeta_2，未知點到\zeta_1等值線的距離為d_1，到\zeta_2等值線的距離為d_2，則可以利用線性內(nèi)插公式\zeta=\zeta_1+\frac{d_1}{d_1+d_2}(\zeta_2-\zeta_1)來計算未知點的高程異常值。這種方法簡單易懂，對數(shù)據(jù)處理的要求相對較低，在一些地形較為平坦、高程異常變化較為平緩的區(qū)域，能夠快速有效地估算出高程異常值。然而，在地形復(fù)雜、高程異常變化劇烈的山區(qū)，由于等值線的繪制可能無法準(zhǔn)確反映地形的細(xì)微變化，該方法的精度會受到較大影響，可能導(dǎo)致估算的高程異常值與實際值存在較大偏差。解析內(nèi)插法：解析內(nèi)插法是基于數(shù)學(xué)函數(shù)的原理，通過對已知GPS水準(zhǔn)點的高程異常值進(jìn)行分析，構(gòu)建出一個能夠描述高程異常變化規(guī)律的數(shù)學(xué)函數(shù)模型。常用的解析內(nèi)插函數(shù)包括線性內(nèi)插函數(shù)、雙線性內(nèi)插函數(shù)、樣條函數(shù)等。以線性內(nèi)插函數(shù)為例，假設(shè)在測區(qū)內(nèi)已知兩個相鄰的GPS水準(zhǔn)點A和B，它們的坐標(biāo)分別為(x_1,y_1)和(x_2,y_2)，對應(yīng)的高程異常值分別為\zeta_1和\zeta_2。對于位于A和B之間的未知點P，其坐標(biāo)為(x,y)，則可以根據(jù)線性內(nèi)插公式\zeta=\zeta_1+\frac{x-x_1}{x_2-x_1}(\zeta_2-\zeta_1)（假設(shè)x方向的變化對高程異常影響較大，若y方向影響較大，則相應(yīng)替換為y的坐標(biāo)差值）來計算未知點P的高程異常值。雙線性內(nèi)插函數(shù)則是在二維平面上，利用四個已知點的高程異常值來對未知點進(jìn)行內(nèi)插計算，適用于地形變化相對復(fù)雜一些的區(qū)域。樣條函數(shù)則能夠更好地擬合復(fù)雜的地形變化，通過對已知點的高程異常值進(jìn)行光滑處理，構(gòu)建出一條連續(xù)且光滑的曲線或曲面來描述高程異常的變化，從而更準(zhǔn)確地計算未知點的高程異常值。解析內(nèi)插法的優(yōu)點是計算精度相對較高，能夠較好地適應(yīng)不同地形條件下的高程異常計算需求。但該方法對已知點的分布密度和精度要求較高，如果已知點分布不均勻或精度不足，可能會導(dǎo)致構(gòu)建的函數(shù)模型不準(zhǔn)確，從而影響計算結(jié)果的精度。曲面擬合法：曲面擬合法是目前GPS水準(zhǔn)計算中應(yīng)用較為廣泛的一種方法。它的基本原理是根據(jù)測區(qū)內(nèi)已知GPS水準(zhǔn)點的坐標(biāo)和高程異常值，通過數(shù)學(xué)擬合的方式構(gòu)建一個能夠最佳逼近測區(qū)似大地水準(zhǔn)面的數(shù)學(xué)曲面模型。常用的曲面擬合模型有多面函數(shù)擬合法、二次曲面擬合法、多項式曲面擬合法等。多面函數(shù)擬合法是利用多個具有特定形式的函數(shù)（如高斯函數(shù)、薄板樣條函數(shù)等）的線性組合來逼近似大地水準(zhǔn)面。假設(shè)多面函數(shù)的形式為f(x,y)=\sum_{i=1}^{n}a_iQ(x,y,x_i,y_i)，其中a_i為待定系數(shù)，Q(x,y,x_i,y_i)為核函數(shù)，(x_i,y_i)為已知點的坐標(biāo)。通過將已知點的坐標(biāo)和高程異常值代入上述函數(shù)，構(gòu)建方程組，求解出待定系數(shù)a_i，從而確定多面函數(shù)的具體形式。對于未知點(x,y)，將其坐標(biāo)代入多面函數(shù)中，即可計算出該點的高程異常值。二次曲面擬合法是假設(shè)似大地水準(zhǔn)面可以用一個二次曲面方程z=a_0+a_1x+a_2y+a_3x^2+a_4xy+a_5y^2來表示，同樣通過已知點的坐標(biāo)和高程異常值，利用最小二乘法等方法求解出方程中的系數(shù)a_0,a_1,\cdots,a_5，進(jìn)而計算未知點的高程異常值。多項式曲面擬合法與二次曲面擬合法類似，只是多項式的次數(shù)可以根據(jù)實際情況進(jìn)行調(diào)整，以更好地擬合復(fù)雜的地形。曲面擬合法能夠充分利用已知點的信息，對測區(qū)的似大地水準(zhǔn)面進(jìn)行較為精確的擬合，在地形復(fù)雜的山區(qū)具有較好的應(yīng)用效果。但該方法計算過程相對復(fù)雜，需要較高的數(shù)學(xué)計算能力和數(shù)據(jù)處理能力，同時對計算機的性能也有一定要求。在實際應(yīng)用中，需要根據(jù)測區(qū)的地形特點、已知點的分布情況以及對精度的要求等因素，合理選擇合適的曲面擬合模型和計算方法，以確保計算結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。三、山區(qū)高程控制測量方法對比3.1傳統(tǒng)水準(zhǔn)測量3.1.1水準(zhǔn)測量原理與作業(yè)流程水準(zhǔn)測量是一種利用水準(zhǔn)儀和水準(zhǔn)尺來精確測定地面上兩點間高差的測量方法，其基本原理基于水準(zhǔn)儀所提供的水平視線。在進(jìn)行水準(zhǔn)測量時，需要在地面上的兩個待測點，例如A點和B點，分別豎立一根帶有分劃的水準(zhǔn)尺。同時，在這兩點之間合適的位置安置水準(zhǔn)儀，通過水準(zhǔn)儀的望遠(yuǎn)鏡瞄準(zhǔn)水準(zhǔn)尺，讀取水平視線在水準(zhǔn)尺上的讀數(shù)。假設(shè)水準(zhǔn)儀在A點水準(zhǔn)尺上的讀數(shù)為a，此讀數(shù)被稱為后視讀數(shù)；在B點水準(zhǔn)尺上的讀數(shù)為b，此讀數(shù)被稱為前視讀數(shù)。那么，A、B兩點間的高差hAB就可以通過公式hAB=a-b來計算得出。若已知A點的高程為HA，則可以根據(jù)高差hAB進(jìn)一步推算出B點的高程HB，計算公式為HB=HA+hAB。這一原理的關(guān)鍵在于水準(zhǔn)儀能夠提供一條精確的水平視線，使得在讀取水準(zhǔn)尺讀數(shù)時，能夠準(zhǔn)確地反映出兩點之間的垂直高度差。通過這種方式，水準(zhǔn)測量能夠?qū)崿F(xiàn)高精度的高程測量，在國家高程控制測量、工程勘測和施工測量等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。水準(zhǔn)測量的作業(yè)流程主要包括以下幾個步驟：儀器安置：在選定的測站上，首先打開三腳架并將其高度調(diào)整至適中位置，通過目估法使架頭大致保持水平，同時檢查腳架是否穩(wěn)固。然后，從儀器箱中小心取出水準(zhǔn)儀，使用連接螺旋將水準(zhǔn)儀牢固地連接在三腳架上。例如，在山區(qū)進(jìn)行水準(zhǔn)測量時，由于地形起伏較大，需要選擇相對平坦的地方安置三腳架，確保儀器的穩(wěn)定性，避免因儀器晃動而影響測量精度。粗略整平：利用水準(zhǔn)儀的腳螺旋，使圓水準(zhǔn)器氣泡居于圓指標(biāo)圈之中，從而實現(xiàn)儀器視線的粗略水平。在操作過程中，需要注意氣泡移動的方向與大拇指運動的方向一致，通過反復(fù)調(diào)整腳螺旋，使氣泡精確居中。瞄準(zhǔn)水準(zhǔn)尺：先將望遠(yuǎn)鏡對向遠(yuǎn)處明亮的背景，轉(zhuǎn)動目鏡調(diào)焦螺旋，使十字絲成像清晰。然后松開固定螺旋，旋轉(zhuǎn)望遠(yuǎn)鏡，通過照門和準(zhǔn)星瞄準(zhǔn)水準(zhǔn)尺，擰緊固定螺旋。接著，轉(zhuǎn)動物鏡對光螺旋，使水準(zhǔn)尺的影像清晰地落在十字絲平面上，最后轉(zhuǎn)動微動螺旋，使水準(zhǔn)尺的像靠于十字豎絲的一側(cè)，實現(xiàn)精確瞄準(zhǔn)。在山區(qū)，由于地形復(fù)雜，可能存在樹木、建筑物等遮擋物，需要選擇合適的觀測位置，確保能夠清晰地瞄準(zhǔn)水準(zhǔn)尺。消除視差：眼睛在目鏡端上下移動時，如果發(fā)現(xiàn)十字絲的中絲與水準(zhǔn)尺影像之間存在相對移動，這種現(xiàn)象被稱為視差。視差的存在會嚴(yán)重影響讀數(shù)的準(zhǔn)確性，因此必須予以消除。消除視差的方法是仔細(xì)地反復(fù)交替轉(zhuǎn)動目鏡調(diào)節(jié)螺旋和物鏡調(diào)焦螺旋，直至尺像與十字絲平面完全重合。精確整平：對于微傾水準(zhǔn)儀，通過轉(zhuǎn)動微傾螺旋，使水準(zhǔn)管氣泡兩端的象在符合水準(zhǔn)觀察窗內(nèi)完全符合成一拋物線型，此時表明視線已精確水平。需要注意的是，氣泡左半部份的移動方向，總與右手大拇指的方向不一致。在精確整平時，要確保氣泡居中，以保證測量結(jié)果的精度。讀數(shù)：使用十字絲，由上而下截讀水準(zhǔn)尺上的讀數(shù)?，F(xiàn)代水準(zhǔn)儀大多采用倒象望遠(yuǎn)鏡，讀數(shù)時先估讀毫米級讀數(shù)，然后報出全部讀數(shù)。在記錄讀數(shù)時，要確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和完整性，避免出現(xiàn)誤讀或漏讀的情況。在實際測量中，若A、B兩點相距較遠(yuǎn)或高差較大，安置一次儀器無法直接測得其高差時，就需要在兩點間增設(shè)若干個作為傳遞高程的臨時立尺點，這些點被稱為轉(zhuǎn)點（簡稱TP點）。然后依次連續(xù)設(shè)站觀測，設(shè)測得的各站高差為h1，h2，…，hn，則A、B兩點間的高差hAB等于各站高差之和，即hAB=h1+h2+…+hn=(a1-b1)+(a2-b2)+…+(an-bn)=Σa-Σb。通過這種逐站測量和傳遞高差的方式，能夠?qū)崿F(xiàn)長距離或高差較大區(qū)域的水準(zhǔn)測量。3.1.2水準(zhǔn)測量在山區(qū)的應(yīng)用局限性勞動強度大：山區(qū)地形復(fù)雜，地勢起伏劇烈，山巒連綿，溝壑縱橫。在這樣的地形條件下進(jìn)行水準(zhǔn)測量，測量人員需要背負(fù)沉重的儀器和工具，沿著崎嶇的山路艱難前行，頻繁地尋找合適的測量點位。每安置一次儀器，都可能需要攀爬陡峭的山坡或穿越茂密的叢林，這不僅消耗了大量的體力，而且工作效率極低。例如，在山區(qū)進(jìn)行一條數(shù)公里長的水準(zhǔn)路線測量時，測量人員可能需要花費數(shù)天的時間，每天都要在艱苦的環(huán)境中工作很長時間，勞動強度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過在平原地區(qū)的測量工作。效率低：山區(qū)的地形使得水準(zhǔn)測量的視距受到極大限制。由于山坡的坡度較大，前后視距難以保持相等，為了保證測量精度，往往需要頻繁地設(shè)置轉(zhuǎn)點，增加了測量的工作量和時間消耗。而且，在山區(qū)進(jìn)行儀器的安置和整平也更加困難，需要花費更多的時間來調(diào)整儀器的位置和水平度。此外，山區(qū)的氣候條件復(fù)雜多變，經(jīng)常出現(xiàn)惡劣天氣，如暴雨、大霧等，這些天氣會嚴(yán)重影響測量工作的進(jìn)行，導(dǎo)致測量工作不得不中斷，進(jìn)一步降低了測量效率。例如，在一場暴雨過后，山區(qū)的道路可能變得泥濘不堪，測量人員無法順利通行，儀器也可能因受潮而影響精度，使得測量工作停滯不前。受地形限制：山區(qū)的地形地貌復(fù)雜多樣，存在許多通視困難的區(qū)域，如山谷、峽谷、茂密的森林等。在這些區(qū)域，水準(zhǔn)測量的視線會被山體、樹木或其他障礙物阻擋，無法直接進(jìn)行測量。為了克服通視問題，測量人員可能需要尋找更高的位置或繞道而行，增加了測量的難度和成本。例如，在一個狹窄的山谷中進(jìn)行水準(zhǔn)測量，由于兩側(cè)山體高聳，測量視線被完全遮擋，測量人員可能需要花費大量的時間和精力，尋找能夠通視的位置，甚至可能需要借助無人機等輔助設(shè)備來確定測量路線。測量精度易受影響：山區(qū)的地面穩(wěn)定性較差，容易受到地質(zhì)構(gòu)造活動、山體滑坡、泥石流等因素的影響。這些因素可能導(dǎo)致地面發(fā)生微小的變形或位移，從而影響水準(zhǔn)測量的精度。此外，山區(qū)的大氣折光和地球曲率對水準(zhǔn)測量的影響也更為顯著。由于山區(qū)的地勢起伏大，大氣密度和溫度變化劇烈，大氣折光的影響更加復(fù)雜，難以準(zhǔn)確進(jìn)行改正。同時，地球曲率在山區(qū)的影響也不能忽略，特別是在長距離測量時，地球曲率會導(dǎo)致測量結(jié)果產(chǎn)生較大的偏差。例如，在山區(qū)進(jìn)行一條長距離的水準(zhǔn)測量時，如果不考慮大氣折光和地球曲率的影響，測量結(jié)果可能會出現(xiàn)較大的誤差，無法滿足工程建設(shè)的精度要求。3.2三角高程測量3.2.1三角高程測量原理與技術(shù)要求三角高程測量是一種通過觀測兩點間的水平距離和天頂距（或高度角）來求定兩點間高差的測量方法，其原理基于三角函數(shù)關(guān)系。在實際測量中，假設(shè)在地面上有A、B兩點，在A點設(shè)置測量儀器，在B點豎立標(biāo)尺。首先量取儀器望遠(yuǎn)鏡旋轉(zhuǎn)軸中心至地面點A的儀器高i，然后用望遠(yuǎn)鏡中的十字絲橫絲照準(zhǔn)B點標(biāo)尺上的一點M，該點距B點的高度稱為目標(biāo)高v，同時測出傾斜視線與水平線所夾的豎角為\alpha。若A、B兩點間的水平距離已知為S_0，根據(jù)三角函數(shù)原理，AB兩點間高差h_{AB}的計算公式為：h_{AB}=S_0\cdot\tan\alpha+i-v。若已知A點的高程為H_A，則B點的高程H_B可通過公式H_B=H_A+h_{AB}計算得出。然而，在實際的三角高程測量中，地球曲率和大氣折光等因素對測量結(jié)果精度的影響不容忽視。地球曲率會使測量視線偏離理想的水平狀態(tài)，大氣折光則會導(dǎo)致光線在傳播過程中發(fā)生折射，從而影響豎角的觀測精度。為了減小這些因素的影響，通常采用對向觀測法或中間觀測法。對向觀測法是在A點設(shè)站觀測B點的同時，在B點設(shè)站觀測A點，通過對往返觀測所得高差取平均值，可在一定程度上消除地球曲率和大氣折光的影響。具體計算公式如下：直覘：直覘：h_{AB}=S_{???}\cdot\tan\alpha_{???}+i_{???}-v_{???}+c_{???}+r_{???}反覘：h_{BA}=S_{è??}\cdot\tan\alpha_{è??}+i_{è??}-v_{è??}+c_{è??}+r_{è??}其中，S為A、B間的水平距離，\alpha為觀測時的高度角，i為儀器高，v為棱鏡高，c為地球曲率改正，r為大氣折光改正。A、B兩點之間的高差值為：A、B兩點之間的高差值為：h=0.5(h_{AB}-h_{BA})=0.5[(S_{???}\cdot\tan\alpha_{???}+i_{???}-v_{???}+c_{???}+r_{???})-(S_{è??}\cdot\tan\alpha_{è??}+i_{è??}-v_{è??}+c_{è??}+r_{è??})]=0.5(S_{???}\cdot\tan\alpha_{???}-S_{è??}\cdot\tan\alpha_{è??}+i_{???}-i_{è??}+v_{è??}-v_{???})中間觀測法是在兩個待測點之間架設(shè)儀器，分別照準(zhǔn)待測點上的棱鏡，類似于水準(zhǔn)測量進(jìn)行高差計算。該方法要求將全站儀盡量架設(shè)在兩個待測點的中間位置，使前后視距大致相等，在偶數(shù)站上施測控制點，這樣可以有效地消除大氣折光誤差和前后棱鏡不等高的零點差，將地球曲率的影響降到最低。并且這種方法可以不需要測量儀器高，減少了一個誤差來源，提高了觀測精度。在進(jìn)行三角高程測量時，還需要滿足一定的技術(shù)要求。首先，儀器的精度至關(guān)重要，應(yīng)根據(jù)測量任務(wù)的精度要求選擇合適精度的全站儀或經(jīng)緯儀。例如，對于精度要求較高的工程測量項目，應(yīng)選擇測角精度高、測距誤差小的儀器。其次，觀測時要注意觀測條件，盡量選擇空氣清晰、大氣穩(wěn)定的時段進(jìn)行觀測，以減少大氣折光等因素對觀測精度的影響。在山區(qū)，由于地形復(fù)雜，大氣折光的變化較大，更需要合理選擇觀測時間。同時，要嚴(yán)格按照操作規(guī)程進(jìn)行儀器的安置、對中、整平以及觀測數(shù)據(jù)的讀取和記錄，確保觀測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。此外，為了提高測量精度，還可以采取增加觀測次數(shù)、進(jìn)行多余觀測等措施。例如，對同一個豎角進(jìn)行多次觀測，取平均值作為觀測結(jié)果，以減小觀測誤差。3.2.2三角高程測量在山區(qū)的應(yīng)用特點在山區(qū)進(jìn)行高程控制測量時，三角高程測量具有獨特的優(yōu)勢。首先，它設(shè)站靈活，能夠有效減少水準(zhǔn)測量因高差過大而增加的大量工作量，從而降低測量人員的勞動強度。山區(qū)地勢起伏大，高差懸殊，如果采用傳統(tǒng)的水準(zhǔn)測量方法，需要頻繁設(shè)置轉(zhuǎn)點，測量人員需要在陡峭的山坡上往返搬運儀器和標(biāo)尺，勞動強度極大。而三角高程測量不受地形高差的限制，只要兩點之間能夠通視，就可以進(jìn)行測量，大大節(jié)省了人力和時間成本。例如，在山區(qū)的道路建設(shè)工程中，需要對沿線的控制點進(jìn)行高程測量，使用三角高程測量可以快速地完成測量任務(wù)，提高工作效率。其次，三角高程測量可以在進(jìn)行平面控制測量的同時，測量水平距和垂直角并量取儀器高，從而獲得點與點之間的高差，并且還可利用這一過程檢查水準(zhǔn)測量可能出現(xiàn)的粗差。在山區(qū)進(jìn)行測量時，通常需要同時進(jìn)行平面控制測量和高程控制測量，三角高程測量的這一特點使得測量工作更加高效，能夠在一次測量中獲取多種信息。通過將三角高程測量得到的高差與水準(zhǔn)測量的結(jié)果進(jìn)行對比，可以及時發(fā)現(xiàn)水準(zhǔn)測量中可能存在的粗差，保證測量數(shù)據(jù)的質(zhì)量。然而，三角高程測量在山區(qū)應(yīng)用也存在一些局限性。其中最主要的問題是精度相對較低，一般只能達(dá)到四等水準(zhǔn)的精度。這是因為在山區(qū)，地球曲率和大氣折光等誤差因素的影響更為復(fù)雜，難以精確消除。山區(qū)的地形起伏大，大氣密度和溫度變化劇烈，導(dǎo)致大氣折光的變化無常，對測量精度產(chǎn)生較大影響。此外，三角高程測量要求兩點間必須通視，在山區(qū)地形復(fù)雜的情況下，通視條件往往難以滿足。山區(qū)的山峰、山谷、茂密的森林等地形地貌常常會阻擋視線，使得測量人員難以找到合適的通視路徑，增加了測量的難度和成本。如果通視條件不佳，可能需要采用設(shè)置臨時測站、使用輔助測量設(shè)備等方法來解決，但這會進(jìn)一步增加測量的工作量和誤差來源。同時，兩點間距離也不能太長，否則誤差會隨著距離的增加而累積，導(dǎo)致測量精度下降。在山區(qū)，由于地形限制，有時難以保證兩點間的距離在合適的范圍內(nèi)，這也限制了三角高程測量的應(yīng)用。3.3GPS水準(zhǔn)測量3.3.1GPS水準(zhǔn)測量在山區(qū)的優(yōu)勢不受通視限制：山區(qū)地形復(fù)雜，山峰林立，山谷幽深，傳統(tǒng)的水準(zhǔn)測量和三角高程測量往往因通視困難而難以實施。而GPS水準(zhǔn)測量則不受此限制，只要GPS接收機能夠接收到足夠數(shù)量的衛(wèi)星信號，就可以進(jìn)行測量。在山區(qū)，測量人員無需花費大量時間和精力尋找通視的測量點，也無需為了滿足通視條件而進(jìn)行復(fù)雜的測量路線規(guī)劃。這使得GPS水準(zhǔn)測量在山區(qū)能夠更靈活地確定測量點位，大大提高了測量的可行性和效率。例如，在山區(qū)進(jìn)行地形測繪時，利用GPS水準(zhǔn)測量可以快速獲取各個山峰、山谷等地形特征點的高程數(shù)據(jù)，而傳統(tǒng)測量方法可能會因為通視問題無法對這些點進(jìn)行測量。測量效率高：GPS水準(zhǔn)測量能夠快速獲取大量的測量數(shù)據(jù)。一次觀測可以同時得到多個測量點的大地高，結(jié)合少量水準(zhǔn)聯(lián)測獲取的正常高，通過數(shù)據(jù)處理就可以計算出這些點的高程異常，進(jìn)而實現(xiàn)大地高向正常高的轉(zhuǎn)換。與傳統(tǒng)水準(zhǔn)測量相比，GPS水準(zhǔn)測量無需逐點進(jìn)行高差測量，大大節(jié)省了測量時間。例如，在進(jìn)行山區(qū)大面積的高程控制測量時，采用GPS水準(zhǔn)測量可以在短時間內(nèi)完成大量測量點的觀測，而傳統(tǒng)水準(zhǔn)測量則需要耗費數(shù)倍的時間。此外，GPS測量可以全天候進(jìn)行，不受天氣條件的限制，進(jìn)一步提高了測量效率。在山區(qū)，天氣變化無常，經(jīng)常出現(xiàn)暴雨、大霧等惡劣天氣，傳統(tǒng)測量方法可能會因天氣原因無法作業(yè)，而GPS水準(zhǔn)測量則可以正常進(jìn)行?？色@取三維坐標(biāo)：GPS測量能夠直接提供測量點的三維坐標(biāo)，即經(jīng)度、緯度和大地高。這一特性使得GPS水準(zhǔn)測量不僅可以用于高程控制測量，還可以為山區(qū)的地形測繪、地質(zhì)勘探等提供全面的空間位置信息。在山區(qū)地質(zhì)勘探中，通過GPS水準(zhǔn)測量獲取的三維坐標(biāo)可以幫助勘探人員準(zhǔn)確確定地質(zhì)構(gòu)造的位置和形態(tài)，為礦產(chǎn)資源的勘探和開發(fā)提供重要依據(jù)。同時，三維坐標(biāo)信息也便于與其他地理信息系統(tǒng)（GIS）數(shù)據(jù)進(jìn)行整合和分析，為山區(qū)的規(guī)劃和管理提供更全面的支持。例如，在山區(qū)的旅游規(guī)劃中，可以將GPS水準(zhǔn)測量獲取的地形數(shù)據(jù)與其他旅游資源數(shù)據(jù)相結(jié)合，進(jìn)行綜合分析，從而更好地規(guī)劃旅游線路和景點布局。勞動強度低：在山區(qū)進(jìn)行傳統(tǒng)水準(zhǔn)測量和三角高程測量時，測量人員需要背負(fù)沉重的儀器設(shè)備，在崎嶇的山路上艱難行走，勞動強度極大。而GPS水準(zhǔn)測量的儀器相對輕便，操作相對簡單，測量人員只需攜帶GPS接收機到測量點進(jìn)行觀測即可。這大大減輕了測量人員的勞動強度，提高了工作的舒適性和安全性。例如，在山區(qū)進(jìn)行長距離的高程測量時，傳統(tǒng)測量方法可能會讓測量人員疲憊不堪，而GPS水準(zhǔn)測量則可以讓測量人員在相對輕松的狀態(tài)下完成任務(wù)。同時，由于GPS水準(zhǔn)測量的效率高，測量人員的工作時間也相對縮短，進(jìn)一步降低了勞動強度。3.3.2GPS水準(zhǔn)測量在山區(qū)應(yīng)用面臨的挑戰(zhàn)高程異常難以精確確定：精確獲取高程異常是實現(xiàn)GPS水準(zhǔn)高精度測量的關(guān)鍵，但在山區(qū)，由于地形復(fù)雜，重力異常變化劇烈，使得高程異常的確定難度較大。山區(qū)的地形起伏大，導(dǎo)致地球重力場的分布不均勻，這使得基于地球重力場模型計算得到的高程異常在山區(qū)的精度往往較低。此外，山區(qū)的地形和地質(zhì)條件復(fù)雜，可能存在地下空洞、斷層等地質(zhì)構(gòu)造，這些因素也會對高程異常產(chǎn)生影響，增加了精確確定高程異常的難度。例如，在山區(qū)進(jìn)行GPS水準(zhǔn)測量時，利用全球重力場模型計算得到的高程異常與實際值可能存在較大偏差，導(dǎo)致轉(zhuǎn)換后的正常高精度不足。為了提高高程異常的精度，需要結(jié)合山區(qū)的地形數(shù)據(jù)、重力數(shù)據(jù)等進(jìn)行復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理和模型構(gòu)建，但這些數(shù)據(jù)的獲取和處理都具有一定的難度。受地形影響：山區(qū)的地形對GPS信號傳播會產(chǎn)生不利影響。山區(qū)地勢起伏大，容易造成GPS信號的遮擋和多路徑效應(yīng)。當(dāng)GPS信號被山體、樹木等障礙物遮擋時，接收機接收到的衛(wèi)星信號會減弱或中斷，導(dǎo)致測量精度下降甚至無法測量。多路徑效應(yīng)是指GPS信號在傳播過程中經(jīng)過反射后被接收機接收，使得測量得到的距離產(chǎn)生誤差，從而影響測量精度。在山區(qū)，由于地形復(fù)雜，信號反射的路徑多樣，多路徑效應(yīng)更為嚴(yán)重。例如，在山谷中進(jìn)行GPS測量時，信號可能會在山谷兩側(cè)的山體之間多次反射，導(dǎo)致測量結(jié)果出現(xiàn)較大偏差。此外，山區(qū)的大氣折光和地球曲率對GPS水準(zhǔn)測量的影響也更為顯著。由于山區(qū)的地勢起伏大，大氣密度和溫度變化劇烈，大氣折光的影響更加復(fù)雜，難以準(zhǔn)確進(jìn)行改正。同時，地球曲率在山區(qū)的影響也不能忽略，特別是在長距離測量時，地球曲率會導(dǎo)致測量結(jié)果產(chǎn)生較大的偏差。數(shù)據(jù)處理復(fù)雜：在山區(qū)進(jìn)行GPS水準(zhǔn)測量，由于地形復(fù)雜，獲取的數(shù)據(jù)量較大且噪聲較多，數(shù)據(jù)處理的難度也相應(yīng)增加。需要采用合適的數(shù)據(jù)處理方法，如濾波、去噪、擬合等，對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，以提高數(shù)據(jù)的質(zhì)量和可靠性。在處理GPS水準(zhǔn)測量數(shù)據(jù)時，需要考慮多種因素對測量精度的影響，如衛(wèi)星信號誤差、大氣折光、地球曲率等，對這些因素進(jìn)行綜合分析和改正。同時，為了提高高程轉(zhuǎn)換的精度，還需要選擇合適的高程異常擬合模型，并對模型參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。然而，不同的地形條件和測量要求需要選擇不同的數(shù)據(jù)處理方法和模型，這增加了數(shù)據(jù)處理的復(fù)雜性和難度。例如，在山區(qū)進(jìn)行GPS水準(zhǔn)測量時，采用不同的高程異常擬合模型可能會得到不同的結(jié)果，需要通過對比分析和精度驗證，選擇最適合的模型。此外，數(shù)據(jù)處理過程中還需要考慮數(shù)據(jù)的一致性、完整性和可靠性，確保處理后的數(shù)據(jù)能夠滿足實際工程的需求。四、GPS水準(zhǔn)在山區(qū)高程控制中的應(yīng)用案例分析4.1案例一：陜西丁家林金礦區(qū)4.1.1項目概況與測量目的陜西丁家林金礦區(qū)位于秦嶺造山帶，處于揚子板塊與摩天嶺地體、陽平關(guān)與青川區(qū)域邊界斷裂之間。該區(qū)域地形以山地為主，地勢起伏較大，山脈縱橫交錯，溝谷幽深，相對高差可達(dá)數(shù)百米。礦區(qū)內(nèi)植被較為茂密，部分區(qū)域通視條件較差。礦區(qū)面積約為[X]平方公里，涵蓋了多個礦化帶，其中v1礦化帶是本次研究的重點區(qū)域，距離陽平關(guān)斷裂直線距離約5km。在金礦區(qū)的勘探和開采過程中，準(zhǔn)確的高程控制對于礦體的定位、開采方案的設(shè)計以及礦山工程的建設(shè)至關(guān)重要。傳統(tǒng)的高程控制方法，如水準(zhǔn)測量和三角高程測量，在該山區(qū)地形條件下實施難度較大，效率低下，且精度難以保證。因此，本項目旨在利用GPS水準(zhǔn)技術(shù)，建立高精度的礦區(qū)高程控制網(wǎng)，為金礦區(qū)的勘探、開采和后續(xù)建設(shè)提供可靠的高程數(shù)據(jù)支持。通過GPS水準(zhǔn)測量，獲取礦區(qū)內(nèi)各控制點的高精度正常高，從而精確確定礦體的空間位置，優(yōu)化開采方案，減少開采過程中的誤差和風(fēng)險，提高礦山資源的開采效率和安全性。同時，高精度的高程數(shù)據(jù)也有助于礦山基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)，如道路、橋梁、尾礦庫等的設(shè)計和施工，確保工程的質(zhì)量和穩(wěn)定性。4.1.2GPS水準(zhǔn)測量實施過程布點：在丁家林金礦區(qū)，根據(jù)礦區(qū)的地形特點、礦體分布以及工程建設(shè)需求，遵循均勻分布且能控制整個測區(qū)的原則進(jìn)行GPS水準(zhǔn)點的布設(shè)。共選取了[X]個控制點，這些控制點均勻分布在礦區(qū)的各個區(qū)域，包括山頂、山谷、礦體周邊以及主要交通道路沿線等關(guān)鍵位置。為了保證觀測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性，在選點時盡量避開了大面積水域、大型建筑物、高壓線等對GPS信號有干擾的區(qū)域。同時，對于每個控制點，都進(jìn)行了詳細(xì)的現(xiàn)場勘查和記錄，包括點位的地理位置、周圍環(huán)境、通視情況等信息。例如，在山頂?shù)目刂泣c，選擇了視野開闊、周圍無遮擋物的位置，以確保GPS接收機能夠接收到足夠數(shù)量的衛(wèi)星信號；在礦體周邊的控制點，考慮到后續(xù)開采活動的影響，選擇了穩(wěn)定的基巖上進(jìn)行埋設(shè)，保證點位的穩(wěn)定性。觀測：采用高精度的GPS接收機進(jìn)行觀測，以天寶GPS接收機為例，其具有高精度的載波相位測量功能，能夠提供精確的衛(wèi)星信號接收和處理能力。觀測過程嚴(yán)格按照相關(guān)規(guī)范執(zhí)行，在觀測前對GPS接收機進(jìn)行了全面的檢查和校準(zhǔn)，確保儀器的各項參數(shù)設(shè)置正確，工作狀態(tài)正常。觀測時，每個控制點的觀測時間不少于45分鐘，以保證觀測數(shù)據(jù)的可靠性。在觀測過程中，詳細(xì)記錄了衛(wèi)星的可見性、信號強度、觀測時間等信息。同時，為了減少觀測誤差，盡量選擇在衛(wèi)星分布較好、大氣狀況穩(wěn)定的時段進(jìn)行觀測。例如，在天氣晴朗、大氣透明度高的上午或下午進(jìn)行觀測，避免在陰雨天氣或太陽活動劇烈的時段觀測，以減少電離層延遲和對流層延遲等誤差對觀測結(jié)果的影響。此外，還采用了多臺GPS接收機同步觀測的方式，通過差分處理進(jìn)一步提高觀測精度。數(shù)據(jù)處理：首先對觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，利用專業(yè)的數(shù)據(jù)處理軟件，如TGO軟件，對原始觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換、粗差剔除、周跳修復(fù)等操作。通過軟件的自動檢測和人工分析相結(jié)合的方式，識別并剔除觀測數(shù)據(jù)中的異常值和錯誤數(shù)據(jù)。例如，對于信號強度異常低、觀測時間過短或數(shù)據(jù)跳變較大的觀測值，進(jìn)行仔細(xì)檢查和判斷，確認(rèn)為粗差后進(jìn)行剔除。然后，利用最小二乘法等方法對預(yù)處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行平差計算，得到各控制點的大地高。同時，對水準(zhǔn)測量數(shù)據(jù)也進(jìn)行了嚴(yán)格的平差處理，確保水準(zhǔn)測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。在計算高程異常時，根據(jù)測區(qū)內(nèi)已知的GPS水準(zhǔn)點的大地高和正常高，采用多面函數(shù)擬合法構(gòu)建測區(qū)的似大地水準(zhǔn)面模型。通過對已知點的高程異常值進(jìn)行擬合和內(nèi)插，得到測區(qū)內(nèi)其他點的高程異常值。在構(gòu)建多面函數(shù)模型時，合理選擇核函數(shù)和待定系數(shù)，通過不斷調(diào)整模型參數(shù)，使模型能夠最佳逼近測區(qū)的似大地水準(zhǔn)面。最后，根據(jù)公式h=H-\zeta，將大地高轉(zhuǎn)換為正常高，其中h為正常高，H為大地高，\zeta為高程異常。在轉(zhuǎn)換過程中，對計算結(jié)果進(jìn)行了多次驗證和檢查，確保正常高的準(zhǔn)確性和可靠性。4.1.3結(jié)果分析與精度評估將GPS水準(zhǔn)測量得到的正常高結(jié)果與傳統(tǒng)三角高程控制法得到的結(jié)果進(jìn)行對比分析。選取了礦區(qū)內(nèi)[X]個重合點，分別計算了兩種方法在這些點上的高程差值。統(tǒng)計分析結(jié)果表明，GPS水準(zhǔn)測量的精度明顯優(yōu)于傳統(tǒng)三角高程控制法。在這些重合點上，GPS水準(zhǔn)測量的高程中誤差為±[X]cm，而傳統(tǒng)三角高程控制法的高程中誤差為±[X]cm。例如，在某一重合點上，GPS水準(zhǔn)測量得到的正常高為[具體高程值1]，傳統(tǒng)三角高程控制法得到的正常高為[具體高程值2]，兩者的差值為[差值具體數(shù)值]，經(jīng)計算該點的GPS水準(zhǔn)測量中誤差在允許范圍內(nèi)，而傳統(tǒng)三角高程控制法的中誤差超出了預(yù)期范圍。對影響GPS水準(zhǔn)測量精度的因素進(jìn)行深入分析。在衛(wèi)星信號方面，雖然在觀測時盡量選擇了良好的觀測條件，但山區(qū)地形復(fù)雜，仍存在部分衛(wèi)星信號被遮擋的情況，導(dǎo)致信號失鎖或數(shù)據(jù)質(zhì)量下降。在數(shù)據(jù)處理過程中，高程異常擬合模型的選擇對精度有較大影響。不同的擬合模型在不同地形條件下的適應(yīng)性不同，若模型選擇不當(dāng)，會導(dǎo)致高程異常計算誤差增大，從而影響正常高的精度?？刂泣c的分布也對精度有一定影響，雖然控制點進(jìn)行了均勻布設(shè)，但在一些地形復(fù)雜區(qū)域，控制點的密度仍相對不足，可能導(dǎo)致局部區(qū)域的擬合精度下降。針對這些影響因素，提出了相應(yīng)的改進(jìn)措施。在衛(wèi)星信號方面，在觀測過程中增加對衛(wèi)星信號質(zhì)量的監(jiān)測，當(dāng)發(fā)現(xiàn)信號質(zhì)量不佳時，及時調(diào)整觀測位置或延長觀測時間。在數(shù)據(jù)處理方面，根據(jù)測區(qū)的地形特點，綜合考慮多種因素，選擇最合適的高程異常擬合模型，并對模型參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。對于控制點分布問題，在后續(xù)測量中，根據(jù)實際情況，在地形復(fù)雜區(qū)域適當(dāng)增加控制點的數(shù)量，優(yōu)化控制點的分布，以提高擬合精度。4.2案例二：玉符河高程測量4.2.1工程背景與測量需求玉符河作為黃河的重要支流，同時也是濟南市一條較大的季節(jié)性山洪河道，其河道整治工程意義重大。受長期的人為活動以及前期治理理念與技術(shù)局限性的影響，玉符河河道面臨著諸多嚴(yán)峻問題。例如，河道整體防洪能力較低，部分河段在汛期無法有效抵御洪水侵襲，給周邊地區(qū)的人民生命財產(chǎn)安全帶來嚴(yán)重威脅；河段污染嚴(yán)重，水體質(zhì)量惡化，影響了周邊生態(tài)環(huán)境和居民生活質(zhì)量；生態(tài)環(huán)境惡化，河道生態(tài)系統(tǒng)遭到破壞，生物多樣性減少；景觀質(zhì)量差，無法滿足市民對美好生態(tài)環(huán)境的需求。為了實現(xiàn)河道的近自然綜合治理，使其成為一條防洪達(dá)標(biāo)、生態(tài)良好、景觀怡人、交通便利的綠色廊道和市民游憩的景觀帶，精確的高程測量數(shù)據(jù)是必不可少的。在河道整治工程中，高程測量數(shù)據(jù)對于河道地形的精確測繪、水利設(shè)施的合理布局以及河岸景觀的規(guī)劃設(shè)計都起著關(guān)鍵作用。在設(shè)計防洪堤時，需要準(zhǔn)確的高程數(shù)據(jù)來確定堤頂?shù)母叨群推露?，以確保其能夠有效抵御洪水；在規(guī)劃生態(tài)護岸和蓄水工程時，高程數(shù)據(jù)能夠幫助確定工程的位置和規(guī)模，使其更好地與地形相結(jié)合，實現(xiàn)生態(tài)與工程的協(xié)調(diào)統(tǒng)一。4.2.2GPS結(jié)合全站儀測量方案在玉符河高程測量項目中，采用了GPS測量高程配合全站儀測量三角高程導(dǎo)線的綜合測量方案。在GPS測量方面，選用了高精度的天寶GPS接收機，其具備先進(jìn)的衛(wèi)星信號接收和處理技術(shù)，能夠在復(fù)雜環(huán)境下穩(wěn)定地接收衛(wèi)星信號，確保測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性。根據(jù)玉符河的河道走向和地形特點，在河道沿線及周邊區(qū)域合理布設(shè)了[X]個GPS控制點。這些控制點的選擇充分考慮了地形條件、衛(wèi)星信號遮擋情況以及測量的便利性，確保了測量的精度和效率。在觀測過程中，嚴(yán)格按照相關(guān)規(guī)范執(zhí)行，每個控制點的觀測時間不少于45分鐘，以獲取穩(wěn)定可靠的觀測數(shù)據(jù)。同時，詳細(xì)記錄了衛(wèi)星的可見性、信號強度、觀測時間等信息，為后續(xù)的數(shù)據(jù)處理提供了全面的資料。在全站儀測量三角高程導(dǎo)線時，選用了尼康全站儀，其具有高精度的測角和測距功能，能夠滿足三角高程測量的精度要求。從已知的GPS控制點出發(fā)，按照一定的間距和路線，逐點測量三角高程導(dǎo)線。在測量過程中，仔細(xì)量取儀器高和目標(biāo)高，確保測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。同時，為了減少地球曲率和大氣折光等因素對測量精度的影響，采用了對向觀測法，即從兩個方向?qū)ν稽c進(jìn)行觀測，然后取平均值作為測量結(jié)果。在觀測過程中，還特別注意了觀測條件的選擇，盡量選擇在空氣清晰、大氣穩(wěn)定的時段進(jìn)行觀測，以提高測量精度。將GPS測量得到的大地高數(shù)據(jù)與全站儀測量得到的三角高程數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理。通過在部分重合點上進(jìn)行對比和校準(zhǔn)，建立起兩者之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，從而實現(xiàn)了兩種測量方法的有效結(jié)合。利用這些重合點的大地高和三角高程數(shù)據(jù)，計算出高程異常值，然后采用合適的數(shù)學(xué)模型，如多面函數(shù)擬合法，對整個測區(qū)的高程異常進(jìn)行擬合和內(nèi)插，得到更精確的高程數(shù)據(jù)。4.2.3測量精度與成果應(yīng)用通過對測量數(shù)據(jù)的詳細(xì)分析，計算得出玉符河高程測量的精度。在GPS測量部分，經(jīng)過多次觀測和平差計算，大地高的測量精度達(dá)到了±[X]cm，滿足了工程對大地高精度的要求。在全站儀測量三角高程導(dǎo)線部分，通過對向觀測和嚴(yán)格的數(shù)據(jù)處理，高程測量精度達(dá)到了±[X]cm，能夠滿足一般工程測量的精度要求。經(jīng)過融合處理后的高程數(shù)據(jù)，精度得到了進(jìn)一步提高，高程中誤差控制在±[X]cm以內(nèi)，滿足了玉符河河道整治工程對高程精度的嚴(yán)格要求。這些高精度的高程測量成果在玉符河河道整治工程中得到了廣泛應(yīng)用。在河道地形測繪方面，精確的高程數(shù)據(jù)使得繪制的河道地形圖更加準(zhǔn)確，能夠清晰地反映河道的地形起伏和地貌特征，為河道整治工程的規(guī)劃和設(shè)計提供了可靠的基礎(chǔ)資料。在水利設(shè)施布局方面，高程數(shù)據(jù)幫助工程師合理確定了防洪堤、水閘、泵站等水利設(shè)施的位置和高程，確保了水利設(shè)施的防洪、灌溉、排水等功能能夠有效發(fā)揮。在河岸景觀規(guī)劃設(shè)計中，高程數(shù)據(jù)為景觀設(shè)計師提供了地形信息，使其能夠根據(jù)地形特點設(shè)計出更加合理、美觀的景觀方案，打造出宜人的河岸景觀帶。高程數(shù)據(jù)還在工程施工過程中發(fā)揮了重要作用，施工人員可以根據(jù)高程數(shù)據(jù)進(jìn)行精確的施工放樣，確保工程的施工質(zhì)量和進(jìn)度。4.3案例三：貴州省烏江三橋測量4.3.1項目特點與難點貴州省烏江三橋的建設(shè)區(qū)域地形地貌極為復(fù)雜，山巒起伏，地勢高差顯著，烏江穿流而過，兩岸多為陡峭的峽谷和高山。橋位附近地形坡度較大，部分區(qū)域坡度甚至超過45°，這使得傳統(tǒng)的測量方法在實施過程中面臨諸多困難。由于地形的復(fù)雜性，測量人員在搬運儀器和尋找合適的測量點位時，需要耗費大量的體力和時間，且容易受到地形限制，難以保證測量視線的通暢。該項目對測量精度的要求極高。橋梁的建設(shè)需要精確的高程數(shù)據(jù)來確保橋墩的高度一致、橋面的平整度以及橋梁結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。在橋梁建設(shè)中，橋墩的高程誤差如果超過允許范圍，可能導(dǎo)致橋梁受力不均，影響橋梁的使用壽命和安全性。因此，在烏江三橋的測量中，高程測量精度要求達(dá)到毫米級，這對測量技術(shù)和數(shù)據(jù)處理方法提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。此外，該地區(qū)的氣候條件也給測量工作帶來了一定的影響。貴州屬于亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候，降水豐富，多陰雨天氣，且山區(qū)云霧較多，這會對GPS信號的傳播產(chǎn)生干擾，降低信號的強度和穩(wěn)定性，增加測量誤差。同時，潮濕的環(huán)境也可能對測量儀器的性能產(chǎn)生影響，如導(dǎo)致儀器的電子元件受潮損壞，影響測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。4.3.2GPS高程擬合法應(yīng)用在烏江三橋測量項目中，采用了GPS高程擬合法進(jìn)行高程控制測量。首先，根據(jù)橋梁的設(shè)計要求和地形特點，在橋位附近及兩岸合理布設(shè)了[X]個GPS水準(zhǔn)點。這些點的選擇充分考慮了地形條件、衛(wèi)星信號遮擋情況以及測量的便利性，確保了測量的精度和效率。在布設(shè)點時，盡量選擇在地勢較高、視野開闊、周圍無遮擋物的地方，以保證GPS接收機能夠接收到足夠數(shù)量的衛(wèi)星信號。使用高精度的GPS接收機進(jìn)行觀測，觀測時間不少于60分鐘，以獲取穩(wěn)定可靠的觀測數(shù)據(jù)。在觀測過程中，詳細(xì)記錄了衛(wèi)星的可見性、信號強度、觀測時間等信息，為后續(xù)的數(shù)據(jù)處理提供了全面的資料。同時，為了提高觀測精度，采用了多臺GPS接收機同步觀測的方式，并對觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行差分處理，有效減少了觀測誤差。利用已知的GPS水準(zhǔn)點的大地高和正常高數(shù)據(jù)，采用多面函數(shù)擬合法計算高程異常。多面函數(shù)擬合法能夠較好地擬合復(fù)雜地形條件下的高程異常變化，通過對已知點的高程異常值進(jìn)行擬合和內(nèi)插，得到測區(qū)內(nèi)其他點的高程異常值。在構(gòu)建多面函數(shù)模型時，合理選擇核函數(shù)和待定系數(shù)，通過不斷調(diào)整模型參數(shù)，使模型能夠最佳逼近測區(qū)的似大地水準(zhǔn)面。根據(jù)計算得到的高程異常值，將GPS測量得到的大地高轉(zhuǎn)換為正常高，從而滿足橋梁建設(shè)對高程數(shù)據(jù)的需求。4.3.3精度驗證與優(yōu)化措施為了驗證測量精度，選取了[X]個已知高程的控制點，將GPS高程擬合法得到的高程值與已知高程進(jìn)行對比分析。通過計算中誤差和相對誤差，評估測量精度。結(jié)果表明，GPS高程擬合法在該項目中的高程測量精度達(dá)到了±[X]mm，滿足了橋梁建設(shè)對毫米級精度的要求。然而，在分析過程中也發(fā)現(xiàn)，部分區(qū)域的測量精度相對較低，主要原因是這些區(qū)域地形復(fù)雜，衛(wèi)星信號受到遮擋較為嚴(yán)重，導(dǎo)致觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量下降。針對這些問題，提出了以下優(yōu)化措施：在衛(wèi)星信號遮擋嚴(yán)重的區(qū)域，增加觀測時間和觀測次數(shù)，以獲取更多的觀測數(shù)據(jù)，提高數(shù)據(jù)的可靠性。同時，采用差分GPS技術(shù)，利用基準(zhǔn)站和流動站之間的差分觀測值，消除或減弱衛(wèi)星信號誤差的影響，進(jìn)一步提高測量精度。優(yōu)化GPS水準(zhǔn)點的分布，在地形變化較大的區(qū)域適當(dāng)增加控制點的數(shù)量，使控制點能夠更好地反映地形的變化，從而提高高程異常擬合的精度。結(jié)合其他測量技術(shù)，如三角高程測量，對GPS高程測量結(jié)果進(jìn)行檢核和補充，提高測量結(jié)果的可靠性。在數(shù)據(jù)處理過程中，采用更先進(jìn)的數(shù)據(jù)處理算法和軟件，對觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行更精細(xì)的處理和分析，減少誤差的影響，提高測量精度。五、影響GPS水準(zhǔn)在山區(qū)高程控制精度的因素5.1衛(wèi)星相關(guān)因素5.1.1衛(wèi)星分布與信號傳播在GPS水準(zhǔn)測量中，衛(wèi)星的分布情況對高程測量精度有著顯著影響。在測量平面位置時，通過合理選擇觀測時間段和衛(wèi)星，可使衛(wèi)星呈基本對稱分布，從而有效減弱或消除測量距離偏差、衛(wèi)星信號傳播延遲誤差等對平面位置的影響。然而，在高程測量中，被觀測的衛(wèi)星基本都處于地平面以上，呈現(xiàn)出不對稱的分布狀態(tài)。這種不對稱性導(dǎo)致許多系統(tǒng)誤差難以有效消除，對高程測量精度產(chǎn)生重要影響。衛(wèi)星信號在傳播過程中會受到多種因素的干擾，從而產(chǎn)生延遲誤差。當(dāng)GPS信號穿過電離層時，由于電離層中的帶電粒子會與信號相互作用，導(dǎo)致信號傳播速度發(fā)生變化，產(chǎn)生電離層延遲。在太陽活動劇烈時期，電離層中的電子密度會發(fā)生顯著變化，使得電離層延遲的不確定性增大。據(jù)研究表明，在太陽耀斑爆發(fā)時，電離層延遲誤差可能會達(dá)到數(shù)米甚至更大，嚴(yán)重影響GPS高程測量的精度。對流層延遲也是衛(wèi)星信號傳播過程中的一個重要誤差源。對流層中的水汽、溫度和氣壓等因素會使信號傳播路徑發(fā)生彎曲，導(dǎo)致信號傳播時間增加，產(chǎn)生對流層延遲。在山區(qū)，由于地形復(fù)雜，對流層的氣象條件變化劇烈，對流層延遲的影響更為顯著。例如，在山區(qū)的山谷和山頂，氣溫、濕度等氣象要素可能存在較大差異，這會導(dǎo)致對流層延遲在不同位置有較大變化，給準(zhǔn)確改正帶來困難。此外，山區(qū)的地形還容易造成衛(wèi)星信號的遮擋和多路徑效應(yīng)。當(dāng)衛(wèi)星信號被山體、樹木等障礙物遮擋時，接收機接收到的衛(wèi)星信號會減弱或中斷，導(dǎo)致測量精度下降甚至無法測量。多路徑效應(yīng)是指衛(wèi)星信號在傳播過程中經(jīng)過反射后被接收機接收，使得測量得到的距離產(chǎn)生誤差，從而影響測量精度。在山區(qū)，由于地形復(fù)雜，信號反射的路徑多樣，多路徑效應(yīng)更為嚴(yán)重。在山谷中進(jìn)行GPS測量時，信號可能會在山谷兩側(cè)的山體之間多次反射，導(dǎo)致測量結(jié)果出現(xiàn)較大偏差。5.1.2衛(wèi)星星歷誤差衛(wèi)星星歷誤差是指由衛(wèi)星星歷所給出的衛(wèi)星位置與衛(wèi)星實際位置之間的差值。衛(wèi)星在空中運行時，會受到多種攝動力的影響，如地球引力、太陽引力、月球引力以及太陽光壓等。地面監(jiān)測站難以精確測定這些攝動力的影響，導(dǎo)致測定的衛(wèi)星軌道存在誤差。監(jiān)測系統(tǒng)的質(zhì)量，包括跟蹤站的數(shù)量及空間分布、軌道參數(shù)的數(shù)量和精度、軌道計算時所用的軌道模型及定軌軟件的完善程度等，也會對星歷誤差產(chǎn)生影響。用戶得到的衛(wèi)星星歷并非實時的，而是由GPS用戶接收的導(dǎo)航電文中對應(yīng)于某一時刻的星歷參數(shù)推算出來的，這也會導(dǎo)致計算衛(wèi)星位置時產(chǎn)生誤差。在GPS高程測量中，衛(wèi)星星歷誤差會直接影響定位精度。由于GPS測量定位是以衛(wèi)星位置作為已知的基準(zhǔn)值來確定待定點的位置，衛(wèi)星星歷誤差會使測量得到的衛(wèi)星位置不準(zhǔn)確，從而導(dǎo)致待定點的高程計算出現(xiàn)偏差。研究表明，衛(wèi)星星歷誤差對高程測量精度的影響程度比基線長度要大一些。當(dāng)衛(wèi)星星歷誤差為\Deltar，衛(wèi)星至測站的位置矢量為r，由于衛(wèi)星星歷誤差引起的基線矢量誤差為\Deltab，兩測站間的基線矢量為b時，從大量統(tǒng)計資料表明\frac{|\Deltar|}{|r|}\approx\frac{|\Deltab|}{|b|}，且高程的精度受其影響的程度比基線長度更大。若采用精密星歷，對于短基線而言，由星歷產(chǎn)生的高程誤差可以忽略不計。然而，在實際應(yīng)用中，廣播星歷的精度相對較低，尤其是在SA政策的影響下，星歷誤差對GPS高程測量精度的影響更為明顯。雖然美國已取消了SA政策，但廣播星歷的精度仍然有限，其給出的衛(wèi)星點位中誤差為5-7m，這對于高精度的GPS水準(zhǔn)測量來說，仍然是一個不可忽視的誤差源。5.2測量環(huán)境因素5.2.1對流層延遲改正殘差在GPS高程測量中，對流層延遲改正的殘差是一個不可忽視的誤差來源，對高程分量的精度有著顯著影響，尤其是在短基線測量中，這種影響更為突出。對流層延遲改正的精度受到多種因素的制約。對流層延遲改正模型自身存在一定的誤差。目前常用的對流層延遲改正模型，如Saastamoinen模型、Hopfield模型等，雖然在一定程度上能夠?qū)α鲗友舆t進(jìn)行估算，但由于對流層的氣象條件復(fù)雜多變，這些模型很難完全準(zhǔn)確地描述對流層延遲的實際情況。不同地區(qū)的對流層氣象條件存在差異，同一地區(qū)在不同時間的對流層氣象條件也會發(fā)生變化。在山區(qū)，由于地形復(fù)雜，對流層的溫度、濕度和氣壓等氣象要素的垂直梯度變化較大，使得現(xiàn)有的對流層延遲改正模型難以準(zhǔn)確適用。研究表明，在山區(qū)，對流層延遲改正模型的誤差可能會達(dá)到數(shù)厘米甚至更大，嚴(yán)重影響GPS高程測量的精度。氣象元素的量測誤差也是影響對流層延遲改正精度的重要因素。在進(jìn)行對流層延遲改正時，需要準(zhǔn)確測量氣象元素，如溫度、濕度和氣壓等。然而，在實際測量中，氣象元素的量測存在一定的誤差，尤其是氣象元素的代表性誤差。測量氣象元素的傳感器可能存在精度限制，導(dǎo)致測量結(jié)果與實際值存在偏差。而且，氣象元素在空間上的分布并不均勻，測量點的氣象元素可能無法完全代表整個對流層的情況。在山區(qū)，由于地形起伏大，氣象元素在不同海拔高度和不同地形部位的分布差異明顯，使得氣象元素的代表性誤差更加突出。例如，在山頂和山谷測量到的氣象元素可能存在較大差異，若僅以某一測量點的氣象元素來進(jìn)行對流層延遲改正，可能會導(dǎo)致改正結(jié)果不準(zhǔn)確。大氣的實際狀態(tài)與理想狀態(tài)之間存在差異。對流層延遲改正模型通常是基于理想大氣狀態(tài)建立的，但實際大氣中存在各種復(fù)雜的物理過程和擾動，如大氣湍流、水汽相變等，這些因素會導(dǎo)致大氣的實際狀態(tài)偏離理想狀態(tài)。在山區(qū)，由于地形的影響，大氣的運動更加復(fù)雜，大氣的實際狀態(tài)與理想狀態(tài)的差異更大。大氣湍流會使大氣中的水汽和溫度分布更加不均勻，增加了對流層延遲的不確定性。這些差異會導(dǎo)致對流層延遲改正不完善，從而產(chǎn)生殘差，對GPS高程測量的精度產(chǎn)生不利影響。5.2.2地形與地物遮擋山區(qū)地形復(fù)雜，地物繁多，地