工程测量中GPS控制测量平面与高程精度分析董建

工程测量中GPS控制测量平面与高程精度分析董建

董建

董建

中国水利水电第十一工程局有限公司河南郑州450000

摘要：随着经济与科技的快速发展，我国工程测量领域实现了较为长足的进步，GPS测量技术在该领域的广泛应用就是这一进步的最直观体现。不过在笔者的实际调查中发现，GPS应用的工程测量往往在平面与高程精度方面存在不足，这就使得GPS测量技术难以满足很多工程建设的需求，为此本文就工程测量中GPS控制测量平面与高程精度展开了具体研究，希望这一研究能够为相关业界人士带来一定启发。

关键词：工程测量；GPS控制测量；平面精度；高程精度

引言

随着科技的发展，我国的工程测量技术被运用和推广，尤其是GPS测量技术在工程中被大量使用。目前为止，我国的大部分工程都在运用GPS控制测量技术，相对比较，这项技术有4大优点：高效率、精度高、操作方便而且费用少。但是在实际运用中，GPS测量技术也有5大缺点，例如：已知点了解程度低、分布不规则，已知点位置不准确、控制效果不佳和难以在水下进行操作等。这些缺点在修改时，不能用一些常规的办法进行修改，必须要用一些科学的平差技术来改正。文章重点对GPS控制测量技术在工程测量中的应用问题进行讨论，研究其影响高程和平面精度的影响因素，并提出科学的修改意见和策略。

一、工程测量中GPS控制测量操作分析

由于卫星测量受到信号接收过程中和信号发射的若干因素的影响，通过GPS测量技术进行高程精度的测量，在测量的精确度上会产生误差。因此，在信号传输的过程中，超过大气的对流层能够产生对流程的延迟效应，电离层会对信号传递的过程产生电离层延迟效应。知识发生卫星信号的误差。GPS处在静态分析的状态的时候，可能由于同步求取测量的距离的限制，取得的测量精度较高。在野外测量的时候，天线测量产生的数据一般不是很准确，因此在实际的测量过程要保证测量的数据的准确性，可以求取三个数值的平均值，测量三个方向的天线高程，以提高测量天线高程的准确度。

一般通过测量分析对于模型中的二次曲面拟合，当前较多使用的是对高程进行拟合的方法，高程异常数值的精确度的获取方法，运用具有高精度的高程作为起算点，结合水准点的分布，得到二次曲线拟合法、拟合水准点、平面拟合法/函数法等，一般运用的不是很广泛，加强控制点的布设，高程计算精度的提升，在实际的测量过程中，提升高程起算点的精度，对于高程进行测量，一般设置6个以上监测点。实际的测量过程中通过适当加大高程控制点的密度布设得到更加精确的高程精度。

在实际工程测量中，GPS控制测量主要包括以下内容：

（1）资料收集。确定测量区域范围后，相关工作人员应做好资料收集和检核工作，主要对测量区域中的起算点数据和地形地貌特征进行分析，以确保后续测量的顺利进行。（2）选点布网。GPS技术在工程测量中的应用最重要的环节是选点和布网，需要测量工作人员严格按照相关规范和标准进行测区地形的分析，在考虑众多因素后进行选点布网设计。（3）踏勘埋石。完成选点和布网操作后，需要工作人员按照调度情况和点位设计，进行踏勘埋石，为下一步观测奠定基础。（4）外业观测。应用GPS技术的过程中，需要获取大量的实物数据信息，而通过GPS定位功能，可以快速获取目标的位置信息，以便于工作人员的下一步分析和操作；（5）数据处理。完成外业观测后，会获得大量的数据信息，相关工作人员要对这些数据进行有效的传输和保存。（6）修补测量。由于GPS技术在实际测量过程中偶尔会出现测量不达标的情况，需要进行修补测量，并对数据进行平差处理，以判断测量是否达到规范要求，如果没有达到要求，必须根据卫星时段情况进行补测。

二、GPS控制测量技术的应用现状及实例

在工程测量中，GPS控制测量的优势有很多，主要包括精度高、速度快、费用低廉以及操作简单等等，所以其现阶段的使用频率非常高。当前，以往所使用的测量方案已经基本上被GPS测量技术所替代了。倘若GPS的网形很好，已知点充足且分布均匀的话，那么精度一般不会出现问题。但是在真实的测量当中，通常情况下已知点都不够且分布不均，不仅网形不理想，而且相对高差非常大，对GPS控制网的精度产生了严重影响。为了明确影响的大小，有关操作者对部分GPS控制网展开了精准测绘和具体分析，通过不一样的起算点，得出相应的数值，然后对比分析。经过多次反复的测算和研究，发现倘若是在平面位置上，不管使用什么起算点，结果的误差都不是太明显，最大的坐标较差低至25nm，微乎其微。换言之，GPS控制测量并不会影响平面的精度。但是在高程较差上，最大误差值竟然达到了678mm，最小的误差值也有52mm，已经远远超出了精度允许范围。这也充分表明GPS控制测量会对高程精度产生比较大的影响。

图1我国某引水工程施工布设的带状E级GPS网

图1为我国某引水工程施工布设的带状E级GPS网，已知起算点总共有3个，分别为PXC、JMS以及PXC，平面的精度为D级，二等水准高程。图中所示的1~30号点全部都是新测E级的GPS点，GPS拟合高程，高程值在250~380m的区间范围之内。与此同时，将PXC、JMS以及PXC这3点作为起算高程点，对当中10个点的水准高程进行测量，四等精度。然后对比分析水准高程和GPS拟合高程，发现最大误差为0.029m。这充分表明，在间隔不远且各点之间高差较小的情况之下，GPS拟合高程和四等水准高程较差并不大，最大误差为2.9cm。换言之，GPS拟合高程从某种程度上可以替代四等水准高程。

三、工程测量中影响GPS控制测量平面和高程精度的主要因素

GPS测量技术在运用和测量时存在的优缺点，为了能够更加成功的对文章进行研讨，必须更加深入了解影响GPS技术高程测量精度的主要因素，同时结合一些有关的科学资料和相关知识进行实际调查。将这些因素概括为以下3个方面：GPS高程拟合模型的选择、公共点几何水准测量精度、GPS大地高的测量精度。

3.1GPS大地高测量精度

纵观过去的实践经验，影响GPS大地高测量精度的因素较多。在卫星方面，主要包括卫星钟差误差、相对论效应以及卫星星历误差等。在信号传播方面，主要有对流层及电离层的延迟、多路径效应等。除此之外，倘若选择了有误差的模型，同样也会对数据处理造成影响。因此，在使用GPS技术进行静态描绘的过程之中，如要充分获取满足实际需要的观测资料，就必须对控制点的网形、接收机的总数、天气状况、卫星状况以及平差模型等进行有效设计，方可实现精准测量。但是在实际的测量控制工作当中，以上要求很难同时满足，而且要让取样观察时间达到既定要求也绝非易事，所以严重影响了高程精度。图2为GPS点的H大地高与正常高程的关系。其中ε为高程异常，H为大地高，h为正常高。

图2GPS点的H大地高与正常高程的关系

3.2公共点几何水准测量精度

在一般情况下，测定控制点的大地高以及高程异常值等信息，便可以获取正常高。与此同时，灵活运用多项式拟合、一次多项式拟合以及二次曲面拟合等方法，可以有效获取高程异常参数。高程异常参数和GPS大地高、几何水准测定正常高的精度之间存在着之间关联。如果要获取精度极高的高程异常参数，那么就一定要确定好高精度的几何水准测量起算点。

3.3GPS高程拟合的具体方式

高程异常值为大地高和正常高的差值。似大地水准面能够凭借高程异常拟合得到，并经过精准的计算，获得未知点的高程异常，此为GPS高程拟合的原理所在。过去所使用的测量方式获取的几何水准高程，虽然精度较高，但是具体的操作测量之中，工作量非常大，而且需要较为漫长的观测时间，所花费的成本也很高。与此同时，如果是在丘陵或山地这种地质情况极端复杂的地区，测量值的精度会极不理想。所以，工作人员可以通过水准测量法，即高程测量少数GPS点，然后灵活运用高程拟合技术得出剩下的GPS点的高程。所以，选取科学恰当的大地水准面拟合模型，展开有效计算，能够有效提升控制点高程的精度。

四、提升GPS控制测量平面与高程精度的主要对策

在实际施工中，运用GPS技术对工程进行测与控制时，一定要符合其工作原理和要求。通常情况下，可以利用相关的技术措施来完成对高程精度的控制。

4.1GPS控制平面测量

在工程测量中的平面测量比较容易。GPS控制平面GPS控制网进行测量，其中包括对控制网形的设计，对测量精度以及基准等方面进行控制。在测量的过程中，GPS控制网络需要遵循分级设置、逐级控制的原则，保证在GPS控制平面测量中能够获得高精度的数据。当前通过GPS控制测量进行平面测量时，通常都是使用相对定位法，而在一些工程要求较高的项目中，会选择网连式或者边连式的GPS控制网设计方式。

4.2科学选择大地高的测量方式

在实际的工程测量过程中，为了确保GPS高程测量精度达到相关标准，必须对大地高程测量方法进行优化和改进，具体包括以下几点内容：（1）合理设置观测点。由于工程测量中观测点的设置对测量结果影响较大，因此，为了提高GPS高程测量的精度，需要工作人员在测量前，对测区环境进行有效的分析和评估，同时合理设置观测站，以确保后续测量的高效进行。（2）同步求差法的应用。在实际测量过程中，为了尽可能地减少高程计算误差，需要应用同步求差法，但是同步求差法的应用需要满足2个条件，即观测站之间必须保持同步，且观测距离要在20km以内，一旦不能满足这2个条件，该方法求取的差值没有任何意义。（3）正确量取天线高。由于GPS高程精度受天线高测量误差的影响较大，因此，实际测量中要对该因素进行有效控制，具体控制措施如下：工作人员要将天线斜高作为测量值，同时把天线圆盘分为3个角度均匀的方向，按照3个方向进行天线高的测量，最终对3个测量结果求平均值，这样可以保证测量结果的误差小于3mm。另外，由于野外工程测量中天线的类型使用不确定，因此，为了避免这一因素的影响，需要合理控制相位中心的高度，以确保GPS高程精度达到相关标准。

4.3对电离层的误差进行有效修正

大气电离层会在一定程度上影响卫星的信号，随之便会出现信号反射或者是信号折射的现象，导致在整个信号接收的过程当中出现误差，最终对高程精度产生影响。因此，测量工作者可以灵活运用3种不同的方式有效修正电离层的误差。首先是多频观测的方式，换言之就是在某个测量点上对多个伪距进行测量，随后精准计算出伪距测量值的折射率，进而获得折射改正参数，全面提升GPS测量精准度。其次是同步观测的方式，选择2个间距不超过20km的观测站，并且在同一时间展开观测，并将所获得的观测结果作为根据，将电离层的测量精度计算出来，进而对卫星信号的参数精度进行修正，最终减小高程精度误差。最后一种则电离层模型修正法；即借助于电离层模型来修正卫星信号的参数，将所获取的参数引入电离层模型之中，并展开对比，进而有效修正卫星信号的参数精度。在这3种方式之中，同步观测法的作用最为理想，可以将高程精度的误差降到非常低的程度，在修正之后，误差基本可以忽略不计。

4.4选择恰当的高程拟合数学模型并加强控制点的布设

在具体的工程测量当中，大多数情况下都会通过构造数学曲面的方法来拟合似大地水准面，然后再用其来推算测量范围当中控制点以及待测量点的正常高度值。根据以往的经验发现，使用频率最高的拟合方式主要有4种，分别为平面拟合法、二次曲面拟合法、样条函数法以及多面函数法等。与此同时，与另外3种拟合方式相比，二次曲面拟合法应用得最为普遍，且更容易获取精确的高程异常值。不过具体选择哪一种拟合方式，还应当视实际观察环境而定。除此之外，还必须强化控制点的布设；充分保障高程起算点的稳定程度和测量精度。因为高程起算点是有效保障所有GPS高程点符合测量标准的关键所在，其精度主要涵盖2个方面，其一是测量精度等级，其二是点位稳定性。而且拟合中所需要的水准点，应当尽量均匀分布，总数必须超过6个。若测量范围很大或是地形结构复杂，则可通过分区域建立拟合模型的方式来强化拟合精度。

4.5明确高程点密度及分布标准

注重高程起算点的精度，是拟合所获的各GPS高程点能够达到测量标准的前提条件。对高程起算点位所处位置的合理性以及测量精度等级正确性进行全面检测，保障拟合所需水准点能够与实际情况相吻合，完全达到均匀分布的原则，保障其数量密度符合标准规范。在此期间对所测区域内可能存在的地形差异进行全面分析，对相应局部复杂地形做分区设置，结合区域建立对应的拟合模型，以此保障高程拟合精度能够完全得以体现，最大限度提升GPS控制测量高程精度。

五、结束语

综上所述，GPS测量技术作为一种新兴的数字化测绘技术，其在工程测量中的应用十分广泛。它不仅定位精度高，而且测量周期短，所以成为目前测量工作中的首选技术。虽然GPS实际测量中会因为高程精度问题而导致测量结果受到影响，但是工作人员可以对大地高测量方法和高程拟合方法进行优化，这样可以减小GPS高程误差，从而提高测量结果的准确性。

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