1、 GPS定位技术运用于 跨河水准测量的理论与实践 目 录 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 . 4 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 . 6 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 GPS 大地高，水准测量的正常高， 高程异常 GPS测量是以 WGS-84椭球面为基 准 ,在 WGS-84地心坐标系中进行的 ,所提供的高程为相对
2、于 WGS-84 椭球的大地高 ,遗憾的是相对于WGS-84 椭球的 GPS 大地高是没有物理意义的 ,只是一个假定的高程系统 ,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 GPS 大地高转化为目前我国使用的正常高 (我国现有的高程资料基本属于黄海 56 高程系或 85 高程系 )。进行 GPS 高程转换要考虑 WGS-84 椭球和本地参考椭球的差异以及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 : HG=HN+ 其中 ,HG 为大地高 ;HN 为正常高 ;为高程异常， 高程异常
3、，即同一测站点以 WGS-84 为基准的 GPS 大地高与以似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 A 既 用 GPS 定位技术 测得其GPS 大地高 HGA，又用 常规高程测量方法 测得其 正常高 HNA,我们就可以求出 A 点的高程异常值； A=HGA- HNA 同样，当测区中某一个点 B 既用 GPS 定位技术测得其 GPS 大地高HGB，又用常规高程测量方法测得其正常高 HNB,我们就可以求出 B点的高程异常值。 B=HGB- HNB 测区中 AB 两点的高程异常变化值即为 AB= A- B=
4、( HGA- HNA)-( HGB- HNB) 高程异常变化率 :当 AB 两点的水平距离为 LAB 时，那么 AB 两点高程异常变化率即为： V AB = AB/LAB 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 WGS-84 椭球
5、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规律难寻，因此， GPS 定位技术在水准高程方面一直存在难以逾越的障碍，但 高程异常变化在对于某一具体位臵而言是恒定的，他取决于该地地球的形状及该地地下介质的质量（ 即 该地的重力加速度），同时，对于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 ，
6、高程异常变化率 呈现逐渐递增或者逐渐递减的变化趋势。 对于一条直线而言， 如下图所示：从 AB 区间的高程异常变化率，到 BC 区间的高程异常变化率 ,到 CD 区间的高程异常变化率 ，必然是一个渐进的过程。 因此 : AB 区间的高程异常变化率是 BC 区间的高程异常变化率与CD 区间的高程异常变化率的平均值。如下列公式所示： V BC= （ V AB +V CD） /2 长江A B C D 跨河点 非跨河点 这就是 GPS 定位 技术 运用于 跨河水准测量的理论 依据 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 500 米的地区，不宜进行一二等水准测量，当海拔高度
7、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，当 河 两端的 高程异常变化率 差值 超过每公里 15mm 时，不宜采用 GPS 定位技术进行三四等跨河水准测量。 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 500 米的地区，河面宽度小于 1000 米，河两端的高程异常变化率 的差值 小于每公里 15mm 时，本人认为：可以采用GPS 定位技术进行三四等跨河水准测量。 当河两端的高程异常变化值大于每公里 70mm 时 ，不宜采用 GPS定位技术进行一等跨河水准测量。 当河两端的高程异常变化
8、值大于每公里 130mm 时，不宜采用 GPS定位技术进行二等跨河水准测量。 当河两端的高程异常变化值大于每公里 200mm 时，不宜采用 GPS定位技术进行三四等跨河水准 测量。 第三节 GPS 定位技术运用于跨河水准测量的布点要求 GPS 跨河水准测量应选择在地形较为平坦的平原、丘陵且河流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。 GPS 水准点尽可能选在水准测线附近，并有利于进行 GPS 观测及水准连测。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（ A、 D）宜位于跨河 点（ B、
9、 C）连线的延长线上，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 BC 的 1 4。 长江A B C D 跨河点 非跨河点 二等跨河水准测量中，非跨河点（ A、 D）宜位于跨河 点（ B、 C）连线的延长线上，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 BC 的 1 25。 二等跨河水准测量中，非跨河点（ A、 D）宜位于跨河点（ B、 C）连线的延长线上，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 BC 的 1 25。 当跨河距离小于 2 公里时，同一河岸非跨河点距跨河点的距离以2 公里为宜。 第四节 GPS 技术运用于跨河水
10、准测量 中 GPS 观测 及数据处理 本文所说 GPS 观测及数据处理仅适用于 三四等跨河水准测 量 ， 为保证 GPS 所测基线及大地高 正确性 ， 三四等跨河水准测量中GPS 观测规定严于国家 B 级网的要求，松于国家 A 级网的要求 。 GPS 测量作业的基本技术要求 （ 1）全部仪器、光学对中基座生产作业前都必须按要求进行检校合格且应在有效检定期内才能投入使用。所有仪器在观测前统一进行设臵：数据采样间隔 10 秒，设臵高度角为 15 度。 （ 2）观测前，应做好星历预报，避开不利于观测的时间段。 （ 3）观测时，天线整平对中误差不得大于 1mm，每时段观测前后各量取天线高一次，两次互差
11、小于 2mm，并取其平均值作为最后结果。双时段观测时第二时段仪器必须重新对中整平，重新量取天线高度。 （ 4）观测过程中按规定填写 观测手簿。观测点名、仪器高、仪器级 别 项 目 静 态 测 量 卫星高度角（） 15 有效卫星总数 4 时段长度（ min） 120 观测时段数 4 数据采样间隔（ S） 10 PDOP或 GDOP 6 号、时间、日期以及观测者均应详细记录。 GPS 数据处理 GPS 基线解算 应符合以下要 求 基线解算应采用双差相位观测值。 采用 精密 星历作为基线解算的起始值。 基线解算的起始坐标应采用 GPS 连续运行站坐标。 基线解算时，应以 2 h 为一单元，将连续观测
12、数据截断并划分为多个时段进行基线解算，使每一个同步观测图形各基线边具有至少 4个时段的重复基线处理结果。” 基线解算方案可采用单基线或多基线模式，应采用双差固定解作为基线解算的最终结果。 GPS 基线解 算 的质量检核 基线处理数据采用率不低于 80。 采用单基线处理模式时，同步时段中任一三边同步环的坐标分量相对闭合差应小于 2.0ppm，环线全长相对闭合差应小于 3.0ppm 由独立基线构成的异步环坐标分量闭合差和全长闭合差应满足 Wx 2 n ； Wy 2 n ； Wz 2 n W 2 n3 重复基线的长度互差（ ds）及大地高高差互差（ dH）应不大于2 n 以上式中： 一相应测量等级基
13、线长度标准差，单位为毫米（ mm） 跨河水准测量 GPS 网平差处理 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 GPS 同的无约束平差。无约束平差应提供各点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： xV 3； yV 3； zV 3 一相应测量等级基线长度标准基，单位为毫米（ mm）。 否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
14、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 119 00 119 47 ，北纬 32 01 33 38 。 测区内水系密集， 河流众多。 淮扬镇 铁路 由中 铁 上海设计院集团有限公司 承担勘察设计，中铁上海设计院委托中铁第一勘察设计集团有限公司航测遥感处承担基础控制网的测量及 1： 2000 航测图测量。 本项目共从事 5 处跨河水准测量 。跨河长度分别为 1899 米， 1744米， 1596 米， 1019 米， 2019 米 ， 下面就世业洲跨河水准说明 如下 这 是推荐线路方案跨越长江的情景， 该处 位于江苏省镇江 市世业镇。 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： BM057BM109BM110GPS129BM058GPS130BM059BM131高差BM057-BM109=2603.8,高差BM110-BM129=-6,高差BM058-BM130=-43.5,高差BM059-BM131=-799.8,长江长江长江长江
