水准测量和GPS高程测量方法在航道测量中选择的

摘　要：本文主要是介绍在航道测量中在什么情况下采用水准测量方法，什么情况下采用GPS高程测量方法，能够保证工程要求的高程精度，从而达到省时、省力的效果，大大提高航道测量时候的工作效率。

关键词：水准测量， GPS高程测量 ， 航道测量， 应用比较
现在测量高程的最常见的方法有常规水准测量.三角高程测量. GPS高程测量，水准测量受地形的起伏影响大，外业工作量大，速度慢。三角高程测量在GPS测量广泛应用后，在航道测量中比较少采用，这里就不作详细介绍。GPS高程测量方便快捷，不受地形的影响，其测量精度与GPS测量精度，公共点的个数.分布以及大地水准面模型的选择等有关。随着测绘技术的不断发展，大地水准面精化工作的不断开展，GPS高程测量的精度大为提高，GPS高程测量的方法得到广泛应用。但是，在航道测量中GPS高程测量能否满足常规水准测量的精度要求，已成为航道测绘人员急需想知道的问题。本文通过介绍水准测量和GPS高程测量的原理.方法，以及他们的优缺点，对这两种高程测量方法在航道测量中的实际应用进行了比较和分析。
传统水准测量方法
　　水准测量这种方法在很早以前就开始使用，已经被广泛认可和应用，尤以其测量精度可靠，精确度高为优势。
　　1.水准测量的原理为
　　利用水准仪提供的水平视线对竖直在两点的水准尺进行观测，得到两点的高差，并通过其中一个点（A点）的高程推算另一点(B点)的高程。
　　图1
　　
　　　　hAB=a-b
　　HB=HA+hAB
hAB为A.B两点的高差，HA为A点高程，HB为B点高程，a为后视读数，b为前视读数。
　　2.水准测量采用的仪器
　　微倾式水准仪，自动安平水准仪，电子水准仪
　　3.水准测量的实施
　　水准点：通过水准测量方法得到高程的高程控制点，一半用BM表示。有永久性和临时性两种。起算水准点的选择，一般起算水准点选择比测量水准等级高一等级的水准点作为起算点。
　　水准路线的布设：闭合路线（由BM1→BM1），附合路线（由BM1→BM2），支水准路线（由BM1→待定水准点），水准网（由若干水准路线构成的网状图形）具体见下图：
　　图2
　　
　　水准观测与记录，水准观测要求前后视距基本相等，四等及以上水准要求采用往返测，或者双转点法。为防止出错一般都有两次读数。水准记录有专门的水准记录格式，按规范要求的记录格式记录。如采用电子水准仪则可自动进行读数和记录，然后把数据导出即可。
二.GPS高程测量
　　GPS高程测量在工作效率，人力财力上都有很大的优势。但是GPS高程测量也有自身的很多问题出现，如观测误差，基准面的缺陷等问题。GPS测量中直接得到的是大地高，而水准测量和三角高程测量得到的是正常高。正常高系统是我国广泛使用的高程系统。想得到GPS测量点的正常高我们通常需要得到高程异常。
　　地球表面的某一点的大地高是该点沿着通过该点的椭球法线方向到椭球面的距离通常用H表示。正常高是由该点沿着铅垂线方向到似大地水准面的距离，通常用Hg表示。
　　图3
　　
　　大地高和正常高的关系为：H=Hg+ζ，ζ为高程异常。
　　1.测量原理：在选择布设GPS网点时，根据地形情况选取一些分布较适宜并有一定密度的公共点。所谓公共点是既属于GPS点，同时其正常高也是已知的点。所选择的公共点可以是已知的水准点，也可以是采用水准联测方法获得的正常高的点，再根据公共点的大地高和正常高按H=Hg+ζ公式求出这些公共点对应的高程异常值，然后再利用这些公共点的高程异常值采用一定的方法推求其它GPS点的高程异常值，最后在利用H=Hg+ζ公式即可确定所有GPS点的正常高。
　　通常由公共点的高程异常值推求其它GPS点的高程异常值的方法很多，常见的有：平面拟合法，二次曲面拟合法，多面函数拟合法，地形改正法。
　　高程测量采用的仪器
　　现在的GPS接收机越来越自动化，GPS高程测量现在主要是采用GPS静态观测网模式来获得。在外业观测时一般采用3台以上GPS接收机进行。现在采用的GPS接收机主要都是双频双星GPS接收机。
　　高程测量的实施
　　GPS高程测量一般和GPS平面控制测量同时进行
　　第一步根据测区的相关情况进行GPS布网。GPS布网形式主要有：
　　①点连式
　　形式：相邻的同步图形间只通过一个公共点相连。
　　优点：作业效率高，图形扩展迅速。
　　缺点：图形强度低，如果连接点发生问题，将影响到后面的同步图形。
　　②边连式
　　形式：相邻的同步图形间有一条边（即两个公共点）相连。
　　优点：作业效率较高，图形强度较强。
　　③网连式
　　形式：相邻的同步图形间有3个（含3个）以上的公共点相连。
　　优点：图形强度最强。
　　缺点：作业效率低。
　　④混连式
　　形式：相邻的同步图形间有3个（含3个）以上的公共点相连。
　　优点：图形强度最强。
　　缺点：作业效率低。
　　一般在测量中我们为了保证图形测强度和作业效率采用边连式的比较多。
　　第二步：外业观测，外业观测按规范的要求进行
　　接收机观测钱要按要求进行检验，天线高度的量取要精确要mm，测前测后之差不大于3mm，设站地方要开阔，有利于卫星信号的接收，各站的参数严格按规范要求进行设置。
　　第三步：数据处理和检核
　　数据处理一般是数据预处理，GPS网的基线解算.。网基线处理时，采用的是广播星历，解算出整数解。然后是网平差，接着是GPS高程拟合，最后得到结果。
　　数据处理可采用随机后处理软件，外业数据的剔除率小于10%，重复基线互差≤2√2ó。闭合环的限值要满足规范要求。
四.两种方法在航道测量中的应用
　　1.航道测量的介绍
　　下面就长河段航道图测量时采用的水准测量方法和GPS高程测量方法的施测情况进行介绍，整个河段的测量为带状测量。有一条长约60公里的航道需要进行1：2000比例尺的水深测量。平面首级控制网为GPS-E级网，高程精度要达到Ⅳ等水准精度。河宽平均约600米，航道所在地，地势平坦，交通方便。要求点位的布设尽量靠近河边，以方便以后施工使用。下面就选取整个测量中的一部分进行介绍比较。
　　2.水准测量
　　    在航道测量中，水准测量线路一般都是沿河两岸进行附合路线的布设，只有在有桥梁和水闸的地方才过河。本项目水准观测按《水运工程测量规范》要求采用后-后-前-前的观测方式进行，闭合水准路线的长度不应大于2 0km，四等水准测量要求进行。
　　高程测量
　　  现在大多数的航道测量的首级控制网均采用GPS测量，而其中的高程控制主要采用传统的几何水准测量方法建立的水准网。GPS高程测量却常常被忽视，认为其精度不太可靠。下面我们就该航道测量项目采用GPS高程测量方法的情况进行介绍。
　　GPS外业观测，内业数据处理，都按规范要求合格后进行GPS高程拟合。采用曲面拟合的方法进行高程拟合。
　　该网中涉及水准点测量的平差基线边
　　表二

　　
　　在选择多种不同的已知点方法进行高程拟合。已知点分布不均匀的情况下进行高程拟合，经多种方案多种组合试验，很难达到四等水准的精度要求。最后采用12个大致分布均匀的已知点（点占网点数的34.2﹪）进行高程拟合时，待求点的精度可达到四等水准要求。
　　GPS高程拟合四等水准精度等级评定DVh=Dh插-Dh水≤±20（mm），k为检核点间基线长度，单位km。
　　表三

　　
　　各相邻检核点高差较差DVh可看作是符合水准路线的闭合差，按其可计算出每公里水准测量全中误差Mw，具体计算公式如下：　　　　Mw=±=9.5（mm）　　　　其中：N为高差个数；　　　　F为比较高差的检核点间距离（Km）；每公里四等水准测量全中误差Mw≤10mm。
　　五.结论
　　表四

　　
　　　　通过上表可以看出，当GPS高程测量方法在一定的条件下是可以代替水准测量方法，这样可以大大提高作业的工作效率。但是通过对水准测量和GPS高程测量方法的了解和应用可以看出，水准测量外业工作量大，工作效率远远低于GPS高程测量。但是它对起算点的要求没有GPS高程测量那么严格，除了起算点本来的测量精度的影响，起算点的个数和分布情况对水准测量的影响相对较小，需要的起算点个数也不需要GPS高程测量那么多，它的测量精度跟仪器的精度，观测者观测水平有关系，受外界条件的影响较小，稳定性也比较好。在起算点缺乏的地方，特别是地形起伏比较大的地方，首先选择水准测量。随着数字水准仪的广泛应用，水准测量的工作量也得到一定的减轻。在起算点分布均匀，起算点数量也相对比较充足的地方，可以优先考虑采用 GPS高程测量方法。
　　　　
参考文献
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