gps高程转换工程小测区级进级控制测量试验研究

gps高程转换工程小测区级进级控制测量试验研究

随着gps设备的产业化和价值以及价值的提高，gps、rtk和cormrtk技术发展迅速，其用于定位和测量的方法成熟，其工作效率和结果表明精度不断提高，在测绘界引起了广泛的应用。而由于参考椭球面不同的缘故,在没有精化似大地水准面的地区,该技术直接用于正常高测量存在一定困难,其应用方法不太完善、结果精度随观测条件和GPS高程转换模型的不同变化较大,有待于进一步探讨和研究。本文仅介绍在没有精化似大地水准面的小测区,采用多种拟合方式对首级高程控制测量进行GPS高程转换工程试验,探讨GPS高程转换工作应遵循的原则和GPS、RTK技术应用于大比例尺地形图测绘高程测量的有效方法。1gps高距离转换工程的经验1.1道路高程控制测量点本工程为海口市近郊灵山镇6km2的1∶1000比例尺地形图测绘。建筑区面积2.5km2,其他地形区面积3.5km2、地势平坦。其主要任务之一为首级高程控制测量、图根高程控制测量和碎部高程测量。测区及周边78km2共有12个D级GPS三等水准点,其中离测区最近的有5个可用的D级GPS三等水准点,2个三等水准点,这些点均可作为测区的高程起算点。本工程高程测量投入了6台套HD-5800型双频GPSRTK接收机、2台套DSZ2型水准仪和铟瓦标尺等设备。1.2测区5个级控制点的rtk测量,获得正常高根据测区的已知点和地形条件及测图需要,测区首级控制布设成E级GPS四等水准网,待定点52个。四等水准网中有4个环、路线长30km、高程起算点2个。首先对水准网进行观测,获得首级控制点的四等水准高程,然后采用下列7种GPS高程转换方法获得另外7组正常高,把所有利用GPS、RTK技术方法获取的待定点的正常高与四等水准测量获得的正常高进行比较,从而进行深入的分析研究。方法1:由测区首级控制点组成E级GPS网,网中有5个D级GPS起算点;GPS网采用静态模式测量,获得其点位平面坐标;采用测区及周边12个D级GPS三等水准点(控制面积78km2)对测区52个首级控制点进行曲面高程拟合,获得其正常高。方法2:利用测区及周边5个D级GPS三等水准点进行RTK比测、建立平面转换模型,对测区52个首级控制点进行RTK测量,获得其点位平面坐标;采用测区及周边12个D级GPS三等水准点(控制面积78.0km2)对测区52个首级控制点进行曲面高程拟合(用自编软件),获得其正常高。方法3:利用测区及周边5个D级GPS三等水准点进行比测、建立平面转换模型,对52个首级控制点进行RTK测量,获得其点位平面坐标;采用周边5个D级GPS三等水准点和测区内4个E级GPS四等水准点(控制面积20.6km2)对测区52个首级控制点进行曲面高程拟合(用随机软件),获得其正常高。方法4:利用测区及周边2个D级GPS三等水准点进行比测,建立平面转换模型,对测区52个首级控制点进行RTK测量,获得其点位平面坐标;采用测区内7个E级GPS四等水准点(控制面积4.9km2)对测区52个首级控制点进行曲面高程拟合(用随机软件),获得其正常高。方法5:利用测区及周边2个D级GPS三等水准点进行比测、建立平面转换模型,对测区52个首级控制点进行RTK测量,获得其点位平面坐标;采用测区内4个E级GPS四等水准点(控制面积4.7km2)对测区52个首级控制点进行平面高程拟合(用随机软件),获得其正常高。方法6:利用测区及周边4个D级GPS三等水准点进行比测,建立平面转换模型,对测区52个首级控制点进行RTK测量,获得其点位平面坐标;采用周边4个D级GPS三等水准点(控制面积20.4km2)对测区52个首级控制点进行平面高程拟合(用随机软件),获得其正常高。方法7:利用测区内1个D级GPS三等水准点对测区52个首级控制点进行RTK测量,建立平面转换模型,获得其点位平面坐标;并根据单片已知点高程和平均高程异常直接进行外推(用随机软件),获得其正常高。1.3测量精度检验四等水准网测量的最弱环闭合差为±13mm(限差±64.8mm),每km高差中数全中误差为±2.4mm(限差±10mm),网平差后点位高程中误差最弱为±5mm(限差±20mm),其结果的各项精度指标均满足《城市测量规范》的要求。从表1可以看出,总体上,采用曲面高程拟合方法(方法1至方法4)的结果精度较高,均达到《城市测量规范》中四等水准测量的精度要求,其中方法1的结果精度最高,方法2至方法4的结果的误差离散度稍大且基本一致;平面高程拟合方法(方法5和方法6)的结果精度次之,均达到1∶500测图的图根高程测量精度要求,其中方法5比方法6的结果精度较高;测区单基站高程外推方法(方法7)的结果精度较差,但仍达到1∶500测图的碎部点高程测量精度要求。2试验结果分析传统高程控制测量的原则为逐级或跳级布控,但必须由高级到低级。在本次试验的方法中,起算点的高程既有单独使用三等和四等的成果,也有三四等成果混合使用的。因此,从上述试验方案及其结果的精度统计可以看出:1)方法1和方法2均符合由三等向四等及等外级别的高程传递原则。方法2的结果虽然总体上满足四等水准测量的精度要求,但仍有27%的点位高程较差≥2cm、6%的点位高程较差≥2倍中误差±3.6cm,这是由于用常规RTKGPS仪器进行高程测量具有固定误差较大(2cm)且测量误差离散度较大等固有特性的缘故,故在没有大幅降低RTKGPS仪器高程测量固定误差和没有精化似大地水准面的情况下不宜用RTK模式(方法2)进行等级高程的传递,最佳的做法是采用GPS静态测量模式(方法1)进行。方法2适用于进行≤1∶500比例尺测图的图根高程控制测量和碎部高程测量。2)方法3至方法6均符合由四等向图根及碎部高程传递原则。方法3至方法6的结果精度很接近,其精度高低的顺序依次为曲面拟合法(方法3和方法4)、平面拟合法(方法5和方法6),均满足≤1∶500比例尺测图的图根高程控制测量精度要求,均适用于进行≤1∶500比例尺测图的图根高程控制测量和碎部高程测量,不同之处是GPS高程拟合的模型差异即拟合所用的已知GPS水准点的数量不等,同时反映出所需补充首级控制点的水准联测和RTK比测工作量的差异,其大小依次为方法4、方法3、方法6和方法5,其具体方法的应用选择视已知GPS水准点的多寡及其离测区远近而定。方法6的结果精度相对弱一点,是由该方法使用了较少(4个)的、离测区较远的GPS水准点和平面高程拟合模型所致。3)方法7符合由四等向图根及碎部高程传递原则。在小测区中,在没有足够已知GPS水准点、很难或无需建立首级高程控制且确认基站点的坐标及正常高无明显位移的情况下,采用单基站进行RTK测量,并且进行正常高的外推,其结果精度主要取决于基站点至外推点的高程异常差及其方向,其次是RTK高程测量误差,其误差估算公式为:式中的△ζop、vp分别为基站点O至外推点P的高程异常差和RTK高程测量误差;假设小测区内的高程异常等值线呈线性分布(见图1),则其高程异常差存在下列关系:式中的k、dop、aop、ao分别为小测区内高程异常垂直于其等值线方向的线性变化率(m/km)、基站点至外推点的距离、基站点至外推点的方位角、过基站点的高程异常等值线的方位角;n为符号阀值,当基站点至外推点的高程异常值为递增时n=1,反之n=-1;式中的c0、c1分别为RTKGPS仪器高程测量标称精度的常数误差(m)和比例误差系数(ppm),短距离内测量可忽略其比例误差,则式(3)变为在本次试验项目中,测区的k=0.058m/km、c0=0.020m,若按方法7进行1∶500比例尺地形测绘的图根和碎部高程测量,即δhp≤0.050m、0.150m,按式(4)、(2)和(1)分别计算出最大量值的dop≈0.5km、2.2km。实际试验的结果为:在以基站为中心、半径为dop≈0.6km范围内的结果精度满足于1∶500比例尺测图的图根高程控制测量精度要求;在以基站为中心、半径为≈2.3km的范围内的结果精度满足于1∶500比例尺测图的碎部高程测量精度要求。可见分析的结果与试验的结果一致,方法7在一定测区范围内适用于进行1∶500比例尺测图的图根高程控制测量和碎部高程测量。从式(2)可以看出,若流动点位于过基站点的高程异常等值线附近,其高程异常差对GSP高程转换的精度影响很小,此时RTK测量正常高的作业距离可大幅增加。因此,采用方法7进行测量之前,首先确定GPS高程转换的精度需求,了解测区高程异常的最大线性变化率及其等值线图走向和拟使用RTKGPS仪器高程测量的标称精度,再根据精度需求和上述公式计算确定RTK测量的作业距离界线,并严格在此界线范围内进行作业。3应遵循gps高变化的原则3.1gps基准等级控制高程拟合所用的已知GPS水准点所形成的区域应尽量包围整个测区,且分布要均匀,其密度要根据测图比例尺的高程精度等级要求和高程拟合模型确定,没有足够密度的已知等级GPS水准点时要用水准测量方法联测一定数量的等级控制点;对所用的年代较久的已知GPS水准点要进行检测和筛选;曲面高程拟合至少要有6个已知GPS水准点,平面高程拟合至少要有3个已知GPS水准点,有条件进行曲面或平面高程拟合的不提倡用单基站RTK测量的方法(方法7)进行高程外推;在缺少等级控制点的小测区,可根据上述GPS高程拟合法的适用性分析做法,慎用方法7在测区内进行GPS高程外推;在满足高程拟合点数量要求的前提下,已知GPS水准点离测区越近,水准联测工作量越少越好;要尽量留有多余的已知GPS水准点用于RTK测量结果检核;当测区面积和地形起伏较大、高程控制要求较高时要考虑分区进行GPS高程拟合。3.2脚架的观察方法进行首级高程控制和图根高程控制时应在其点位上设置三脚架,精确对中和量取天线高,获取一定量的多余观测;进行碎部高程测量时应使用带有对中器的标杆并精确量取天线高,要经常对附近的首级点或已知GPS水准点进行检核。4gps高程转换测量1)大比例尺测图的GPS高程转换工作应遵循上述GPS水准点布设、使用原则及应用GPS和RTK技术进行高程测量作业原则。2)≥1∶500比例尺测图的首级高程控制应达到四等以上水准测量精度要求,应该用GPS静态测量模式进行首级高程控制测量和曲面高程拟合模型进行GPS高程转换工作。测区图根高程控制测量和碎部高程测量可以用RTK测量模式和曲面或平面高程拟合模型进行GPS高程转换工作。3)1∶1000和1∶2000比例尺测图的首级高程控制应达到五等以上水准测量精度要求,可用RTK测量模式进行首级高程控制测量、图根高程控制测量和碎部高程测量