gps技术在地质测量中的应用

gps技术在地质测量中的应用

gps高程测量的必要性近年来，城市化建设破坏了许多传统的测量点，许多点受到沉降和地震活动的影响，而国家高程系统则建立在这些点上。因此，在许多地区，高程系统是不可靠或不可靠的。只有传统的垂直测量方法才能完成国家高程系统。现在，随着gps技术的发展，大地测量与gps的结合，以及新标准和规范的制定，在许多应用中，gps可以用于完成大规模的测量。利用gps测量高度可以直接或间接地节约大量的测量资金，这对本研究非常重要。1gps高程的测量精度GPS测量可以同时获得相对精度较高的三维坐标,即大地经度L、大地纬度B和大地高H.对于L、B可以采用严密的数学公式,将其转换成高斯平面坐标X、Y,而大地高这一几何量转换成具有物理量的正常高,用什么方法解算?计算后又能达到什么精度?近年来,国内外文献、生产实践及科研表明,GPS高程在条件好的地方,已能达到四等水准精度.本文中讨论了高程系统,GPS大地高差测定的精度以及大地高转换为正常高的方法,并对GPS测高的方法作了一下探讨。1.1正常高的数值和正高很难计算出正高在测量中常用的高程系统有正高系统、正常高系统和大地高系统。正高系统是以大地水准面为基准面的高程系统,地面某点的正高是该点到通过该点的铅垂线至大地水准面的距离。因为过该点水准面与大地水准面的重力位能差值不随路线而异,故正高是一种唯一确定的数值,可以用来表示地面点的高程,但是,地壳内部的重力加速度平均值是无法由实测求得的;同时又与地壳质量分布及密度密切相关,也无法将它精确计算出来。这样,正高就是不可能精确求定。严密的正高不能求出,大地水准面也就难以确定,故地面点至椭球面的高程仍然无法求得,测量成果就不能精确地归算到椭球面上。正常椭球表面与外部点的正常重力加速度可以准确计算,其数值也不随水准路线而异,是唯一确定的。正常高系统是以似大地水准面为基准面的高程系统。尽管似大地水准面并不具备水面的性质,正常高也缺乏物理意义,但是似大地水准面却极接近于大地水准面。它们之间相差甚微,在平均海水面上为零,在平原地区只有几个厘米,西藏高原最大达3.0m。所以正常高的数值与正高很接近,又能严格求得,故在实际工作中具有重要意义。大地高系统是以参考椭球面为基准面的高程系统。图1某点p的大地高是该点到通过该点的参考椭球的法线与参考椭球面的交点Q间的距离。实际上,大地水准面与椭球面一般不重合,当地面点p沿铅垂线投影到大地水准面p0时,pp0间的距离为正高H正;再将点p0沿法线投影到椭球面上得点Q0,p0,Q0间距离称作大地水准面差距N,这时地面点的大地高H可以视为:似大地水准面与椭球面也不重合,它们之间的高程差称为高程异常,用ζ表示,此时大地高为:式中,ζ可根据重力资料直接计算,也可以互相通过“天文重力水准”方法求得。2gps法的高度测量2.1gps点与重点点高程异常的融合(1)绘等值线图法:这是最早的GPS水准方法.其原理是:设在某一区域,有m个GPS点,用几何水准联测其中n个点的正常高(联测水准点的点称为已知点),根据GPS观测获得的点的大地高,求出n个已知点的高程异常。然后选定适合的比例尺,按n个已知点的平面坐标(平面坐标经GPS网平差后获得),展绘在图纸上,并标注上相应的高程异常,再用1~5cm的等高距,绘出测区的高程异常图。在图上内插出未联测几何水准的(m-n)个点(未联测几何水准的GPS点称为待定点)的高程异常,从而求出这些点的正常高。(2)从高程异常图或大地水准面差距图分别查出各点的高程异常ζ或大地水准面差距hg,然后分别可计算出正常高Hr和正高Hg。当GPS点布设成测线时,可应用以下曲线内插法,求定待求点的正常高.其原理是:根据测线上已知点平面坐标和高程异常,用数值拟合的方法,拟合出测线方向的似大地水准面曲线,再内插出待求点的高程异常,从而求出点的正常高。当GPS点布成网状,可考虑采用曲面拟台法来拟合测区范围内的似大地水准面.曲面拟合法可分为多项式曲面拟合法、多面函数拟合法。此方法一般仅适用于高程异常变化较为平缓的地区(如平原地区)。对于高程异常变化剧烈的地区(如山区),这种方法的准确度有限,因为在地区,高程异常的已知点很难表示高程异常的特征.选择合适的高程异常已知点,高程异常的已知点的高程异常值通过水准测量测定正常高、通过GPS测量测定大地高获得的.在实际工作中,一般采用在水准点上布设GPS点或对GPS点进行水准联测的方法来实现,为了获得好的拟合结果要求采用数量尽量多的已知点,应均匀分布,最好能包围整个网。若拟合区域较大,可采用分区拟合的方法,即将整个GPS网划分为若干区域,利用位于各个区域中的已知点分别拟合出该区域中的各点的高程异常值,从而确定出它们的正常高。由网中GPS与水准重合点可算各点高程异常ζ,拟合点上的高程异常,拟合点距已知点越近,影响的程度就越大,因此一般采用距离或距离平方的倒数定权。该拟合法编程简单、计算速度快、使用方便,是目前使用上采用较多的算法。2.2求出点的正常高或正高的方法GPS重力高程是用重力资料求定点的高程异常,结合GPS求出的大地高,再求出点的正常高(或正高)的一种方法。从目前我国实际情况来看,GPS重力高程的精度低于GPS水准高程。故采用重力场模型和GPS水准相结合的方法是一条有效的途径。2.3gps最大的高度角或天顶距GPS三角高程是在GPS点上加测各GPS点间的高度角(或天顶距),利用GPS求出的边长,计算GPS点间的高差,从而求出GPS点的正常高(或正高)的一种方法。3地形测绘方法GPS测高用于地形测量实例分析:图2和图3是湖南省工程勘察院所承担的,湖南省娄底市新化县地形图测绘,所布设的GPS控制网和水准路线图(注:湖南省娄底市新化县,地形属于平原重丘区)。3.1gps检测结果分析经湖南省质检站核查GPS控制网的精度完全满足平面控制精度的要求。3.2gps测量法测定高程GPS所测得的高程成果是利用高程拟合法得到的,其具体方法如下:(1)在测区内布设均匀的水准点,其中包括了一些国家控制点。(2)将这些水准点也作为GPS控制点,进行GPS测量,求得其大地高H。(3)结合水准成果资料和GPS成果资料,求出所布设的点的高程异常值。(4)将求出的点作为已知点,用高程拟合法进行计算就可求得其他各个点的高程。其中,四等水准成果是由水准仪测得的。从表2可看出,误差呈现出偶然性,最大偏差+0.0581m,最小偏差0.001m,误差的平均值仅为0.016m。由上面的成果我们可以得出结论:在平原或低丘的地区,只要点位分布均匀,密度适中,将精密水准资料与GPS测量资料相结合,能够得到高精度的高程测量结果。4地表高程测量的施工技术本文结合工程测量的特点,对GPS测高的方法进行了探讨,主要结论如下:(1)在平原或低丘地区,结合部分的水准成果,运用高程拟合法进行GPS测高可以达到四等水准的精度。(2)在山区,由于地形起伏变化较大,运用高程拟合法进行高程测量还存在一些不足之处,但是大量的资料表明只要对这些地区适当地考虑地形改正,拟合计算的结果可达到四等水准的精度。(3)运用GPS测高代替水准测量,可以大大提高成果质量,整个作业过程全由微电子技术、计算机技术控制。(4)GPS测高可以极大地降低劳动作业强度,提高作业效率。运用GPS进行高程测量,作业效率为常规测量方法的3倍以上。(5)GPS高精度高程测量同高精度的平面测量一样,是GPS测量应用的重要领域。特别是在当前高等级公路逐渐向山岭重丘区发展的形势下,往往由于这些地区地形条件的限制,实施常规的几何水准测量有困难,运用GPS测高无疑是一