专利名称：一种利用gps测量跨河水准高差的方法
技术领域：
本发明属于测绘技术领域，具体是指一种利用GPS测量跨河水准高差的方法。
背景技术：
在桥梁、大坝等工程施工过程中需要进行河流两岸水准高差的测量，传统的普通 经纬仪测量的方法耗时过长，在GPS测量技术出现后已经渐渐淘汰。由于GPS定位技术可 以精确获得大地高程，因此，国家规定在利用GPS测量跨河水准高差时，应布置专用跨河水 准测量场地分别测量大地高差和左、右两岸独立的水准高差，然后利用线性拟合的方法求 得待测的河流两岸间的水准高差。但是这样测量方法经常受到测区现场场地的限制，同时 当某一个测量数据出现误差时，由于多余观测较少，线性拟合模型稳定性不高，此时求得的 跨河水准高差误差较大。

发明内容
本发明的目的是根据现有技术的不足提供一种方便快捷，同时结果稳定可靠的利 用GPS测量跨河水准高差的方法。本发明是通过如下技术方案实现的一种利用GPS测量跨河水准高差的方法，其 步骤包括在GPS工程控制网中选定河流两岸各2个的至少2组控制网点作为跨河水准点； 测定GPS工程控制网两岸各点的GPS大地高程，得到跨河水准点间的GPS大地高差；利用水 准测量得到已知河岸各控制网点的水准高程，并假设选定的1组中2个跨河控制网点间的 水准高差为未知数，计算出另一河岸所有控制网点含有未知数的已知水准高程；根据同一 控制网点的GPS大地高程与水准高程间的关系构建曲面或平面拟合模型；用最小二乘法计 算该假定的跨河水准点水准高程及跨河水准高差。所述每组跨河水准点背向河流方向还分布有GPS工程控制网点。所述每组跨河水准点的连线垂直于河流方向。所述测定GPS工程控制网各点的GPS大地高程的方法，是利用测区最近的两个以 上GPS连续运行参考站的WGS84坐标和观测值，与GPS工程控制网的任一点联合平差，然后 固定该点进行GPS工程控制网三维平差，从而得到GPS工程控制网各点的GPS大地高程。所述测定工程控制网各点的水准高程的方法，是利用传统水准测量方法分别测定 两岸各控制网点间的水准高差或水准高程。用本发明的方法测量跨河水准高差，是充分利用GPS工程控制网的测量信息，通 过计算获得跨河水准测量高差的方法，无需专门布设跨河水准测量场地，大大减少了工作 量，提高了工作效率。同时，本发明是直接利用GPS工程控制网的测量信息，通过构建带跨 河水准高差未知数的曲(平)面拟合模型，计算得到跨河水准高差，因此，计算结果稳定、可


图1为利用本发明方法的某GPS工程控制网布置图；图2为各高程之间的关系示意图；1.某江、A.本地参考椭球面、B.WGS84椭球面、C.大地水准面、D.似大地水准面、
E.地球表面。
具体实施例方式以下结合具体实施例来进一步说明本发明如图1所示，某水利枢纽的GPS工程控制网由某江1两岸的20个点组成，控制面积 约15km2。选取XL15和XL20为跨河水准点，它们背向河流的方向还分布有网点，并且连线垂 直于河流方向。GPS工程控制网各网点的GPS大地高程，是利用周边三个最近的GPS连续运 行参考站的WGS84坐标和观测值，与GPS工程控制网的任一点联合平差，得到该点的WGS84 坐标，然后固定该点进行GPS工程控制网三维平差，从而得到20个点的GPS大地高程。再 通过水准测量分别测定两岸的20个点的水准高程。通过计算即可以得到XL15和XL20的 水准高差。如图2所示，大地高程是由地球表面E到本地参考椭球面A的距离，即h54为某地 的大地高程。似大地水准面D和大地水准面C是由地球重力场定义的高程参考面，是一个 物理意义上的等位面。我国高程系统采用水准高系统，水准高是由地球表面E至似大地水 准面D的距离，即吐为某地的水准高。而由GPS相对定位获得的三维基线向量，通过GPS网 平差，可求得以WGS84椭球面B为基准的高精度GPS大地高程，GPS大地高程是由地球表面 E至WGS84椭球面B的距离，即h84为某地的GPS大地高程。ζ 54为似大地水准面D到本地 参考椭球面A的距离。ζ 84为似大地水准面D到WGS84椭球面B的距离。H1为地球表面E 至大地水准面C的距离。N54为大地水准面C到本地参考椭球面A的距离。N84为大地水准 面C到WGS84椭球面B的距离。可见，GPS测高与常规水准测量的基准面之间存在一定关系，或者说可以通过转换 求得我们所需要的高程数据。由于常规水准测量需要用水准仪一个站一个站地传递高程， 每个测站最大距离只能是60-100m，劳动强度大，工作效率低，内业较为繁琐。而GPS测高只 需摆好接收机，开机等待即可，测站距离可以达几km，劳动强度小，工作效率高，内业较为简 单，其优越性是非常明显的，特别是在山区更为明显。GPS测量的GPS大地高程h84要转换为工程上使用的水准高H2系统。从两者的关 系可以看出，要想通过GPS大地高程Ii84来求水准高H2,需要已知高程异常ζ 84，由于高程异 常ζ 84是由地下物质及其密度分布不均勻产生的重力异常导致的，要获得高精度的ζ84是 不现实的，但可以通过测区内测量已知点的GPS大地高程h84和几何水准测量的水准高H2来 反求高程异常ζ84。当测区具有已知GPS大地高程Ii84，以及带有未知数的H2的测量控制点 时，就可以用数学模型拟合的方法确定测区似大地水准面，从而求出测区范围内各待测点 间的高程异常，进而实现GPS测量的大地高的转换为工程使用的水准高。具体计算过程如下构造高程异常差N的平面坐标(X，y)的函数，即有拟合模型N = H84-Hr将似大地水准面看成平面或曲面，将高程异常N表示成平面坐标(x，y)的函数，即有拟合模型N = f(X，y)+e式中，f(x, y)是拟合的似大地水准面的趋势面；ε为拟合误差。iii :f (χ, y) = a0+a1 (χ-χ0) +a2 (y-y0) +a3 (χ-χ0) 2+a4 (χ-χ0) (y-y0) +a5 (y-y0)2+......式
中，彻、 、 、 、 、 、……，为待拟合参数；x，y为同时具有大地高和水准高的点的坐标； χο; %为同时具有大地高程和水准高的控制点的中心坐标。假设GPS点和水准点左岸有η个重合点、右岸有m个重合点，跨河点高差未知数为 a时，左岸重合点用矩阵表示Nl = XlBl+ ε L其中，
权利要求
1.一种利用GPS测量跨河水准高差的方法，其步骤包括在GPS工程控制网中选定河 流两岸各2个的至少2组控制网点作为跨河水准点；测定GPS工程控制网两岸各点的GPS 大地高程，得到跨河水准点间的GPS大地高差；利用水准测量得到已知河岸各控制网点的 水准高程，并假设选定的1组中2个跨河控制网点间的水准高差为未知数，计算出另一河岸 所有控制网点含有未知数的已知水准高程；根据同一控制网点的GPS大地高程与水准高程 间的关系构建曲面或平面拟合模型；用最小二乘法计算该假定的跨河水准点水准高程及跨 河水准高差。
2.根据权利要求1所述的利用GPS测量跨河水准高差的方法，其特征在于所述每组 跨河水准点背向河流方向还分布有GPS工程控制网点。
3.根据权利要求2所述的利用GPS测量跨河水准高差的方法，其特征在于所述每组 跨河水准点的连线垂直于河流方向。
4.根据权利要求1所述的利用GPS测量跨河水准高差的方法，其特征在于所述测定 GPS工程控制网各点的GPS大地高程的方法，是利用测区最近的两个以上GPS连续运行参考 站的WGS84坐标和观测值，与GPS工程控制网的任一点联合平差，然后固定该点进行GPS工 程控制网三维平差，从而得到GPS工程控制网各点的GPS大地高程。
5.根据权利要求1所述的利用GPS测量跨河水准高差的方法，其特征在于所述测定 工程控制网各点的水准高程的方法，是利用传统水准测量方法分别测定两岸各控制网点间 的水准高差或水准高程。
全文摘要
一种利用GPS测量跨河水准高差的方法，其步骤包括在GPS工程控制网中选定河流两岸各2个的至少2组控制网点作为跨河水准点；测定GPS工程控制网两岸各点的GPS大地高程，得到跨河水准点间的GPS大地高差；利用水准测量得到已知河岸各控制网点的水准高程，假设选定的1组中2个跨河控制网点间的水准高差为未知数，计算出另一河岸控制网点含有未知数的已知水准高程；根据同一控制网点的GPS大地高程与水准高程间的关系构建曲面或平面拟合模型；用最小二乘法计算该假定的跨河水准点水准高程及跨河水准高差。用本发明的方法测量跨河水准高差，减少了工作量，提高了工作效率。同时，本发明计算的跨河水准高差，稳定性较好，结果可靠。
文档编号G01C5/00GK102121825SQ20101059229
公开日2011年7月13日 申请日期2010年12月17日 优先权日2010年12月17日
发明者刘祖强, 贾进科 申请人:长江岩土工程总公司(武汉), 长江水利委员会长江勘测规划设计研究院