[摘要]GPS水準(zhǔn)法由于其在測(cè)量精度上的優(yōu)勢(shì),在很多方面和領(lǐng)域都有過使用。文章就是從煤田高程控制測(cè)量的角度來探析GPS水準(zhǔn)法的使用,首先探析了GPS水準(zhǔn)法的基本原理,優(yōu)勢(shì),然后結(jié)合具體的工程實(shí)踐情況,以比較的方法展示了GPS水準(zhǔn)法在煤田高程控制測(cè)量工作中的巨大作用,并對(duì)于其水準(zhǔn)擬合方法的選擇做了詳細(xì)的解釋和說明,在此基礎(chǔ)上,探析了如何實(shí)現(xiàn)高程控制測(cè)量精度的策略,為更好的使用GPS水準(zhǔn)法打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。因此,本文對(duì)于如何開展煤田高程控制測(cè)量工作有著一定的借鑒意義。 
[關(guān)鍵詞]GPS水準(zhǔn)法 系統(tǒng) 煤田高程 控制測(cè)量 
  全球定位系統(tǒng),英文全稱為Global Positioning System,縮寫為GPS。其起初是美國(guó)第二代衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了全方位三維定位導(dǎo)航體系的建立,現(xiàn)在被很多行業(yè)和領(lǐng)域廣泛使用。其布網(wǎng)簡(jiǎn)單快捷,成本消耗經(jīng)濟(jì)節(jié)約,測(cè)量精度準(zhǔn)確高效,在平面控制測(cè)量作業(yè)中有著很廣泛的使用。對(duì)于高程控制測(cè)量方面,雖然在很多方面有著很多的嘗試和改進(jìn),但是依然存在需要完善的地方。尤其是在使用過程中,基于全球定位系統(tǒng)得到的高程往往都是相對(duì)于WGS-84 橢球系的大地高H84,也就是說顯示的只是地面店沿著法線方向到參考橢球面的距離,再加上我國(guó)都使用的是正常的高系統(tǒng),從而使得GPS在應(yīng)用過程中缺乏有效的物理意義,難以直接被使用到各項(xiàng)高程工程中去。在這樣的情況下, GPS 水準(zhǔn)法應(yīng)運(yùn)而生,可以完美的實(shí)現(xiàn)高程精度水準(zhǔn)網(wǎng)的建設(shè)工作。文章以具體的某預(yù)查區(qū)為參考背景,開展全球定位系統(tǒng)水準(zhǔn)法去開展高程測(cè)量工作。 
  1GPS水準(zhǔn)法的概況 
  1.1GPS的優(yōu)勢(shì)所在 
  GPS之所以得到很多領(lǐng)域的使用,是因?yàn)槠湓诤芏喾矫姘l(fā)揮了巨大的作用。詳細(xì)來講其具備以下幾方面的優(yōu)勢(shì):其一,覆蓋范圍全球化,在衛(wèi)星數(shù)量不斷增加,分布不斷優(yōu)化的背景下,無(wú)論在哪一點(diǎn)都可以實(shí)現(xiàn)四顆衛(wèi)星的定位,實(shí)現(xiàn)了空間和時(shí)間的突破;其二,功能多樣化,無(wú)論是什么需求的客戶,全球定位系統(tǒng)都可以依據(jù)其要求的不同反映出不同的定位信息,實(shí)現(xiàn)了功能上的多樣性;其三,精度高效化,由于GPS接收機(jī)的高性能,使得其能夠在差分矯正信息上發(fā)揮一定的積極作用;其四,定位速度化,只要有相關(guān)設(shè)備,即使連接以一秒鐘的實(shí)踐,也能夠?qū)崿F(xiàn)有效的定位;其五, 抗干擾性強(qiáng),安全性能好,在偽碼擴(kuò)頻技術(shù)背景下,衛(wèi)星的信號(hào)可以很好的實(shí)現(xiàn)接收,并且保證了安全性。 
  1.2GPS水準(zhǔn)法的基本原理 
  在高程系統(tǒng)環(huán)境下,一般都會(huì)使用兩個(gè)高值:其一,大地高;其二,正常高。其中的大地高是指WGS-84 橢球系下的GPS 高,以WGS-84 橢球體面為基準(zhǔn),由地面點(diǎn)沿通過該點(diǎn)的橢球面法線到WGS-84 橢球體面的距離。其中的正常高是以似大地水準(zhǔn)面為基準(zhǔn)的高程系統(tǒng),由地面點(diǎn)沿該點(diǎn)的鉛垂線至似大地水準(zhǔn)面的距離,這是我國(guó)高程測(cè)量環(huán)境下使用的高值。至于兩者之間的關(guān)系我們可以通過圖示1理解: 
  由上述圖示中我們可以得出以下幾方面的結(jié)論:其一,如果將大地水準(zhǔn)面到地球橢球面的距離,稱為大地水準(zhǔn)面差距,并且記為N的話,大地高與正高之間的關(guān)系可表示為:H = Hg + N;其二,如果將似大地水準(zhǔn)面和地考橢球面之間的距離,稱為高程異常,并且記為ζ的話,大地高與正常高之間的關(guān)系可表示為:H = Hγ + ζ 。由此我們?nèi)?shí)現(xiàn)大地高向正常高轉(zhuǎn)換的時(shí)候,需要將主要精力集中在求取大地高H84與正常高Hr之間的差值,我們把這個(gè)取值叫做是高程異常值 ζ,其基本轉(zhuǎn)換公式也可以這樣寫: Hr = H84 - ζ。為了計(jì)算出此區(qū)域的各點(diǎn)高程異常,可以使用水準(zhǔn)測(cè)量的方式去實(shí)現(xiàn)正常高的界定,在得出各個(gè)公共點(diǎn)的高程異常取值之后,應(yīng)該使用公共點(diǎn)的高程異常值和平面坐標(biāo)開展數(shù)值的擬合,并在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)似大地水準(zhǔn)面的界定,并結(jié)合上述公式計(jì)算出各個(gè)點(diǎn)的正常高,在此過程的操作方式就是全球定位系統(tǒng)水準(zhǔn)法的要義。 
  2工程實(shí)踐情況 
  我們以某煤田預(yù)查區(qū)域?yàn)槔,其勘探區(qū)域的東西長(zhǎng)度為8 ~ 9 km,南北寬約6 km,呈現(xiàn)出北低南高的特點(diǎn),其兩者之間高度差距為108. 2 m。為了能夠有效的實(shí)現(xiàn)煤田地質(zhì)勘查工作,在區(qū)域布設(shè)了E級(jí)GPS控制網(wǎng),總計(jì)測(cè)試點(diǎn)為50個(gè),以合理的距離分布在測(cè)試區(qū)域范圍內(nèi)部。另外,為了保證高程數(shù)據(jù)的高精度,也在區(qū)域內(nèi)設(shè)置了四等水準(zhǔn),并聯(lián)測(cè)了43個(gè)E級(jí)GPS點(diǎn),保證其都符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。同時(shí)為了有效的處理好控制點(diǎn)分布和擬合高程精度之間的關(guān)系,假定了水準(zhǔn)高程H是真,再選取3組高程控制點(diǎn),在軟件的曲面擬合效果下,實(shí)現(xiàn)兩者之間的對(duì)比。其詳細(xì)的情況可以參見下面的表1。 
  綜合上述表格信息,我們可以看到以方案3是比較精確的,高程誤差也是比較小的,相對(duì)來講是比較合理的方案。依據(jù)《地質(zhì)礦產(chǎn)勘查測(cè)量規(guī)范》,各等級(jí)水準(zhǔn)網(wǎng)最弱點(diǎn)高程中誤差,對(duì)起始點(diǎn)不大于0. 05 m。由計(jì)算的數(shù)據(jù)可以看出上述方案三是滿足這樣的基本原則的。因?yàn)閺睦碚撋蟻碇v,能夠?qū)τ诟叱叹犬a(chǎn)生影響的主要由以下幾個(gè)方面的內(nèi)容:其一,在高程控制點(diǎn)距離一定的情況下,就要合理的控制其范圍,保證其處于均勻的分布狀態(tài),方案3就是均勻分布在整個(gè)測(cè)試區(qū)域,并保證點(diǎn)位之間的距離,使得精度呈現(xiàn)出理想的狀態(tài),而方案1和2顯然在這方面難以與方案3比擬。 
  3GPS水準(zhǔn)擬合方法的選擇 
  在目前的GPS作業(yè)過程中,水準(zhǔn)法是使用比較普遍的方法。而用于高程計(jì)算的方法主要可以分為曲線擬合法、多項(xiàng)式曲面擬合法、移動(dòng)法、地形改正法等。上述幾種擬合方法各有各的優(yōu)勢(shì),在各個(gè)領(lǐng)域都有著廣泛的使用,需要我們堅(jiān)持具體問題具體分析的原則,有針對(duì)性的使用相應(yīng)的擬合方法,從而實(shí)現(xiàn)有效數(shù)據(jù)結(jié)果的獲取。一般情況下,如果GPS點(diǎn)沿道路,管線等線狀地物體分布的話,我們可以使用多項(xiàng)式曲線擬合法;如果測(cè)線比較長(zhǎng),點(diǎn)數(shù)較多,高程異常變化程度比較大的話,就可以適當(dāng)?shù)氖褂萌螛訔l曲線擬合法,其會(huì)在精度上有著很好的表現(xiàn)。從上述煤田預(yù)查區(qū)實(shí)際看,控制點(diǎn)呈片狀分布,不適宜采用曲線擬合法,而應(yīng)采用曲面擬合法。在計(jì)算中采用多項(xiàng)式曲面擬合法。曲面擬合法是利用擬合區(qū)域內(nèi)多個(gè)重合點(diǎn)( GPS /水準(zhǔn)) ,建立2 個(gè)不同基準(zhǔn)的地面曲面模型,并充分考慮模型所含的各種誤差改正,采用一個(gè)多項(xiàng)式曲面來擬合出該區(qū)域的似大地水準(zhǔn)面的方法。
    4如何提高GPS水準(zhǔn)計(jì)算的精度 
  綜合上述內(nèi)容我們看到GPS水準(zhǔn)法的主要優(yōu)勢(shì)在于其準(zhǔn)確性上,如何有效的提高其計(jì)算精度就成了比較關(guān)鍵的內(nèi)容。對(duì)此,我們可以從以下幾個(gè)方面入手:其一,在開展全球定位系統(tǒng)高程轉(zhuǎn)換的情況下,要保證已知點(diǎn)均勻的分布到整個(gè)測(cè)試區(qū)域,使得其有著比較鮮明的代表作用,此時(shí)是不管數(shù)量多少都要保證其均勻性;其二,如果測(cè)試區(qū)域的范圍比較大,就需要結(jié)合實(shí)際情況開展分區(qū)的高程轉(zhuǎn)化方式,這種方式往往難度比較大,建議不要使用,最好的是使用移動(dòng)模型的方式去實(shí)現(xiàn)一定區(qū)域已知點(diǎn)模型的建立,保證其轉(zhuǎn)換點(diǎn)在位置上的變換;其三,在選擇眾多的模型的時(shí)候,應(yīng)該堅(jiān)持首先選擇綜合性較強(qiáng)的模型,避免選擇其它類型的模型;其四,如果出現(xiàn)參與計(jì)算的數(shù)據(jù)出現(xiàn)不正確的時(shí)候,應(yīng)該注重使用抗差的方法,對(duì)于粗差數(shù)據(jù)進(jìn)行處理之后再開展顯著性檢驗(yàn),從而獲得最理想的模型狀態(tài)。 
  5結(jié)束語(yǔ) 
  結(jié)合上述實(shí)踐生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn),我們明顯的看到GPS水準(zhǔn)法能夠在煤田測(cè)量工作中發(fā)揮巨大的作用。相對(duì)于傳統(tǒng)的測(cè)量方式,其在精度上更加準(zhǔn)確,在效率上更加的理想,在綜合效益上更加的符合現(xiàn)代化發(fā)展需求。文章以具體的某預(yù)查區(qū)為參考背景,開展全球定位系統(tǒng)水準(zhǔn)法去開展高程測(cè)量工作。從這個(gè)角度來講,我們應(yīng)該積極探析如何更加高效的將GPS水準(zhǔn)法使用到煤田高程測(cè)量工作中去,從而更好的發(fā)揮其在煤田高程測(cè)量工作中的效能,為煤田事業(yè)的發(fā)展做出巨大的貢獻(xiàn)。 
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