彭科翔
宿州市测绘设计研究院 安徽省宿州市 234000
摘要：随着科学技术的发展，我国的GPS技术有了很大进展，但目前国内外应用GPS定位技术时，仅解决了平面坐标，高程仍多沿用常规的几何水准测量方法来测定。因此如何有效利用GPS测量的高程信息探测水准线路粗差，直接为测绘生产服务，是一个非常实际而又有意义的研究方向。对控制点之间大地高高差以及正常高高差关系进行了介绍，并结合生产实践，提出了检验水准线路中可疑测段的新方法。
关键词：水准测量；大地高高差；正常高高差
引言
在传统的高程测量里，主要的作业方法是水准测量和三角高程测量。水准测量难免遇到作业效率低、生产周期长，不能全天候作业等问题。三角高程测量受到距离和高差的影响较大。同时，传统的水准测量，需要大量的水准标石来维持其基准的稳定性，当水准标石遭到破坏，没有了水准起算点或者起算点离测区很远，传统的水准测量就难以为继。随着测绘技术的发展，通过GPS测量技术与似大地水准面技术，将会解决上述提到的问题。利用GPS方法获取的高程为大地高，其基准面是参考椭球面，利用水准测量方法获得的高程为正常高，其基准面为似大地水准面（即假想延伸到陆地上的海平面）。大地高与正常高之间有一种几何关系，两者之间有一个差距，这个差距称为高程异常，每一点的高程异常组成了似大地水准面。通过GPS技术测定某一点的经纬度和大地高，由该区域的似大地水准面模型求解该点的高程异常，即可求得该点的正常高。
1基本原理
1.1水准测量原理和方法
水准测量原理是根据水准仪提供的水准视线，在前后视水准尺上读数，从而测量两点之间的高差为再计算点的高程。当无法直接从已知点一次架仪器测量到待定高程点时，需要在两点之间选择一条合适的测量线路，中间确定一些转点，再利用测量高差取和，从而确定待定点高程。
1.2GPS高程测量原理
GPS数据静态后处理采用TrimbleBusinessCen-ter(TBC)软件。在计算前首先对GPS原始观测数据进行检核，在原始数据观测时间及配置满足规范要求的情况下，对其进行基线解算和同步环计算，达到规范要求后，再进行WGS84坐标系自由网平差计算，在该计算步骤中检查了坐标改正数以及基线精度等，所有检查满足要求后进行2000国家大地坐标系的网平差计算。网平差计算输出了平差迭代数、卡方检验(95%)、精度置信、坐标误差椭圆分量、坐标变换参数、协方差等。平差精度经过计算能够满足现行规范的精度要求。
2水准测量误差产生原因
①仪器误差。由i角产生的读数误差和仪器到标尺之间的距离为正比关系，在观测过程中，应注意确保视距必须相等，这样可以消除或者是减小这一误差。②观测误差。对于观测误差，它主要包括精平误差、估读误差与水准尺倾斜误差，其中，精平误差是指如果视线长度达到100m，且气泡居中误差等于0.15格，则会产生1.5mm左右的读数误差，而如果误差等于0.5格左右，则会产生5mm以上的读数误差。因此，在水准测量过程中，必须做到尽可能的精平，同时要果断且快速的读取数值。估读误差是指读数误差和望远镜设置的视距长度及放大倍率存在直接关系，随着视距的延长，误差有所增加。相关技术规范针对各等级条件下的水准测量给出了具体的视距长度规定，在实际的作业过程中必须严格执行。③外界因素影响。首先，是指由于仪器或尺垫下沉产生的误差，按照后、前、前、后的顺序进行观测能减少由于仪器下沉造成的影响。此外，仪器所在地面必须坚实，不能发生下沉。将仪器搬至其它站时，尺垫有可能发生下沉，导致此站的后视读数出现偏大，产生高差误差。对此，应在往返观测的基础上取平均值，以此来消除这种误差。尽可能在坚硬地面布置转点，并将尺垫完全踩实。其次，随视线和地面之间距离的拉近，光线折射变大。在观测过程中需要确保视线处在一定高度下，以此减少折光造成的影响。日照和风会对轴线之间所处关系造成影响，导致观测结果产生一定误差。
2观测
①仪器使用前必须仔细检校。②仪器的安装必须平稳。③ 前、后视线的长度必须相等，以此避免 i 角产生的误差，并避免受到地球曲率等因素的影响，在平坦地区，还能避免受到折光因素的影响。对于视线长度，应控制在150m以内，而且视线不能与地面相距太近，和地面之间应有至少0.3m 的距离。④视线必须达到严格意义上的水平。在读数之前，气泡应符合，完成读数以后，对气泡进行查看，确认其是否符合。⑤仔细对光，避免产生视差，在读数的过程中不能把视距丝作为中横丝。明确标尺刻画的特征，尤其是要确定分米所在具体位置。⑥末读前视读数时，切勿匆忙改动仪器的位置，防止水准路线的中间产生脱节。若需要中途停测，则应做好相应的标记，明确位置特征，为下一次测量提供便利。在迁站的过程中，应先对仪器螺旋进行检查，再把脚螺旋调整到中间，将脚架收起，一只手托住架头和基座，另一只手抱住架腿，斜放在胸前迁站。不得直接将仪器整体扛在肩膀上，否则将产生仪器事故。如果道路的路况较差，则应进行装箱迁站。此外，当日照较强时，应打好遮阳伞，尽可能在早晚进行观测，夏季的中午不得观测。
3基准面及常用的高程系统
3.1基准面
基准面关系见图1。图中，AC距离为A点的正常高，AD距离为A点的大地高，BE距离为B点的正常高，BF距离为B点的大地高，CD、EF分别代表A、B点的高程异常。①似大地水准面。地面任一点P的正常高计算公式为
.png)
式中，rm为大地面沿垂线至大地水准面之间的平均重力值。沿地面各点的正常重力线，按其正常高向下截取一系列点，将其联接形成一个连续、闭合的曲面，即为大地水准面。似大地水准面是正常高系统的高程基准面。地面点的正常高是地面点沿正常重力线到似大地水准面的距离，正常高可以精确求得。我国规定国家水准网的计算采用正常高系统，似大地水准面就是水准网计算的基准面。似大地水准面只是辅助的数学曲面，不是水准面，但接近于水准面，与大地水准面的差距不大，在山区不过2~3m，在平原只有几厘米，而在平均海水面上与大地水准面重合。由此可见，大地水准面和似大地水准面都通过水准零点。国家高程基准（1956年黄海高程系或1985年国家高程基准）对正高系统或正常高系统都是适用的。我国现行的大地测量法规定，高程采用正常高系统。②参考椭球面。在测量中，用来代表地球的椭球叫地球椭球，它是地球的数学代表。具有一定几何参数、定位及定向的用以代表某一地区大地水准面的地球椭球称为参考椭球。地面上一切观测元素都归算到参考椭球面上，并在这个面上进行计算，参考椭球面是大地测量计算的基准面。
3.2高程系统
①大地高系统。大地高系统是以地球椭球面为基准面的高程系统，是地面点沿通过该点的椭球面法线到椭球面的距离，大地高也称为椭球高，大地高系统的基准面是地球参考椭球面。②正常高系统。正常高系统是以似大地水准面为基准的高程系统。正常高是由地面点沿通过该点的铅垂线至似大地水准面的距离。正常高系统的基准面是似大地水准面。③大地高与正常高之间的关系。似大地水准面和参考椭球面之间的距离，称为高程异常，记为ζ；大地高用H表示，正常高用h表示，大地高与正常高之间的关系为：
.png)
由式（5）~（7）可知，两点之间大地高差与水准高差之差等于高程异常之差。事实上，中国GPS高程异常从云南中东部、四川中部、陕西中部、内蒙中西部向东呈现一种较均匀的梯次变化。
结语
综上所述，常规高程测量方法广泛应用于高程控制测量、施工放样、沉降观测中，因此，研究提高高程测量的成果质量和工作效率十分必要。针对河道勘测的高程控制测量，由于江河的阻隔，首级高程控制布设成结点网的难度较大，仅按照测量规范的操作规程和限差要求，难以最大限度地避免粗差的引入，可靠性无法保证。因此，对于单一高程控制路线而言，在各项精度指标满足规范要求的前提下，对所有测段逐一进行粗差探测极其重要。采用大地高高差法探测水准线路粗差可以改善长距离以及困难地区需要花费大量的人力、外业进展缓慢且易产生人为误差的状况，操作简单且精度高。当水准线路不闭合时，可以快速探测出水准测量中可疑的测段，迅速补测，节约人力物力，提高探测的准确性和可靠性，大幅度提高生产效率。
参考文献
［1］徐绍铨，张华海，杨志强，等.GPS测量原理及应用［M］.武汉：武汉测绘科技大学出版社，2000.
［2］夏鹏，罗新宇，吴和元.GPS测量代替精密水准测量的可行性探讨［J］.甘肃科技，2016，3（26）：46.
［3］向克敏.采用GPS大地高差代替跨河水准高差的探讨［J］.桥梁建设，2003（3）：82-83.