专利名称：Gps水准高程传递方法
技术领域：
本发明涉及大地测量应用技术领域，尤其涉及一种GPS水准高程传递方法。
背景技术：
斯托克斯理论是物理大地测量的基本理论，它以大地水准面作为边界面，假设大地水准面外部没有质量，并以大地水准面上的重力测量基本微分方程为基础形成第三边值问题，用于求解扰动位和大地水准面高，从而确定地球的物理形状。斯托克斯理论下的大地水准面、正高系统等物理量具有严格的物理意义，但也存在如下基本缺点1)其正高无法精确解算；2)解算是需要知道大地水准面上的实际重力，因此需要进行重力归算，对于地壳密度和地形质量需要估算；3)以大地水准面为边界面，属于自由边界问题，不易求解。为克服上述问题，引入莫洛金斯基理论以及似大地水准面概念。莫洛金斯基边值问题以实际的地球表面为边界面，以地面重力异常为基本观测量解算边值问题，求解高程异常，从而确定似大地水准面的起伏，进而确定地球的形状。基于莫洛金斯基理论，利用正常重力的平均值代替实际重力在正高上的平均值作为“正常高”；由地面沿着正常重力线向下量取正常高所形成的曲面称为“似大地水准面”；似大地水准面到平均椭球面的距离称为 “高程异常”。工程建设和测图中需要使用的高程值是指“正常高”，即测量点(地球外部空间任一点)到大地水准面铅垂线的长度，它是描述大地水准面起伏的唯一标准，具有物理意义。传统方法是利用水准测量一站一站地传递来获得所述“正常高”，这就要求前、后测站通视，并且地形起伏不能太大，自然人和仪器都需要到达现场。在我国西部山区道路桥隧建设中必须使用“正常高”，但由于西部山区高海拔高起伏的特殊地形，传统方法实施起来存在一定的难度。因此，可以考虑利用GPS技术代替常规水准测量。然而，通过GPS技术观测所获得的“大地高”是相对于WGS-84椭球的高程值，即测量点到该椭球面的距离，具有严格的数学意义，属于纯几何意义的高程系统。必须将通过GPS技术观测的“大地高”转换为相同点的“正常高”(GPS水准高程传递)，这就要求设法求得相对于我国似大地水准面的“高程异常”，即区域似大地水准面模型。目前，求解高程异常的方法主要有重力法(或称物理大地测量法)和几何拟合法等。重力法需要具有一定精度和分布的重力数据和地形数据；几何拟合法只需知道测区少数点的高程异常就能通过某种函数模型拟合出待定点的高程异常。国内相关领域采用的基于几何拟合法的高程异常求解方法包括简单的GPS高程拟合，例如，线性内插法、平面拟合法、二次曲面拟合、多面函数法及神经网络法等；以及，顾及重力似大地水准面模型的强制拟合。上述方法运用于山区道路建设、大比例尺测图、跨海高程传递等可以达到四等水准高程传递精度，部分区域可达到三等水准高程传递精度，但仍然无法达到能够代替常规水准测量的二等水准传递精度。
发明内容
(一)要解决的技术问题本发明要解决的技术问题是如何实现GPS水准代替三角高程测量或者常规水准达到二等水准高差的传递精度。( 二 )技术方案为解决上述技术问题，本发明的技术方案提供了一种GPS水准高程传递方法，包括Sl 根据待测区域的地面重力观测数据，结合区域数字地面模型DTM和全球重力场模型EGM，基于莫洛金斯基理论构建区域重力似大地水准面模型；S2 利用GPS水准超定边值方法获得GPS大地高与水准高程的参考系统差异及其影响的高程异常改正数，并根据所述重力似大地水准面模型、所述高程异常改正数以及预置的GPS水准高程异常系统偏差构建实用似大地水准面模型；S3:根据所述重力观测数据和所述实用似大地水准面模型获得待测区域待定点的
正常高。优选地，步骤Sl进一步包括SlOl 通过地面重力观测数据获得待测区域离散点的扰动重力；S102 通过顾及地形影响的移去-恢复方法获得所述离散点的平均扰动重力；S103:根据所述平均扰动重力和所述全球重力场模型EGM获得零阶剩余高程异常；S104:根据所述零阶剩余高程异常和所述全球重力场模型获得莫洛金斯基零阶高程异常；S105 对线性莫洛金斯基I/II项进行系统分解，并结合区域地形进行量化分析， 获得高程异常地形改正；S106:根据所述莫洛金斯基零阶高程异常和所述地面高程异常地形改正获得重力地面高程异常。优选地，所述重力似大地水准面模型为重力地面高程异常=莫洛金斯基零阶高程异常+高程异常地形改正。优选地，步骤S2中，所述GPS水准超定边值方法进一步包括S201 通过移去一恢复法，将“移去”并格网化的重力场元作为统计观测量，以 Mokes公式或Hotine公式作为约束条件，建立GPS水准高程异常与格网化后的重力场元之间的条件方程；S202:基于所述条件方程，通过条件平差法获得所述格网化的重力场元观测量的改正数的估值，并进一步获得格网重力场元平差值；S203 根据重力场积分公式，由所述格网重力场元平差值计算获得地面高程异常改正数。优选地，所述实用似大地水准面模型为实用似大地水准面高=重力地面高程异常+GPS水准高程异常系统偏差+地面高程异常改正数。优选地，所述待定点的正常高=大地高-实用似大地水准面高；其中，所述大地高通过所述重力观测数据获得。
(三)有益效果与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下优势1)适用范围更广，特别是在我国西部高海拔、高起伏的山区；2)实现精度更高，传统的方法尽可达到三、四等水准高差精度，本方法可达到二等水准高差传递精度。
图1是本发明的GPS水准高程传递方法的流程图；图2是本发明的GPS水准高程传递方法中使用的GPS水准超定边值方法的流程图；图3是本发明的GPS水准高程传递方法的一个实施例中待测区域的GPS水准和重力点分布示意图。
具体实施例方式本发明提出的GPS水准高程传递方法，结合附图和实施例说明如下。如图1所示，本发明的GPS水准高程传递方法包括以下步骤S1-3 Sl 根据待测区域的地面重力观测数据，结合区域数字地面模型DTM和全球重力场模型EGM，基于莫洛金斯基理论构建区域重力似大地水准面模型；本步骤的目的是实现基于莫洛金斯基Molodensky理论的重力似大地水准面模型解算。模型解算的数据源包括待测区域离散点的重力观测数据(精度优于60毫伽)、全球重力场模型(EGM)、区域数字地面模型(DTM)。具体地，如图2所示，本步骤的重力似大地水准面模型解算进一步包括SlOl 通过地面重力观测数据获得所述离散点的分别的扰动重力；对于每一离散点，利用地面重力观测数据中的大地坐标和正常重力公式求得该点的正常重力值；则地面重力观测数据中的实际重力值和计算获得的正常重力值之差即为该点的扰动重力。S102 通过顾及地形影响的移去-恢复方法获得所述离散点的平均扰动重力；通过移去-恢复方法对步骤SlOl计算得到的扰动重力进行顾及地形影响的处理 先移去地形影响，后格网化处理，最后再恢复地形影响，从而得到格网化的平均扰动重力。 顾及地形的移去-恢复的目的是降低离散点扰动重力格网化误差。移去-恢复方法属于现有技术，在此不做赘述。S103 根据所述平均扰动重力和所述全球重力场模型EGM获得零阶剩余高程异常；将步骤S102计算获得的平均扰动重力减去全球重力场模型EGM可得到剩余扰动重力；利用Hotine公式对该剩余扰动重力直接积分即可获得零阶剩余高程异常。S104:根据所述零阶剩余高程异常和所述全球重力场模型获得莫洛金斯基零阶高程异常；将全球重力场模型直接解算得到的模型高程异常加上通过步骤S103获得的零阶剩余高程异常即可得到莫洛金斯基零阶高程异常。即莫洛金斯基零阶高程异常=零阶剩余高程异常+模型高程异常。其算法包括数值积分、平面二维FFT算法、球面二维FFT算法以及球面一维FFT算法等。S105 对线性Molodensky I/II项进行系统分解，并结合区域地形进行量化分析， 获得莫洛金斯基零阶高程异常的地形改正；地形影响及其改正算法的优劣是区域高精度似大地水准面模型精化的瓶颈。本发明的技术方案基于莫洛金斯基Molodenksy理论，对线性Molodensky I/II项进行了系统分解，并结合区域地形进行量化分析，引入地面起伏情况，对其一阶项的三个分项和其二阶项的四个分项做分别解算，获得莫洛金斯基零阶高程异常的地形改正。具体地，似大地水准面高程异常的Molodensky级数解顾及二阶项可表示为
权利要求
1.一种GPS水准高程传递方法，其特征在于，所述方法包括51根据待测区域的地面重力观测数据，结合区域数字地面模型DTM和全球重力场模型EGM，基于莫洛金斯基理论构建区域重力似大地水准面模型；52利用GPS水准超定边值方法获得GPS大地高与水准高程的参考系统差异及其影响的高程异常改正数，并根据所述重力似大地水准面模型、所述高程异常改正数以及预置的 GPS水准高程异常系统偏差构建实用似大地水准面模型；53根据所述重力观测数据和所述实用似大地水准面模型获得待测区域待定点的正常尚ο
2.如权利要求1所述的GPS水准高程传递方法，其特征在于，步骤Sl进一步包括5101通过地面重力观测数据获得待测区域离散点的扰动重力；5102通过顾及地形影响的移去-恢复方法获得所述离散点的平均扰动重力；5103根据所述平均扰动重力和所述全球重力场模型EGM获得零阶剩余高程异常； S104:根据所述零阶剩余高程异常和所述全球重力场模型获得莫洛金斯基零阶高程异常；S105 对线性莫洛金斯基I/II项进行系统分解，并结合区域地形进行量化分析，获得高程异常地形改正；S106:根据所述莫洛金斯基零阶高程异常和所述地面高程异常地形改正获得重力地面高程异常。
3.如权利要求2所述的GPS水准高程传递方法，其特征在于，所述重力似大地水准面模型为重力地面高程异常=莫洛金斯基零阶高程异常+高程异常地形改正。
4.如权利要求1所述的GPS水准高程传递方法，其特征在于，步骤S2中，所述GPS水准超定边值方法进一步包括5201通过移去一恢复法，将“移去”并格网化的重力场元作为统计观测量，以Mokes 公式或Hotine公式作为约束条件，建立GPS水准高程异常与格网化后的重力场元之间的条件方程；5202基于所述条件方程，通过条件平差法获得所述格网化的重力场元观测量的改正数的估值，并进一步获得格网重力场元平差值；5203根据重力场积分公式，由所述格网重力场元平差值计算获得地面高程异常改正数。
5.如权利要求3或4所述的GPS水准高程传递方法，其特征在于，所述实用似大地水准面模型为实用似大地水准面高=重力地面高程异常+GPS水准高程异常系统偏差+地面高程异常改正数。
6.如权利要求5所述的GPS水准高程传递方法，其特征在于，所述待定点的正常高=大地高-实用似大地水准面高；其中，所述大地高通过所述重力观测数据获得。
全文摘要
本发明提供了一种GPS水准高程传递方法，该方法包括S1由待测区域的地面重力观测数据，结合区域数字地面模型和全球重力场模型，基于莫洛金斯基理论构建区域重力似大地水准面模型；S2利用GPS水准超定边值方法获得GPS大地高与水准高程的参考系统差异及其影响的高程异常改正数，并根据所述重力似大地水准面模型、所述高程异常改正数以及预置的GPS水准高程异常系统偏差构建实用似大地水准面模型；S3根据所述重力观测数据和所述实用似大地水准面模型获得待测区域待定点的正常高。该方法可以实现GPS水准代替三角高程测量或者常规水准达到二等水准高差的传递精度。
文档编号G01C9/00GK102175213SQ20111003330
公开日2011年9月7日 申请日期2011年1月30日 优先权日2011年1月30日
发明者丁剑, 张利明, 柯宝贵, 章传银 申请人:中国测绘科学研究院