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[摘要]GPS高程测量技术是利用全球定位系统（GPS）直接测定地面点大地高、间接确定地面点正常高。使用GPS测量技术间接确定地面点正常高的过程中，当直接测得测量区域内所有GPS点大地高后，然后在测量区域内选择数量、位置都能满足高程拟合需要GPS点，使用水准测量法取其正常高，并计算GPS点大地高与正常高之差（高程异常），以此为基础利用平面、曲面拟合法进行高程拟合，即可获得测量区域内其余GPS点正常高。三峡水利枢纽、小浪底水利枢纽、万家寨水利枢纽等在不同程度上都是利用GPS高程测量。
[关键词]GPS 高程测量技术 水利工程测量
[中图分类号] P624 [文献码] B [文章编号] 1000-405X（2015）-8-201-2
21世纪科学技术的迅猛发展给国内设计技术各方面带来了冲击。在高程测量技术方面，GPS高程测量已经渐渐地取代了传统的控制测量方法。本文将介绍GPS高程测量的应用以及测量方法，简要说明GPS高程测量在水利测绘工程中的应用现状以及实际操作中的制约因素，并提出措施建议。针对GPS测量的误差，对提高其精度测量方面提出几点建议，并普及GPS相关的理论基础知识。
1 GPS高程测量技术
（1）高程系统：①大地高（Hg）②正常高/正高（Hr/hg）。
（2）大地高系统：大地高系统以参考椭球面为基准面的高程系统。某点大地高是该点到通过该点的参考椭球法线与参考椭球面交点间的距离。大地高也称为椭球高，大地高用符号H进行表示。大地高是纯几何量不具有物理意义，同一个点在不同基准下具有不同大地高。
（3）正高系统：正高系统以大地水准面为基准面的高程系统。某点的正高是该点到通过该点的铅垂线与大地水准面的交点之间的距离，正高用符号hg表示。
（4）正常高系统是以似大地水准面为基准的高程系统。某点的正常高是该点到通过该点的铅垂线与似大地水准面的交点之间的距离，正常高用Hr表示。
（5）高程系统之间的转换关系：Hr=H-r、Hg=H-hg。
2 GPS测高方法
2.1等值线图法
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或大地水准面差距，然后分别采用上面两式可计算出正常高和正高。在采用等值线图法确定点的正常高和正高时要注意以下几个问题：（1）注意等值线图所适用的坐标系统，在求解正常高或正高时，要采用相应坐标系统的大地高数据。（2）采用等值线图法确定正常高或正高，其结果的精度在很大程度上取决于等值线图的精度。
2.2大地水准面模型法
地球模型法本质上是一种数字化的等值线图，目前国际上较常采用的地球模型有OSU91A等。不过我国范围内不适合该模型。
2.3拟合法
（1）基本原理：所谓高程拟合法就是利用在范围不大的区域中，高程异常具有一定的几何相关性这一原理，采用数学方法，求解正高、正常高或高程异常。（2）注意事项：适用范围上面介绍的高程拟合的方法，是一种纯几何的方法，因此，一般仅适用于高程异常变化较为平缓的地区（如平原地区），其拟合的准确度可达到一个分米以内。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，这主要是因为在这些地区，高程异常的已知点很难将高程异常的特征表示出来。选择合适的高程异常已知点：所谓高程异常的已知点，它的高程异常值一般是通过水准测量测定正常高、通过GPS测量测定大地高后获得的。在实际工作中，一般采用在水准点上布设GPS点或对GPS點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，它们应均匀分布，并且最好能够将整个GPS网包围起来。高程异常已知点的数量若要用零次多项式进行高程拟合时，要确定1个参数，因此，需要1个以上的已知点；若要采用一次多项式进行高程拟合，要确定3个参数，需要3个以上的已知点；若要采用二次多项式进行高程拟合，要确定6个参数，则需要6个以上的已知点。分区拟合法若拟合区域较大，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。图1是一个分区拟合的示意图，拟合分两个区域进行，以虚线为界，位于虚线上的已知点两个区域都采用。
3高程测量原理
（1）高程测量是利用GPS技术，测量目标区域内所有GPS大地高度。为满足高程拟合要求，使用水准测量方法测量目标区域GPS正常点。得出GPS点大地高和正常高后，即可计算出GPS高程差异。
（2）GPS测量方法最主要的是单点定位，此测量方法相对于其他操作方法而言较为简单，此方法工作原理是利用卫星发出电波计算某点三维坐标数据。通常情况下，单点定位测量方法能够接受四个以内的卫星信号做出分析。此种测量方法缺陷是利用接受线、天线确定三维坐标数据，该种测量在精度方面不够完善，测量定位时最好避免使用定点单位。相对定位包含：动态测量、快速静态测量、静态测量。
（3）测量误差分析，测量误差主要从信号传播相关误差、卫星相关误差、接受线相关误差等。地面40千米以上区域属于大气对流层，GPS信号在通过对流层发生传播路径弯曲，致使其测量数据发生偏差造成误差。多路径误差是严重影响GPS测量精度重要因素之一，在测量过程中，目标测量对象内的其他区域会反射卫星信号，使其测量值偏差。
4水利工程中 GPS 高程测量的应用
水利工程测量中的高程测量一直采用传统的高程施测手段——几何水准测量方法。此方法虽然精度较高，但实施起来费时费力，作业效率低。GPS 测量具有全天候、经济、快速等诸多优点。近年来，国内外有些测绘科研生产部门，在 GPS 水准的布测和拟合方面，做了大量的研究工作，其主要目的就是精化大地水准面，提高 GPS 高程测量精度，这些科研成果已广泛应用于生产实际中。（1）控制点加密的测量。在首级控制网的基础上，为满足地形图及断面等测量的需要， 必须进行加密控制点的测量。而水利水电工程多位于偏远地区，已知高等级控制点较少，常规的控制测量方法是测距仪导线，测量精度受到很多条件限制，且工作量大。而用GPS RTK 加密测量控制点则很简单，只需在测区10km 范围内有 3 个以上且包含测区的高等级测量控制点即可，操作简单方便，平均每天可测量 30～40 个加密控制点，效率较高。（2）施工放样测量。利用 RTK 随机软件中放样的功能进行点、直线、曲线放样功能，进行施工放样测量。输入设计好的已知坐标作为参考点和目标点，流动站实地所在位置的坐标作为修正点，电子手簿屏幕上的图形显示出实地待定点相对于目标点所偏移的距离，按照指示移动流动站，直到满足所要求的精度。同样方法可以用来复样及检查验收。（3）数字化地形图测量。利用 RTK 快速定位和实时得到坐标结果的特点，在一定的测量环境中可以进行地形测量。地形点的测量可以在数据采集的功能下进行，也可以根据现场地形的实际情况进行测量设定，采集完的地形点经过成图处理，生成数字化管道地形图。地形点的采集可以单人作业，极大地节约了人力和时间。
5结语
GPS系统的建立在测量领域得到了飞跃，与传统的手工测量方法相比，GPS技术有巨大优势，利用载波相位差分技术（RTK），在实时处理两个观测站的载波相位的基础上，可以达到厘米级的精度，并同时具有操作简便、仪器体积小便于携带、全天候操作、观测点之间无须通视、测量结果统一在WGS84坐标下及信息自动接收、存储、减少繁琐的中间处理环节等特点.当前，GPS技术已广泛应用于大地测量、资源勘查、地壳运动、地籍测量等领域。由于对水利工程的要求极高，所以GPS高程测量为其解决了重大难题。
参考文献
[1]贾自甜，何浩.GPS高程异常拟合方法研究[J].山西建筑，2011（28）.
[2]束蝉方，李斐，郝卫峰.EGM2008模型在中国某地区的检核及适用性分析[J].武汉大学学报（信息科学版），2011（08）.
[3]郭秦.GPS高程转换拟合方法及其辅助程序设计[D].成都理工大学，2012.
[4]胡利文.GPS在宜兴油车水库工程控制测量中的应用[J].技术与市场，2011（09）.
[5]魏茂盛.移动GIS在全国第一次水利普查中的应用[J].水利信息化，2011（04）.
[关键词]GPS 高程测量技术 水利工程测量
[中图分类号] P624 [文献码] B [文章编号] 1000-405X（2015）-8-201-2
21世纪科学技术的迅猛发展给国内设计技术各方面带来了冲击。在高程测量技术方面，GPS高程测量已经渐渐地取代了传统的控制测量方法。本文将介绍GPS高程测量的应用以及测量方法，简要说明GPS高程测量在水利测绘工程中的应用现状以及实际操作中的制约因素，并提出措施建议。针对GPS测量的误差，对提高其精度测量方面提出几点建议，并普及GPS相关的理论基础知识。
1 GPS高程测量技术
（1）高程系统：①大地高（Hg）②正常高/正高（Hr/hg）。
（2）大地高系统：大地高系统以参考椭球面为基准面的高程系统。某点大地高是该点到通过该点的参考椭球法线与参考椭球面交点间的距离。大地高也称为椭球高，大地高用符号H进行表示。大地高是纯几何量不具有物理意义，同一个点在不同基准下具有不同大地高。
（3）正高系统：正高系统以大地水准面为基准面的高程系统。某点的正高是该点到通过该点的铅垂线与大地水准面的交点之间的距离，正高用符号hg表示。
（4）正常高系统是以似大地水准面为基准的高程系统。某点的正常高是该点到通过该点的铅垂线与似大地水准面的交点之间的距离，正常高用Hr表示。
（5）高程系统之间的转换关系：Hr=H-r、Hg=H-hg。
2 GPS测高方法
2.1等值线图法
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或大地水准面差距，然后分别采用上面两式可计算出正常高和正高。在采用等值线图法确定点的正常高和正高时要注意以下几个问题：（1）注意等值线图所适用的坐标系统，在求解正常高或正高时，要采用相应坐标系统的大地高数据。（2）采用等值线图法确定正常高或正高，其结果的精度在很大程度上取决于等值线图的精度。
2.2大地水准面模型法
地球模型法本质上是一种数字化的等值线图，目前国际上较常采用的地球模型有OSU91A等。不过我国范围内不适合该模型。
2.3拟合法
（1）基本原理：所谓高程拟合法就是利用在范围不大的区域中，高程异常具有一定的几何相关性这一原理，采用数学方法，求解正高、正常高或高程异常。（2）注意事项：适用范围上面介绍的高程拟合的方法，是一种纯几何的方法，因此，一般仅适用于高程异常变化较为平缓的地区（如平原地区），其拟合的准确度可达到一个分米以内。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，这主要是因为在这些地区，高程异常的已知点很难将高程异常的特征表示出来。选择合适的高程异常已知点：所谓高程异常的已知点，它的高程异常值一般是通过水准测量测定正常高、通过GPS测量测定大地高后获得的。在实际工作中，一般采用在水准点上布设GPS点或对GPS點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，它们应均匀分布，并且最好能够将整个GPS网包围起来。高程异常已知点的数量若要用零次多项式进行高程拟合时，要确定1个参数，因此，需要1个以上的已知点；若要采用一次多项式进行高程拟合，要确定3个参数，需要3个以上的已知点；若要采用二次多项式进行高程拟合，要确定6个参数，则需要6个以上的已知点。分区拟合法若拟合区域较大，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。图1是一个分区拟合的示意图，拟合分两个区域进行，以虚线为界，位于虚线上的已知点两个区域都采用。
3高程测量原理
（1）高程测量是利用GPS技术，测量目标区域内所有GPS大地高度。为满足高程拟合要求，使用水准测量方法测量目标区域GPS正常点。得出GPS点大地高和正常高后，即可计算出GPS高程差异。
（2）GPS测量方法最主要的是单点定位，此测量方法相对于其他操作方法而言较为简单，此方法工作原理是利用卫星发出电波计算某点三维坐标数据。通常情况下，单点定位测量方法能够接受四个以内的卫星信号做出分析。此种测量方法缺陷是利用接受线、天线确定三维坐标数据，该种测量在精度方面不够完善，测量定位时最好避免使用定点单位。相对定位包含：动态测量、快速静态测量、静态测量。
（3）测量误差分析，测量误差主要从信号传播相关误差、卫星相关误差、接受线相关误差等。地面40千米以上区域属于大气对流层，GPS信号在通过对流层发生传播路径弯曲，致使其测量数据发生偏差造成误差。多路径误差是严重影响GPS测量精度重要因素之一，在测量过程中，目标测量对象内的其他区域会反射卫星信号，使其测量值偏差。
4水利工程中 GPS 高程测量的应用
水利工程测量中的高程测量一直采用传统的高程施测手段——几何水准测量方法。此方法虽然精度较高，但实施起来费时费力，作业效率低。GPS 测量具有全天候、经济、快速等诸多优点。近年来，国内外有些测绘科研生产部门，在 GPS 水准的布测和拟合方面，做了大量的研究工作，其主要目的就是精化大地水准面，提高 GPS 高程测量精度，这些科研成果已广泛应用于生产实际中。（1）控制点加密的测量。在首级控制网的基础上，为满足地形图及断面等测量的需要， 必须进行加密控制点的测量。而水利水电工程多位于偏远地区，已知高等级控制点较少，常规的控制测量方法是测距仪导线，测量精度受到很多条件限制，且工作量大。而用GPS RTK 加密测量控制点则很简单，只需在测区10km 范围内有 3 个以上且包含测区的高等级测量控制点即可，操作简单方便，平均每天可测量 30～40 个加密控制点，效率较高。（2）施工放样测量。利用 RTK 随机软件中放样的功能进行点、直线、曲线放样功能，进行施工放样测量。输入设计好的已知坐标作为参考点和目标点，流动站实地所在位置的坐标作为修正点，电子手簿屏幕上的图形显示出实地待定点相对于目标点所偏移的距离，按照指示移动流动站，直到满足所要求的精度。同样方法可以用来复样及检查验收。（3）数字化地形图测量。利用 RTK 快速定位和实时得到坐标结果的特点，在一定的测量环境中可以进行地形测量。地形点的测量可以在数据采集的功能下进行，也可以根据现场地形的实际情况进行测量设定，采集完的地形点经过成图处理，生成数字化管道地形图。地形点的采集可以单人作业，极大地节约了人力和时间。
5结语
GPS系统的建立在测量领域得到了飞跃，与传统的手工测量方法相比，GPS技术有巨大优势，利用载波相位差分技术（RTK），在实时处理两个观测站的载波相位的基础上，可以达到厘米级的精度，并同时具有操作简便、仪器体积小便于携带、全天候操作、观测点之间无须通视、测量结果统一在WGS84坐标下及信息自动接收、存储、减少繁琐的中间处理环节等特点.当前，GPS技术已广泛应用于大地测量、资源勘查、地壳运动、地籍测量等领域。由于对水利工程的要求极高，所以GPS高程测量为其解决了重大难题。
参考文献
[1]贾自甜，何浩.GPS高程异常拟合方法研究[J].山西建筑，2011（28）.
[2]束蝉方，李斐，郝卫峰.EGM2008模型在中国某地区的检核及适用性分析[J].武汉大学学报（信息科学版），2011（08）.
[3]郭秦.GPS高程转换拟合方法及其辅助程序设计[D].成都理工大学，2012.
[4]胡利文.GPS在宜兴油车水库工程控制测量中的应用[J].技术与市场，2011（09）.
[5]魏茂盛.移动GIS在全国第一次水利普查中的应用[J].水利信息化，2011（04）.