gps大地高程、全站儀三角高程與水準(zhǔn)高程的探討畢業(yè)論文

1、<p><b>　　畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書</b></p><p>　　題 目：GPS大地高程、全站儀三角高程與水準(zhǔn)高程的探討 　 </p><p>　　專 業(yè)： 工程管理信息技術(shù) 　</p><p>　　班 級(jí)：　　　　 工管 　 　　　</p><p>　　學(xué)生姓名：　

2、　　 　 　 　　 </p><p>　　指導(dǎo)教師：　　　 　　　 </p><p>　　GPS大地高程、全站儀三角高程與水準(zhǔn)高程的探討</p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　在工程測(cè)量的過程中，經(jīng)常會(huì)涉及到高程測(cè)量。傳統(tǒng)的高程測(cè)量方法有三角高程法和水準(zhǔn)高程法。伴隨

3、著科技的發(fā)展及GPS的普遍化，延伸出了GPS高程。三者各具特色，但都存在不足。水準(zhǔn)測(cè)量，一種直接測(cè)高法，精度高，但工作量大。三角高程測(cè)量，不受地形的影響，速度快，但精度相對(duì)低。GPS高程測(cè)量，速度快，作業(yè)范圍大，但受衛(wèi)星信號(hào)影響。因測(cè)量方的不同，它們的精度也各不相同。但在一定的條件下，三角高程及GPS高程可以達(dá)到水準(zhǔn)精度的要求，滿足各種比例尺地形測(cè)圖的需要。</p><p>　　關(guān)鍵詞：水準(zhǔn)高程、GPS高程、三角

4、高程、精度</p><p><b>　　目 錄 </b></p><p><b>　　摘要I</b></p><p><b>　　1. 高程1</b></p><p>　　1.1. 高程的概念1</p><p>　　1.2. 高程系統(tǒng)1<

5、;/p><p>　　1.2.1. 正高系統(tǒng)1</p><p>　　1.2.2. 正常高系統(tǒng)1</p><p>　　1.2.3. GPS高程2</p><p>　　1.2.4. 國(guó)家高程基準(zhǔn)2</p><p>　　1.2.5. 我國(guó)常用高程基準(zhǔn).....................................

6、..............................................</p><p>　　1.2.6. 高程系統(tǒng)之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系2</p><p>　　2. 常用高程測(cè)量3</p><p>　　2.1. 水準(zhǔn)高程測(cè)量3</p><p>　　2.2. 三角高程測(cè)量4</p><p>　　2.

7、3. GPS高程測(cè)量4</p><p>　　3. 常用高程測(cè)量方法的誤差及精度解析5</p><p>　　3.1. 水準(zhǔn)測(cè)量5</p><p>　　3.2. 三角高程測(cè)量5</p><p>　　3.3. GPS高程測(cè)量6</p><p>　　4. 常見高程對(duì)比解析6</p><p>

8、　　4.1. 三角高程與水準(zhǔn)高程6</p><p>　　4.1.1. 全站儀三角高程測(cè)量與水準(zhǔn)測(cè)量理論對(duì)比分析6</p><p>　　4.1.2. 全站儀三角高程測(cè)量與水準(zhǔn)測(cè)量實(shí)例分析7</p><p>　　4.2. GPS高程與水準(zhǔn)高程11</p><p>　　4.2.1. GPS精度評(píng)定11</p><p&g

9、t;　　4.2.2. GPS高程測(cè)量與水準(zhǔn)高程測(cè)量實(shí)例分析11</p><p><b>　　高程</b></p><p><b>　　高程的概念</b></p><p>　　高程（標(biāo)高）【elevation】指的是某點(diǎn)沿鉛垂線方向到絕對(duì)基面的距離，稱絕對(duì)高程。簡(jiǎn)稱高程。某點(diǎn)沿鉛垂線方向到某假定水準(zhǔn)基面的距離，稱假定高程。

10、</p><p><b>　　高程系統(tǒng)</b></p><p><b>　　正高系統(tǒng) </b></p><p>　　正高系統(tǒng)以大地水準(zhǔn)面為高程基準(zhǔn)面，地面上任一點(diǎn)的正高是指該點(diǎn)沿垂線方向至大地水準(zhǔn)面的距離。 </p><p>　　式中，為B點(diǎn)沿垂線方向不同深處重力的平均值，是過B點(diǎn)的水準(zhǔn)面與起始大地

11、水準(zhǔn)面之間位能差。但由于B點(diǎn)沿垂線方向不同深處的重力不能測(cè)定，所以不能精確得到，正高也就不能精確求得。 </p><p><b>　　正常高系統(tǒng) </b></p><p>　　將用正常重力代替，便得到另一種系統(tǒng)的高程，稱其為正常高。</p><p>　　式中，g由沿水準(zhǔn)測(cè)量路線的重力測(cè)量得到，dh是水準(zhǔn)測(cè)量的高差，是按正常重力公式算得的正常重力

12、平均值。正常重力按下式計(jì)算： </p><p>　　H以米為單位，正常重力按1975年國(guó)際地球物理和大地測(cè)量聯(lián)合會(huì)推薦的正常重力公式計(jì)算： </p><p>　　我國(guó)規(guī)定采用正常高高程系統(tǒng)。正常高以似大地水準(zhǔn)面為基準(zhǔn)面的高程。在海面上， 大地水準(zhǔn)面和似大地水準(zhǔn)面重合。</p><p><b>　　GPS高程</b></p><

13、;p>　　GPS除測(cè)出平面坐標(biāo)外，還測(cè)出大地高H（即沿WGS-84橢球體法線到橢球面的距離）。 </p><p>　　如果能知道WGS-84橢球面和似大地水準(zhǔn)面之間的差值，則可由GPS的大地高求得正常高。 </p><p>　　在一個(gè)區(qū)域確定WGS-84橢球面和似大地水準(zhǔn)面之間的差值，是在該區(qū)域建立高精度的似大地水準(zhǔn)面。通過高精度GPS控制網(wǎng)和水準(zhǔn)測(cè)量控制網(wǎng)，綜合利用重力資料，進(jìn)行似

14、大地水準(zhǔn)面的擬合來實(shí)現(xiàn)。</p><p><b>　　國(guó)家高程基準(zhǔn)</b></p><p>　　采用大地水準(zhǔn)面作為高程基準(zhǔn)面。有“1956年黃海高程系統(tǒng)”和“1985國(guó)家高程基準(zhǔn)”。</p><p><b>　　我國(guó)常用高程基準(zhǔn)</b></p><p>　　高程基準(zhǔn)是推算國(guó)家統(tǒng)一高程控制網(wǎng)中所有水準(zhǔn)

15、高程的起算依據(jù)，它包括一個(gè)水準(zhǔn)基面和一個(gè)永久性水準(zhǔn)原點(diǎn)。國(guó)家高程基準(zhǔn)是根據(jù)驗(yàn)潮資料確定的水準(zhǔn)原點(diǎn)高程及其起算面。目前我國(guó)常見的高程系統(tǒng)主要包括“1956年黃海高程”、“1985國(guó)家高程基準(zhǔn)”、“吳凇高程基準(zhǔn)”和“珠江高程基準(zhǔn)”等四種。1．“1956年黃海高程”我國(guó)于1956年規(guī)定以黃海(青島)的多年平均海平面作為統(tǒng)一基面，叫“1956年黃海高程”系統(tǒng)，為中國(guó)第一個(gè)國(guó)家高程系統(tǒng)，從而結(jié)束了過去高程系統(tǒng)繁雜的局面。該高程系以青島驗(yàn)潮站1

16、950—1956年驗(yàn)潮資料算得的平均海面為零的高程系統(tǒng)。原點(diǎn)設(shè)在青島市觀象山。1956黃海高程水準(zhǔn)原點(diǎn)的高程是72.289米。該高程系與其他高程系的換算關(guān)系為：“1956年黃海高程”＝“1985年國(guó)家高程基準(zhǔn)”＋0.029（米）“1956年黃海高程”＝“吳凇高程基準(zhǔn)”－1.688（米）“1956年黃海高程”＝“珠江高程基準(zhǔn)”＋0.586（米）</p><p>　　2．“1985國(guó)家高程基準(zhǔn)”由于“1956

17、年黃海高程”計(jì)算基面所依據(jù)的青島驗(yàn)潮站的資料系列（1950年～1956年）較短等原因，中國(guó)測(cè)繪主管部門決定重新計(jì)算黃海平均海面，以青島驗(yàn)潮站1952年～1979年的潮汐觀測(cè)資料為計(jì)算依據(jù)，叫“1985國(guó)家高程基準(zhǔn)”，并用精密水準(zhǔn)測(cè)量位于青島的中華人民共和國(guó)水準(zhǔn)原點(diǎn)。1985年國(guó)家高程基準(zhǔn)已于1987年5月開始啟用，1956年黃海高程系同時(shí)廢止。1985國(guó)家高程系統(tǒng)的水準(zhǔn)原點(diǎn)的高程是72.260米。習(xí)慣說法是“新的比舊的低0.029m”，

18、黃海平均海平面是“新的比舊的高”。該高程系與其他高程系的換算關(guān)系為：“1985年國(guó)家高程基準(zhǔn)”＝“1956年黃海高程”－0.029（米）“1985年國(guó)家高程基準(zhǔn)”＝“吳凇高程基準(zhǔn)”－1.717（米）“1985年國(guó)家高程基準(zhǔn)”＝“珠江高程基準(zhǔn)”＋0.557（米）3．“吳凇高程基準(zhǔn)”“吳凇高程基準(zhǔn)”采用上海吳淞口驗(yàn)潮站1871～1900年實(shí)測(cè)的最低潮位所確定的海面作為基準(zhǔn)面，該系統(tǒng)自1900年建立以來，一直為長(zhǎng)江的水位觀測(cè)、防汛調(diào)

19、度以及水利建設(shè)所采用。在上海地區(qū)，“吳淞高程基準(zhǔn)”＝“1956年黃海高程”－</p><p>　　高程系統(tǒng)之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系 </p><p>　　大地水準(zhǔn)面到參考橢球面的距離，稱為大地水準(zhǔn)面差距，記為。</p><p>　　似大地水準(zhǔn)面到參考橢球面的距離，稱為高程異常，記為。</p><p>　　大地高與正高之間的關(guān)系可以表示為：</p&

20、gt;<p>　　大地高與正常高之間的關(guān)系可以表示為：</p><p><b>　　常用高程測(cè)量</b></p><p><b>　　水準(zhǔn)高程測(cè)量</b></p><p><b>　　①水準(zhǔn)測(cè)量原理：</b></p><p>　　A、B 為地面上高度不同的兩點(diǎn)。已

21、知A 點(diǎn)高程 ,只要知道A 點(diǎn)對(duì)B 點(diǎn)的高差 ,即可求出B 點(diǎn)的高程 ,公式:</p><p>　　式中: ———B 點(diǎn)高程;</p><p><b>　　———A 點(diǎn)高程;</b></p><p>　　———A 、B 兩點(diǎn)間的高差;</p><p>　　a ———水準(zhǔn)尺后視(A 點(diǎn)) 讀數(shù);</p>&

22、lt;p>　　b ———水準(zhǔn)尺前視(B 點(diǎn)) 讀數(shù)。</p><p><b>　　三角高程測(cè)量</b></p><p>　?、偃歉叱虦y(cè)量原理：</p><p>　　三角高程測(cè)量的基本原理如下圖，A、B為地面上兩點(diǎn)，自A點(diǎn)觀測(cè)B點(diǎn)的豎直角為α，D為兩點(diǎn)間水平距離，i為A點(diǎn)儀器高，S為B點(diǎn)覘標(biāo)高，則A、B兩點(diǎn)間高差為：</p>

23、<p>　　上式是假設(shè)地球表面為一平面，觀測(cè)視線為直線條件推導(dǎo)出來的。在大地測(cè)量中，因邊長(zhǎng)較長(zhǎng)，必須顧及地球彎曲差和大氣垂直折光的影響。為了提高三角高程測(cè)量的精度，通常采取對(duì)向觀測(cè)豎直角，推求兩點(diǎn)間高差，以減弱大氣垂直折光的影響。</p><p><b>　　GPS高程測(cè)量</b></p><p>　?、貵PS高程測(cè)量原理：</p><

24、p>　　GPS高程測(cè)量（height measurement using global positioning system）是利用全球定位系統(tǒng)（GPS）測(cè)量技術(shù)直接測(cè)定地面點(diǎn)的大地高，或間接確定地面點(diǎn)的正常高的方法。在用GPS測(cè)量技術(shù)間接確定地面點(diǎn)的正常 高時(shí)，當(dāng)直接測(cè)得測(cè)區(qū)內(nèi)所有GPS點(diǎn)的大地高后，再在測(cè)區(qū)內(nèi)選擇數(shù)量和位置均能滿足高程擬合需要的若干GPS點(diǎn)，用水準(zhǔn)測(cè)量方法測(cè)取其正常高，并計(jì)算所有 GPS點(diǎn)的大地高與正常高之差（

25、高程異常），以此為基礎(chǔ)利用平面或曲面擬合的方法進(jìn)行高程擬合，即可獲得測(cè)區(qū)內(nèi)其他GPS點(diǎn)的正常高。</p><p>　　常用高程測(cè)量方法的誤差及精度解析</p><p><b>　　水準(zhǔn)測(cè)量</b></p><p>　?、偎疁?zhǔn)測(cè)量,全長(zhǎng)一次觀測(cè)高差中誤差公式:</p><p>　　M中= ±Mu ×

26、 </p><p>　　式中:M中———全長(zhǎng)一次觀測(cè)高差中誤差;</p><p>　　Mu ———每公里單位權(quán)中誤差;</p><p>　　L ———水準(zhǔn)路線全長(zhǎng),單位:km。</p><p>　　②全長(zhǎng)高差平均中誤差公式:</p><p>　　式中:M平———平均中誤差;</p>

27、<p>　　M中———全長(zhǎng)一次觀測(cè)高差中誤差;</p><p>　　n ———獨(dú)立觀測(cè)次數(shù)。</p><p>　?、廴人疁?zhǔn)測(cè)量閉合差限差公式:</p><p>　　M限= ±12 × </p><p>　　式中:L ———水準(zhǔn)路線全長(zhǎng),km。</p><p><

28、;b>　　三角高程測(cè)量</b></p><p>　　全站儀三角高程測(cè)量的精度評(píng)定</p><p>　　①三角高程中誤差公式:</p><p>　　式中:ma ———測(cè)角中誤差;ρ= 206265 ;</p><p>　　L ———導(dǎo)線全長(zhǎng),單位:m ,</p><p><b>　　n ———

29、測(cè)站數(shù)。</b></p><p>　?、诙鄿y(cè)回三角高程中誤差公式:</p><p>　　式中:M平———平均中誤差;</p><p>　　M中———三角高程中誤差;</p><p><b>　　N ———測(cè)回?cái)?shù)。</b></p><p><b>　　GPS高程測(cè)量</b

30、></p><p>　　與常規(guī)的水準(zhǔn)相比，GPS具有費(fèi)用低、效率高的特點(diǎn)，能夠在大范圍的區(qū)域內(nèi)進(jìn)行高程數(shù)據(jù)加密。但目前影響GPS精度的因素主要有兩方面的原因：一是受制于采用GPS方法所測(cè)定的大地高的精度;二是受制于采用不同方法所確定出來的大地水準(zhǔn)面差距或高程異常的精度。</p><p>　　現(xiàn)在，GPS測(cè)量的精度從到不等；采用重力位模型能夠提供精度達(dá)到的相對(duì)的大地水準(zhǔn)面差距；由簡(jiǎn)單的

31、內(nèi)插法得到大的大地水準(zhǔn)面差距的精度差異較大，從幾個(gè)ppm到10ppm或更差，具體精度與內(nèi)插方法、大地水準(zhǔn)面差距已知點(diǎn)的數(shù)量和分布以及內(nèi)插區(qū)域大地水準(zhǔn)面起伏情況有關(guān)。 </p><p><b>　　常見高程對(duì)比解析</b></p><p><b>　　三角高程與水準(zhǔn)高程</b></p><p>　　全站儀三角高程測(cè)量與水

32、準(zhǔn)測(cè)量理論對(duì)比分析</p><p>　　為了客觀的評(píng)定高程精度,現(xiàn)通過理論數(shù)據(jù)對(duì)三角高程測(cè)量與水準(zhǔn)測(cè)量分析。首先是數(shù)值的確定,全站儀四等控制網(wǎng)三角高程測(cè)量中ma = 2. 5u 、N = 8 ,假設(shè)n測(cè)站數(shù)為導(dǎo)線全長(zhǎng)與平均導(dǎo)線長(zhǎng)度的比值,在山區(qū)平均導(dǎo)線長(zhǎng)經(jīng)驗(yàn)值一般在1. 2～1. 6km 間。三等水準(zhǔn)測(cè)量Mu = 2mm ,獨(dú)立觀測(cè)次數(shù)n = 2 。具體數(shù)據(jù)分析見下表 。</p><p>

33、　　由下表可以看出在平均邊長(zhǎng)為1. 2～1. 6km 的導(dǎo)線控制網(wǎng)中,全站儀四等網(wǎng)三角高程的高程精度沒有水準(zhǔn)測(cè)量的高,它們相互大致是2～3 倍關(guān)系,但是三角高程的2 倍中誤差大大的小于三等水準(zhǔn)測(cè)量限要求,能達(dá)到三等水準(zhǔn)高程精度。</p><p>　　全站儀三角高程測(cè)量與水準(zhǔn)測(cè)量實(shí)例分析</p><p>　　以某隧道地表全站儀四等閉合導(dǎo)線控制測(cè)量三角高程與三等水準(zhǔn)高程的實(shí)測(cè)精度對(duì)比分析。&l

34、t;/p><p>　　① 三角高程與水準(zhǔn)高程測(cè)量誤差：</p><p>　　全站儀三角高程誤差:高程閉合差M閉= 5mm ,高程中誤差M平= ±10. 9mm水準(zhǔn)測(cè)量誤差:水準(zhǔn)測(cè)量?jī)纱蝺x器高差累計(jì)互差M = 4mm ,每公里單位權(quán)中誤差Mu = ±1. 9mm ,全長(zhǎng)高差平均中誤差M平= ±5. 8mm ,三等水準(zhǔn)測(cè)量閉合差限差M限= ±51. 6mm三

35、角高程與水準(zhǔn)測(cè)量附和點(diǎn): 大干溝鐵路高程互差:M互= 34. 5mm</p><p><b>　?、诰葘?duì)比分析：</b></p><p>　　(1) 全站儀三角高程精度比水準(zhǔn)測(cè)量精度要低。原因如下:</p><p>　　A 、三角高程測(cè)角中誤差的影響大于水準(zhǔn)測(cè)量單位權(quán)中誤差的影響;</p><p>　　B、全站儀三角高

36、程測(cè)量中誤差與距離成正比,而水準(zhǔn)測(cè)量中誤差與距離的平方跟成正比,可得水準(zhǔn)測(cè)量的精度要高,因此對(duì)有特殊要求的工程還是要用水準(zhǔn)測(cè)量。</p><p><b>　　(2) 精度等級(jí)</b></p><p>　　全站儀三角高程測(cè)量是按四等閉合導(dǎo)線施測(cè),2 倍中誤差2M平= ±21. 8mm 大大小于三等水準(zhǔn)測(cè)量閉合差限差M限= ±51. 6mm ,因此全站

37、儀四等閉合導(dǎo)線三角高程測(cè)量精度能達(dá)到三等水準(zhǔn)儀的的精度等級(jí)。</p><p>　　(3) 精度過剩分析</p><p>　　測(cè)量規(guī)程:貫通工程地表控制誤差≤1/ 3 貫通誤差,本工程貫通誤差是200mm ,則地表誤差要控制在66mm 范圍內(nèi),全站儀三角高程測(cè)量、水準(zhǔn)測(cè)量都能滿足要求。水準(zhǔn)測(cè)量精度過剩54. 4mm ,全站儀三角高程精度過剩44. 2mm(取2 倍中誤差為限差) ,顯然水準(zhǔn)測(cè)

38、量精度過剩較多。</p><p>　　(4) 經(jīng)濟(jì)效益分析</p><p>　　在滿足貫通要求的情況下,水準(zhǔn)測(cè)量時(shí)間長(zhǎng)、工作量大、費(fèi)用高,全站儀三角高程測(cè)量是地表控制測(cè)量的一部分,時(shí)間短、工作量小,顯然全站儀三角高程測(cè)量具有較好的經(jīng)濟(jì)效益。</p><p>　　GPS高程與水準(zhǔn)高程</p><p><b>　　GPS精度評(píng)定<

39、/b></p><p>　?、俑鶕?jù)檢核點(diǎn)至已知點(diǎn)的距離L（單位：公里），按下表計(jì)算檢核點(diǎn)擬合殘差的限值，以此來評(píng)定GPS水準(zhǔn)所能達(dá)到的精度。</p><p>　?、谟肎PS求出的GPS間的正常高程差，在已知點(diǎn)間組成附合或閉合高程導(dǎo)線，按計(jì)算的閉合差W與下表中允許殘差比較，來衡量GPS水準(zhǔn)達(dá)到的精度。</p><p>　　GPS高程測(cè)量與水準(zhǔn)高程測(cè)量實(shí)例分析&l

40、t;/p><p>　?、貵PS高程與水準(zhǔn)測(cè)量成果比較:</p><p>　　用9個(gè)已知二等水準(zhǔn)點(diǎn)作為起算點(diǎn)，對(duì)GPS高程進(jìn)行擬合計(jì)算，并將計(jì)算結(jié)果與四等水準(zhǔn)測(cè)量進(jìn)行比對(duì)，如下表所示</p><p>　　用GPS高程與四等水準(zhǔn)測(cè)量的差值△ 按公式分測(cè)段計(jì)算中誤差，取兩倍的中誤差作為限差與四等水準(zhǔn)測(cè)量、等外水準(zhǔn)測(cè)量的限差進(jìn)行比較，結(jié)果如下表所示。</p>&l

41、t;p><b>　　注：L 為測(cè)段長(zhǎng)。</b></p><p>　　從上表可以看出：GPS高程擬合的精度與重合點(diǎn)之間的距離有關(guān)，當(dāng)在10 km以內(nèi)時(shí)可達(dá)到四等水準(zhǔn)測(cè)量的精度，當(dāng)測(cè)段長(zhǎng)超過10 km時(shí)，只能滿足等外水準(zhǔn)測(cè)量的要求。</p><p><b>　?、趯?duì)比分析:</b></p><p>　　(1)在特殊困難地

42、區(qū)(大高差、長(zhǎng)距離的帶狀測(cè)區(qū)j，GPS高程求解的正常高能達(dá)到四等以下普通幾何水準(zhǔn)測(cè)量的精度要求，可以滿足各種比例尺地形測(cè)圖的需要。</p><p>　　(2)GPS高程擬合的起算點(diǎn)越多，待定點(diǎn)高程的擬合精度越高。但起算點(diǎn)數(shù)量越多，意味著水準(zhǔn)聯(lián)測(cè)的工作量越大；而起算點(diǎn)數(shù)量太少又會(huì)引起數(shù)學(xué)模型的扭曲，因此應(yīng)合理選擇起算點(diǎn)的數(shù)量，對(duì)于帶狀測(cè)區(qū)，建議每5～8 km聯(lián)測(cè)一個(gè)固定點(diǎn)為宜。</p><p&g

43、t;　　(3)GPS高程擬合數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)是中小區(qū)域，擬合區(qū)域太大會(huì)降低高程擬合精度，所以對(duì)大面積或長(zhǎng)距離的測(cè)區(qū)．為提高擬合精度可分塊或分段進(jìn)行高程擬合。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)類型：</b></p><p>　　顧孝烈，鮑峰，程效軍。測(cè)量學(xué)【M】.上海；同濟(jì)大學(xué)

44、出版社，2006.8</p><p>　　孫祥元，郭際明，劉宗泉。大地測(cè)量學(xué)基礎(chǔ)【M】.武漢；武漢大學(xué)出版社，2005.12</p><p>　　孫祥元，郭際明?？刂茰y(cè)量學(xué)【M】.武漢；武漢大學(xué)出版社，2006.10</p><p>　　李征航，黃勁松。GPS測(cè)量與數(shù)據(jù)處理【M】.武漢.武漢大學(xué)出版社，2005.3</p><p>　　焦明連