鄱阳湖基础地理测量D级GPS网建立方法与探讨
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摘要：本文简单阐明了建立该网的背景和测区概况，介绍了鄱阳湖在高水位特殊时期该GPS网作业的情况及有效的应对方法和经验，同时论述和分析了该网数据处理情况和平差后各项指标精度情况。其中重点研究了采用等值线图确定GPS正常高的方法，并与常规方法作比较得出正确结论。
关键词：鄱阳湖；选点；刻石； 精度分析；GPS高程拟合；高程异常等值线图
一概述
鄱阳湖是我国最大的淡水湖，是世界六大湿地之一，鄱阳湖的治理、开发和保护倍受关注，建设鄱阳湖生态经济区已经成为引领江西科学发展、进位赶超、绿色崛起的重大战略和“龙头”工程。
江西省于2010年7月正式启动鄱阳湖基础地理测量项目。由于湖区现有控制资料缺乏，点位标志损毁极为严重，整个环鄱阳湖区只有少量国家A级、C级gps点，部分保留完好的国家三角点及1998年由长委和我院联合施测的D级GPS网点，且这些点除A级、C级GPS点有国家2000大地坐标系成果外，其余的点位仅有1954北京坐标系成果。同时环湖区水准线路大多数均为六、七十年代布设和施测。现有资料远不能满足本次测量要求。为了更好地完成鄱阳湖基础地理测量工作，建立鄱阳湖D级GPS网势在必行。
二选点、埋石、观测方法简述
D级GPS网布设以点位分布均匀、控制整体、便于加密发展为目标，最大化顾及效率指标、可靠性指标和精度指标，确保对面积约6500 的湖盆核心区、沿湖重点圩堤、五河尾闾的有效辐射和控制。故考虑首先在Google地球上截取高品质的测区卫星影像图，并在作简单处理后用南方Cass成图软件插入经处理后的影像光栅图像，同时把现有控制点位概略展绘于影像图上，根据收集的各种资料情况并参照测量技术方案及相关规范，在计算机上进行点位初选和网型设计。
对照选定好点位的影像图，把点位概略展绘到1：100000地形图上，然后进行现场调查和勘察，按规范和技术设计要求最优化地最终选定点位。此次共选定D级GPS点197个。平均边长约6公里，控制面积约6500 （见图2）。
湖区高水位期，再加上湖区河网交错交通不便，如何解决控制点埋石问题是本次GPS测量重点和难点问题。经过认真研究，基于湖区泵闸、桥涵众多的状况，确定本次埋石工作以刻石为主，方法为采用电动工具把专门定制的不锈钢测量标志嵌入水泥中，再用刻刀刻一个0.2m×0.2m正方形外框（不锈钢测量标志盘面及刻石点外观见图1）。对个别无合适刻石地方则采用常规方法埋石，埋石点的规格和选、埋工作均严格按规范要求进行。
图1
基线观测采用六台套南方北极星9600静态GPS接收机。采用按边连接和混合连接方式（闭合环边长数不超过8条）进行同步观测，同时尽量增加重复架站数，确保了网结构的强度和精度。由于测区的特殊性，必须根据交通和地形情况认真制订观测计划，并严格按计划方案观测。每个同步环观测时间都在九十分钟以上，绝大多数超过两个小时，所有操作均严格按规范要求执行。
三D级GPS网精度分析简述
GPS网基线解算采用随机商用软件《GPS数据处理软件包》处理。当天按规范要求解算全部观测基线，对解算不合格的基线，进行认真分析处理。对确实不能满足要求的基线，删除并于第二天即时重测。全网最终共计337条观测基线，解算精度良好，基线相对误差最大为1/213357。基线中误差平均值0.008米，满足规范要求（限差值为0.030米）。全网构成闭合环总数为272个，其中同步环48个，异步环224个，全部同步环、异步环闭差及相对中误差优于规范要求。
三维无约束平差后,基线向量改正数的绝对值均小于20mm，满足规范要求。共337条观测基线中，基线最弱边相对精度为1/508912。所有基线水平分量中误差 =±6.671mm，垂直分量中误差为±5.261mm。满足规范要求。
二维约束平差本次确定采用均有2000国家大地坐标成果的3个A级点、11个C级点作为平面起算点。进行强约束平差前，应检查已知点的可靠性和兼容性，经认真分析，考虑已知点在网中分布情况及结合各平差方案中精度指标情况，选定9点平差方案作为本网最终采用的二维约束平差方案。
二维约束平差后得知，最弱边相对精度为1:763823，远优于规范规定的D级网最弱边相对误差小于1:100000的要求。二维网约束平差后单位权中误差为 0.027米，全网平均点位精度为±4.8 mm,最弱点点位精度为±6.2 mm，满足规范要求。
四D级GPS网高程拟合分析
由于鄱阳湖地区地理的特殊性，本次测量技术方案中要求15米以下测点高程中误为±0.14米。为了满足此项要求，在测区范围内，采用三、四等水准合理联测了多于60%的GPS网点，从而为建立高精度的GPS拟合参数打好基础。
用GPS拟合法来获得正常高被广泛采用于实际测量工作中，常用的方法为几何法、区域似大地水准面法、等值线图法。本文就几何法和等值线图法进行鄱阳湖D级GPS高程拟合计算并进行比较，以此来确定最优的几何法高程拟合方案。首先采用随机软件把全部129个水准点作为高程已知点进
行高程拟合计算，计算后内符合精度为±7.5cm；再用28个水准点作为未知点，其他水准点为已知点，计算得内符合精度为±7.6cm，外符合精度为±8.6cm。从以上精度指标看出，整网高程曲面拟合残差较大。分析原因，由于测区面积大，高程异常差异大，造成整网拟合效果不甚良好。
现把全网已联测水准点的GPS点大地高减去对应点的正常高，得到各点高程异常值ζ，再绘制鄱阳湖D级GPS网高程异常等值线图（见图2），等高距取0.1米。
图2GPS网图及高程异常等值线图
从该等值线图可知，该测区东西向两端在同一纬度线上高程异常差值达4米，每公里高程异常变化值约为0.04米，而南北向在同一经度线上高程异常差值不到0.2 m。参照该图，把整网分成5个区，分别用软件进行高程拟合计算。通过计算，各分区内、外符合精度有显著提高，为了更直观确定各GPS点正常高，现直接从等值线图上读取未知点GPS点高程异常值，小数点后可读到0.01米。通过和各对应点大地高相加后得出各点正常高，并用图解GPS正常高数据与分区GPS拟合正常高及整体GPS拟合正常高成果列表进行比较(见表1)。
表1图解高程和拟合高程比较
点名 (分区拟合-整体拟合) (分区拟合-等值线法) 点名 (分区拟合-整体拟合)从表1分析可知，除个别边缘点相差较大外，其余各点GPS图解正常高成果与GPS分区拟合正常高吻合性较好，经计算两者互差中误差为±0.056米；结合上述精度分析，GPS分区拟合精度优于GPS整网拟合精度。故本次GPS拟合高程最终采用GPS分区拟合成果。
五结束语
鄱阳湖基础地理D级GPS网建立，为鄱阳湖基础地理测量工作提供了准确可靠的平面基准和高程基准。据平差后各项精度指标可知，本网网型设计合理，观测数据严谨、成果可靠，完全可满足国家规范要求。通过绘制本测区高程异常等值线图，在该图上直接求出各GPS点正常高后与分区拟合后各点正常高进行分析比较后得知，等值线图法求取GPS点正常高也具有可行性。还可作为遴选GPS高程高精度拟合方案时的参考手段。同时测区高程异常等值线图直观反映了该地区高程异常分布规律。该图还可为以后在本测区进行GPS高程测量时提供一定的参考价值，例如在测区进行GPS跨河水准测量时，沿南北方向实施效果更佳。注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。