gps高程转换的方法

浅述GPS高程拟合的几种方法

当前我们测量中的高程系是相对于选定的某一参考面而定的，基准面有参考椭球面，大地水准面和似大地水准面，而在实际测量中，由于地球形状的不规则性，以及地球内部重力分布的不均匀性，想要得到严密的数学转换关系式是很难以实现的，高程拟合即是实现精化区域似大地水准面的一种方法，本文浅述几种高程拟合的常用方法。

标签： 高程系;高程异常;GPS大地高;高程拟合;神经网络法

1、高程系统

1.1常见的高程系统

通常应用的高程系统，主要有大地高程系统、正常高系统和正高系统。

大地高程系统是以椭球面为基准面的高程系统，由地面点沿通过该点的椭球面法线到椭球面的距离，通常以H表示。大地高是一个几何量，它不具有物理上的意义。利用GPS定位技术，可以直接测定观测站在WGS-84或ITRF中的大地高。以大地水准面为基准面的高程系统，称为正高系统。由地面点，并沿该点的铅垂线至大地水准面的距离，称为正高，通常以Hg表示。正高实际上是无法严格确定的;正常高是指从一地面点沿过此点的正常重力线到似大地水准面的距离，似大地水准面严格说不是水准面，但接近于水准面，只是用于计算的辅助面，它与大地水准面不完全吻合，差值为正常高与正高之差。正常高系统为我国通用的高程系统。大地水准面与似大地水准面在海平面上是重合的，而在陆地上则既不重合也不平行。

1.2高程系统之间的关系

设大地高为H，正高为Hg，正常高为Hγ，参考椭球面与大地水准面之间的差距为大地水准面差距N，参考椭球面与似大地水准面之间的差距为高程异常ξ，那么上述的3种高程系统之间存在的关系：

H=Hg+N=Hγ+ξ

2. GPS高程拟合原理实现方法

2.1 GPS高程拟合原理

由于大地水准面与椭球面一般不重合，我们把地面点P沿铅垂线投影到大地水准面P0时，P与P0间距离为正高Hg;在将点P0沿法线方向投影到椭球面上得点Q0，P0与Q0间距离称为大地水准面差距N，H=Hg+N。似大地水准面与椭球面也不重合，它们之间的高程差称为高程异常，用ζ表示。如图1所示，此

Vol.28No.3Mar.2012赤峰学院学报（自然科学版）JournalofChifengUniversity（NaturalScienceEdition）第28卷第3期（下）2012年3月

当前，GPS平面控制网已经得到了广泛的运

用，其高精度给测绘工作带来极大的方便，彻底颠

覆了传统的测绘技术.但是GPS高程却运用得不

够，达成的共识是GPS高程在经过合理的技术处

理之后精度很高，但因GPS高程只能测定观测点

在WGS-84坐标系统中的大地高H大地，而不是在

实际应用中广泛采用的正常高H正常（二者之间的

高差为高程异常ζ），从而严重影响了GPS高程的

应用.所以GPS高程如何在测量工作中加以应用，

一直是人们普遍关心的问题，人们非常期望能够用

GPS高程测量代替传统的水准测量.

我们知道如果能够设法获得相应点上的高程

异常，就可以进行相应高程系统的转换，将大地高

转换为正常高.近年来我院在GPS高程测绘方面进

行了一些有益的实践和探讨，从多个测区（包括平

面、丘陵和山地）的实际数据结果来看，在较为平坦

或起伏不大的丘陵地区，GPS高程可以达到四等水

准精度.本文将利用GPS高程异常的相关理论，结

合工作实际，从影响GPS测高精度的因素和如何

提高GPS高程拟合精度两方面，对GPS高程异常

的应用进行分析和探讨.

1GPS高程系统常用的高程系统包括大地高系统、正高系统和

正常高系统，在实际工作中因正高无法精确求定，

人们才建立了正常高系统[1].下面给出两个定义：地

面点沿椭球法线到参考椭球面的距离称为大地高，

用H大地表示；地面点到似大地水准面的距离称为

正常高，用H正常表示（大地高和正常高的具体计算

方法请参阅相关文献）.因为地面点的正常高其高程不随水准测量路线的变化而变化，是唯一确定的

值，成为我们在实际工作中普遍采用的高程.似大

地水准面与参考椭球面之间沿正常重力线的距离

称为高程异常，用ζ表示，它们之间的关系可以表

达为ζ=H大地-H正常.严格地讲，这个表达式是近似

WGS84高程与正常高

WGS84基准面是以地心为中心的全球通用的椭球面，而各国则选取最符合本国实际的基准面，也就是最贴近本国地面的椭球平面。两个椭球面相差可以达到一两百米，因此不难

理解为什么中国北京54高程与GPS高程在某些地方差距有多达180米的差异。

实际应用中的地面点高程是正常高，以似大地水准面为基准。GPS高程是大地高，以WGS84椭球面为基准。如果知道各GPS点的高程异常ζ，则可由GPS大地高求得各点正常

高。 我国似大地水准面主要是采用天文重力方法测定的，其精度为1m左右，因此很难直接

由GPS大地高求得正常高。

要将GPS大地高转化为水准高，必须确定似大地水准面模型，理论上就是确定GPS大

地高与海拔高之间的转换关系，实际解决方法为：结合GPS大地高和重力资料与水准资料，

通过不同的数学模型求解似大地水准面。 严格来讲，虽然用GPS大地高代替水准正常高是难以达到的，但是，在实际应用上，

通过数学模型改正，用大地高高差代替水准高差却是具有一定意义的。因为，考虑作业成本

和效益是每个测绘单位所关心的最大问题，水准测量作业效率比GPS测量效率低得多，尤

其在复杂地区，水准测量的困难度也比GPS测量大得多。而且，GPS直接测定地面点大地

高的变化，不存在系统误差的积累，在沉降观测、大型建筑物的变形观测中已得到广泛应用。所以，用GPS大地高高差代替水准高差，对生产单位来说无疑是一大进步。GPS测大地高

高差不受通视条件、地势起伏及光线强弱等因素的影响，可以全天候作业，在很大程度上提

高了效率，增加了效益。

港口科技・信息化技术　

摘要：以目前高程转换中常用的ＧＰＳ水准方法为研究对象，简述了’ＧＰＳ水准高程拟合的原理。　

并结合工程实例进行实验，分析比较了采用二次曲面模型、多面函数模型拟合高程异常所能达　到的精度以及可能影响拟合精度的其它因素，得到一些有益的结论，同时也验证了采用ＧＩＸ３水　

准法进行高程转换在实际工程中的可行Ｉ｝生。　关键词：ＧＰＳ水准高程拟合高程异常正常高　

Ｔｈｅ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ａｎｄ　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｄｒａｕｇｈｔｉｎｇ　ａｎｄ　Ｔｒａｎｓｆｏｒｍｉｎｇ　

ＧＰＳ　Ｌｅｖｅｌｉｎｇ　Ｉｎｔｏ　Ｏｒｄｉｎａｒｙ　Ｅｌｅｖａｔｉｏｎ　

Ｚｈｕ　Ｃｈａｏ　Ｇａｏ　Ｃｈｅｎｇｆａ　

（Ｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎ　Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　Ｓｏｕｔｈｅａｓｔ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｎａｎｊｉｎｇ　２１００９６）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｔａｋｅｓ　ＧＰＳ　ｌｅｖｅｌｉｎｇ　ｉｎ　ｅｌｅｖａｔｉｏｎ　ｔｒａｎｓｆｏｍｄｎｇ　ａｓ￣ｔｕｄｙ　ｏｂｊｅｃｔ，ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ　ｔｈｅ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ　ｏｆ　ｅｌｅｖａｔｉｏｎ　ｔｒａｎｓｌａｔｉｏｎ．Ｃｏｍｂｉｎｉｎｇ　ａ　ｐｒａｃｔｉｃａｌ　ｐｒｏｊｅｃｔ，ｉｔ　ａｎａｌｙｓｅｓ　ａｎｄ　ｃｏｍｐａｒｅｓ　ｔｈｅ　ａｃｃｕｒａ－　ｃｙ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｃｏｎｉｃｏｉｄ　ｍｏｄｅｌ、ｐｅｌｙｈｅｄｒａｌ　ｆｕｎｃｔｉｏｎ　ｍｏｄｅｌ　Ｃａｎ　ａｔｔａｉｎ　ａｎｄ　ｓｅｉｎｅ　ｏｔｈｅｒ　ｆａｃｔｏｒｓ　ｉｎｆｌｕｅｎｃｅｄ　ｔｈｅ　ａｃｃｕｒａｃｙ．Ｇｒｏｕｎｄｉｎｇ　ｏｎ　ｔｈｅｓｅ。ｓｅｉｎｅ　ｕｓｅｆｕｌ　ｃｏｎｃｌｕｓｉｏｎｓ　ａｒｅ　ａｃｈｉｅｖｅｄ，ａｎｄ　ａｌｓｏ　ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ａｒｅ　

ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ　ｔｏ　ｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｅ　ｔｈｅ　ｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙ　ａｎｄ　ｖａｌｉｄｉｔｙ　ｏｆ　ｔｈｅ　ＧＰＳ　ｌｅｖｅｌｉｎｇ　ｍｅｔｈｏｄ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ＧＰＳ　ｌｅｖｅｌｉｎｇ　ｈｅｉｇｈｔ　ｄｒａｕｇｈｔｉｎｇ　ａｂｎｏｒｍａｌ　ｅｌｅｖａｔｉｏｎ　ｏｒｄｉｎａｒｙ　ｅｌｅｖａｔｉｏｎ