CN108917706B - 一种gnss水准测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种GNSS水准测量方法，包括：按规范要求进行单程水准测量，获得各被测测段单程水准测量高差观测值；当已知水准点间观测高差与已知高差的不符值超限，或者规范规定的距离范围内没有另一个已知水准点可供闭合连测时，利用GNSS平面控制测量大地高数据进行单程水准测量成果的质量检查，发现并改正测量粗差和错误，不再进行水准测量返测。本发明利用GNSS平面控制测量数据检核单程水准测量成果的精度及其可靠性，大幅度减小水准测量外业工作量，提高测量作业效率。

Description

一种GNSS水准测量方法
技术领域
本发明涉及高程控制测量技术领域，具体涉及一种GNSS(Global NavigationSatellite System，全球导航卫星系统)水准测量方法。
背景技术
水准测量是利用水准仪和水准尺测定地面上两点间高差的方法；水准测量通常是从水准点或任一已知点引测其它点的高程，国家水准网布设成一等、二等、三等、四等4个等级，现行水准测量规范为：GBT12897-2006国家一、二等水准测量规范和GBT12898-2009国家三、四等水准测量规范。
现行测量规范规定，一、二、三等水准测量必须单路线往返观测，并形成附合路线或闭合环线，构成网状图形；四等水准测量可只进行单程观测，但前提是附合到已知点上或自行闭合且满足限差要求，否则也必须进行往返观测。规范还对水准测量附合路线长度及闭合环线周长的最大值做出了限制规定。
上述规定在以前采用光学水准仪观测的时代是非常必要和有效的，能起到检核外业测量质量和提高测量成果精度的双重作用。然而现代水准测量普遍使用光电一体化的数字水准仪(又称电子水准仪)，与光学水准仪相比，电子水准仪能消除或大部分削弱水准测量误差，有效提高了单程水准测量的精度，而且自动化程度和测量效率大大提高。大量工程实践结果和理论分析表明：电子水准仪单程测量就能达到同等级光学水准仪往返测量的精度，多数情况下都能达到高一到两个等级的水准测量精度标准。
综上所述，现代水准测量中，得益于仪器设备和技术水平的进步和发展，外业测量的精度问题不再是首要问题，而观测质量的检查并消除系统误差、粗差、错误成为最重要的关键问题，尤其是较低等级水准测量，如三等、四等、五等。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是现行等级水准测量中要求往返观测并形成附合路线或闭合环线的测量规定，导致外业测量工作量较大的问题。
为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是提供一种GNSS水准测量方法，包括以下步骤：
步骤S10、按规范要求对工程路线进行单程水准测量，获得工程路线上相邻已知水准点之间各测段的单程往测水准高差；
步骤S20、以工程路线一端为起点，顺次选取包含一定数目水准点的区段作为该工程路线的起始段，对起始段内各测段进行水准测量返测；经往、返测水准高差比较合格后，利用起始段内各测段GNSS大地高差与单程往测水准高差，计算得到测线方向各测段高程异常差Δζi以及测线方向高程异常差平均值
Figure BDA0001708520150000021
步骤S30、对除起始段外的其它测段，直接利用两相邻水准点A、B间测段的GNSS大地高差与单程往测水准高差，计算得到两相邻水准点A、B间高程异常差ΔζAB；
步骤S40、根据两相邻水准点A、B间的测段距离、测线方向高程异常差ΔζAB和测线方向高程异常差平均值
Figure BDA0001708520150000022
的大小，计算该测段高程异常差较差δ(ΔζAB)和该测段高程异常差较差的限值δ(ΔζAB)限；
步骤S50、比较该测段高程异常差较差δ(ΔζAB)和高程异常差较差的限值δ(ΔζAB)限，若δ(ΔζAB)≤δ(ΔζAB)限，则取单程观测高差作为该测段的高差观测值；否则，执行步骤S60；
步骤S60、对超限测段进行水准测量返测，若水准测量往返测高差较差符合规范限差要求，则取往测高差作为该测段的观测高差，否则，通过水准测量重新测量该测段的往测高差，如此循环，直至往返测高差较差符合限差要求为止。
在上述方法中，在工程路线上水准点沿路线均匀分布。
在上述方法中，在执行步骤S10后，计算两个相邻已知水准点之间的往测水准高差与已知高差的不符值；
如果不符值在规范限差以内，则直接取往测水准高差作为被测测段高差的观测值，不再执行步骤S20至步骤S60；
如果不符值超过规范限差或者规范规定的距离范围内没有另一个已知水准点可供附合连测，再执行步骤S20至步骤S60。
在上述方法中，测线方向测段高程异常差Δζi的计算公式为：
Δζi＝ΔHGi-ΔHγi；
测线方向高程异常差平均值
Figure BDA0001708520150000031
的计算公式为：
Figure BDA0001708520150000032
对于除起始段以外的其它测段，两相邻水准点A、B间高程异常差ΔζAB的计算公式为：
ΔζAB＝ΔHGAB-ΔHγAB；
两相邻水准点A、B间的测段高程异常差较差δ(ΔζAB)的计算公式为：
Figure BDA0001708520150000033
其中，i为起始段内的测段号；k为起始段内水准点的数目；ΔHGi为第i测段的GNSS大地高差；ΔHγi为第i测段的往测水准高差；ΔHGAB为两相邻水准点A、B间测段的GNSS大地高差；ΔHγAB为两相邻水准点A、B间测段的往测水准高差。
在上述方法中，当工程路线上水准点沿路线分布不均匀时，在步骤S20中，利用起始段内各测段GNSS大地高差与单程往测水准高差，计算得到测线方向测段高程异常差Δζi、测线方向的高程异常变化率
Figure BDA0001708520150000041
以及测线方向的高程异常变化率的均值
Figure BDA0001708520150000042
并通过高程异常变化率的均值
Figure BDA0001708520150000043
计算两相邻水准点A、B间的测线方向高程异常差理论值
Figure BDA0001708520150000044
利用相邻水准点A、B间的测线方向高程异常差理论值
Figure BDA0001708520150000045
计算两相邻水准点A、B间的测段高程异常差较差δ(ΔζAB)；
测线方向测段高程异常差Δζi的计算公式为：
Δζi＝ΔHGi-ΔHγi；
测线方向的高程异常变化率
Figure BDA0001708520150000046
的计算公式为：
Figure BDA0001708520150000047
测线方向的高程异常变化率的均值
Figure BDA0001708520150000048
的计算公式为：
Figure BDA0001708520150000049
相邻水准点A、B间的测线方向高程异常差理论值
Figure BDA00017085201500000410
的计算公式为：
Figure BDA00017085201500000411
两相邻水准点A、B间的测段高程异常差较差δ(ΔζAB)的计算公式为：
Figure BDA00017085201500000412
其中，i为起始段内的测段号；k为起始段内水准点的数目；li为第i测段的距离；ΔHGi为第i测段的GNSS大地高差；ΔHγi为第i测段的往测水准高差；相邻水准点A、B间高程异常差ΔζAB＝ΔHGAB-ΔHγAB，ΔHGAB为两相邻水准点A、B间测段的GNSS大地高差，ΔHγAB为两相邻水准点A、B间测段的往测水准高差；lAB为两相邻水准点A、B间测段的距离。
在上述方法中，两相邻水准点A、B间的测段高程异常差较差的限值δ(ΔζAB)限的计算公式为：
Figure BDA0001708520150000051
其中，mΔ为规范中规定的相应等级每千米水准测量偶然中误差；
Figure BDA0001708520150000052
为相邻两个水准点A、B间大地高差的中误差。
在上述方法中，当工程路线较长时，将工程路线划分为若干个距离相等的区段路线，分别对区段路线进行水准测量；
在对第一个区段路线进行水准测量时，以第一个区段路线作为一个完整的工程路线，执行步骤S10至步骤S60，完成第一个区段路线水准测量；
在顺序对第二个区段路线至最后一个区段路线进行水准测量时，每个区段的起始段为：以与本区段邻接的前一个区段路线末端的某个水准点为起点，以本区段路线的起始水准点为终点，仅包含前一个区段路线上一定数目的水准点；此时在步骤S20，不再对起始段内各测段进行水准测量返测。
在上述方法中，工程路线的起始段内的水准点数目为工程路线上全部水准点的1/20至1/5。
与现有技术相比，本发明充分利用GNSS平面控制测量数据对单程水准测量成果进行质量检查，发现并改正测量粗差和错误，不再进行水准测量返测，也可以不闭合、不附合到已知水准点上。当单程观测高差与已知高差的较差超限、或者规定距离内无已知水准点检核时，则利用GPS大地高成果来检核单程水准测量成果的精度及其可靠性，大幅度减小水准测量外业工作量，提高测量作业效率。本发明特别适用于似大地水准面(高程异常)变化平缓的平原地区的线状工程高程控制测量，控制点沿线近似均匀地布设成直伸路线。
附图说明
图1为本发明提供的一种GNSS水准测量方法的流程图；
图2为本发明中具体实施例的水准点分布图。
具体实施方式
特别涉及一种GNSS水准测量方法，适用于公路、铁路、电力管线等线状工程的高程控制测量。
在现行水准测量中，当已知点高程精度较低或者两个或多个已知点之间高程不兼容时，固定已知点高程强制分配闭合差的做法反而会损失和降低水准测量实际精度，不如直接使用单程观测高差计算各点的高程。例如：非洲某公路工程项目，路线总长400余公里，单程水准路线总长超过600公里，按四等水准测量精度施测，收集到的当地已知水准点精度低，年代久远，相互之间高差含有很大的粗差，已知点之间的兼容性极差，没有办法使用已知点高程进行约束平差，因此，必须寻求新的办法来检核单程水准测量成果的可靠性，减小外业测量工作量，提高测量效率。
本发明为了合理减小外业测量工作量(水准测量返测工作量较大)，探索得到一种既能有效检查和发现观测粗差和错误，又能减小外业测量工作量的合理可行的测量方案，适用于公路、铁路等线性工程的GNSS大地高辅助的水准测量，如图1所示，本发明提供的一种GNSS水准测量方法，包括以下步骤：
步骤S10、按规范要求进行单程水准测量(只进行往测)，获得工程路线上相邻已知水准点之间各测段的单程往测水准高差的观测值。
步骤S20、以工程路线一端为起点，顺次选取包含一定数目水准点的区段作为该工程路线的起始段，对起始段内各测段进行水准测量返测；经往、返测水准高差比较合格后，利用起始段内各测段GNSS大地高差与单程往测水准高差，计算得到测线方向各测段高程异常差Δζi以及测线方向高程异常差平均值
Figure BDA0001708520150000071
在本发明中，工程路线的起始段内的水准点数目为工程路线上全部水准点的1/20至1/5。测线方向各测段高程异常差Δζi的计算公式为：
Δζi＝ΔHGi-ΔHγi；
起始段测线方向高程异常差平均值
Figure BDA0001708520150000072
的计算公式为：
Figure BDA0001708520150000073
其中，i为起始段内的测段号；k为起始段内水准点的数目；ΔHGi为第i测段的GNSS大地高差；ΔHγi为第i测段的往测水准高差。
如图2所示，某公路工程一个区段的线路控制网由30个水准点(CP01,CP02,…,CP30)组成，两相邻水准点间距近似为500m左右，该控制网按四等GNSS平面控制测量观测得到各点的大地高，同时按四等水准测量精度进行高程测量；选取5个水准点间距离为起始段，起始段的水准点CP01至CP05之间进行四等水准测量往返观测，其余水准点间先进行单程水准测量。如表1所示，由起始段的水准点CP01至CP05各测段的大地高差和水准高差计算起始段测线方向测段高程异常差平均值
Figure BDA0001708520150000074
表1：某公路工程一个具有30个平高水准点的区段的线路控制网的相邻两点间高程异常差的观测值表。
Figure BDA0001708520150000075
Figure BDA0001708520150000081
步骤S30、对除起始段外的其它测段，直接利用两相邻水准点A、B间测段的GNSS大地高差与单程往测水准高差，计算得到两相邻水准点A、B间高程异常差ΔζAB；对于除起始段以外的其它测段，两相邻水准点A、B间高程异常差ΔζAB的计算公式为：
ΔζAB＝ΔHGAB-ΔHγAB；
其中，ΔHGAB为两相邻水准点A、B间测段的GNSS大地高差；ΔHγAB为两相邻水准点A、B间测段的往测水准高差。利用上述方法得到CP05至CP30中相邻两点间高程异常差ΔζAB的观测值，如表1所示。
步骤S40、根据两相邻水准点A、B间的测段距离、测线方向高程异常差ΔζAB和测线方向高程异常差平均值
Figure BDA0001708520150000091
的大小，计算该测段高程异常差较差δ(ΔζAB)和该测段高程异常差较差的限值δ(ΔζAB)限。两相邻水准点A、B间的测段高程异常差较差δ(ΔζAB)的计算公式为：
Figure BDA0001708520150000092
两相邻水准点A、B间的测段高程异常差较差的限值δ(ΔζAB)限的计算公式为：
Figure BDA0001708520150000093
其中，mΔ为规范中规定的相应等级每千米水准测量偶然中误差；
Figure BDA0001708520150000094
为相邻两个水准点A、B间大地高差的中误差；lAB为两相邻水准点A、B间测段的距离。
如图2的实施例中，四等水准测量每千米偶然中误差mΔ＝±5mm，相邻控制点A、B测段的距离lAB＝0.5km，大地高差的误差
Figure BDA0001708520150000095
则：
Figure BDA0001708520150000096
从而得到ΔζAB的允许区间为：
-24-12＜ΔζAB＜+24-12；
即：
-36mm＜ΔζAB＜+12mm。
步骤S50、比较测段该测段高程异常差较差δ(ΔζAB)和高程异常差较差的限值δ(ΔζAB)限，若δ(ΔζAB)≤δ(ΔζAB)限，则检验合格，无需进行水准测量返测，取单程观测高差作为该测段的高差观测值；否则，执行步骤S60；
步骤S60、对超限测段进行水准测量返测，若水准测量往返测高差较差符合规范限差要求，则取往测高差作为该测段的观测高差，否则，通过水准测量重新测量该测段的往测高差，如此循环，直至往返测高差较差符合限差要求时为止。
对照图2和表1，控制点CP05至CP30之间每相邻两点间被测段的高程异常差ΔζAB均介于限差区间[-36mm,+12mm]以内，因此无需进行水准测量返测，可取单程水准测量高差作为测段高差观测成果。
在本发明中，为了进一步减少水准测量工作量，在执行完步骤S10后，计算两个相邻已知水准点之间的往测水准高差与已知高差的不符值；
只有在不符值超过规范限差，或者规范规定的距离范围内没有另一个已知水准点可供附合连测，无法对水准点进行可靠性检验时，执行步骤S20至步骤S60；
如果不符值在规范限差以内，则直接取往测水准高差作为被测测段高差的观测值，不再执行步骤S20至步骤S60；从而达到减少水准测量工作量的目的。
在本发明中，要尽量保证在工程路线上水准点沿路线是近似均匀分布，即相邻两水准点之间的测段距离近似相等，这样利用本发明进行验合得到的水准点以及观测值的可靠性会更精准，如果工程路线上水准点沿路线分布不均匀，相邻两水准点之间的测段距离相差较大，会降低验合的准确度。
为了进一步提高验合结果的可靠性，在步骤S20中，利用起始段内各测段GNSS大地高差与单程往测水准高差，计算得到测线方向测段高程异常差Δζi、测线方向的高程异常变化率
Figure BDA0001708520150000101
以及测线方向的高程异常变化率的均值
Figure BDA0001708520150000111
并通过高程异常变化率的均值
Figure BDA0001708520150000112
计算两相邻水准点A、B间的测线方向高程异常差理论值
Figure BDA0001708520150000113
利用相邻水准点A、B间的测线方向高程异常差理论值
Figure BDA0001708520150000114
计算相邻水准点A、B间的测段高程异常差较差δ(ΔζAB)；此时，两相邻水准点A、B间的测段高程异常差较差δ(ΔζAB)的计算公式为：
Figure BDA0001708520150000115
可见，相邻水准点A、B间的测线方向高程异常差理论值
Figure BDA0001708520150000116
的计算公式为：
Figure BDA0001708520150000117
其中，测线方向的高程异常变化率的均值
Figure BDA0001708520150000118
的计算公式为：
Figure BDA0001708520150000119
测线方向的高程异常变化率
Figure BDA00017085201500001110
的计算公式为：
Figure BDA00017085201500001111
测线方向测段高程异常差Δζi的计算公式为：
Δζi＝ΔHGi-ΔHγi；
上述li为第i测段的距离；lAB为两相邻水准点A、B间测段的距离。
在本发明中，当工程路线较长时，为了保证水准测量结果的可靠性，将工程路线划分为若干个距离相等的区段路线，分别对区段路线进行水准测量；
在对第一个区段路线进行水准测量时，以第一个区段路线作为一个完整的工程路线，执行步骤S10至步骤S60，完成第一个区段路线水准测量；
在顺序对第二个区段路线至最后一个区段路线进行水准测量时，每个区段的起始段为：以与本区段邻接的前一个区段路线末端的某个水准点为起点，以本区段路线的起始水准点为终点，仅包含前一个区段路线上一定数目的水准点；这样由于相邻的前一个区段路线的水准点及其观测值已经检验合格，所以直接使用相邻的前一个区段路线的水准测量结果作为起始段数据，在步骤S20，就不再需要对起始段内各测段进行水准测量返测。依次类推，渐次完成全部区段路线单程水准测量成果的检核。这种利用相邻的前一个区段路线检验合格成果继续往前推进检核的方式，在保证水准测量结果的前提下，有效地减少了水准测量工作量。
本发明并不局限于上述最佳实施方式，任何人应该得知在本发明的启示下做出的结构变化，凡是与本发明具有相同或相近的技术方案，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种GNSS水准测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S10、按规范要求对工程路线进行单程水准测量，获得工程路线上相邻已知水准点之间各测段的单程往测水准高差；
步骤S20、以工程路线一端为起点，顺次选取包含一定数目水准点的区段作为该工程路线的起始段，对起始段内各测段进行水准测量返测；经往、返测水准高差比较合格后，利用起始段内各测段GNSS大地高差与单程往测水准高差，计算得到测线方向各测段高程异常差Δζi以及测线方向高程异常差平均值
Figure FDA0002582852320000011
测线方向测段高程异常差Δζi的计算公式为：
Δζi＝ΔHGi-ΔHγi；
测线方向高程异常差平均值
Figure FDA0002582852320000012
的计算公式为：
Figure FDA0002582852320000013
其中，i为起始段内的测段号；k为起始段内水准点的数目；ΔHGi为第i测段的GNSS大地高差；ΔHγi为第i测段的往测水准高差；
步骤S30、对除起始段外的其它测段，直接利用两相邻水准点A、B间测段的GNSS大地高差与单程往测水准高差，计算得到两相邻水准点A、B间高程异常差ΔζAB，两相邻水准点A、B间高程异常差ΔζAB的计算公式为：
ΔζAB＝ΔHGAB-ΔHγAB；
其中，ΔHGAB为两相邻水准点A、B间测段的GNSS大地高差；ΔHγAB为两相邻水准点A、B间测段的往测水准高差；
步骤S40、根据两相邻水准点A、B间的测段距离、测线方向高程异常差ΔζAB和测线方向高程异常差平均值
Figure FDA0002582852320000014
的大小，计算该测段高程异常差较差δ(ΔζAB)和该测段高程异常差较差的限值δ(ΔζAB)限，两相邻水准点A、B间的测段高程异常差较差δ(ΔζAB)的计算公式为：
Figure FDA0002582852320000021
两相邻水准点A、B间的测段高程异常差较差的限值δ(ΔζAB)限的计算公式为：
Figure FDA0002582852320000022
其中，mΔ为规范中规定的相应等级每千米水准测量偶然中误差；
Figure FDA0002582852320000023
为相邻两个水准点A、B间大地高差的中误差；lAB为两相邻水准点A、B间测段的距离；
步骤S50、比较该测段高程异常差较差δ(ΔζAB)和高程异常差较差的限值δ(ΔζAB)限，若δ(ΔζAB)≤δ(ΔζAB)限，则取单程观测高差作为该测段的高差观测值；否则，执行步骤S60；
步骤S60、对超限测段进行水准测量返测，若水准测量往返测高差较差符合规范限差要求，则取往测高差作为该测段的观测高差，否则，通过水准测量重新测量该测段的往测高差，如此循环，直至往返测高差较差符合限差要求时为止。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在工程路线上水准点沿路线均匀分布。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在执行步骤S10后，计算两个相邻已知水准点之间的往测水准高差与已知高差的不符值；
如果不符值在规范限差以内，则直接取往测水准高差作为被测测段高差的观测值，不再执行步骤S20至步骤S60；
如果不符值超过规范限差或者规范规定的距离范围内没有另一个已知水准点可供附合连测，再执行步骤S20至步骤S60。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，当工程路线上水准点沿路线分布不均匀时，在步骤S20中，利用起始段内各测段GNSS大地高差与单程往测水准高差，计算得到测线方向测段高程异常差Δζi、测线方向的高程异常变化率
Figure FDA0002582852320000031
及测线方向的高程异常变化率的均值
Figure FDA0002582852320000032
并通过高程异常变化率的均值
Figure FDA0002582852320000033
算两相邻水准点A、B间的测线方向高程异常差理论值
Figure FDA0002582852320000034
利用相邻水准点A、B间的测线方向高程异常差理论值
Figure FDA0002582852320000035
计算两相邻水准点A、B间的测段高程异常差较差δ(ΔζAB)；
测线方向测段高程异常差Δζi的计算公式为：
Δζi＝ΔHGi-ΔHγi；
测线方向的高程异常变化率
Figure FDA0002582852320000036
的计算公式为：
Figure FDA0002582852320000037
测线方向的高程异常变化率的均值
Figure FDA0002582852320000038
的计算公式为：
Figure FDA0002582852320000039
相邻水准点A、B间的测线方向高程异常差理论值
Figure FDA00025828523200000310
的计算公式为：
Figure FDA00025828523200000311
两相邻水准点A、B间的测段高程异常差较差δ(ΔζAB)的计算公式为：
Figure FDA00025828523200000312
其中，i为起始段内的测段号；k为起始段内水准点的数目；li为第i测段的距离；ΔHGi为第i测段的GNSS大地高差；ΔHγi为第i测段的往测水准高差；相邻水准点A、B间高程异常差ΔζAB＝ΔHGAB-ΔHγAB，ΔHGAB为两相邻水准点A、B间测段的GNSS大地高差，ΔHγAB为两相邻水准点A、B间测段的往测水准高差；lAB为两相邻水准点A、B间测段的距离。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，当工程路线较长时，将工程路线划分为若干个距离相等的区段路线，分别对区段路线进行水准测量；
在对第一个区段路线进行水准测量时，以第一个区段路线作为一个完整的工程路线，执行步骤S10至步骤S60，完成第一个区段路线水准测量；
在顺序对第二个区段路线至最后一个区段路线进行水准测量时，每个区段的起始段为：以与本区段邻接的前一个区段路线末端的某个水准点为起点，以本区段路线的起始水准点为终点，仅包含前一个区段路线上一定数目的水准点；此时在步骤S20，不再对起始段内各测段进行水准测量返测。
6.根据权利要求1-5任一所述的方法，其特征在于，工程路线的起始段内的水准点数目为工程路线上全部水准点的1/20至1/5。
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