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前言
水利水电工程建设的各个阶段，对高程均有严格的要求。常规高程测量采用几何水准方法，辅以光电测距三角高程测量来实现。水利水电工程具有鲜明的行业特性，即山高谷狭、交通不便、植被茂密、国家水准点稀少，使得高程的施测不仅困难，而且费时、费力。 随着GPS（全球卫星定位系统）的发展，因其具有"高精度、高效益、高可靠性、高自动化"的优势，在水利水电工程中得以广泛应用。应用 GPS 测量技术可获得三维测量数据，其中平面测量技术日臻完善，高程测量技术由于其外界影响因素较多，且具有不确定性，比如计算软件、高程拟合方法的选择以及适用条件、误差来源等问题，一直未形成定论。有关测量规范对 GPS 高程测量的精度和方法也无明确的规定。水利水电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。 本文在介绍GPS高程测量原理及方法的基础上，结合水利水电工程的实际，对GPS高程测量的应用进行探讨，以期使GPS高程测量技术在水利水电工程建设中发挥更大的作用，从而真正实现GPS三维测量在水利水电工程测量中的应用。
由GPS相对定位得到的三维基线向量，通过GPS网平差，可以得到高精度的大地高差。如果网中有一点或多点具有精确的WGS-84坐标系的大地高程，则在GPS网平差后，可求得各GPS点的WGS-84大地高H84。 大地高是由地面点沿通过该点的椭球面法线到参考椭球面的距离，是一个几何量，不具有物理上的意义。 它通过与水准测量资料、重力测量资料等相结合，来确定测点的正常高，具有重要的意义。 但在实际应用中，地面点高程采用正常高系统。地面点的正常高Hr是地面点沿铅垂线至似大地水准面的距离。正常高系统为我国通用的高程系统，水利水电工程常用的1956年黄海高程系和1985国家高程基准，都是正常高系统。这种高程是通过水准测量来确定的。 其中ξ表示似大地水准面至椭球面间的高差，叫做高程异常，它是由地下物质及其密度分布不均匀产生的重力异常导致的。显然，如果知道了各GPS点的高程异常ξ值，则不难由各GPS点的大地高H84求得各GPS点的正常高Hr值。如果同时知道了各GPS点的大地高H84和正常高Hr，则可以求得各点的高程异常ξ。 实际上，很难获得高精度的高程异常，而GPS单点定位误差又较大，一般测区内缺少高精度的GPS基准点，GPS网平差后，很难得到高精度的大地高H84。所以很难应用上式精确的计算各GPS点正常高Hr。 精确计算各GPS点的正常高Hr，目前主要有GPS水准高程，GPS重力高程，GPS三角高程等方法。 2.1 GPS水准高程 目前，国内外用于GPS水准计算的各种方法主要有：绘等值线图法；解析内插法（包括曲线内插法、样条函数法和Akima法）；曲面拟和法（包括平面拟合法、多项式曲面拟合法、多面函数拟合法、曲面样条拟合法、非参数回归曲面拟和法和移动曲面法）。 1、绘等值线图法 这是最早的GPS水准方法。其原理是：设在某一测区，有m个GPS点，用几何水准联测其中n个点的正常高（联测水准的点称为已知点），根据GPS观测获得的点的大地高，可以求出n个已知点的高程异常。然后，选定适合的比例尺，按n个已知点的平面坐标（平面坐标经GPS网平差后获得），展绘在图纸上，并标注上相应的高程异常，再用1～5cm的等高距，绘出测区的等高异常图。在图上内插出未联测几何水准的(m-n)个点（未联测几何水准GPS的称为待求点），从而求出这些待求点的正常高。 2、解析内插法 当GPS点布设成测线时，可应用曲线内插法，求定待求点的正常高。其原理是：根据测线上已知点的平面坐标和高程异常，用数值拟合的方法，拟合出测线方向的似大地水准面曲线，再内插出待求点的高程异常，从而求出点的正常高。 3、曲面拟合法 当GPS点布设成一定区域面时，可以应用数学曲面拟合法求待定点的正常高。其原理是：根据测区中已知点的平面坐标和高程异常，用数值拟合法，拟合出测区似大地水准面，再内插出待求点的高程异常，从而求出正常高。 2.2 GPS重力高程 GPS重力高程是用重力资料求待定点的高程异常，结合GPS求出的大地高，再求出点的正常高。 2.3 GPS三角高程 GPS三角高程是在GPS点上加测各GPS点间的高度角（或天顶距）。利用GPS求出的边长，按三角高程测量公式计算GPS点间的高差，从而求出GPS点的正常高（或正高）的一种方法。
3 GPS 高程测量在生产实际中的应用情况
4 提高GPS水准精度的措施 4.1 提高大地高（差）测定的精度 大地高（差）测定的精度是影响GPS水准精度的主要因素之一。因此，要提高GPS水准的精度，必须有效地提高大地高（差）测定的精度，其措施主要有： 1、提高局部GPS网基线解算的起算点坐标的精度。 2、改善GPS星历的精度。 3、GPS 仪器要选择精度不低于基线精度 5mm+1ppm 、高程精度 10mm+2ppm ，性能较为稳定且受外界环境因素影响小的双频GPS接收机。 4、观测时应选择最佳的卫星分布。 5、减弱多路径误差和对流层延迟误差。 6、大于10km的GPS网点应实测气象参数。 4.2提高拟合计算的精度 拟合计算的精度与联测几何水准点的分布、密度以及拟合模型有关。提高拟合计算精度的方法有： 1、根据测区似大地水准面变化情况，合理地布设并选定足够的已知点。 2、根据不同测区，选用合适的拟合模型。对高差大于是100m的测区，一般要加地形改正。 3、对含有不同趋势地区的大测区，可采取分区计算的办法。 4、计算时，坐标取到米或10m，但高程异常应取到毫米。计算结果应由计算机绘出测区高程异常等值线图，以便分析测区高程异常变化情况，提高拟合计算精度。 4.3减小其它误差因素影响 比如 GPS 图形结构、电离层影响、外业施测过程中正确量取天线高等，最大程度地减少GPS测量误差影响。
5 结论 对于测区面积不大的平坦地区，特别是测区内高程异常的变化有规律的地区，在公共点分布均匀的情况下，多项式曲面拟合法能够达到比较理想的精度。只要用三等几何水准联测已知点，点位分布合理，点数足够，GPS水准可代替四等几何水准；即使是高山峡谷区的河流规划和库区控制网，只要合理的设计与施测，并采用恰当的数据处理模型，并施加地形改正，也可达到四等几何水准的精度，利用 GPS 测量技术可以做到同时完成平面、高程测量，充分发挥 GPS 测量方便、高效的优势，提高工作效率 |
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