[摘要]GPS水准法由于其在测量精度上的优势，在很多方面和领域都有过使用。文章就是从煤田高程控制测量的角度来探析GPS水准法的使用，首先探析了GPS水准法的基本原理，优势，然后结合具体的工程实践情况，以比较的方法展示了GPS水准法在煤田高程控制测量工作中的巨大作用，并对于其水准拟合方法的选择做了详细的解释和说明，在此基础上，探析了如何实现高程控制测量精度的策略，为更好的使用GPS水准法打下了坚实的基础。因此，本文对于如何开展煤田高程控制测量工作有着一定的借鉴意义。
[关键词]GPS水准法 系统 煤田高程 控制测量
全球定位系统，英文全称为Global Positioning System，缩写为GPS。其起初是美国第二代卫星导航定位系统，实现了全方位三维定位导航体系的建立，现在被很多行业和领域广泛使用。其布网简单快捷，成本消耗经济节约，测量精度准确高效，在平面控制测量作业中有着很广泛的使用。对于高程控制测量方面，虽然在很多方面有着很多的尝试和改进，但是依然存在需要完善的地方。尤其是在使用过程中，基于全球定位系统得到的高程往往都是相对于WGS-84 椭球系的大地高H84，也就是说显示的只是地面店沿着法线方向到参考椭球面的距离，再加上我国都使用的是正常的高系统，从而使得GPS在应用过程中缺乏有效的物理意义，难以直接被使用到各项高程工程中去。在这样的情况下， GPS 水准法应运而生，可以完美的实现高程精度水准网的建设工作。文章以具体的某预查区为参考背景，开展全球定位系统水准法去开展高程测量工作。
1GPS水准法的概况
1.1GPS的优势所在
GPS之所以得到很多领域的使用，是因为其在很多方面发挥了巨大的作用。详细来讲其具备以下几方面的优势：其一，覆盖范围全球化，在卫星数量不断增加，分布不断优化的背景下，无论在哪一点都可以实现四颗卫星的定位，实现了空间和时间的突破；其二，功能多样化，无论是什么需求的客户，全球定位系统都可以依据其要求的不同反映出不同的定位信息，实现了功能上的多样性；其三，精度高效化，由于GPS接收机的高性能，使得其能够在差分矫正信息上发挥一定的积极作用；其四，定位速度化，只要有相关设备，即使连接以一秒钟的实践，也能够实现有效的定位；其五， 抗干扰性强，安全性能好，在伪码扩频技术背景下，卫星的信号可以很好的实现接收，并且保证了安全性。
1.2GPS水准法的基本原理
在高程系统环境下，一般都会使用两个高值：其一，大地高；其二，正常高。其中的大地高是指WGS-84 椭球系下的GPS 高，以WGS-84 椭球体面为基准，由地面点沿通过该点的椭球面法线到WGS-84 椭球体面的距离。其中的正常高是以似大地水准面为基准的高程系统，由地面点沿该点的铅垂线至似大地水准面的距离，这是我国高程测量环境下使用的高值。至于两者之间的关系我们可以通过图示1理解：
由上述图示中我们可以得出以下几方面的结论：其一，如果将大地水准面到地球椭球面的距离，称为大地水准面差距，并且记为N的话，大地高与正高之间的关系可表示为：H = Hg + N；其二，如果将似大地水准面和地考椭球面之间的距离，称为高程异常，并且记为ζ的话，大地高与正常高之间的关系可表示为：H = Hγ + ζ 。由此我们去实现大地高向正常高转换的时候，需要将主要精力集中在求取大地高H84与正常高Hr之间的差值，我们把这个取值叫做是高程异常值 ζ，其基本转换公式也可以这样写： Hr = H84 - ζ。为了计算出此区域的各点高程异常，可以使用水准测量的方式去实现正常高的界定，在得出各个公共点的高程异常取值之后，应该使用公共点的高程异常值和平面坐标开展数值的拟合，并在此基础上实现似大地水准面的界定，并结合上述公式计算出各个点的正常高，在此过程的操作方式就是全球定位系统水准法的要义。
2工程实践情况
我们以某煤田预查区域为例，其勘探区域的东西长度为8 ～ 9 km，南北宽约6 km，呈现出北低南高的特点，其两者之间高度差距为108. 2 m。为了能够有效的实现煤田地质勘查工作，在区域布设了E级GPS控制网，总计测试点为50个，以合理的距离分布在测试区域范围内部。另外，为了保证高程数据的高精度，也在区域内设置了四等水准，并联测了43个E级GPS点，保证其都符合相关标准和规范。同时为了有效的处理好控制点分布和拟合高程精度之间的关系，假定了水准高程H是真，再选取3组高程控制点，在软件的曲面拟合效果下，实现两者之间的对比。其详细的情况可以参见下面的表1。
综合上述表格信息，我们可以看到以方案3是比较精确的，高程误差也是比较小的，相对来讲是比较合理的方案。依据《地质矿产勘查测量规范》，各等级水准网最弱点高程中误差，对起始点不大于0. 05 m。由计算的数据可以看出上述方案三是满足这样的基本原则的。因为从理论上来讲，能够对于高程精度产生影响的主要由以下几个方面的内容：其一，在高程控制点距离一定的情况下，就要合理的控制其范围，保证其处于均匀的分布状态，方案3就是均匀分布在整个测试区域，并保证点位之间的距离，使得精度呈现出理想的状态，而方案1和2显然在这方面难以与方案3比拟。
3GPS水准拟合方法的选择
在目前的GPS作业过程中，水准法是使用比较普遍的方法。而用于高程计算的方法主要可以分为曲线拟合法、多项式曲面拟合法、移动法、地形改正法等。上述几种拟合方法各有各的优势，在各个领域都有着广泛的使用，需要我们坚持具体问题具体分析的原则，有针对性的使用相应的拟合方法，从而实现有效数据结果的获取。一般情况下，如果GPS点沿道路，管线等线状地物体分布的话，我们可以使用多项式曲线拟合法；如果测线比较长，点数较多，高程异常变化程度比较大的话，就可以适当的使用三次样条曲线拟合法，其会在精度上有着很好的表现。从上述煤田预查区实际看，控制点呈片状分布，不适宜采用曲线拟合法，而应采用曲面拟合法。在计算中采用多项式曲面拟合法。曲面拟合法是利用拟合区域内多个重合点（ GPS /水准） ，建立2 个不同基准的地面曲面模型，并充分考虑模型所含的各种误差改正，采用一个多项式曲面来拟合出该区域的似大地水准面的方法。
[关键词]GPS水准法 系统 煤田高程 控制测量
全球定位系统，英文全称为Global Positioning System，缩写为GPS。其起初是美国第二代卫星导航定位系统，实现了全方位三维定位导航体系的建立，现在被很多行业和领域广泛使用。其布网简单快捷，成本消耗经济节约，测量精度准确高效，在平面控制测量作业中有着很广泛的使用。对于高程控制测量方面，虽然在很多方面有着很多的尝试和改进，但是依然存在需要完善的地方。尤其是在使用过程中，基于全球定位系统得到的高程往往都是相对于WGS-84 椭球系的大地高H84，也就是说显示的只是地面店沿着法线方向到参考椭球面的距离，再加上我国都使用的是正常的高系统，从而使得GPS在应用过程中缺乏有效的物理意义，难以直接被使用到各项高程工程中去。在这样的情况下， GPS 水准法应运而生，可以完美的实现高程精度水准网的建设工作。文章以具体的某预查区为参考背景，开展全球定位系统水准法去开展高程测量工作。
1GPS水准法的概况
1.1GPS的优势所在
GPS之所以得到很多领域的使用，是因为其在很多方面发挥了巨大的作用。详细来讲其具备以下几方面的优势：其一，覆盖范围全球化，在卫星数量不断增加，分布不断优化的背景下，无论在哪一点都可以实现四颗卫星的定位，实现了空间和时间的突破；其二，功能多样化，无论是什么需求的客户，全球定位系统都可以依据其要求的不同反映出不同的定位信息，实现了功能上的多样性；其三，精度高效化，由于GPS接收机的高性能，使得其能够在差分矫正信息上发挥一定的积极作用；其四，定位速度化，只要有相关设备，即使连接以一秒钟的实践，也能够实现有效的定位；其五， 抗干扰性强，安全性能好，在伪码扩频技术背景下，卫星的信号可以很好的实现接收，并且保证了安全性。
1.2GPS水准法的基本原理
在高程系统环境下，一般都会使用两个高值：其一，大地高；其二，正常高。其中的大地高是指WGS-84 椭球系下的GPS 高，以WGS-84 椭球体面为基准，由地面点沿通过该点的椭球面法线到WGS-84 椭球体面的距离。其中的正常高是以似大地水准面为基准的高程系统，由地面点沿该点的铅垂线至似大地水准面的距离，这是我国高程测量环境下使用的高值。至于两者之间的关系我们可以通过图示1理解：
由上述图示中我们可以得出以下几方面的结论：其一，如果将大地水准面到地球椭球面的距离，称为大地水准面差距，并且记为N的话，大地高与正高之间的关系可表示为：H = Hg + N；其二，如果将似大地水准面和地考椭球面之间的距离，称为高程异常，并且记为ζ的话，大地高与正常高之间的关系可表示为：H = Hγ + ζ 。由此我们去实现大地高向正常高转换的时候，需要将主要精力集中在求取大地高H84与正常高Hr之间的差值，我们把这个取值叫做是高程异常值 ζ，其基本转换公式也可以这样写： Hr = H84 - ζ。为了计算出此区域的各点高程异常，可以使用水准测量的方式去实现正常高的界定，在得出各个公共点的高程异常取值之后，应该使用公共点的高程异常值和平面坐标开展数值的拟合，并在此基础上实现似大地水准面的界定，并结合上述公式计算出各个点的正常高，在此过程的操作方式就是全球定位系统水准法的要义。
2工程实践情况
我们以某煤田预查区域为例，其勘探区域的东西长度为8 ～ 9 km，南北宽约6 km，呈现出北低南高的特点，其两者之间高度差距为108. 2 m。为了能够有效的实现煤田地质勘查工作，在区域布设了E级GPS控制网，总计测试点为50个，以合理的距离分布在测试区域范围内部。另外，为了保证高程数据的高精度，也在区域内设置了四等水准，并联测了43个E级GPS点，保证其都符合相关标准和规范。同时为了有效的处理好控制点分布和拟合高程精度之间的关系，假定了水准高程H是真，再选取3组高程控制点，在软件的曲面拟合效果下，实现两者之间的对比。其详细的情况可以参见下面的表1。
综合上述表格信息，我们可以看到以方案3是比较精确的，高程误差也是比较小的，相对来讲是比较合理的方案。依据《地质矿产勘查测量规范》，各等级水准网最弱点高程中误差，对起始点不大于0. 05 m。由计算的数据可以看出上述方案三是满足这样的基本原则的。因为从理论上来讲，能够对于高程精度产生影响的主要由以下几个方面的内容：其一，在高程控制点距离一定的情况下，就要合理的控制其范围，保证其处于均匀的分布状态，方案3就是均匀分布在整个测试区域，并保证点位之间的距离，使得精度呈现出理想的状态，而方案1和2显然在这方面难以与方案3比拟。
3GPS水准拟合方法的选择
在目前的GPS作业过程中，水准法是使用比较普遍的方法。而用于高程计算的方法主要可以分为曲线拟合法、多项式曲面拟合法、移动法、地形改正法等。上述几种拟合方法各有各的优势，在各个领域都有着广泛的使用，需要我们坚持具体问题具体分析的原则，有针对性的使用相应的拟合方法，从而实现有效数据结果的获取。一般情况下，如果GPS点沿道路，管线等线状地物体分布的话，我们可以使用多项式曲线拟合法；如果测线比较长，点数较多，高程异常变化程度比较大的话，就可以适当的使用三次样条曲线拟合法，其会在精度上有着很好的表现。从上述煤田预查区实际看，控制点呈片状分布，不适宜采用曲线拟合法，而应采用曲面拟合法。在计算中采用多项式曲面拟合法。曲面拟合法是利用拟合区域内多个重合点（ GPS /水准） ，建立2 个不同基准的地面曲面模型，并充分考虑模型所含的各种误差改正，采用一个多项式曲面来拟合出该区域的似大地水准面的方法。
4如何提高GPS水准计算的精度
综合上述内容我们看到GPS水准法的主要优势在于其准确性上，如何有效的提高其计算精度就成了比较关键的内容。对此，我们可以从以下几个方面入手：其一，在开展全球定位系统高程转换的情况下，要保证已知点均匀的分布到整个测试区域，使得其有着比较鲜明的代表作用，此时是不管数量多少都要保证其均匀性；其二，如果测试区域的范围比较大，就需要结合实际情况开展分区的高程转化方式，这种方式往往难度比较大，建议不要使用，最好的是使用移动模型的方式去实现一定区域已知点模型的建立，保证其转换点在位置上的变换；其三，在选择众多的模型的时候，应该坚持首先选择综合性较强的模型，避免选择其它类型的模型；其四，如果出现参与计算的数据出现不正确的时候，应该注重使用抗差的方法，对于粗差数据进行处理之后再开展显著性检验，从而获得最理想的模型状态。
5结束语
结合上述实践生产经验，我们明显的看到GPS水准法能够在煤田测量工作中发挥巨大的作用。相对于传统的测量方式，其在精度上更加准确，在效率上更加的理想，在综合效益上更加的符合现代化发展需求。文章以具体的某预查区为参考背景，开展全球定位系统水准法去开展高程测量工作。从这个角度来讲，我们应该积极探析如何更加高效的将GPS水准法使用到煤田高程测量工作中去，从而更好的发挥其在煤田高程测量工作中的效能，为煤田事业的发展做出巨大的贡献。
参考文献
[1] 车延国. GPS高程水准拟合模型与精度分析[J]. 辽宁工程技术大学学报（自然科学版）. 2008（01）.
[2] 朱增锋，魏向辉，张红娟. GPS-RTK高差测量代替四等水准可行性的探讨[J]. 山西建筑. 2012（08）.
[3] 张昊，王琪洁，朱建军，张晓红. 样本数据预处理对基于BP神经网络的GPS高程拟合的影响[J]. 大地测量与地球动力学. 2011（02）.
[4] 王新志，杨志强，王兴国，陈涛. 基于BP神经网络的厦门集美大桥高程传递的设计与实现[J]. 南京信息工程大学学报（自然科学版）. 2010（05）.
[5] 曹月玲，王解先. 利用球冠谐分析拟合GPS水准高程[J]. 武汉大学学报（信息科学版）. 2008（07）.
综合上述内容我们看到GPS水准法的主要优势在于其准确性上，如何有效的提高其计算精度就成了比较关键的内容。对此，我们可以从以下几个方面入手：其一，在开展全球定位系统高程转换的情况下，要保证已知点均匀的分布到整个测试区域，使得其有着比较鲜明的代表作用，此时是不管数量多少都要保证其均匀性；其二，如果测试区域的范围比较大，就需要结合实际情况开展分区的高程转化方式，这种方式往往难度比较大，建议不要使用，最好的是使用移动模型的方式去实现一定区域已知点模型的建立，保证其转换点在位置上的变换；其三，在选择众多的模型的时候，应该坚持首先选择综合性较强的模型，避免选择其它类型的模型；其四，如果出现参与计算的数据出现不正确的时候，应该注重使用抗差的方法，对于粗差数据进行处理之后再开展显著性检验，从而获得最理想的模型状态。
5结束语
结合上述实践生产经验，我们明显的看到GPS水准法能够在煤田测量工作中发挥巨大的作用。相对于传统的测量方式，其在精度上更加准确，在效率上更加的理想，在综合效益上更加的符合现代化发展需求。文章以具体的某预查区为参考背景，开展全球定位系统水准法去开展高程测量工作。从这个角度来讲，我们应该积极探析如何更加高效的将GPS水准法使用到煤田高程测量工作中去，从而更好的发挥其在煤田高程测量工作中的效能，为煤田事业的发展做出巨大的贡献。
参考文献
[1] 车延国. GPS高程水准拟合模型与精度分析[J]. 辽宁工程技术大学学报（自然科学版）. 2008（01）.
[2] 朱增锋，魏向辉，张红娟. GPS-RTK高差测量代替四等水准可行性的探讨[J]. 山西建筑. 2012（08）.
[3] 张昊，王琪洁，朱建军，张晓红. 样本数据预处理对基于BP神经网络的GPS高程拟合的影响[J]. 大地测量与地球动力学. 2011（02）.
[4] 王新志，杨志强，王兴国，陈涛. 基于BP神经网络的厦门集美大桥高程传递的设计与实现[J]. 南京信息工程大学学报（自然科学版）. 2010（05）.
[5] 曹月玲，王解先. 利用球冠谐分析拟合GPS水准高程[J]. 武汉大学学报（信息科学版）. 2008（07）.
