水準測量的基準面和高程的高度

水準測量的基準面和高程的高度

在建筑、航空、道路、水利等基礎建設中，測量發(fā)揮著重要作用。首先，確定建筑物控制的點和高度。事實上，建筑物測量是確定地面點和三維坐標的。在房屋的正常測量中，由于范圍較小，包括平面坐標和高距離測量，可以通過相對坐標和區(qū)域坐標進行測量和采樣。對于大型節(jié)水道路和公路的測量，有必要根據(jù)第一步來確定基本高程的三維坐標。此外，gps和空間科學的發(fā)展包括空間測量、航空測量和其他技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展。平面控制測量的技術(shù)和精度越來越高,本文就水準測量的基準進行探討。在測量中首先必須定位測量點的平面坐標和水準高程,而水準高程的起算面在哪里,水準高程又是如何傳遞和引點的,這時就有一個原始的水準面的概念,那么這個水準面又是什么,本文就以大家所熟知的高程測量體系逐漸剖析水準高程測量的基礎。在我國現(xiàn)行的測量規(guī)范和測量中,一共有兩套系統(tǒng),一種是采用1956年青島驗潮站黃海平均海平面作為我國統(tǒng)一的高程基準面,在1988年的時候又采用了1985國家高程基準。我們知道大地測量所研究的水準面是在整體上非常接近于地球自然表面的水準面,在地球表面由于海洋表面占到地表面積的71%,所以假設的水準面與海洋平面相重合,這個虛擬的水準面不受潮汐、風浪及天氣、大氣氣壓等各種環(huán)境因素的影響,并且延伸到大陸下面各個與鉛垂線垂直的水準面,這個水準面就是大地水準面,它是一個假想的無褶皺,無棱角的連續(xù)封閉曲面,這個假設的水準面是理想狀態(tài)下的水準面,無法通過普通的測量手段得到,那么我們實際測量所應用的是正常重力位的重力等位面。地球上的任何質(zhì)點,都受到地球引力和由于地球自轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的離心力的共同作用,當然它還要受到宇宙中其他天體如月球、太陽或其他天體等的引力,但這些引力可以說是微乎其微的,地球上任意質(zhì)點的重力其實就是地球引力與離心力的合力,當給出力學引力常數(shù)值,我們就可以得到一個簇曲面,這些不同的常數(shù)值得到的簇曲面稱為重力等位面,也就是所謂的水準面,可以說水準面是無窮多個的,其中我們將完全靜止的海平面所形成的重力等位面稱作大地水準面。地球上質(zhì)點的重力位的計算公式,由本式可知,要精確計算出地球上一點的重力位,必須知道地表面積形狀及內(nèi)部物質(zhì)密度,地球表面形狀是測量的目標和意義,而對于其內(nèi)部物質(zhì)的密度,由于地球表面及內(nèi)部是很不規(guī)則的,甚至是無法量測的,以目前的科學技術(shù)還是無法達到的,所以在此我們引進了正常重力位。地球的正常體型應該是扁球狀均質(zhì)體,而等密度面和等壓面就與水準面合二為一,正常體型的流體靜力平衡狀態(tài)必須通過對地球?qū)嶋H質(zhì)量進行重新組合來建立,這樣形成的地球模型稱為正常扁球,正常重力場通過表征點扁率等展開級數(shù)而簡化可以得到普通的正常重力位。我們普通測量所謂的高程就是地面點到大地水準面的高度,大地高其實是由兩部分組成的,即地形高和大地水準面的高,從上面所述重力等位面也就是大地水準面相互之間是不平行的,而普通的水準測量其實是幾何水準,依據(jù)的是平行原理測量高差的,普通水準測量如果經(jīng)過不同的水準路線測得的相同點的高程也會不同,所以同一個點的高程也不是唯一確定的,產(chǎn)生了多值性,在此我們假設水準路線由1點經(jīng)2點測出3點高程,再經(jīng)由4點返回1點所組成的閉合水準路線,相對于1點-2點-3點的幾何高差并不等于3點-4點-1點的高差。即使水準測量無誤差,但水準環(huán)線閉合差也不等于零,由水準面不平行引起的閉合回路閉合差為理論閉合差,為解決這一問題,引入了三種高程系統(tǒng)即:正高,正常高及力高高程。正高就是地面點到大地水準面的高差,正常高是地面點到似大地水準面的高差,習慣上將正常高作為基準面高程,正常高的起算面為似大地水準面,即由地面點沿垂線向下至似大地水準面之間的距離,也就是我們普遍俗稱的高程。正常高系統(tǒng)就是將正高系統(tǒng)中不能精確測定的gmb用正常重力rmb代替。。其中,g為由水準測量路線重力測量所得;dh為水準測量的高差;rmb為按照正常重力算得的正常重力平均值,其數(shù)值不隨水準路線的差異而差異,是唯一確定的,再計算兩點高差公式:。其中,ξ為正常位水準面不平行引起的高差改正;λ為由重力異常引起的高差改正,經(jīng)過對ξ和λ兩項指數(shù)的改正后的高差稱為正常高高差,正常高就是地面點到似大地水準面的高差,似大地水準面是地面點沿鉛垂線方向向下量取正常高所得的點形成的連續(xù)曲面,它不是水準面只是用來計算的輔助面,且與大地水準面不完全重合。下面介紹似大地水準面的測量及計算校核步驟和方法。第一步是收集測區(qū)內(nèi)的一二三等水準及重力資料。周邊地區(qū)的加密重力測量資料及測區(qū)范圍內(nèi)的30″″×30″″DEM與2.5’×2.5’格網(wǎng)平均高程資料,作為似大地水準面精化的已知數(shù)據(jù)。第二步是基準的選取,包括空間基準、高程基準、重力基準。第三步是進行GPS點/水準點/重力點聯(lián)測布網(wǎng),在區(qū)域內(nèi)布設的所有GPS基準點、水準線路等,必須進行統(tǒng)一的平差數(shù)據(jù)處理,做到基準一致、精度均勻可靠。GPS點布設盡量重合已有的國家控制點和地方控制點,有利于求取國家坐標系與地方坐標系間轉(zhuǎn)換關(guān)系在重力資料不足的地方,按照平均1km2布設一個重力點原則實施。第四步是進行外業(yè)數(shù)據(jù)采集:對已布設的水準點和重力點進行外業(yè)測量,經(jīng)平差后上交內(nèi)業(yè)。第五步是大地水準面的計算,地面重力觀測值的歸算內(nèi)插形成格網(wǎng)地形均衡異常。第六步是利用DTM恢復格網(wǎng)平均空間重力異常。第七步是移去位模型重力異常生成殘差空間異常和殘差法異常。第八步是計算格網(wǎng)殘差重力大地水準面高與殘差高程異常。第九步是由位模型值恢復重力大地水準面高和高程異常,重力似大地水準面與GPS水準似大地水準面的符合。最后進行似大地水準面精化的檢核,利用GPS/水準點成果同最終確定的似大地水準面的殘差值作檢驗。分別使用WDM94模型、EGM96模型,計算殘差的最大值、平均差值、中誤差。大地水準面是大地測量基準之一,確定大地水準面是國家基礎測繪中的一項重要工程。大地水準面將我們平常的幾何大地測量與物理大地測量科學地結(jié)合起來,使人們在確定空