似大地水準(zhǔn)面精化成果在地質(zhì)工程測(cè)量中的應(yīng)用探討

■杜炳輝

（中國(guó)地震局第二監(jiān)測(cè)中心陜西西安710054）

似大地水準(zhǔn)面精化成果在地質(zhì)工程測(cè)量中的應(yīng)用探討

■杜炳輝

（中國(guó)地震局第二監(jiān)測(cè)中心陜西西安710054）

地質(zhì)工程測(cè)量是地質(zhì)勘查中一項(xiàng)重要的基礎(chǔ)工作。因而，在地質(zhì)工程測(cè)量中運(yùn)用合理而科學(xué)的測(cè)量方法顯得尤為重要。似大地水準(zhǔn)面精化成果用于高程系統(tǒng)的起算面，具有高精度，三維性，動(dòng)態(tài)性，多功能的特點(diǎn)。將其運(yùn)用在地質(zhì)工程測(cè)量中獲得其高程成果變得十分可取。一方面，可以保證測(cè)量結(jié)果的高程精度；另一方面，可以減少一定程度的工作量，降低測(cè)量成本，取得可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

似大地水準(zhǔn)面；精化；地質(zhì)工程測(cè)量；高程異常

1　似大地水準(zhǔn)面的簡(jiǎn)述

似大地水準(zhǔn)面又稱為重力等位面，從嚴(yán)格意義的角度來(lái)講，它和大地水準(zhǔn)面相近，但不是大地水準(zhǔn)面，似大地水準(zhǔn)面一直以來(lái)是被用作輔助面來(lái)進(jìn)行計(jì)算，是前蘇聯(lián)地球物理學(xué)家、測(cè)量學(xué)家莫洛琴斯基在對(duì)地球外形構(gòu)造進(jìn)行研究的時(shí)候提出的一個(gè)輔助面，該輔助面是與大地水準(zhǔn)面十分接近且在海洋上完全重合。在大陸上有微小區(qū)別的曲面，大地水準(zhǔn)面是正常高端點(diǎn)的起算面。

區(qū)域似大地水準(zhǔn)面精化是通過(guò)運(yùn)用GPS水準(zhǔn)測(cè)量，地形資料，重力場(chǎng)模型等，再加以相應(yīng)的算法確立起來(lái)的似大地水準(zhǔn)面。區(qū)域似大地水準(zhǔn)面精化，不僅可以建立與國(guó)家大地測(cè)量坐標(biāo)一致的精確的區(qū)域似大地水準(zhǔn)面高程控制框架，而且可以放棄以往步驟繁瑣的老方法，而選用GPS定位技術(shù)，是測(cè)量成果的獲取工作更加快速便捷。

2　國(guó)內(nèi)似大地水準(zhǔn)面精化的成果分析

通過(guò)分析國(guó)內(nèi)外似大地水準(zhǔn)面精化成果，我們發(fā)現(xiàn)，中國(guó)的似大地水準(zhǔn)面精化和分辨率與世界先進(jìn)水平仍有很大差距，主要原因是重力數(shù)據(jù)、GPS及水準(zhǔn)數(shù)據(jù)的密度不夠高，精度也不夠好。如果想要達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，首先要在我國(guó)部分發(fā)展較快、經(jīng)濟(jì)條件較好的省市和地區(qū)建立高精度、高分辨率的似大地水準(zhǔn)面模型，并且逐步加以推廣，進(jìn)而建立國(guó)家級(jí)的數(shù)據(jù)模型，提高整體精度，為國(guó)家的經(jīng)濟(jì)建設(shè)發(fā)揮強(qiáng)大作用。

3　似大地水準(zhǔn)面精化成果在地質(zhì)工程測(cè)量中的應(yīng)用

3.1精化似大地水準(zhǔn)面的方法

如今主要用于精化似大地水準(zhǔn)面的方法有三種：重力學(xué)法、利用天文技術(shù)的幾何法、前兩個(gè)結(jié)合起來(lái)的組合法。

當(dāng)前，關(guān)于局部大地水準(zhǔn)面的精化，大多都是采用的組合法。目的是精化區(qū)域性大地水準(zhǔn)面，組合法是以GPS水準(zhǔn)技術(shù)確定的精度高但分辨率較低的幾何大地水準(zhǔn)面作為控制模板，讓其和分辨率高但精度較低的重力大地水準(zhǔn)面用重力學(xué)的方法進(jìn)行擬合。

3.2確定似大地水準(zhǔn)面方法的差異

經(jīng)過(guò)收集的數(shù)據(jù)以及相關(guān)分析，我們得出：基于貝葉斯正規(guī)化理論的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)擬合精度最高，而且殘差分布比較均勻，高程異常精度一般在2.7cm以內(nèi)；二階多項(xiàng)式法和多面函數(shù)法的精度相當(dāng)，精度一般在3.6cm;加權(quán)平均法的擬合效果是幾個(gè)當(dāng)中最差的，精度一般在12.8cm,且殘差分布非常不均勻，最大殘差值達(dá)到36cm[2]。

3.3作業(yè)案例

（1）所謂的高程異常ζ指的是似大地水準(zhǔn)面與大地高之間的差值，正常高可以記為h,大地高記為H,則其相互關(guān)系如下式：

ζ=H～h(1.1)，該系統(tǒng)為我國(guó)通用的高程參考系統(tǒng)。

（2）對(duì)點(diǎn)的高程異常進(jìn)行排查，等值線圖的精度很大程度上決定了計(jì)算的精度，利用等值線圖法在高程異常圖或大地水準(zhǔn)面差距圖分別檢查。

（3）計(jì)算GPS高程擬合的時(shí)候，通常采用的方法是曲面擬合法。

3.3.1作業(yè)數(shù)據(jù)

本文通過(guò)某大型水利工程前期地質(zhì)勘查測(cè)量時(shí)，GPS控制網(wǎng)實(shí)際案例對(duì)該地區(qū)似大地水準(zhǔn)面成果待定點(diǎn)的大地高H轉(zhuǎn)換為正常高h(yuǎn)，從而完成GPS高程轉(zhuǎn)換計(jì)算。

從統(tǒng)計(jì)的基線比率，參考變量和RMS精度分析可知，各條基線向量解算精度良好，完全達(dá)到D級(jí)GPS控制網(wǎng)的精度要求。

3.3.2平差計(jì)算

在WGS～84坐標(biāo)系下，以聯(lián)測(cè)的高等級(jí)GPS控制點(diǎn)三維坐標(biāo)作為起算依據(jù)，進(jìn)行三維約束平差計(jì)算，獲取待求點(diǎn)WGS～84坐標(biāo)系下的三維坐標(biāo)成果（B.L.H）和各種平差精度信息。三維約束平差后三維坐標(biāo)精度對(duì)特定地點(diǎn)的似大地水準(zhǔn)面高程進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換計(jì)算，GPS正常高h(yuǎn)與同名點(diǎn)二等水準(zhǔn)測(cè)量所獲得的水準(zhǔn)正常高Hg進(jìn)行互差檢核，以互差的中誤差作為本次GPS高程轉(zhuǎn)換的精度指標(biāo)。

3.4轉(zhuǎn)化分析

為簡(jiǎn)化計(jì)算，將待定點(diǎn)二等水準(zhǔn)測(cè)量所獲取的正常高h(yuǎn)認(rèn)為是真值，將GPS正常高Hg于同名點(diǎn)h求差。計(jì)算公式：m=√±[vv]/n。

經(jīng)計(jì)算得到似大地水準(zhǔn)面高程轉(zhuǎn)換成果與二等水準(zhǔn)測(cè)量成果互差的誤差為±4.5cm,即GPS高程轉(zhuǎn)換精度為±4.5cm，符合規(guī)范要求，高程轉(zhuǎn)換結(jié)果客觀可靠。

值得注意的是，在GPS水準(zhǔn)法中，數(shù)值逼近模型具有模型簡(jiǎn)單，計(jì)算速度快，操作性強(qiáng)，但是模型難以“準(zhǔn)確”地表征逼近場(chǎng)的一切特征。同時(shí)數(shù)值逼近模型是在一定的假設(shè)上計(jì)算的，即測(cè)區(qū)地勢(shì)平坦，但如果測(cè)區(qū)的地勢(shì)不平坦，這個(gè)假設(shè)就不能成立。除此之外，模型和實(shí)際情況的不同之處也會(huì)帶來(lái)影響，而這些影響會(huì)為后來(lái)的估值帶來(lái)誤差[4]?；谪惾~斯正規(guī)化理論的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法有很好的容錯(cuò)性，能降低未知因素的影響，減少模型誤差，同時(shí)有較強(qiáng)的泛化能力。

4　似大地水準(zhǔn)面精化成果的優(yōu)越性

經(jīng)過(guò)生產(chǎn)實(shí)踐證明，似大地水準(zhǔn)面精化成果其測(cè)量結(jié)果的精確性高,可靠度強(qiáng)，區(qū)域性的精化精度完全可以滿足相關(guān)測(cè)量技術(shù)要求，為城市建設(shè)的數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、信息化提供可靠的地理信息數(shù)據(jù)，以及工程建設(shè)方面提供高精度、多功能的測(cè)繪保障。

另外，其作業(yè)效率高，經(jīng)過(guò)似大地水準(zhǔn)面插值獲得正常高的方法完全可以替代低等級(jí)的水準(zhǔn)測(cè)量，減少野外工作量，降低生產(chǎn)成本，數(shù)據(jù)共享，避免重復(fù)工作，為區(qū)域性建設(shè)的國(guó)土資源管理部門提供歷史數(shù)據(jù)的對(duì)比分析，以及土地資源利用綜合統(tǒng)計(jì)分析和結(jié)果輸出等應(yīng)用[3]。

5　結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過(guò)以上似大地水準(zhǔn)面精化結(jié)果的分析，我們總結(jié)出：似大地水準(zhǔn)面精化成果的合理使用，不僅可以保證高精度、高效率的高程數(shù)據(jù)，而且在高程成果稀少或不能完全覆蓋整個(gè)測(cè)區(qū)的地質(zhì)工程測(cè)量時(shí)，經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換計(jì)算即可得到達(dá)到預(yù)期的高程結(jié)果精度[5]，體現(xiàn)出良好的效果。

[1]張忠龍.地形復(fù)雜地區(qū)似大地水準(zhǔn)面精化研究 [D].昆明理工大學(xué),2014,5(13):541.

[2]董書(shū)曉.局部大地水準(zhǔn)面精化組合模型對(duì)比研究 [D].昆明理工大學(xué),2014,4(1):35～36.

[3]陳亮，隋心.礦區(qū)似大地水準(zhǔn)面精化成果的檢核與應(yīng)用 [J].露天采礦技術(shù),2015,2 (15):40～41.

[4]景云.山西省似大地水準(zhǔn)面的確定研究 [J].科技情報(bào)開(kāi)發(fā)與經(jīng)濟(jì).2008(24).

[5]洪鎮(zhèn)填,唐力明,林鐵.清遠(yuǎn)市清城區(qū)似大地水準(zhǔn)面的精密確定 [J].測(cè)繪工程.2008 (04).

P624文獻(xiàn)碼]B

1000～405X（2016）～4～321～1