易 煉

(中鐵工程設(shè)計咨詢集團有限公司, 北京 100055)

當前,隨著GPS技術(shù)的發(fā)展和逐步成熟,GPS水準在工程測量領(lǐng)域的應用越來越廣泛,在地勢起伏不大的平原地區(qū),GPS水準的精度基本上能達到四等水準測量的精度,但在地勢起伏較大的山林地區(qū),GPS水準精度與工程測量的精度還存在一定差距。所以,進一步提高地勢起伏較大地區(qū)的GPS水準精度,將使GPS水準應用到更為廣泛的工程領(lǐng)域。

影響GPS水準精度的主要有兩個方面：一是重力場改正的中長波段；二是地形改正的短波段。通過地球重力場模型的介紹,借助三維顯示軟件腳本語言編程,將線路所經(jīng)過圖幅范圍內(nèi)的高程異常三維顯示出來,為GPS水準布點提供一定的指導,使得布設(shè)的GPS水準控制點更加合理,從而更好的擬合似大地水準面,以達到改善GPS水準中長波段測量精度的目的。

1 地球重力場模型

地球重力場模型是指依據(jù)重力場理論導出的計算大地水準面差距、重力異常和垂線偏差等的一種數(shù)學模型。EGM96模型是綜合利用衛(wèi)星跟蹤數(shù)據(jù)、地面重力數(shù)據(jù)(主要是高程異常)、衛(wèi)星測高數(shù)據(jù)等計算出來的高精度地球重力場模型。通過EGM96模型的位系數(shù)能夠計算出精確的高程異常。

2 三維顯示線路經(jīng)過區(qū)域高程異常原理

為直觀反映線路經(jīng)過區(qū)域高程異常和大地水準面的起伏情況,更好地指導GPS水準的作業(yè)過程,下面所做的實驗就是三維顯示線路經(jīng)過區(qū)域的大地水準面。為了便于讀者更好地理解下面所做的一系列工作,先介紹一下所用到的三維顯示軟件(Surfer8.0軟件),以及用其控件編程的基本原理。

2.1 Surfer8.0軟件介紹

Surfer8.0是目前國內(nèi)外海洋研究領(lǐng)域使用較為廣泛的數(shù)據(jù)可視化應用軟件之一,它支持多種數(shù)據(jù)格式,功能強大,產(chǎn)品結(jié)果實用美觀,是一款優(yōu)秀的海洋數(shù)據(jù)二維可視化應用軟件平臺。在三維地形的顯示中使用該款軟件,同樣也得到了令人滿意的結(jié)果。

Surfer8.0進行數(shù)據(jù)可視化過程中,一般是采用操作菜單項的方式,逐項調(diào)整參數(shù)，處理數(shù)據(jù)。本文中涉及到高程異常數(shù)據(jù)的處理,而且處理的是大批量數(shù)據(jù),如果采用常規(guī)的Surfe進行處理,將會浪費很多的人力和時間。為了解決面臨的這個問題,Golden Software, Inc.為Surfer8.0設(shè)計了可嵌入編程的接口,可以采用VB編程語言對其嵌入調(diào)用,利用VB程序開發(fā)周期短、可控性好的特性,可以快速地實現(xiàn)三維數(shù)據(jù)可視化,更加充分地發(fā)揮出Surfer8.0的優(yōu)點。

2.2 控件編程基本原理

在VB6.0中調(diào)用Surfer8.0進行嵌入式編程的原理類似于調(diào)用ActiveX控件編程。Surfer8.0采用了Automation方法來公開其接口,提供了近60種不同種類的ActiveX Automation對象,它們幾乎覆蓋了Surfer8.0的所有功能。在安裝Surfer8.0之后,就可以打開Scripter(腳本語言編輯器),在類似于VB程序中創(chuàng)建、調(diào)用它所提供的Automation對象,用以實現(xiàn)相應的數(shù)據(jù)可視化功能。更準確地說這種編程方法是一種面向?qū)ο蟮那度胧骄幊谭椒ā?/p>

開發(fā)嵌入Surfer8.0應用程序的過程主要包括兩部分工作：

①按以往的經(jīng)驗和習慣編寫程序的主框架代碼,即核心控制模塊和顯示控制模塊。

②在完成主體代碼后,參考Surfer8.0提供的Automation對象,編寫制作可視化產(chǎn)品的調(diào)用Surfer8.0嵌入代碼模塊。

使用該項技術(shù)的應用程序運行過程中,顯示控制模塊將控制命令傳遞給核心控制模塊,由其將命令翻譯成各種參數(shù)傳遞給調(diào)用Surfer8.0嵌入代碼模塊。該模塊通過VB6.0編譯運行環(huán)境啟動Surfer8.0后臺服務(wù),讀取數(shù)據(jù)文件,制作數(shù)據(jù)可視化圖形,再將圖形產(chǎn)品復制到系統(tǒng)粘貼板中。最后,核心控制模塊將系統(tǒng)粘貼板的內(nèi)容拷貝至應用程序界面中相應PictureBox對象的顯示區(qū)。通過上述各步就實現(xiàn)了嵌入式編程,最終,通過編程實現(xiàn)三維顯示。

3 實例分析

根據(jù)上述三維顯示方案,下面通過實例來進行分析研究，選擇張集線(張家口—集寧)作為算例分析的對象。

3.1 項目概況

該線路段所經(jīng)過的地理位置為東經(jīng)112°55′至114°55′,北緯40°39′至41°02′,屬于3度帶第38帶,中央子午線為114°,大部分地形等級屬于Ⅱ級,地處河北省與內(nèi)蒙古自治區(qū)交界,線路呈東西走向,正線長度約184 km,比較線長約64 km,測區(qū)兩邊地勢比較平坦,測區(qū)中部山勢陡峭。

沿線路布設(shè)并聯(lián)測一定數(shù)量的GPS首級控制網(wǎng)點,進行首級平面控制以及高程控制測量。平面控制采用國家1954北京坐標系；高程控制采用國家85高程基準。所使用的平面起算點為國家Ⅰ、Ⅱ等三角點及部分一級軍控點,點位均勻分布全線；高程起算點為國家一、二等水準點,張家口市Ⅰ等點一個,懷安縣Ⅱ等點一個,興和縣Ⅱ等點一個,集寧西Ⅱ等點一個,平地泉南Ⅱ等點一個。

依據(jù)1∶5萬地形圖,在圖上沿鐵路方向進行布設(shè)：以多邊形連續(xù)布網(wǎng)的方式建立控制網(wǎng),沿線路走向布設(shè)相互通視的GPS點對,點對間距離一般不大于8 km,相互通視的GPS點間相距一般為500～1 000 m。GPS網(wǎng)布設(shè)成延伸四邊形。

GPS水準能夠得到GPS各布網(wǎng)點的高斯坐標和大地高,通過部分點的水準測量,能夠得到這些點的正常高。依據(jù)這些已知點的大地高和正常高,能夠得出已知點的高程異常。根據(jù)三維顯示的高程異常模型并結(jié)合已知點的高程異常,選擇最合適的數(shù)學函數(shù)來擬合似大地水準面,通過這種方式來得到未知點的高程異常。最終,得到未知點的正常高。

3.2 實驗比較分析

通過上述方法得到的GPS點高程值,有部分是通過曲面擬合得到的,下面通過實驗設(shè)計的地球重力場模型的三維顯示方法,來三維顯示出張集線所經(jīng)過的圖幅范圍內(nèi)的高程異常值。通過此三維顯示來分析所布設(shè)的GPS水準點是否合理。也就是說,分析在似大地水準面起伏較大的區(qū)域布設(shè)GPS水準點是否得當,在曲面的最高點、最低點和拐點上,是否布設(shè)了足夠數(shù)量GPS水準點,如果布設(shè)了足夠且恰當?shù)腉PS水準點,則曲面擬合能夠較準確的反映地形情況,擬合的效果將會比較好；在似大地水準面較平緩的區(qū)域,只要合理選擇較少的GPS水準點,就能夠準確的擬合地形,節(jié)省外業(yè)布點,提高作業(yè)的效率。同時,用實驗所設(shè)計的方法進行一次擬合,與上面給出的擬合結(jié)果做一個比較,并給出上面二次擬合的一個精度評定。

具體實驗步驟如下：

①根據(jù)張集線的線路GPS網(wǎng)點布點情況,可以得到這些GPS網(wǎng)點測得的BJ54坐標和大地高,通過高斯反算公式,能夠?qū)⒌玫降腉PS網(wǎng)點BJ54坐標換算成對應的大地坐標。

②根據(jù)得到的GPS網(wǎng)點大地坐標,參照我國基本比例尺地圖分幅編號系統(tǒng),計算得出張集線線路所經(jīng)過的所有1∶5萬圖幅帶號。

③根據(jù)得到的所有1∶5萬圖幅號,用GWGGM軟件計算出以1 km為分辨率的所有1∶5萬圖幅帶的高程異常數(shù)據(jù)。

④應用編程設(shè)計的軟件實現(xiàn)圖幅帶數(shù)據(jù)的連接,并用Surfer8.0軟件實現(xiàn)高程異常的三維顯示。

⑤根據(jù)顯示出來的三維高程異常模型,在其上面繪出基面圖,并將其斷面顯示出來,從斷面圖上,能夠清楚的看出在似大地水準面上GPS網(wǎng)點布點的情況。

為了反映GPS網(wǎng)點的布點情況是否合理,還必須顯示出布設(shè)的GPS點線路在似大地水準面上的走向情況。下面做出張集線GPS網(wǎng)點的基面圖,并將該基面圖疊加到張集線高程異常模型上去。疊加的時候,用張集線GPS網(wǎng)點的高斯坐標來進行疊加。疊加后的圖形如圖1所示。

圖1 疊加張集線后的高程異常模型

從上面的三維模型可以看出,如果想最佳的擬合似大地水準面,那么GPS網(wǎng)點的布設(shè)就必須在似大地水準面起伏較大的區(qū)域多布設(shè)控制點,并根據(jù)模型上所顯示的地面起伏情況,選擇最能表達該地形的數(shù)學模型,這樣才能達到最佳擬合似大地水準面的目的；如果想節(jié)省外業(yè)布點的工作量,則應根據(jù)模型,在似大地水準面較平緩的區(qū)域少布設(shè)控制點,并采用一次擬合函數(shù)來擬合該區(qū)域的似大地水準面。

為了更清楚的顯示出線路經(jīng)過圖幅的高程異常變化情況,做出張集線所經(jīng)過區(qū)域的斷面圖,從斷面圖上能夠更清楚的看出,在線路經(jīng)過的哪些區(qū)域高程異常變化較大,哪些區(qū)域變化較小。這樣,采用分段選擇數(shù)學擬合函數(shù),使得高程擬合達到最佳的效果,提高GPS水準精度。根據(jù)張集線線路里程顯示的高程異常模型斷面如圖2所示。

圖2 張集線里程高程異常斷面

4 結(jié)論

通過本次實驗過程和結(jié)果分析,最終實現(xiàn)了按1∶5萬分幅的圖幅范圍內(nèi)高程異常模型的三維顯示,通過高程異常的三維顯示,為GPS水準布點提供了一個可供參考的似大地水準面模型。

通過三維顯示的似大地水準面,能夠清晰的看出：在哪些區(qū)域似大地水準面的起伏較明顯,那么這些區(qū)域的高程異常變化就較大；在哪些區(qū)域似大地水準面比較平緩,那么這些區(qū)域的高程異常變化就較小。

似大地水準面起伏較明顯的區(qū)域,特別是在似大地水準面的波峰和波谷處,以及一些拐點處,就應當盡量多布設(shè)GPS的水準點,以得到更多的GPS水準數(shù)據(jù),這樣在似大地水準面擬合的時候,就便于選擇適合的數(shù)學擬合函數(shù),以達到較好的擬合效果,提高高程擬合的精度。在似大地水準面較平緩的區(qū)域,可以考慮有選擇性的適當布設(shè)幾個能準確反映似大地水準面起伏情況的GPS水準點,這樣,在選擇似大地水準面數(shù)學擬合函數(shù)時,就能選擇較簡單的一次線形函數(shù),來準確的擬合似大地水準面,達到減少外業(yè)布點工作量的目的。

通過實例分析,本次實驗最終達到了指導外業(yè)作業(yè)的目的,避免了以前那種盲目布點的工作方式,能夠在一定程度上提高GPS水準的精度,這對于進一步在更廣泛的工程領(lǐng)域推廣GPS水準具有十分重要的意義。

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