GPS高程与海拔的区别与关系
2021年12月13日 信息来源:贾英杰 目前浏览:4224次


考古测量是田野考古工作中记录遗存信息的重要手段之一,主要包括对考古遗存所处地形地貌的实地勘测和对考古工作中所见遗迹、遗物三维坐标的测量,而随着GPS技术的发展,利用RTK测量逐渐取代传统的测量手段,最近几年网络RTK(CORS)技术更加简便,大大降低了考古队员的学习成本,被广泛应用,我所近两年也已在各个考古工地中全面普及。

但以GPS技术为基础的RTK测量,测得的高程数据却不是我们日常接触的海拔高程,与文物资料中记录的高程有异,常令考古队员感到疑惑,本文将解释海拔高度与GPS高程的区别与关系。

一、概念与区别

海拔高程即正常高,为地面起算点(待测点)与似大地水准面的高度差(其中似大地水准面为一个很接近大地水准面的计算面,在海洋上二者是重合的,在平原地区相差不过几厘米,高山地区最多相差2米),我国的水准原点设在青岛市观象山上,观测的是黄海平均海平面,在地形图中标有“1956年黄海高程”,即表示1950~1956年期间青岛验潮站推算的黄海平均海面;标有“1985国家高程基准”,即表示1952~1979年期间青岛验潮站推算的黄海平均海面,其中1956黄海高程为72.289m,1985国家高程基准为72.260m

GPS高程为大地高,是在全球地心坐标系(WGS84或国家2000)上进行的,为地面待测点沿着参考椭球面的法线到参考椭球的距离,全球地心坐标系统是为GPS使用而设计的坐标系,坐标原点为地球质心,它采用一个十分近似于地球自然形状的参考椭球作为描述和推算地面点位置和相互关系的基准面,与水准面无关且并不重合。


图一  WGS84地心坐标系统


海拔高度与GPS高度的关系如下图所示,其中海拔为h,大地高为H,则有H=h+ζ,ζ为高程异常,海拔高程与GPS高程的转换实质是求解出高程异常值。

图二  海拔高程与大地高的关系


大地水准面与参考椭球面二者都不是简单平滑的曲线,由于地球质量分布不均,在不同的区域、不同的地质条件下,高程异常值都不一样,若需要通过RTK测得的高程转换成海拔高程,则需要求知当地的高程异常值。

二、获取海拔高程的方式

利用GPS获取海拔主要是建立数学模型进行高程拟合来得到海拔高。

GPS高程拟合实质为:首先,联测GPS网中部分水准点,该部分水准点为已知点,利用它们的正常高和大地高算出其高程异常值;其次,利用已知点的高程异常值与它们坐标的关系,利用最小二乘法拟合出测区的似大地水准面;最后,利用拟合的似大地水准面,内插得到GPS 网中未知点(检核点)的高程异常值,求出未知点的正常高

在实际情况下,将大地高转换为正常高的运算过程中没有统一严密的数学公式,GPS高程拟合方法也有很多,常用的有曲线拟合法、曲面拟合法、神经网络法、平面拟合法等,在此不过度展开,需要注意的是,只有在高精度测量时才需要做拟合计算,在精度要求不高且小范围测量时,可以不进行多个已知点的拟合计算,直接由测区内已知水准点的高程异常值推算即可。简而言之,若遗址或遗址周边有已知的水准点,那么可以用该已知点的海拔高与RTK测得的高程求算出高程异常,再推算出该遗址任一点的海拔高程。

通常需要向当地国土相关部门获取测区内已知水准点的海拔高程或当地的高程异常值,也可以从已知地形图中找到水准点来获取海拔高程。

三、总结

综上所述,我们可以得到几点:1)RTK测得的高程与海拔高程不一致并非“错误”,只是用的不同的参考面,且RTK无法直接测得海拔高程;2)如若需要求知测区的海拔高度,必须在测区内有已知的水准点海拔,小范围内可以由单个已知点直接求算出该地区的高程异常值从而求解出海拔高程;3)若测区内无已知水准点,则应说明所用的高程系统,标明为大地高系统。


参考:

1.邹秋实,《RTK与全站仪在考古测量工作中的应用与探讨》,南方文物 ,2015·4月

2.潘正风 杨正尧 程效军 成枢 王腾军,《数字测图原理与方法》,武汉大学出版社,2004年,P20

3.王雪林 李楠,《GPS高程拟合方法研究》,测绘与空间地理信息,第43卷第5期,2020年5月

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