第九章 GPS高程测量

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第九章 GPS高程测量
华中科技大学水电学院仿真中心 主讲:付必涛
Global Positioning System

第九章 GPS高程测量
第九章 GPS高程测量
Global Positioning System

高程系统
第九章 GPS高程测量
地面点高程:地面点沿铅垂线到某一高程基准面的 距离。 在测量中常用的高程有大地高(Geodetic height)、 正高(Orthometric height )和正常高(Normal height )。
Global Positioning System

第九章 GPS高程测量
GPS测量的高程是以WGS-84参考椭球面为高程基准 的大地高。 由于我国高程系统是正常高系统,所以GPS测量的 高程数据必须转换到正常高系统中,才能正常使用。 学习GPS高程测量,就必须了解各个高程系统的概 念及其转换关系。
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高程系统的一般概念
第九章 GPS高程测量
大地高:地面点沿铅垂线到参考椭球体面的距离。 正高:地面点沿铅垂线到大地水准面的距离。 正常高:地面点沿铅垂线到似大地水准面的距离。 我们通常所说的海拔高程是指正常高。
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参考椭球面
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以椭圆的短轴为旋转轴的椭球面,来代替地球的 形状称之为地球参考椭球面,它是建立空间大地 坐标的重要参数。空间大地坐标的原点位于参考 椭球的中心点,空间大地坐标的投影面参考就是 椭球面。
*
Earth’s center Earth’s center Global Positioning System

大地高(Geodetic height)
第九章 GPS高程测量
GPS测量的高程是以WGS-84参考椭球面为高程基 准的大地高。
WGS-84椭球参数:
a = 6378137 m f = 1 / 298.257223563
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大地水准面
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为了建立高程系统,人们定义了一个在整体上非常 接近地球自然表面的水准面。由于海洋占地球表面 的71%,故设想一个不受潮汐、风浪和大气压变化 影响,并延伸到陆地下面处处与铅垂线相垂直的水 准面,称为大地水准面。它是一个没有褶皱、无棱 角的连续封闭曲面。可以近似把它看成地球的形状。
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大地水准面的定义
根据物理意义定义为:
W = gh
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式中,W 为重力势能,g为重力加速度,h为单 位质点所处的高度。
配合最佳的 参考椭球面 大地水准面 大地水准 面差距N
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大地水准面的特点
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同一大地水准面上重力加速度值不同 曲面的形状极其复杂 需要无穷个参数才能进行确切描述 能够用常规仪器直接加以测定
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正高系统(Orthometric height )
第九章 GPS高程测量
以大地水准面为基准的高程系统,称为正高系统。地面点 沿垂线方向到大地水准面的距离称为正高。大地水准面是 一族重力等位面(水准面)中的一个,水准面之间不平行, 不同线路的水准高差也不相等。正高的定义:
1 Hg = ∫ gdh gm
dh为沿水准路线测得的高差,g为沿该路线的重力值,由重
g 力测得, m 为沿地面点的垂线至大地水准面之间的平均重
力值。
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由于 g m同地面点以下的地壳密度有关,既无法实 测,也不能精确计算,最多只能假定地壳密度后, 近似地推算。因此严格说来,地面上一点的正高是 不能精确求定的。 正高是以大地水准面为基准面,具有重要的物理意 义。如以N表示大地水准面和椭球面之间的差距, 则正高与大地高之间的关系为:
H = Hg + N
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因为大地水准面的形状和重力场都不规则,所以不 能用简单的形状和数学公式表达。所以现在世界各 国往往采用一个平均海水面代替它。比如我国的 “1956黄海高程系”和“1985黄海高程基准”。
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正常高系统(Normal height )
第九章 GPS高程测量
正常高系统是莫洛金斯基定义的高程系统,它以似 大地水准面为基准。似大地水准面是个虚拟的曲 面,它是从地面起算,向下取各点的正常高得到的 曲面。似大地水准面不是重力的等位面,没有确定 的物理意义,但可以通过计算求得。
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点P的正常高是指P沿铅垂线到似大地水准面上的距 离:
1 H r = ∫ gdh rm
rm 为大地面沿垂线至似大地水准面之间的平均正
常重力值,可以通过精确计算得到。dh为沿水准路 线测得的高差,g为沿该路线的重力值。
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第九章 GPS高程测量
似大地水准面是由地面点沿垂线向下量取正常高所 得各点连接起来而形成的连续曲面,它是正常高的 基准面。虽然似大地水准面不是重力的等位面,但 它很接近大地水准面,在海洋上两者重合,在平原 上只差几厘米,在高山地区相差几米。在平原地 区,似大地水准面的变化是非常平缓的,15km2范 围内,一般只有0.1-0.2m的起伏。
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