單向精密測距三角高程測量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于測距三角高程測量技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種單向精密測距三角高程測 量方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 雖然目前GNSS技術(shù)的持續(xù)發(fā)展為空間數(shù)據(jù)的獲取提供了極大便利，在一些特定 條件下，其平面相對定位精度甚至達(dá)到了亞毫米，但由于受大地高向正常高轉(zhuǎn)換過程中高 程異常獲取精度及其自身測量精度等因素的影響，限制了其在更高精度高程測量領(lǐng)域的推 廣，因此高程仍然大量采用傳統(tǒng)的測量手段，目前較高精度高程測量主要有兩種方式，一種 是水準(zhǔn)測量，另外一種是精密測距三角高程，其中水準(zhǔn)測量精度最高，在一些高精度高程測 量方面幾乎無可替代，所以，目前一、二等高程獲取主要依靠精密水準(zhǔn)測量實(shí)現(xiàn)，但在一些 地區(qū)，比如高山峽谷地區(qū)，幾何水準(zhǔn)測量高程傳遞是非常困難的，部分地區(qū)甚至是不可能 的，但采用測距三角高程測量就比較容易實(shí)現(xiàn)，三角高程具有測定高差速度快，測量簡單， 不受地形條件限制等優(yōu)點(diǎn)，特別是在高差較大的地區(qū)優(yōu)勢更加明顯，特別是近年來，測量 設(shè)備測角、測距精度不斷提高，計(jì)算方法也不斷得到完善，使得測距三角高程測量精度有了 顯著提高，目前采用測距三角高程測量方法獲取三等、四等高程應(yīng)用已經(jīng)成熟，國內(nèi)、外一 些學(xué)者也開展過采用測距精密三角高程代替二等甚至一等水準(zhǔn)的研究乃至生產(chǎn)，如遼寧工 程大學(xué)的沈忱、中國地質(zhì)大學(xué)的韓昀、天津水電院的周水渠等人均進(jìn)行了相關(guān)研究及實(shí)踐， 對于進(jìn)一步發(fā)揮三角高程的優(yōu)勢，持續(xù)挖掘高效的三角高程測量技術(shù)及測量數(shù)據(jù)處理方 法，具有重要的研究和應(yīng)用價(jià)值。
[0003] 但三角高程也有其自身的缺陷，其影響因素主要有兩個(gè)方面，一方面受到垂直角 測量精度的限制，另一方面主要受到大氣折射及垂線偏差因素的影響。垂直角測量和大氣 垂直折光差是精密測距三角高程的主要誤差源（應(yīng)用中，測距邊長一般較短，故垂線偏差 影響未予單獨(dú)考慮），隨著觀測儀器精度的不斷提升，特別是具有自動(dòng)目標(biāo)識(shí)別、自動(dòng)照準(zhǔn)、 自動(dòng)測角與測距測量機(jī)器人的不斷發(fā)展，垂直角觀測精度已經(jīng)大幅度提升，為此，大氣折射 的影響成為三角高程測量重要的誤差源，為了削弱折光對三角高程測量精度的影響，一般 采用對向觀測的手段對折光影響進(jìn)行削弱，如果地形對稱，同時(shí)段觀測，確保測量的環(huán)境條 件較接近，這種削弱效果是比較理想的，但如果地形條件不對稱，或者不能在同一個(gè)時(shí)間段 進(jìn)行往、返觀測，則在往、返測的過程中環(huán)境發(fā)生了較大變化，則難以較好抵消大氣折光對 三角高程的影響，部分條件下甚至?xí)哟笳`差。三角高程折光關(guān)系見附圖1。圖中展示為自 A點(diǎn)向B點(diǎn)觀測示意圖，i為儀器高，s為目標(biāo)高，a為垂直角，平距為D，高差值為hAB。由于 垂直大氣折光的影響，視線發(fā)生向地面或者反方向的折射，視線不是直線而是弧線。圖中虛 線即為受到大氣折光影響的視線方向。
[0004] 因此，如果項(xiàng)目不具備對向觀測條件，特別對于一些人員不便到達(dá)及不宜暴露或 不宜頻繁暴露的項(xiàng)目，如高?；麦w監(jiān)測項(xiàng)目，就限制了水準(zhǔn)及對向測距三角高程測量的 應(yīng)用。當(dāng)采用單向測距三角高程測量時(shí)，由于受到大氣折射等因素的影響，單向測距三角高 程精度難以保證。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明是提供一種單向精密測距三角高程測量方法，目的是克服【背景技術(shù)】中所述 單向測距三角高程測量現(xiàn)有技術(shù)所存在的不足。主要解決測距三角高程測量中大氣垂直折 光系數(shù)（隱含垂線偏差等要素）的確定，以及三角高程網(wǎng)平差中的確權(quán)問題。
[0006] 本發(fā)明的技術(shù)方案是：單向精密測距三角高程測量方法，包括如下步驟：
[0007] 步驟1 :布設(shè)基準(zhǔn)點(diǎn)及待測點(diǎn)
[0008] 本步驟包括如下具體步驟：
[0009] 1).首先根據(jù)工程需求布設(shè)待測點(diǎn)，即布設(shè)觀測目標(biāo)點(diǎn)；在待測點(diǎn)確定的基礎(chǔ)上 開展基準(zhǔn)點(diǎn)的布設(shè)，包括用于對待測點(diǎn)直接觀測的基準(zhǔn)點(diǎn)的布設(shè)以及用于測定實(shí)時(shí)大氣垂 直折光系數(shù)的基準(zhǔn)方向點(diǎn)的布設(shè)；
[0010] 2).確保基準(zhǔn)點(diǎn)在基準(zhǔn)點(diǎn)的一個(gè)復(fù)測周期內(nèi)不發(fā)生顯著變形，這里采用t檢驗(yàn)法 對各基準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行位移顯著性檢驗(yàn)以確定是否發(fā)生顯著變形；
[0011] 3).所布設(shè)的基準(zhǔn)方向，應(yīng)與待測方向視線所穿越的地形結(jié)構(gòu)及朝向情況接近，確 保兩者近地氣層結(jié)構(gòu)相似，其中基準(zhǔn)方向指由基準(zhǔn)點(diǎn)至基準(zhǔn)方向點(diǎn)所確定的方向，待測方 向指由基準(zhǔn)點(diǎn)至待測點(diǎn)所確定的方向；
[0012] 4).如果滑坡體周邊沒有滿足步驟2)和步驟3)要求的基準(zhǔn)點(diǎn)，則在異地獨(dú)立建造 輔助基準(zhǔn)點(diǎn)與基準(zhǔn)方向，要求異地所建的輔助基準(zhǔn)點(diǎn)與基準(zhǔn)方向應(yīng)與基準(zhǔn)點(diǎn)至待測點(diǎn)方向 視線所穿越的地形結(jié)構(gòu)及朝向一致，確保兩地地形及朝向一致，光照條件一致；
[0013] 步驟2 :獲取基準(zhǔn)點(diǎn)及待測點(diǎn)高程
[0014] 基準(zhǔn)點(diǎn)、待測點(diǎn)布設(shè)完成后，聯(lián)測基準(zhǔn)點(diǎn)及待測點(diǎn)已知高程，采用水準(zhǔn)或者精密測 距三角高程測量的方式聯(lián)測，基準(zhǔn)點(diǎn)高程要準(zhǔn)確測定，測量精度高于待測點(diǎn)一個(gè)等級(jí)；待測 點(diǎn)初始高程精度需高于設(shè)計(jì)的精度要求，對于部分獲取待測點(diǎn)精確高程存在困難的項(xiàng)目， 則采用單向測距三角高程測量結(jié)果，每次反演大氣垂直折光系數(shù)所采用的基準(zhǔn)高程應(yīng)一 致。
[0015] 步驟3 :獲取樣本數(shù)據(jù)用于確定基準(zhǔn)方向與待測方向大氣垂直折光系數(shù)相關(guān)關(guān)系
[0016] 取多個(gè)環(huán)境下的測距三角高程測量樣本數(shù)據(jù)來建立基準(zhǔn)方向與待測方向的相關(guān) 關(guān)系；通過連續(xù)觀測基準(zhǔn)點(diǎn)及待測點(diǎn)方向測距三角高程數(shù)據(jù)，利用步驟2所獲取的高程數(shù) 據(jù)，同步計(jì)算出持續(xù)的折光系數(shù)；通過對折光系數(shù)的統(tǒng)計(jì)、降噪處理，建立基準(zhǔn)方向與待測 方向的相關(guān)關(guān)系；觀測時(shí)間避開陰天，以保證復(fù)雜的溫度梯度變化，確保在這個(gè)觀測條件下 獲取日常觀測需要的參數(shù)，采用等步長觀測，在大氣變換劇烈的情況下加密觀測。
[0017] 對于步驟2中提出的待測點(diǎn)采用單向測距三角高程的情況，需保證在數(shù)據(jù)采集的 起、止時(shí)間段內(nèi)待測點(diǎn)不會(huì)發(fā)生顯著變形，對于發(fā)生變形的點(diǎn)位，可通過在起、止時(shí)間分別 觀測高程，按照時(shí)間內(nèi)插各個(gè)時(shí)刻待測點(diǎn)高程；
[0018] 對于擁有多期測距三角高程測量數(shù)據(jù)的項(xiàng)目，直接對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行精度及可靠性 檢驗(yàn)后，作為樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算分析；
[0019] 無論是何種方式獲取的測距三角高程測量樣本數(shù)據(jù)，均需要保證每組所采集的基 準(zhǔn)方向與待測方向測距三角高程測量數(shù)據(jù)在時(shí)間上一一對應(yīng)；
[0020] 步驟4 :確定各觀測方向大氣垂直折光系數(shù)
[0021] 依據(jù)步驟2所提供的基準(zhǔn)點(diǎn)及待測點(diǎn)高程值，以及步驟3得到的測距三角高程測 量樣本數(shù)據(jù)，按照如下公式求解各組基準(zhǔn)方向及待測方向大氣垂直折光系數(shù)k值：
[0022] k值計(jì)算公式如下：
[0023] k = l-[(h_S斜 XSina-I+L)2I^(Sft Xcosa )2] (1)
[0024] 上式中：h為已知高差值，SftS斜邊，a為垂直角，I為儀器高，L為標(biāo)高，R為參 考橢球曲率半徑；
[0025] 對所計(jì)算的大氣垂直折光系數(shù)采用小波進(jìn)行降噪處理，或者在回歸方程參數(shù)估計(jì) 過程中采用整體最小二乘方法進(jìn)行參數(shù)估計(jì)，大氣垂直折光系數(shù)方差mk2估算公式如下：
[0027] 公式中％2、111;32、1]1!12、1]1 12、1]^2分別為對應(yīng)的高差11、斜距8、垂直角€[、儀器高1、標(biāo)高 L的方差；
[0028] 用待測點(diǎn)連續(xù)觀測進(jìn)行計(jì)算時(shí)，短期內(nèi)變形點(diǎn)如果發(fā)生變形，則在觀測起、止時(shí)間 分別測定待測點(diǎn)高程，通過時(shí)間內(nèi)插求出指定時(shí)刻的變形點(diǎn)高程；
[0029] 步驟5 :確定基準(zhǔn)方向與待測方向大氣垂直折光系數(shù)的相關(guān)關(guān)系及折光系數(shù)方差 估計(jì)
[0030] 在步驟4確定的大氣垂直折光系數(shù)k及其方差基礎(chǔ)上，建立起基準(zhǔn)方向與待測方 向大氣垂直折光系數(shù)的相關(guān)關(guān)系t吳型；兩者相關(guān)性建立有兩種方法：
[0031] 方法一：利用回歸方程建立基準(zhǔn)方向與各個(gè)待測方向相關(guān)關(guān)系；
[0032] 方法二：結(jié)合當(dāng)?shù)亟貧鈱訙囟忍荻确植继攸c(diǎn)，以方位、高度角要素確定任意方向 待測點(diǎn)大氣垂直折光系數(shù)計(jì)算模型；
[0033] 基于步驟4所計(jì)算的大氣垂直折光系數(shù)k，利用回歸方程建立基準(zhǔn)方向與各個(gè)待 測方向的相關(guān)關(guān)系；首先通過繪制散點(diǎn)圖，確定回歸方程選配線型，然后分析基準(zhǔn)方向與各 個(gè)待測方向大氣垂直折光系數(shù)的相關(guān)性，根據(jù)項(xiàng)目精度要求進(jìn)行相關(guān)性滿足要求的待測方 向篩選，篩選的原則是精度要求越尚則對相關(guān)性要求越尚；通過相關(guān)性檢驗(yàn)后，建立基準(zhǔn)方 向與各個(gè)待測方向折光系數(shù)的回歸方程，并進(jìn)行回歸方程參數(shù)的計(jì)算及折光系數(shù)方差的估 算；
[0034] 如果觀測點(diǎn)較多，不便于逐點(diǎn)確定，則按照方法二，以方位、高度角要素確定任意 方向待測點(diǎn)大氣垂直折光系數(shù)計(jì)算模型；
[0035] 步驟6單向測距三角高