專利名稱：基于egm2008的區域似大地水準面精化方法
技術領域：
本發明屬于“測繪科學與技術”學科中的“大地測量學”技術領域，具體涉及一種基于EGM2008的區域似大地水準面精化方法。
背景技術：
似大地水準面是獲取地理空間信息的高程基準面，如果能夠建立高精度的似大地水準面模型，借助高精度的GPS測量技術，可以間接測定正常高，直接為工程應用服務，從而省去了工作量巨大的傳統水準測量。同時，建立和精化地方或區域似大地水準面模型，對現今GPS定位時代建立和維護國家高程參考框架具有重要意義，也是一個國家發展測繪事業的一項大地測量基礎建設。近年來，許多國家和地區先后研制和推出了各自的(似)大地水準面模型，如歐洲的EGG97、EGG07等，加拿大的GSD95，新西蘭的NZGeoid09，澳大利亞的AUSGeoid09以及美國的GE0ID99、GE0ID03和GE0ID09等，精度均達到厘米級。我國新一代似大地水準面數值模型(CQG2000)精度為分米級。CQG2000模型的成功研制是我國精化(似)大地水準面的階段性進展，分辨率和精度達到一個新的水平，但和國際上先進水平相比，還有比較大的差距。所以在我國部分省市和經濟發達地區率先建立高精度高分辨率省市級大地水準面模型已成必然趨勢。目前，確定區域高程異常的主要計算方法有以下兩種(1)重力似大地水準面的計算。按照莫洛金斯基理論求定高程異常，在計算過程中一般采用兩次移去-恢復技術方法。此方法的缺點是，需要重力測量數據，成本較大，且精度較低，不能滿足工程需要。(2) 利用GPS水準計算高程異常。如果在一個點上采用GPS觀測技術精確地求定該點的大地高，同時又通過精密水準求得該點正常高，兩者之差即為該點的高程異常，其精度比第一種方法要高，具體精度取決于GPS測定大地高的精度和水準測量正常高的精度。如果在一個區域布設有足夠多的GPS水準點，那么通過計算這些點的高程異常值，便可以建立該區域高程異常計算模型。這是目前確定省市級(區域)高程異常的常用方法。目前，我國廣泛采用上述第二種方法(GPS水準)來計算高程異常。在該方法中， 區域高程異常的主要計算模型有二次多項式擬合、神經網絡BP算法擬合、重力法等。但概括起來，這些方法存在以下不足I)似大地水準面作為一種具有物理意義的曲面，在局部范圍內變化是連續的，可以采用數學方法來進行擬合。因此，多項式擬合方法被廣泛采用。目前，我國基本上是采用二次多項式擬合法，該方法雖然計算結果穩定，但計算結果精度不高，使得GPS高程測量成果的應用范圍較小，而且該方法沒有考慮重力數據，是幾何擬合面，無物理意義。2)神經網絡BP算法擬合方法，其計算結果精度明顯高于二次多項式擬合法，但計算復雜，計算時間長，計算結果不穩定，而且，如果BP模型的輸入參數中沒有考慮重力數據，其計算結果也缺乏物理意義，因此，目前在工程中該方法較少被采用。3)重力法，計算精度較高，計算結果能反映似大地水準面的物理意義，但是重力數據較難獲得，且計算復雜。針對這些方法存在的以上不足，本發明利用了格網存儲形式的EGM2008重力模型數據。該數據可以上網下載，提取重力信息。本發明采用神經網絡技術進行數據處理，提出采用一定的工作流程來進行似大地水準面的精化。本發明的實質是利用格網存儲形式的 EGM2008模型數據，獲取重力信息，將該信息添加到傳統二次多項式之中，然后再與神經網絡BP算法相結合。本發明方法實現了以上各種方法的優勢互補，可以大大提高區域似大地水準面的計算結果精度。如果能精確求出區域高程異常，則對推動GPS技術尤其是快速定位技術如GPS RTK技術在測量中廣泛應用，使GPS技術不僅確定平面位置，更重要的是代替低等級的水準測量，從而使費用高、難度大、周期長的傳統低等級水準測量工作量減少到最低限度，具有非常重要的現實意義。

發明內容
本發明的目的是克服現有技術所存在的上述不足，而提供一種基于EGM2008的區域似大地水準面精化方法，該方法基于EGM2008重力數據，利用神經網絡技術精確求定區域高程異常的方法，從而實現區域似大地水準面精化。使用該方法區域似大地水準面精化精度高，使得GPS高程測量成果的應用范圍擴大，使用方便。其技術方案為一種基于EGM2008的區域似大地水準面精化方法，該方法包括以下步驟步驟I)確定區域經度范圍和緯度范圍，在區域內選取數量S個“測量控制點”，并均勻分布于整個區域，控制點個數S必須大于等于12 ；步驟2)通過野外測量，采集所有控制點的X坐標、Y坐標、大地高Hei、正常高Htli的信息，其中i = 1，2，Λ, S ;步驟3)根據網址 http://earth-info. nga. mil/GandG/wgs84/gravitymod/ egm2008/下載區域范圍所屬格網的EGM2008衛星重力場模型高程異常的格網化數據，并通過高程異常內插程序獲得所有控制點的EGM2008衛星重力場模型高程異常e信息；步驟4):信息處理，先計算各點的高程異常ξ i = Hci-H0i,再將EGM2008衛星重力場模型高程異常信息e添加到區域高程異常二次多項式擬合公式中，構成“組合二次多項式”擬合方程為ξ j = a0+a1X+a2Y+a3X2+a4XY+a5Y2+a6e+a7e2式中，(X，Y)為大地坐標，e為EGM2008重力高程異常，利用已知控制點信息按上式進行回歸分析，可以得到擬合方程的各系數\.(」=0， 1，Λ，7)，再根據上式計算各控制點的“組合二次多項式”擬合值ξ，和“組合二次多項式” 擬合偏差值Λ ξ ξ ' = a0+a1X+a2Y+a3X2+a4XY+a5Y2+a6e+a7e2Δ ξ j = I1-I1 i (i = I, 2, Λ，S)步驟5)神經網絡模擬，將控制點的測量數據和計算數據按8ΧΡΧ1的網絡結構構成學習樣本，利用神經網絡BP算法進行訓練，其中BP網絡的輸入層元素個數為8，分別為X、Y、X2、XY、Y2、e、e2、ξ '；
BP網絡的隱含層元素個數為P，P值計算公式為P = 18+INT(S/10)；BP網絡的輸出層元素個數為1，為Λ ξ，神經網絡訓練結束后，實質上就得到了該區域Λ ξ的神經網絡計算模型，該區域內任意點的“組合二次多項式”擬合偏差值△ I*均可根據該神經網絡模型計算得到；步驟6)模型精化公式為ξ*= ξ, +Λ ξ%式中ξ '為“組合二次多項式”擬合值，Δ ξ*為“組合二次多項式”擬合偏差值，該值是由神經網絡模擬計算得到的，ξ*為經過模型精化之后的高程異常計算結果。進一步優選，步驟5)中所述的神經網絡BP算法中，BP網絡的結構為8XPX I :輸入層元素個數為8個,分別為X、Y、X2、XY、Y2、e、e2、ξ ';隱含層元素個數為P個,其計算公式為P = 18+INT(S/10), S為參與模擬計算的控制點個數；輸出層元素個數為I個，“組合二次多項式”擬合偏差值Λ ξ。 與現有技術相比，本發明的有益效果(I)獲取重力信息方便，快捷；融入EGM2008地球重力場模型的高程異常信息，顧及了似大地水準面的物理意義。(2)似大地水準面精化精度高，使得GPS高程測量成果的應用范圍擴大。經過大量工程實例應用結果分析，本發明方法較之二次多項式擬合法，高程異常ξ的計算結果精度要提高20%-50%。精度提高之后，GPS高程可以代替低等級的水準測量，從而使費用高、 難度大、周期長的傳統低等級水準測量工作量減少到最低限度，經濟效益明顯。


圖I神經網絡BP網絡結構圖；圖2高程異常內插模型；圖3實例區域GPS水準點分布圖。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例對本發明的方法作進一步詳細地說明。首先，參照圖3:I)確定區域范圍并布點。首先確定區域范圍(一般確定經度范圍和緯度范圍)； 然后，在該區域內選取一定數量的“測量控制點”，測量控制點的數量(S)應視區域大小而定，但S必須大于等于12個，并均勻分布于整個區域。具體實例，區域范圍緯度范圍在北緯35° -37°，經度范圍在東經115° -117° ； 區域面積約200km2。然后，在該區域內選取均勻分布于整個區域的“測量控制點”53個(S =53，見表I中前53個點)。為了檢驗本發明方法的效果，實際上我們在該區域內又布設了 32個檢驗點(見表I中后32個點)，合計85個點。點位分布如圖3所示。2)數據獲取。要求對測量控制點進行兩項測量工作，GPS測量和水準測量，以便獲取有關數據。(I)GPS測量按照國家測量規范要求，對所有控制點進行B級或C級GPS測量，目的是獲取各控制點的國家大地坐標系坐標(Χ，γ)和大地高(He)。(2)水準測量按照國家測量規范要求，對所有控制點進行二等或三等水準測量，目的是獲取各控制點的正常高高程(H。)。(3) EGM2008衛星重力場模型高程異常e信息根據網址http: //earth-info. nga. mil/GandG/wgs84/gravitymod/egm2008/ 下載區域范圍所屬格網的EGM2008衛星重力場模型高程異常的格網化數據。使用ArcGIS軟件,將下載的數據轉換為記事本格式的數據。并利用編制的高程異常內插程序內插獲得所有控制點的 EGM2008衛星重力場模型高程異常e信息。注高程異常內插——當給定任意一點P的坐標，首先找到該點所在的格網具體見圖2，可根據該格網點1、2、3、4點的高程異常值(ξ i、ξ 2、ξ 3、ξ 4)內插計算出P點的高程異常(ξ P)。內插計算思路為(a)先根據1、2點內插計算Pl點的高程異常。此三點的經度相同，根據它們之間的緯度差可以內插出Pl點的高程異常。(b)同理，根據3、4點內插計算P2點的高程異常。(c)最后，根據P1、P2點內插計算P點的高程異常。此三點的緯度相同，根據它們之間的經度差可以內插出P點的高程異常。按照國家測量規范要求，對所有控制點和檢驗點進行了 D級GPS測量和三等水準測量，所有結果見表I (第I列一第6列)。表I測量數據表(備注ξ' i為“組合二次多項式”擬合值；ξ ；為本發明方法計算值。)
權利要求
1.一種基于EGM2008的區域似大地水準面精化方法，其特征在于，該方法包括以下步驟步驟I)確定區域經度范圍和緯度范圍，在區域內選取數量S個“測量控制點”，并均勻分布于整個區域，控制點個數S必須大于等于12 ；步驟2)通過野外測量，采集所有控制點的X坐標、Y坐標、大地高Hci、正常高Htli的信息，其中 i = 1,2, A, S ；步驟 3)根據網址 http://earth_info. nga. mil/GandG/wgs84/gravitymod/egm2008/ 下載區域范圍所屬格網的EGM2008衛星重力場模型高程異常的格網化數據，并通過高程異常內插程序獲得所有控制點的EGM2008衛星重力場模型高程異常e信息；步驟4):信息處理，先計算各點的高程異常再將EGM2008衛星重力場模型高程異常信息e添加到區域高程異常二次多項式擬合公式中，構成“組合二次多項式”擬合方程為 ξ j = a0+a1X+a2Y+a3X2+a4XY+a5Y2+a6e+a7e2 式中，(X，Y)為大地坐標，e為EGM2008重力高程異常，利用已知控制點信息按上式進行回歸分析，可以得到擬合方程的各系數h(j = 0,1, Λ，7)，再根據上式計算各控制點的“組合二次多項式”擬合值I'和“組合二次多項式”擬合偏差值Λ ξ ξ ' = a0+a1X+a2Y+a3X2+a4XY+a5Y2+a6e+a7e2 Δ ξ j = Ii-I1 i (i = I, 2, A , S)步驟5)神經網絡模擬，將控制點的測量數據和計算數據按8ΧΡΧ1的網絡結構構成學習樣本，利用神經網絡BP算法進行訓練，其中8 網絡的輸入層元素個數為8，分別為乂、￥、#、乂￥、￥2、6、#、ξ / ；BP網絡的隱含層元素個數為P，P值計算公式為P = 18+INT(S/10)；BP網絡的輸出層元素個數為1，為Δ ξ，神經網絡訓練結束后，實質上就得到了該區域Λ ξ的神經網絡計算模型，該區域內任意點的“組合二次多項式”擬合偏差值△ Γ均可根據該神經網絡模型計算得到；步驟6)模型精化公式為ξ*= ξ , +A ξ%式中ξ '為“組合二次多項式”擬合值， Δ ξ*為“組合二次多項式”擬合偏差值，該值是由神經網絡模擬計算得到的，ξ*為經過模型精化之后的高程異常計算結果。
2.根據權利要求I所述的方法，其特征在于，步驟5)中所述的神經網絡BP算法中，BP 網絡的結構為8ΧΡΧ1 :輸入層元素個數為8個，分別為X、Y、X2、XY、Y2、e、e2、ξ ,;隱含層元素個數為P個，其計算公式為P = 18+INT(S/10)，S為參與模擬計算的控制點個數；輸出層元素個數為I個，“組合二次多項式”擬合偏差值Λ ξ。
全文摘要
本發明涉及一種基于EGM2008的區域似大地水準面精化方法，具體步驟為1)確定區域范圍并布設控制點、2)野外測量(數據采集)、3)基于EGM2008，求取控制點重力高程異常、4)組合二次多項式擬合、5)測量平差、6)神經網絡模擬計算、7)模型精化；使用該方法區域高程異常計算結果精度高，使得GPS高程測量成果的應用范圍擴大。經過大量工程實例應用結果分析，本發明方法較之傳統二次多項式擬合，高程異常的計算結果精度要提高20％-50％。精度提高之后，GPS高程可以代替低等級的水準測量，從而使費用高、難度大、周期長的傳統低等級水準測量工作量減少到最低限度，經濟效益明顯。適用于大地測量學技術領域。
文檔編號G01C5/00GK102589517SQ201210007740
公開日2012年7月18日 申請日期2012年1月12日 優先權日2012年1月12日
發明者周潔, 王浩, 胡伍生 申請人:東南大學