專利名稱：基于egm2008的區(qū)域似大地水準(zhǔn)面精化方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于“測繪科學(xué)與技術(shù)”學(xué)科中的“大地測量學(xué)”技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于EGM2008的區(qū)域似大地水準(zhǔn)面精化方法。
背景技術(shù)：
似大地水準(zhǔn)面是獲取地理空間信息的高程基準(zhǔn)面，如果能夠建立高精度的似大地水準(zhǔn)面模型，借助高精度的GPS測量技術(shù)，可以間接測定正常高，直接為工程應(yīng)用服務(wù)，從而省去了工作量巨大的傳統(tǒng)水準(zhǔn)測量。同時，建立和精化地方或區(qū)域似大地水準(zhǔn)面模型，對現(xiàn)今GPS定位時代建立和維護(hù)國家高程參考框架具有重要意義，也是一個國家發(fā)展測繪事業(yè)的一項大地測量基礎(chǔ)建設(shè)。近年來，許多國家和地區(qū)先后研制和推出了各自的(似)大地水準(zhǔn)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(dá)到厘米級。我國新一代似大地水準(zhǔn)面數(shù)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(zhǔn)面的階段性進(jìn)展，分辨率和精度達(dá)到一個新的水平，但和國際上先進(jìn)水平相比，還有比較大的差距。所以在我國部分省市和經(jīng)濟發(fā)達(dá)地區(qū)率先建立高精度高分辨率省市級大地水準(zhǔn)面模型已成必然趨勢。目前，確定區(qū)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(zhǔn)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(fù)技術(shù)方法。此方法的缺點是，需要重力測量數(shù)據(jù)，成本較大，且精度較低，不能滿足工程需要。(2) 利用GPS水準(zhǔn)計算高程異常。如果在一個點上采用GPS觀測技術(shù)精確地求定該點的大地高，同時又通過精密水準(zhǔn)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(zhǔn)測量正常高的精度。如果在一個區(qū)域布設(shè)有足夠多的GPS水準(zhǔn)點，那么通過計算這些點的高程異常值，便可以建立該區(qū)域高程異常計算模型。這是目前確定省市級(區(qū)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(zhǔn))來計算高程異常。在該方法中， 區(qū)域高程異常的主要計算模型有二次多項式擬合、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)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(zhǔn)面作為一種具有物理意義的曲面，在局部范圍內(nèi)變化是連續(xù)的，可以采用數(shù)學(xué)方法來進(jìn)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(jié)果穩(wěn)定，但計算結(jié)果精度不高，使得GPS高程測量成果的應(yīng)用范圍較小，而且該方法沒有考慮重力數(shù)據(jù)，是幾何擬合面，無物理意義。2)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)BP算法擬合方法，其計算結(jié)果精度明顯高于二次多項式擬合法，但計算復(fù)雜，計算時間長，計算結(jié)果不穩(wěn)定，而且，如果BP模型的輸入?yún)?shù)中沒有考慮重力數(shù)據(jù)，其計算結(jié)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(jié)果能反映似大地水準(zhǔn)面的物理意義，但是重力數(shù)據(jù)較難獲得，且計算復(fù)雜。針對這些方法存在的以上不足，本發(fā)明利用了格網(wǎng)存儲形式的EGM2008重力模型數(shù)據(jù)。該數(shù)據(jù)可以上網(wǎng)下載，提取重力信息。本發(fā)明采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，提出采用一定的工作流程來進(jìn)行似大地水準(zhǔn)面的精化。本發(fā)明的實質(zhì)是利用格網(wǎng)存儲形式的 EGM2008模型數(shù)據(jù)，獲取重力信息，將該信息添加到傳統(tǒng)二次多項式之中，然后再與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)BP算法相結(jié)合。本發(fā)明方法實現(xiàn)了以上各種方法的優(yōu)勢互補，可以大大提高區(qū)域似大地水準(zhǔn)面的計算結(jié)果精度。如果能精確求出區(qū)域高程異常，則對推動GPS技術(shù)尤其是快速定位技術(shù)如GPS RTK技術(shù)在測量中廣泛應(yīng)用，使GPS技術(shù)不僅確定平面位置，更重要的是代替低等級的水準(zhǔn)測量，從而使費用高、難度大、周期長的傳統(tǒng)低等級水準(zhǔn)測量工作量減少到最低限度，具有非常重要的現(xiàn)實意義。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)所存在的上述不足，而提供一種基于EGM2008的區(qū)域似大地水準(zhǔn)面精化方法，該方法基于EGM2008重力數(shù)據(jù)，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)精確求定區(qū)域高程異常的方法，從而實現(xiàn)區(qū)域似大地水準(zhǔn)面精化。使用該方法區(qū)域似大地水準(zhǔn)面精化精度高，使得GPS高程測量成果的應(yīng)用范圍擴大，使用方便。其技術(shù)方案為一種基于EGM2008的區(qū)域似大地水準(zhǔn)面精化方法，該方法包括以下步驟步驟I)確定區(qū)域經(jīng)度范圍和緯度范圍，在區(qū)域內(nèi)選取數(shù)量S個“測量控制點”，并均勻分布于整個區(qū)域，控制點個數(shù)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(biāo)、Y坐標(biāo)、大地高Hei、正常高Htli的信息，其中i = 1，2，Λ, S ;步驟3)根據(jù)網(wǎng)址 http://earth-info. nga. mil/GandG/wgs84/gravitymod/ egm2008/下載區(qū)域范圍所屬格網(wǎng)的EGM2008衛(wèi)星重力場模型高程異常的格網(wǎng)化數(shù)據(jù)，并通過高程異常內(nèi)插程序獲得所有控制點的EGM2008衛(wèi)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(wèi)星重力場模型高程異常信息e添加到區(qū)域高程異常二次多項式擬合公式中，構(gòu)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(biāo)，e為EGM2008重力高程異常，利用已知控制點信息按上式進(jìn)行回歸分析，可以得到擬合方程的各系數(shù)\.(」=0， 1，Λ，7)，再根據(jù)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(jīng)網(wǎng)絡(luò)模擬，將控制點的測量數(shù)據(jù)和計算數(shù)據(jù)按8ΧΡΧ1的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)構(gòu)成學(xué)習(xí)樣本，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)BP算法進(jìn)行訓(xùn)練，其中BP網(wǎng)絡(luò)的輸入層元素個數(shù)為8，分別為X、Y、X2、XY、Y2、e、e2、ξ '；
BP網(wǎng)絡(luò)的隱含層元素個數(shù)為P，P值計算公式為P = 18+INT(S/10)；BP網(wǎng)絡(luò)的輸出層元素個數(shù)為1，為Λ ξ，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練結(jié)束后，實質(zhì)上就得到了該區(qū)域Λ ξ的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計算模型，該區(qū)域內(nèi)任意點的“組合二次多項式”擬合偏差值△ I*均可根據(jù)該神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)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(jīng)網(wǎng)絡(luò)模擬計算得到的，ξ*為經(jīng)過模型精化之后的高程異常計算結(jié)果。進(jìn)一步優(yōu)選，步驟5)中所述的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)BP算法中，BP網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)為8XPX I :輸入層元素個數(shù)為8個,分別為X、Y、X2、XY、Y2、e、e2、ξ ';隱含層元素個數(shù)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(shù)；輸出層元素個數(shù)為I個，“組合二次多項式”擬合偏差值Λ ξ。 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)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(zhǔn)面的物理意義。(2)似大地水準(zhǔn)面精化精度高，使得GPS高程測量成果的應(yīng)用范圍擴大。經(jīng)過大量工程實例應(yīng)用結(jié)果分析，本發(fā)明方法較之二次多項式擬合法，高程異常ξ的計算結(jié)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(zhǔn)測量，從而使費用高、 難度大、周期長的傳統(tǒng)低等級水準(zhǔn)測量工作量減少到最低限度，經(jīng)濟效益明顯。


圖I神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)BP網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖；圖2高程異常內(nèi)插模型；圖3實例區(qū)域GPS水準(zhǔn)點分布圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明的方法作進(jìn)一步詳細(xì)地說明。首先，參照圖3:I)確定區(qū)域范圍并布點。首先確定區(qū)域范圍(一般確定經(jīng)度范圍和緯度范圍)； 然后，在該區(qū)域內(nèi)選取一定數(shù)量的“測量控制點”，測量控制點的數(shù)量(S)應(yīng)視區(qū)域大小而定，但S必須大于等于12個，并均勻分布于整個區(qū)域。具體實例，區(qū)域范圍緯度范圍在北緯35° -37°，經(jīng)度范圍在東經(jīng)115° -117° ； 區(qū)域面積約200km2。然后，在該區(qū)域內(nèi)選取均勻分布于整個區(qū)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(fā)明方法的效果，實際上我們在該區(qū)域內(nèi)又布設(shè)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(shù)據(jù)獲取。要求對測量控制點進(jìn)行兩項測量工作，GPS測量和水準(zhǔn)測量，以便獲取有關(guān)數(shù)據(jù)。(I)GPS測量按照國家測量規(guī)范要求，對所有控制點進(jìn)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(biāo)系坐標(biāo)(Χ，γ)和大地高(He)。(2)水準(zhǔn)測量按照國家測量規(guī)范要求，對所有控制點進(jìn)行二等或三等水準(zhǔn)測量，目的是獲取各控制點的正常高高程(H。)。(3) EGM2008衛(wèi)星重力場模型高程異常e信息根據(jù)網(wǎng)址http: //earth-info. nga. mil/GandG/wgs84/gravitymod/egm2008/ 下載區(qū)域范圍所屬格網(wǎng)的EGM2008衛(wèi)星重力場模型高程異常的格網(wǎng)化數(shù)據(jù)。使用ArcGIS軟件,將下載的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為記事本格式的數(shù)據(jù)。并利用編制的高程異常內(nèi)插程序內(nèi)插獲得所有控制點的 EGM2008衛(wèi)星重力場模型高程異常e信息。注高程異常內(nèi)插——當(dāng)給定任意一點P的坐標(biāo)，首先找到該點所在的格網(wǎng)具體見圖2，可根據(jù)該格網(wǎng)點1、2、3、4點的高程異常值(ξ i、ξ 2、ξ 3、ξ 4)內(nèi)插計算出P點的高程異常(ξ P)。內(nèi)插計算思路為(a)先根據(jù)1、2點內(nèi)插計算Pl點的高程異常。此三點的經(jīng)度相同，根據(jù)它們之間的緯度差可以內(nèi)插出Pl點的高程異常。(b)同理，根據(jù)3、4點內(nèi)插計算P2點的高程異常。(c)最后，根據(jù)P1、P2點內(nèi)插計算P點的高程異常。此三點的緯度相同，根據(jù)它們之間的經(jīng)度差可以內(nèi)插出P點的高程異常。按照國家測量規(guī)范要求，對所有控制點和檢驗點進(jìn)行了 D級GPS測量和三等水準(zhǔn)測量，所有結(jié)果見表I (第I列一第6列)。表I測量數(shù)據(jù)表(備注ξ' i為“組合二次多項式”擬合值；ξ ；為本發(fā)明方法計算值。)
權(quán)利要求
1.一種基于EGM2008的區(qū)域似大地水準(zhǔn)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(qū)域經(jīng)度范圍和緯度范圍，在區(qū)域內(nèi)選取數(shù)量S個“測量控制點”，并均勻分布于整個區(qū)域，控制點個數(shù)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(biāo)、Y坐標(biāo)、大地高Hci、正常高Htli的信息，其中 i = 1,2, A, S ；步驟 3)根據(jù)網(wǎng)址 http://earth_info. nga. mil/GandG/wgs84/gravitymod/egm2008/ 下載區(qū)域范圍所屬格網(wǎng)的EGM2008衛(wèi)星重力場模型高程異常的格網(wǎng)化數(shù)據(jù)，并通過高程異常內(nèi)插程序獲得所有控制點的EGM2008衛(wèi)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(wèi)星重力場模型高程異常信息e添加到區(qū)域高程異常二次多項式擬合公式中，構(gòu)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(biāo)，e為EGM2008重力高程異常，利用已知控制點信息按上式進(jìn)行回歸分析，可以得到擬合方程的各系數(shù)h(j = 0,1, Λ，7)，再根據(jù)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(jīng)網(wǎng)絡(luò)模擬，將控制點的測量數(shù)據(jù)和計算數(shù)據(jù)按8ΧΡΧ1的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)構(gòu)成學(xué)習(xí)樣本，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)BP算法進(jìn)行訓(xùn)練，其中8 網(wǎng)絡(luò)的輸入層元素個數(shù)為8，分別為乂、￥、#、乂￥、￥2、6、#、ξ / ；BP網(wǎng)絡(luò)的隱含層元素個數(shù)為P，P值計算公式為P = 18+INT(S/10)；BP網(wǎng)絡(luò)的輸出層元素個數(shù)為1，為Δ ξ，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練結(jié)束后，實質(zhì)上就得到了該區(qū)域Λ ξ的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計算模型，該區(qū)域內(nèi)任意點的“組合二次多項式”擬合偏差值△ Γ均可根據(jù)該神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)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(jīng)網(wǎng)絡(luò)模擬計算得到的，ξ*為經(jīng)過模型精化之后的高程異常計算結(jié)果。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，步驟5)中所述的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)BP算法中，BP 網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)為8ΧΡΧ1 :輸入層元素個數(shù)為8個，分別為X、Y、X2、XY、Y2、e、e2、ξ ,;隱含層元素個數(shù)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(shù)；輸出層元素個數(shù)為I個，“組合二次多項式”擬合偏差值Λ ξ。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于EGM2008的區(qū)域似大地水準(zhǔn)面精化方法，具體步驟為1)確定區(qū)域范圍并布設(shè)控制點、2)野外測量(數(shù)據(jù)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(jīng)網(wǎng)絡(luò)模擬計算、7)模型精化；使用該方法區(qū)域高程異常計算結(jié)果精度高，使得GPS高程測量成果的應(yīng)用范圍擴大。經(jīng)過大量工程實例應(yīng)用結(jié)果分析，本發(fā)明方法較之傳統(tǒng)二次多項式擬合，高程異常的計算結(jié)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(zhǔn)測量，從而使費用高、難度大、周期長的傳統(tǒng)低等級水準(zhǔn)測量工作量減少到最低限度，經(jīng)濟效益明顯。適用于大地測量學(xué)技術(shù)領(lǐng)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(yōu)先權(quán)日2012年1月12日
發(fā)明者周潔, 王浩, 胡伍生 申請人:東南大學(xué)