大地高的应用分析开题报告

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1、本本科科毕毕业业设设计计( (论论文文 ) )开题报告（含论文综述）开题报告（含论文综述）系系 （部）：（部）： 课课题题名名称称 ： 专业专业( (方向方向) )： 班班 级：级：班班 学号：学号：学学 生：生： 指指导导教教师师 ： 职称：职称： 教授教授 开开题题日日期期 ： 一、毕业设计（论文）选题的依据（包括课题来源、依托的项目名称、研究或应用意一、毕业设计（论文）选题的依据（包括课题来源、依托的项目名称、研究或应用意义、国内外研究或应用现状，附主要参考文献）义、国内外研究或应用现状，附主要参考文献）传统的几何水准测量方法, 是测绘领域中测定正常高的主要方法。这种方法虽然精度高, 但

2、实施起来费时费力, 作业效率较低。GPS 定位技术自问世以来, 就以其精度高, 速度快, 操作简单等优势对传统的水准测量造成了极大冲击，但是现实测绘和工程建设上需要的具有物理意义的正常高（或正高）高差，因此，如何用 GPS 高求定正常高，是当前测绘工作者较为热心的课题之一。目前，GPS 定位技术已经成为建立高精度控制网的最有效途径之一，但在高程的测量中，现在的手法很难通过精确的手段获得精确的成果，所以不能通过大地来获取正常高，GPS 的高端程序的系统很少被实际的利用上，起到高程控制作用。事实上，GPS 可以提供精度达到 10m 左右的精确地面点三维坐标值，由于 GPS 采用的是 WGS-84

3、地心坐标系因此高程信息是以椭球面法线方向作为参考线的，基准的是椭球面与我国正常高采用的参考面的规定不同，在研究两种高程系统互相转换的时候实现 GPS 所测量的高程转换成正常高，也是现在阶段测绘领域研究人员应该首要解决的一个重要课题。在 GPS 相对高程系统定位中，测得的是三维基线向量，通过 GPS 网平差求得在 WGS-84 坐标系统中大地高差，我们通过坐标的转换，来求得国家或地区参以考椭球为基准面的大地高差，例如已知 GPS 网中一个或多个点的大地高程，就可以进一步得出各个 GPS 点的大地高。 利用 GPS 定位技术可同时精确确定测站点的三维坐标经度 L、纬度 B 与大地高 H。对平面坐标

4、,通过一定的数据处理可换算到测量的常用坐标系,且可达到相当高的精度,完全可代替传统的大地测量成果。然而对于 GPS 大地高,是否能通过处理换算为正高,且用来代替常规的水准成果呢?尽管得到的大地高精度较高,但到目前为止还没有一种精密的方法可以精确求定地面上各点的高程异常,从而使 GPS 高程精度大幅度降低。这种精度降低后的 GPS 高程能否代替传统的水准成果,是目前大家十分关注的问题。随着我国 GPS 的广泛应用，我们要充分发挥 GPS 测量省时、方便、省力、精度高、成本低等优点在测定点的正常高和正高正在引起人们越来越广泛的兴趣。通过 GPS 水准与常规水准相比，GPS 水准具有费用低、效率高等

5、特点，我们能够在大范围的区域内进行高程数据的加密。如何将 GPS 大地高转化成水准高程，并使其保持一定的精度，将继续成为测绘研究人员研究的热点问题。GPS 定位技术的发展对于经典的测量技术是一次重大的突破。一方面，它使经典的测量理论与方法产生了深刻的变革，另一方面，也进一步加强了测量学与其他学科之间的相互渗透，从而促进了测绘学科技术的现代化发展。【1】 刘立龙 林文介。GPS 测定正常高的方法研究 J。桂林工学院学报，2001,21（3）：234238。【2】 金时华。 多面函数拟合法转换 GPS 高程 J。测绘与空间地理信息，2005,28（6）：4447【3】 王旭 刘文生。GPS 高程拟

6、合方法的研究 J。测绘科学，2010,35（增）：2829【4】 王有亮 张明。BP 神经网络在 GPS 高程转换中的应用 J。测绘与空间地理信息，2010,33（6）:124129【5】 高伟 晏磊 林沂。GPS 大地高转换为正常高的新方法 J。应用基础与工程科学学报，2008，16（4）：518523【6】 赵建虎 刘经南 张红梅。顾及非格网数据考虑地形改正的 GPS 水准高程拟合J。武汉测绘科技大学学报，1999,24（4）:346350【7】 周忠谟 易杰军 周琪。GPS 卫星测量原理与应用 M。北京：测绘出版社，2004。【8】 孔祥元 郭际明。控制测量学 M.武汉：武汉大学出版社，

7、1996。二、设计或研究内容、预期目标及拟解决的关键问题（此部分为重点阐述内容）二、设计或研究内容、预期目标及拟解决的关键问题（此部分为重点阐述内容）（1） 解析多项式法多项式拟合是在拟合区域内的水准重合点之间，按削高补低的原则平滑出一个曲面(对于线状测区可拟合出曲线)来代表拟合区域的似大地水准面，供内插使用。拟合范围越大，高程异常的变化越复杂，这种拟合的误差就越大。（2） 多项式曲面拟合法对于平坦或微丘小地区, 大地水准面可近似看作线性的光滑平面( 变化量约为 0. 1 m/ 10 km) , 这时可采用最为简单的一阶多项式曲面拟合, 即平面拟合。该拟合法需要确定 3 个参数, 因此至少需要

8、知道 3 个已知点。当测区范围较大或地形起伏较大时, 平面拟合法拟合得到的模型质量差, 精度无法满足要求, 此时可采用二阶多项式曲面拟合法, 即二次曲面拟合法。该法要确定 6 个参数, 因此至少需要 6 个已知点。若已知点个数多于 6 个, 那么采用最小二乘法确定系数。（3） 二次多项式曲面拟合法二次曲面函数拟合的基本思想是: 在区域 GPS 网内, 存在这样一些起算点(既进行了GPS 测量又进行了几何水准联测的点) , 这些点的平面坐标或者地理坐标已知, 也知道这些点的大地高和几何水准正常高。这样我可以假设将似大地水准面看成一个二次曲面, 将高程异常表示为平面坐标( x , y )或( B,

9、 L) 的函数。这里只介绍平面坐标的情况, 地理坐标与此类似。已知的高程异常确定测区的似大地水准面形状, 求出其余各点的高程异常, 然后根据高程异常和大地高的关系, 求出其他点的正常高（4）多面函数法若将测区内高程异常作为一个随机场, 设法确定高程异常的协方差函数, 按拟合推估法, 推估未测点 P 的高程异常公式与多面函数的公式形式一致。多面函数的解具有最小二乘配置和推估法的性质, 最小二乘配置法中的协方差函数是一种统计函数, 在高程异常资料稀少的地区很难确定。多面函数是几何型的一种核函数, 不具有任何统计意义, 多面函数可以直接按几何关系确定, 且顾及了待定点和已知点的相关关系,起权函数矩阵

10、的作用。所以认为在综合利用上多面函数优于协方差函数。这种拟合法, 虽然理论上严密, 但使用上有些困难, 特别是和核函数的选取, 需要不断试验改进选取。（5）加权平均值法大地水准面起伏是复杂的，因此高程异常值的变化也是复杂的。但大量的实验表明，相邻点之间高程异常值的变化基本上是一个连续的渐变的过程。也就是说，两个点相距越近，其高程异常值间的联系就越为紧密，亦即:当用一点周围各点的高程异常值估算该点高程异常时，周围点距该点越近，其高程异常值对该点高程异常的影响越大，距该点越远，影响越小。基于以上思考，笔者提出了权的问题，即认为在用某点周围若干点的高程异常推算该点高程异常时，周围各点高程异常值在推算

11、时所占的权重与各点到该点的距离成反比。（6） 非参数回归曲面法和高程异常变化梯度法非参数回归法是一种广义的回归方法, 具有思路直观、模型宽松、计算简单的优点。它的理论基础是概率密度估计的核估计和最邻估计。该方法的关键在于权函数的适当选取。近邻权是一种具有优良大样本性质的权。一些实践和理论数据表明, 即使从全部已知点中选用距未知点最近的一个已知点所对应的高程异常值作为该未知点的预测值, 其风险也只是最小风险的 2 倍。高程异常变化梯度法是首先估计出测区范围内高程异常变化的总体趋势, 然后选取距待求点最近的已知点上的高程异常值作为待定点高程异常的平滑顶, 再考虑待定点的高程异常的波动值, 获得未知

12、点上的高程异常（7）移动曲面法移动曲面拟合法是指用户规定一个有限区域, 该区域的位置将随着拟合点的位置变化而移动。选择这种模型的主要原因是可以更好地模拟似大地水准面, 而不至于因远离已知点的负面效应损害其精度。在进行选点的时候, 一般有两种方法。一是基于点数选定法, 即在待定点周围选择满足拟合所需的点数即可; 二是动态圆半径选点法,所选的点都位于以待定点为圆心, 以 R 为半径的圆内, 其中半径 R 一般通过构造函数来确定。不同的采样点由于相对于待定点的距离不同, 地形的变化使得它与待定点的相关程度是不同的。所以, 在移动拟合时, 加入起控制作用的权函数。（8）固定边界 3 次样条插值法样条函

13、数是一种连续和平滑的组合函数, 该函数能在全部结点上计算和微分, 这些点通过定义一个闭合区间来确定, 此区间还可进一步划分为若干个子区间, 对于每个子区间都可通过一组函数表示出该子区间的函数。这些函数在子区间端点处相连, 形成一个连续而平滑的组合函数。2 个函数相连的点称为节点, 为了实现 2 个函数在公节点处相连, 它们必须同时满足某些公共条件。当规定边界条件后, 则称为固定边界样条函数。这些函数通常采用低阶多项式的形式。（9）BP 神经网络算法神经网络是模拟人脑生物神经网络机制而形成的一个并行和分布式的信息处理网络结构。它是由许多并行分布且能自主学习的神经元通过相互连接而成，可以在比较理想

14、的精度内逼近非线性映射规律，能客观地表达输入与输出间的复杂的非线性关系。BP 网络学习算法网络结构如图 3-10-1 所示。网络除输入层、输出层外，还有一层或多层隐含层。对于输入信号，要先向前传播到隐节点，经过激活函数后，再把隐节点的输出信息传播到输出节点，最后输出结果。节点的激活函数通常都选取标准的Sigmoid 型函数。通过对以上几种 GPS 高程拟合方法进行研究和比较，整理出各种方法在不同情况下的应用优缺点，以供测量工作者在实际应用中更方便快捷的使用。通过研究取长补短生成新的拟合方法，并进行实验，发现其优缺点，以供测量工作者应用。拟解决的关键问题：运用 MATLAB 对各种拟合方法进行模

15、拟对比，得出各种拟合方法之间的优缺点。对各种拟合方法进行算例分析。三、研究方案（包括有关方法、技术路线、实验手段、关键技术等）三、研究方案（包括有关方法、技术路线、实验手段、关键技术等）GPS 测量所得到的高程是相对于 WGS84 椭球的大地高，与实际正常高之间存在差异。即：h=H-；其中，h 为一点的正常高程，H 为该点的大地高程， 为该点的高程异常值。如果高程异常值确定，就能够通过上式求出正常高。目前得到高程异常值最常用的方法是在 GPS 网上同时实测少量的几何水准点，按 =H-h 求出这些水准点的高程异常值；然后根据已知点的平面坐标和高程异常值，采用数学拟合计算法，拟合出测区内的似大地水准面；再结算出其他 GPS 点的 值，利用公式求出GPS 点的正常高。MATLAB 的高程拟合法在 GPS 高程转换中的应用越来越受到人们的关注。 MATLAB 是美国 MathWorks 公司的商业数学软件，用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境，主要包括 MATLAB 和Simulink 两大部分。 MATLAB 的基本数据单位是矩阵，它的表达式与数学工程计算中常用的形式十分相似。主要功能包括：数值计算；符号计算；数据分析和可视化；文字处理； SMULNK 动态仿真。由于以上优点， MATLAB 越来越多的应用到工程中去，在测