GPS高程转换方法及精度分析探讨
摘要：提高GPS的定位精度以及GPS高程转换精度，可以得到较高精度的GPS水准高程。选择正确的转换方法获得的GPS水准高程的精度可以真正的实现GPS的三维优越性。本文论述了GPS高程转换的过程及常用方法，并对GPS高程精度进行了分析探讨，以供同行交流。
关键词：GPS；高程转换；方法；精度分析
Pick to: to improve the positioning precision of GPS and GPS height conversion accuracy, can get higher accuracy of GPS level elevation. Select the correct conversion method to obtain the precision of GPS level elevation can really realize GPS three-dimensional superiority. This paper discusses the process of GPS height conversion and commonly used method, and analyses the precision of GPS height, in exchange for the colleague.
Key words: GPS; Elevation transformation; Methods; Precision analysis
引言
在大地测量、工程测量及地球物理勘探等领域，水准测量仍是用于测定地面两点正常高差的常用技术手段之一。虽然水准测量结果可达到很高的精度，但水准测量的工作强度强，效率低，在长距离、大范围测量中，水准测量工作是最为耗时、耗力的工作。GPS技术的出现给测量作业模式带来了根本性改变，被广泛应用到各种勘探及大地测量等测量工作中，大大提高了工作效率．利用GPS技术可很容易地确定地面点具有cm级甚至mm级的三维坐标，但由于GPS技术所采用的坐标系是地心坐标系，它所获得的高程是大地高，而非我们常用的正常高，其高程成果不能直接用于工程建设。GPS技术可长距离、高精度、高效率地确定地面点的大地高或点间的大地高差，如何将GPS技术获得的大地高或大地高差转换为工程建设需要的正常高或正常高差将是GPS高程测量的瓶颈口，国内很多学者对将GPS大地高转换为正常高的理论与方法展开大量研究，获得了很多有意义的成果。
一、GPS高程转换的方法
GPS定位技术最近几年里在很多领域得到了广泛的应用，这归功于GPS有诸多优点，其中GPS测量数据精度高、测量速度快、节省大量的人力和物力等优点被人们普遍认同。所以人们在布设不同形式不同等级的控制网、建筑施工测量及放样以及建(构)筑物变形监测等方面都不约而同的给予了GPS测量大量的关注。使GPS测量在各个领域都显示出了它的三维、快速、实时的优越性能。对于GPS高程的不便性，国内外也给予了普遍的关注。国内外在GPS高程转换的方法上进行了深入的研究，以使GPS高程能更广泛的应用到测量领域。GPS
高程转换实际上就是求出大地高和正常高的高程异常。当前我们可以归纳出国内外进行GPS高程转换的方法主要有以下几种：
1.重力测量法
地球重力场直接反映了地球内部的密度分布。由于它在地球物理学、海洋学和空间技术中有着广泛的应用前景。且高程异常是地球重力场的参数，可以通过建立地球重力场模型求取高程异常值，地球重力场模型由一组重力位系数表示。利用重力场模型可以根据点位信息计算出点位的高程异常值。这种方法在地形复杂的地方使用起来时非常实用，也是比较可靠的一种求解高程异常值并计算出正常高的一种方法，比如在山区和丘陵地带。但是在地形条件好的地方这种方法过于复杂，不如以下几种方法简便。因为这种方法要有大量的重力测量资料，并且这些资料的精度要高，这个条件在一般情况下比较难以实现。所以也了重力测量法转换GPS高程的应用。
2.数值逼近法
通常采用利用数学模型解算某地区的高程异常值就是数值逼近法，其原理可以总结如下：在测区范围内，选取若干已知水准点，这些水准点的正常高是已知的，然后可以在这些已知的水准点上进行GPS测量，得到这些已知点的大地高，有了大地高和正常高后可以利用公式求算这些已知点的高程异常值，接下来利用这些高程异常值模拟一个数学模型。这个数学模型就是用来拟合这个测区内点的高程异常值的。这个测区内的任意一点都可以根据数学模型内插出高程异常值。高程异常值有了，接下来的高程转换就非常方便了，只要用GPS测量出的大地高减去求算出的高程异常值就可以得到所要的正常高。
一般情况下把数值逼近方法分为两种情况，一种是函数模型逼近，另一种就是统计模型逼近的方法。这两种方法有着不同的应用原理，其中函数模型逼近法是有规律的，它求定的是逼近场的系统性。而另一种方法统计模型逼近方法则没有规律可以遵循。它求定的是一种随机性变化。由于这种方法的可实施性极强，所以国内外都对这种方法给予了关注与青睐。其中有曲面内插逼近法、多项式拟合法、多面函数法、回归逼近法、移动曲面法、快速傅里叶变换法等；统计模型逼近的主要方法有权中数法、以及Kriging逼近法等。
3.数字模型抗差估计法
若观测数据为正态分布，在这种情况下可以利用最小二乘拟合法获取拟合函数，但是这种方法的缺点在于构造的拟合函数可靠性是与其观测数据是否受到异常干扰有关，也就是与是否这些数据点存在粗差有关，若这些数据点受到异常污染，采用这种方法，最小二乘拟合法的原理是使残差二次型等于极小，由于拟合过程中过分迁就这个原则，就会导致拟合函数的不准确性，甚至失真，这可以说是最小二乘拟合法的弱点，这时候可以采用数字模型抗差估计法来消除这种弱点，在拟合的过程中发现粗差，并且逐步剔除粗差，这种方法就是以数学模型为基础，利用平差验后信息调整已知点的权，这样做的目的是让含有粗差的观测值
的权逐步减小，就可以在此过程中发现它，减小对平差结果的影响。可以这样认为，在观测值的权非常小甚至等于O的情况下，可以认为在此过程中已经剔除了该观测值。
4.平差转换法
如果在测区内有一些具有三维坐标的点，在已具备这种条件下利用坐标转换公式，把已知点代入公式中求出参考椭球面与似大地水准面之间的平移和旋转参数，在进行网平差的时候把所求参数代入进去，在这些参数的约束下，GPS高程的转换就可以通过平差求得，由上面所述可知平差转换法的精度主要与已知点的精度和密度、平移旋转参数有关。所以在利用此种方法进行高程转换的过程中，选择高精度的已知点，使已知点均匀分布是非常关键的。
5.联合平差法
联合平差法是综合了几种转换方法的优点进行GPS高程转换，这种方法要求的条件比较复杂，它要求测区内具有多种数据，其中包括天文大地、重力测量、水准测量及GPS测量等数据，这种转换方法的模型是整体平差模型，利用这种模型对观测数据平差，然后求出三维坐标的最优无偏估计值。目前这种方法是GPS高程转换正常高最有效的方法，但是由于往往缺乏数据不能采用，已知点的分布情况影响这种方法转换高程的精度。另外已知数据的精度以及所采用的平差模型都会影响其精度。在使用此方法时令已知点分布均匀，尽量使用高精度的已知数据，选好平差模型是有效提高此方法转换精度的途径。
（三）导师制的作用
大众化教育背景下本科生导师制的实施是否有必要？调查结果显示，在被调查的我院04、05级93人中，有79%的学生认为实行本科生导师制对于本科生培养教育具有重要的意义，82%的教师认为有利于因材施教和学生的个性发展；有利于教学与科研相结合；有利于充分发挥教师教书育人的主体作用；有利于密切师生关系，增进师生友谊。可见，绝大多数师生对大众化教育背景下实施本科生导师制的认识具有高度的一致性。
（四）结论
通过调查和比较分析，我院本科生导师制在实行过程中仍存在不少有待解决的问题，归纳为以下几点：一是本科生导师制形式化程度较浓厚，活动方式比较单一，师生比例不协调，师生间沟通交流较少，本科生导师制难于真正发挥作用。二是导师制指导内容不够规范。导师对自身职责和工作目标不够明确，部分导师难于做到尽职尽责。三是导师制考评机制缺乏科学性，且与之配套的制度不健全和不完善，这在很大程度上影响了本科生导师制的实施效果及导师的工作积极性。
三、完善本科生导师制的对策和建议
（一）结合实际，加强针对性指导
指导方式应结合我院师资条件、教学科研状况、学生素质、班主任和辅导员制度等实际，选择不同类型。目前，本科生导师制基本上分为综合导师制、年级导师制、英才导师制等不同类型。由于我院班主任和辅导员制度的存在，与综合导师制必然产生职能上的重复，难于协调两种制度的职能，加之生师比问题突出，因而不适宜采用。而英才导师制由于其覆盖面过小，闲置和浪费了导师资源，因而也不适宜采用。相对而言，年级导师制由于主要是针对低年级学生的大学生活适应、学习方法、专业发展和职业规划的指导，可以有效地克服供需不平衡的问题，加之高年级的学生已经具备了较强的自主能力，就不再需要配备导师了，因而比较适宜。同时，为求得导师制的良好效果，应加强指导的针对性和多样性，如利用电话相互联系或网上交流、导师经常下寝室、学生经常登门请教等加强学生与导师间的交流与了解，为导师制的顺利实施奠定基础；导师应根据学生的专业特长、学习兴趣和个性特征，制订并实施具体计划，通过导师论坛、专题讲座、谈心交流、学业辅导等形式，采取集中和个别相结合的方式，开展经常性的、有针对性的教育活动；此外，在指导要求上，既要倡导导师找学生，也要要求学生主动找导师，发挥两方面的积极性，形成良性互动，以增强指导实效。
（二）强化导师队伍，明确导师职责
在进行导师筛选的过程中，挑选专业业务好、政治素质高、责任心强的老师担当本科生的导师是本科生导师制在实施过程中的一个重要环节。近几年，随着我校扩大招生，学生数量急剧增加，但与此相对应的师资队伍建设却严重滞后，最突出的问题就是本科生导师的数量不能适应本科生导师制发展的要求。为此，我们认为一方面应严格控制学生规模，加强师资队伍建设，提高教师工资福利待遇，以稳定导师队伍，激发导师工作的积极性；另一方面可适当招收部分在读研究生来充实导师队伍，使师生比保持在理想状态。此外，应明确导师职责，这既是加强导师工作管理的必要手段。也是衡量和考评导师工作的客观依据。具体而言，本科生导师的职责大概分为以下几项：一是根据人才培养目标和专业培养计划，对学生的专业学习、选课过程给予指导。二是定期组织学习讨论，让学生参与科学研究，培养学生理论联系实际的能力和创新思维能力，引导学生了解学科前沿情况，对学生的发展方向提出建议。三是及时了解学生的思想动态，对学生进行思想品德教育，让学生树立正确的人生观和价值观，促进学生个性健康、充分地发展。
（三）加强制度建设，完善考评体系
一是学院应建立导师培训制度，提供有关信息，使导师懂得如何去导。如为保证导师能有效地指导学生选课，教学管理部门可利用课余时间让导师集中学习
学分制的有关管理规定，使导师了解学分制的管理模式、选课过程的操作；学院和各系可组织导师学习，使其了解本专业培养计划，熟悉公共基础课、专业基础课和专业课与选修课等课程的安排情况；学院可为导师提供所指导学生的有关信息，如学习、奖惩、家庭情况，以便于导师因材施教；学工部门应向导师发布毕业生就业行情及市场信息，以方便导师为学生就业出谋划策。二是完善导师岗位目标责任制和具体考评办法，对导师在任期内的德、能、勤、绩定期进行考核并记入档案，对导师的考核要充分听取学生的意见，要把考核结果与教师年度考核、专业技术职称、职务晋升、岗位聘任和奖酬金结合起来。学校可设立本科生导师奖励基金，对工作突出的优秀导师进行表彰奖励，对不认真履行导师职责、考核不合格的导师加强教育管理，甚至取消其导师资格。三是建立健全监督，采取灵活多样的监督方式，如在学工或教科办设立意见箱，向广大学生做定期导师成果调查，接受学生提出的建议和批评；加强监督网络，拓宽监督渠道，保障言路畅通等。
［参考文献］
［1］李达轩，曾凡东.本科生导师制的探索与实践［N］.光明日报，2003-06-06.
［2］周萍，樊如放.我国本科生导师制实行过程中存在的问题及对策［J］.教学研究，2002（4）.
