黃濤，孫偉，婁坤，柯亨松

(1.潛江市勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，湖北 潛江 433199； 2.武漢市測(cè)繪研究院，湖北 武漢 430022)

1 引 言

“數(shù)字潛江地理空間框架”于2008年隨“數(shù)字潛江”項(xiàng)目建設(shè)完成，覆蓋范圍僅有 320 km2，距現(xiàn)今已有十年，隨著潛江市城市建設(shè)發(fā)展及城市規(guī)劃管理區(qū)不斷擴(kuò)大，當(dāng)時(shí)布設(shè)的基礎(chǔ)控制點(diǎn)大多數(shù)都被破壞，很多區(qū)域已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足潛江市重大工程及城市發(fā)展規(guī)劃建設(shè)的測(cè)繪保障需要。此外，根據(jù)國(guó)家對(duì)新一代大地坐標(biāo)系——2000國(guó)家大地坐標(biāo)系(CGCS2000)在全國(guó)范圍的逐步推廣與使用的規(guī)定及要求，各省、市地區(qū)都需要在建設(shè)和管理等工作中盡快啟用CGCS2000坐標(biāo)系，并且完成現(xiàn)有地理信息成果數(shù)據(jù)向CGCS2000的轉(zhuǎn)換。按國(guó)家相關(guān)要求，必須在2018年7月之前完成此項(xiàng)工作。

目前，潛江市所使用的地理信息成果均屬于1980西安坐標(biāo)系，要實(shí)現(xiàn)向CGCS2000坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換，就需要建立現(xiàn)有坐標(biāo)系與CGCS2000坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，其前提是在市域均勻分布的、具有較高精度的、兼容性較好的上述兩套坐標(biāo)系成果的公共點(diǎn)。因此，建設(shè)覆蓋潛江全市域、科學(xué)統(tǒng)一、與國(guó)家現(xiàn)代化測(cè)繪基準(zhǔn)保持一致的基準(zhǔn)站網(wǎng)、三維控制網(wǎng)以及高精度水準(zhǔn)網(wǎng)、區(qū)域似大地水準(zhǔn)面精化等工作是潛江市測(cè)繪基準(zhǔn)現(xiàn)代化的首要任務(wù)。

2 潛江市測(cè)繪基準(zhǔn)體系現(xiàn)代化建設(shè)

潛江市測(cè)繪基準(zhǔn)體系現(xiàn)代化建設(shè)，綜合利用了包含衛(wèi)星定位技術(shù)、地球重力場(chǎng)在內(nèi)的多種大地測(cè)量技術(shù)手段，將潛江市原有的參心、靜態(tài)、小范圍的測(cè)繪基準(zhǔn)體系，改建為具有高精度、全市域、動(dòng)態(tài)、三維地心、與2000國(guó)家大地坐標(biāo)系(CGCS2000)相一致的測(cè)繪基準(zhǔn)框架?，F(xiàn)將其各組成部分建設(shè)情況分述如下：

2.1 QJCORS系統(tǒng)

潛江市連續(xù)運(yùn)行衛(wèi)星定位服務(wù)系統(tǒng)(QJCORS)由基準(zhǔn)站子系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)通信子系統(tǒng)和數(shù)據(jù)中心子系統(tǒng)組成，在原有單基站系統(tǒng)的基礎(chǔ)上擴(kuò)建、升級(jí)完成。根據(jù)相關(guān)規(guī)定和技術(shù)設(shè)計(jì)，主要完成了一系列建設(shè)工作：基準(zhǔn)站選址測(cè)試、觀測(cè)墩土建施工、防雷工程、觀測(cè)室布置及布線(xiàn)、通信線(xiàn)路建設(shè)及網(wǎng)絡(luò)測(cè)試、基準(zhǔn)站設(shè)備安裝調(diào)試、數(shù)據(jù)中心軟件平臺(tái)集成、系統(tǒng)外業(yè)測(cè)試等。

在保留潛江城區(qū)原單基站的基礎(chǔ)上，在潛江市境內(nèi)另新建4個(gè)基準(zhǔn)站，均勻布設(shè)，構(gòu)建了由5個(gè)基準(zhǔn)站組成的、獨(dú)立運(yùn)行的基準(zhǔn)站子系統(tǒng)，相鄰平均站間距 24.1 km，圖1為其中2個(gè)新建基準(zhǔn)站觀測(cè)墩的現(xiàn)場(chǎng)圖，圖2為基準(zhǔn)站防雷接地施工圖。網(wǎng)絡(luò)通信方面，分別采用中國(guó)移動(dòng)PTN(2M)專(zhuān)網(wǎng)、GPRS VPN(2M)作為基準(zhǔn)站與數(shù)據(jù)中心有線(xiàn)傳輸和軟件平臺(tái)數(shù)據(jù)發(fā)播的通信方式，確保QJCORS數(shù)據(jù)通信信道的安全性、穩(wěn)定性和可擴(kuò)展性。

圖1基準(zhǔn)站觀測(cè)墩現(xiàn)場(chǎng)圖圖2基準(zhǔn)站防雷接地施工圖

根據(jù)技術(shù)設(shè)計(jì)，潛江市現(xiàn)代測(cè)繪基準(zhǔn)體系整體建設(shè)完成后(包括QJCORS系統(tǒng)建設(shè)、建立不同坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系、區(qū)域似大地水準(zhǔn)面精化等工作)，組織實(shí)施了利用QJCORS進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)RTK測(cè)量的各項(xiàng)系統(tǒng)測(cè)試。定位精度測(cè)試中，在全市域范圍內(nèi)采用網(wǎng)絡(luò)RTK方式采集測(cè)試了13點(diǎn)，用以全面反映QJCORS系統(tǒng)與城市坐標(biāo)系統(tǒng)的兼容程度和不同區(qū)域分布對(duì)系統(tǒng)定位結(jié)果可能的影響，測(cè)試結(jié)果如表1所示。在空間可用性測(cè)試中，采用車(chē)跑并記錄網(wǎng)絡(luò)RTK測(cè)試結(jié)果方式進(jìn)行，在距離潛江市邊界20余公里的沙洋、江陵等地區(qū)仍可以輕松獲取固定解。多項(xiàng)測(cè)試結(jié)果表明，QJCORS系統(tǒng)可以向用戶(hù)提供實(shí)時(shí)、厘米級(jí)的定位服務(wù)，可以有效覆蓋潛江全市域及周邊地區(qū)。

QJCORS網(wǎng)絡(luò)RTK定位精度測(cè)試情況 表1

2.2 潛江市高精度GNSS控制網(wǎng)

潛江市高精度GNSS控制網(wǎng)由兩級(jí)共67點(diǎn)組成、測(cè)設(shè)：框架網(wǎng)由5個(gè)QJCORS基準(zhǔn)站點(diǎn)構(gòu)成，基本網(wǎng)由62個(gè)C級(jí)GNSS點(diǎn)組成?；揪W(wǎng)按潛江市規(guī)劃管理區(qū) 5 km～7 km、城鄉(xiāng)村落等地 8 km～10 km進(jìn)行相鄰點(diǎn)間距布設(shè)。下載對(duì)應(yīng)的事后SP3精密星歷后，對(duì)框架網(wǎng)和基本網(wǎng)分別進(jìn)行了基線(xiàn)解算處理(GAMIT V10.40)、網(wǎng)平差處理(CosaGPS V5.21)。

(1)CGCS2000坐標(biāo)系下的數(shù)據(jù)處理

框架網(wǎng)數(shù)據(jù)處理時(shí)，聯(lián)測(cè)了位于我國(guó)境內(nèi)的7個(gè)IGS國(guó)際跟蹤站(武漢站、北京站、上海站、拉薩站等)，加入了潛江市周邊的2個(gè)其他城市CORS站進(jìn)行計(jì)算檢核。數(shù)據(jù)處理后，框架網(wǎng)共有91條重復(fù)基線(xiàn)，基本網(wǎng)450條。解算了框架網(wǎng)14個(gè)同步時(shí)段，基線(xiàn)解nrms最小值0.178、最大值0.191、平均值0.185，計(jì)算了基本網(wǎng)30個(gè)同步時(shí)段，nrms最小值0.178、最大值0.215、平均值0.199?？蚣芫W(wǎng)、基本網(wǎng)基線(xiàn)向量重復(fù)性檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)情況如表2所示。

高精度GNSS控制網(wǎng)基線(xiàn)向量重復(fù)性統(tǒng)計(jì)表 表2

框架網(wǎng)三維約束平差取IGS跟蹤站武漢站、北京站、上海站等3點(diǎn)CGCS2000下的坐標(biāo)進(jìn)行約束?？蚣芫W(wǎng)平均邊長(zhǎng)為 41.9 km，最弱邊相對(duì)精度 0.05 ppm，邊長(zhǎng) 19.0 km?？蚣芫W(wǎng)水平方向精度取平均 ±0.001 3 m，大地高方向 ±0.003 4 m。最弱點(diǎn)水平精度 ±0.001 3 m，大地高精度 ±0.003 6 m。檢核點(diǎn)與原有成果在X、Y、Z三個(gè)方向上的較差均小于 ±5 mm。

基本網(wǎng)三維約束平差以均勻分布在全市域的5個(gè)框架網(wǎng)點(diǎn)為起算?；揪W(wǎng)平均邊長(zhǎng) 13.6 km，平均相對(duì)精度 0.08 ppm。最弱邊相對(duì)精度 1.99 ppm，邊長(zhǎng)為 0.65 km。邊長(zhǎng)相對(duì)中誤差區(qū)間分布統(tǒng)計(jì)如表3所示?；揪W(wǎng)水平方向精度取平均 ±0.000 9 m，大地高方向 ±0.002 8 m。最弱點(diǎn)水平精度 ±0.002 5 m，大地高精度 ±0.008 2 m，平差后點(diǎn)位精度統(tǒng)計(jì)情況如表4、表5所示。

基本網(wǎng)三維約束邊長(zhǎng)相對(duì)中誤差區(qū)間分布統(tǒng)計(jì) 表3

基本網(wǎng)三維約束點(diǎn)位精度統(tǒng)計(jì) 表4

基本網(wǎng)三維約束點(diǎn)位精度區(qū)間分布統(tǒng)計(jì) 表5

(2)1980西安坐標(biāo)系下的網(wǎng)平差

潛江市現(xiàn)用存檔和當(dāng)前生產(chǎn)的測(cè)繪地理信息成果數(shù)據(jù)均采用1980西安坐標(biāo)系成果。因此，GNSS網(wǎng)的二維平差工作在1980西安坐標(biāo)系下開(kāi)展，其目的是以潛江市原有的高等級(jí)城市控制點(diǎn)為約束基準(zhǔn)，將1980西安坐標(biāo)系下的坐標(biāo)成果傳遞至全網(wǎng)，達(dá)到覆蓋全市域的高精度平面控制目的。為保證GNSS網(wǎng)與潛江市原坐標(biāo)基準(zhǔn)相融合，共聯(lián)測(cè)了國(guó)家等級(jí)三角點(diǎn)10個(gè)。網(wǎng)平差時(shí)，檢驗(yàn)了所聯(lián)測(cè)的國(guó)家三角控制點(diǎn)成果的兼容性，并進(jìn)行了約束平差方案的優(yōu)化比選，選取最佳的約束平差方案。

平差結(jié)果顯示，最弱點(diǎn)精度為x方向 ±0.002 8 m，y方向 ±0.002 4 m，平面精度 ±0.003 7 m；最弱邊邊長(zhǎng)相對(duì)精度 1/728 000(1.37 ppm)，平差精度統(tǒng)計(jì)如表6、表7所示。

二維約束平差點(diǎn)位精度區(qū)間分布統(tǒng)計(jì) 表6

二維約束平差點(diǎn)位精度統(tǒng)計(jì) 表7

2.3 潛江市二等水準(zhǔn)網(wǎng)

潛江市二等水準(zhǔn)網(wǎng)覆蓋了整個(gè)市域，由81個(gè)水準(zhǔn)點(diǎn)(聯(lián)測(cè)了全部C級(jí)GNSS點(diǎn))，34條水準(zhǔn)路線(xiàn)組成，形成9個(gè)閉合環(huán)、13條附合路線(xiàn)，水準(zhǔn)路線(xiàn)總長(zhǎng) 628.1 km。數(shù)據(jù)處理基于1985國(guó)家高程基準(zhǔn)，經(jīng)過(guò)外業(yè)概算后，進(jìn)行了嚴(yán)密間接網(wǎng)平差計(jì)算，精度統(tǒng)計(jì)如表8所示。

二等水準(zhǔn)網(wǎng)平差精度統(tǒng)計(jì) 表8

2.4 區(qū)域似大地水準(zhǔn)面精化

在潛江市區(qū)域似大地水準(zhǔn)面精化融合計(jì)算中，61點(diǎn)GNSS/水準(zhǔn)點(diǎn)成果、1 396個(gè)重力點(diǎn)成果數(shù)據(jù)參與計(jì)算。計(jì)算出的潛江市GNSS/水準(zhǔn)似大地水準(zhǔn)面與重力似大地水準(zhǔn)面成果獨(dú)立進(jìn)行比較的精度是0.028 m，經(jīng)定權(quán)融合計(jì)算得出的似大地水準(zhǔn)面精化精度略有提高，精度0.024 m，為2′2′分辨率格網(wǎng)。在完成區(qū)域似大地水準(zhǔn)面精化的基礎(chǔ)上，同期研制了精化成果實(shí)時(shí)應(yīng)用軟件，配合QJCORS軟件平臺(tái)同時(shí)向用戶(hù)提供實(shí)時(shí)的精化高程。上述2.1節(jié)中介紹的QJCORS定位精度測(cè)試中獲取的高程值即是利用軟件精化后的高程成果。

2.5 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)的獲取

一旦啟用CGCS2000坐標(biāo)系，為避免重復(fù)測(cè)繪，潛江市現(xiàn)存的海量的地理信息成果數(shù)據(jù)在相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間周期內(nèi)仍然需要使用，因此就必須將其轉(zhuǎn)換至新測(cè)繪基準(zhǔn)體系下。建立CGCS2000與現(xiàn)用1980西安坐標(biāo)系在潛江市域內(nèi)嚴(yán)密的相互聯(lián)系和轉(zhuǎn)換關(guān)系，是推廣CGCS2000應(yīng)用的前置條件。利用前述基準(zhǔn)建設(shè)所取得的成果，精確計(jì)算求取了新老坐標(biāo)系間的三維7參、二維4參等2套轉(zhuǎn)換參數(shù)，研制了轉(zhuǎn)換工具模塊。從利用建成后的QJCORS進(jìn)行實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)RTK測(cè)試的成果精度來(lái)看，以上轉(zhuǎn)換參數(shù)完全滿(mǎn)足潛江全市域厘米級(jí)定位、成果數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的需求。

3 結(jié) 語(yǔ)

潛江市現(xiàn)代測(cè)繪基準(zhǔn)體系建立了覆蓋潛江全市域、統(tǒng)一的、與CGCS200相一致的高精度GNSS控制網(wǎng)、二等水準(zhǔn)網(wǎng)、區(qū)域精化似大地水準(zhǔn)面以及QJCORS系統(tǒng)等，其成果將為全市各項(xiàng)測(cè)繪工作提供精確的位置信息和定位服務(wù)，將全面提高地理信息數(shù)據(jù)采集的效率和測(cè)繪保障服務(wù)能力。同時(shí)，將為潛江市推廣CGCS2000坐標(biāo)系應(yīng)用，改造潛江市現(xiàn)有平面坐標(biāo)系統(tǒng)，建立和啟用基于CGCS2000的潛江相對(duì)獨(dú)立地方平面坐標(biāo)系打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

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