施衛(wèi)星，萬(wàn) 軍

（上海達(dá)華測(cè)繪有限公司，上海 200136）

1 項(xiàng)目概況

自1997 年起，伴隨長(zhǎng)江口航道整治工程實(shí)施，在長(zhǎng)江口區(qū)域先后建立了適用不同施工階段的一期C 級(jí)控制網(wǎng)、二期B 級(jí)控制網(wǎng)，并利用布爾莎模型實(shí)現(xiàn)了自WGS84 坐標(biāo)系至1954 年北京坐標(biāo)系+吳淞高程混合系的轉(zhuǎn)換。實(shí)踐證明，采用單純七參數(shù)轉(zhuǎn)換方法，平面轉(zhuǎn)換成果精度較好，由于未顧及殘差導(dǎo)致高程轉(zhuǎn)換精度稍弱。為了加快長(zhǎng)江口航道數(shù)字測(cè)圖更新周期與構(gòu)建數(shù)字長(zhǎng)江口地理空間基礎(chǔ)框架的步伐，更好解決GNSS 技術(shù)在測(cè)得高精度平面坐標(biāo)同時(shí)，獲得該點(diǎn)的高精度正常高程，2018 年底受交通運(yùn)輸部長(zhǎng)江口航道管理局委托，上海達(dá)華測(cè)繪有限公司聯(lián)合自然資源部國(guó)家大地測(cè)量數(shù)據(jù)處理中心共同完成了長(zhǎng)江口航道CGCS2000 基準(zhǔn)和似大地水準(zhǔn)面精化，并于2020 年1 月全面正式啟用，實(shí)現(xiàn)了從GNSS 精密定位獲得大地高分離求解正常高，從而滿(mǎn)足長(zhǎng)江口航道工程測(cè)量發(fā)展的迫切需求。

2 高精度GNSS/水準(zhǔn)網(wǎng)的建立

2.1 B 級(jí)GNSS 控制網(wǎng)布測(cè)和數(shù)據(jù)處理

長(zhǎng)江口航道B 級(jí)GNSS 控制網(wǎng)覆蓋自徐六徑向下的長(zhǎng)江口區(qū)域，覆蓋面積約12 240 平方公里。控制網(wǎng)由32 個(gè)站點(diǎn)組成，其中有5 點(diǎn)為SHCORS 站點(diǎn)，3 點(diǎn)為IGS 跟蹤站點(diǎn)，GNSS 觀測(cè)采用網(wǎng)聯(lián)式進(jìn)行混合觀測(cè)，連續(xù)采集3*24 h。對(duì)于大戢山、花鳥(niǎo)山、倪家泓、高涇村、陳家鎮(zhèn)等不能直接架設(shè)GNSS 進(jìn)行觀測(cè)的控制點(diǎn)，采用全站儀+GNSS 組合法進(jìn)行了偏心觀測(cè)。長(zhǎng)江口區(qū)域GNSS 控制網(wǎng)示意圖見(jiàn)圖1。

圖1 長(zhǎng)江口區(qū)域GNSS 控制網(wǎng)示意圖

基線(xiàn)處理采用美國(guó)麻省工學(xué)院（MIT）和SCRIPPS海洋研究所（SIO ）共同研制的GAMIT10.61 科研軟件，ITRF 框架下的三維平差采用武漢大學(xué)研制的COSA GPS 軟件。長(zhǎng)江口航道GNSS 控制網(wǎng)采用國(guó)家2000 GNSS 大地控制網(wǎng)參考框架與歷元，即參考框架為ITRF97，參考?xì)v元為2000.0。

基線(xiàn)解算時(shí)采用Auto Clean 周跳自動(dòng)修復(fù)技術(shù)，進(jìn)行周跳剔除與修復(fù)，引入精密軌道、電離層模型及海潮改正模型等，獲取精確基線(xiàn)解，并經(jīng)NRMS、重復(fù)基線(xiàn)、異步環(huán)閉合差檢驗(yàn)、三維約束平差檢驗(yàn)等得到高精度CGCS2000 GNSS 控制網(wǎng)成果。

三維約束平差時(shí)，為保證控制網(wǎng)平差成果精度，以SHBS、LGXC、SJGN、CMDT、CMMZ 5個(gè)SHCORS 站點(diǎn)為起算點(diǎn)進(jìn)行三維約束平差，得到各觀測(cè)點(diǎn)的CGCS2000 坐標(biāo)及空間平差基線(xiàn)殘差。平差后最弱點(diǎn)為 HGSC，最弱邊為 SHBSSHWS，見(jiàn)表1。統(tǒng)計(jì)分析空間平差基線(xiàn)殘差可得到三維約束平差基線(xiàn)殘差分布圖（圖2），直方圖顯示殘差呈正態(tài)分布，DX、DY、DZ 空間平差觀測(cè)量殘差大多數(shù)據(jù)落在-0.01～0.01 m 之間，表明控制網(wǎng)平差后精度較高，相鄰基線(xiàn)點(diǎn)空間平差后的三個(gè)坐標(biāo)軸方向的精度優(yōu)于1cm。

表1 三維約束平差最弱點(diǎn)、最弱邊

圖2 空間平差基線(xiàn)殘差分布圖

2.2 高精度高程聯(lián)測(cè)

GNSS 控制網(wǎng)觀測(cè)和控制網(wǎng)的高程聯(lián)測(cè)是統(tǒng)籌安排，同期觀測(cè)的。

綜合考慮GNSS 水準(zhǔn)數(shù)目、分布和設(shè)計(jì)，按二、三等水準(zhǔn)精度及三等三角高程精度要求布設(shè)成附合或閉合線(xiàn)路進(jìn)行高程聯(lián)測(cè)，起算點(diǎn)為二、三等水準(zhǔn)點(diǎn)或基巖點(diǎn)；水上構(gòu)筑物高程采用水面水準(zhǔn)傳遞，并通過(guò)該方法對(duì)水上島嶼的已知高程進(jìn)行了系統(tǒng)性論證，最終確定的GNSS 水準(zhǔn)點(diǎn)均勻分布在長(zhǎng)江口航道區(qū)域。

3 高精度似大地水準(zhǔn)面的確定

3.1 長(zhǎng)江口航道工程似大地水準(zhǔn)面精化

充分利用國(guó)家測(cè)繪檔案資料館大地測(cè)量檔案分館館藏長(zhǎng)江口航道及其周邊地區(qū)加密重力點(diǎn)成果（計(jì)154 236 點(diǎn)。其中陸地加密重力34 197 點(diǎn)、船載重力25 275 點(diǎn)、航空重力42 680 點(diǎn)、衛(wèi)星測(cè)高52 084 點(diǎn)），不低于30″×30″分辨率數(shù)字高程模型和1′×1′ETOPO1 海域地形數(shù)據(jù)，美國(guó)國(guó)家地理空間情報(bào)局（NGA）最新的高階次5′×5′地球重力場(chǎng)模型（EGM2008，360 階次）和德國(guó)地學(xué)中心（GFZ）首個(gè)融入重力梯度、階次最高的EIGEN-6C4 重力場(chǎng)模型及分布較均勻的、現(xiàn)勢(shì)性較好的GNSS/水準(zhǔn)網(wǎng)成果，采用重力法（Stoles、Molodensky 原理）及移去恢復(fù)法技術(shù)完成長(zhǎng)江口航道分辨率為2.5′×2.5′高精度（中誤差優(yōu)于5 cm）的似大地水準(zhǔn)面成果。數(shù)據(jù)處理流程見(jiàn)圖3。

圖3 似大地水準(zhǔn)面精化數(shù)據(jù)處理流程圖

3.2 最終似大地水準(zhǔn)面精度評(píng)定

3.2.1 內(nèi)符合精度評(píng)定

為了評(píng)定內(nèi)符合精度，根據(jù)點(diǎn)位分布使用GNSS 水準(zhǔn)點(diǎn)作為檢核點(diǎn)，采用自適應(yīng)最小二乘配置方法，使GNSS 水準(zhǔn)點(diǎn)分別對(duì)基于EGM2008、EIGEN-6C4 積分半徑30 km 的重力（似）大地水準(zhǔn)面模型進(jìn)行擬合糾正，利用GNSS 水準(zhǔn)點(diǎn)確定的似大地水準(zhǔn)面與由規(guī)則格網(wǎng)內(nèi)插的似大地水準(zhǔn)面殘差值來(lái)進(jìn)行精度統(tǒng)計(jì)分析，基于EGM2008、EIGEN-6C4 模型的長(zhǎng)江口航道似大地水準(zhǔn)面模型內(nèi)符合精度分別為±1.4 cm、±1.5 cm，優(yōu)于2 cm，內(nèi)符合精度統(tǒng)計(jì)參見(jiàn)表2。

表2 內(nèi)符合精度統(tǒng)計(jì)表

3.2.2 外符合精度評(píng)定

對(duì)確定的似大地水準(zhǔn)面采用空點(diǎn)評(píng)價(jià)法完成外符合精度評(píng)定。該方法為：每次計(jì)算空出一個(gè)GNSS 水準(zhǔn)點(diǎn)，用其余GNSS 水準(zhǔn)點(diǎn)和重力（似）大地水準(zhǔn)面所確定的糾正后似大地水準(zhǔn)面來(lái)推估所空點(diǎn)的正高（推估值），由于推估值與真值完全獨(dú)立，其差值可用于衡量外符合精度，該方法與實(shí)際外業(yè)檢測(cè)相比，具有成本低、效率高、結(jié)果客觀等優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)點(diǎn)位分布，均勻空出10 個(gè)GNSS 水準(zhǔn)點(diǎn)作為檢核點(diǎn)，分別檢驗(yàn)基于EGM2008、EIGEN-6C4 模型的長(zhǎng)江口航道似大地水準(zhǔn)模型精度，陸域精度優(yōu)于2.5 cm，海域精度優(yōu)于4.1 cm，全域精度優(yōu)于3 cm。外符合精度統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表3。

表3 外符合精度統(tǒng)計(jì)表

3.3 最終似大地水準(zhǔn)面模型確定

采用相同的GNSS 水準(zhǔn)點(diǎn)成果、相同的擬合方法，充分發(fā)揮GNSS 水準(zhǔn)點(diǎn)的控制作用，分別糾正基于EGM2008、EIGEN-6C4 的重力似大地水準(zhǔn)面，獲得兩個(gè)區(qū)域似大地水準(zhǔn)面。在精化范圍內(nèi)，兩個(gè)似大地水準(zhǔn)面模型之間差異在-2～2 cm，整體上一致性較好。兩個(gè)似大地水準(zhǔn)面模型差異原因主要是采用不同的重力似大地水準(zhǔn)面模型造成的。在精化范圍內(nèi)，兩個(gè)重力似大地水準(zhǔn)面差異在-5～10 cm，其差異由北向南逐步減小。

綜合考慮重力資料的豐富、重力場(chǎng)理論的發(fā)展等因素，EIGEN-6C4 較EGM2008 參考重力場(chǎng)模型精度有一定程度提高，計(jì)算所獲得的基于EIGEN-6C4 的重力似大地水準(zhǔn)面精度有所改善。因此，建議選擇利用EIGEN-6C4 參考重力場(chǎng)模型獲得的長(zhǎng)江口航道似大地水準(zhǔn)面作為項(xiàng)目最終成果。

4 結(jié)語(yǔ)

長(zhǎng)江口航道似大地水準(zhǔn)面精化項(xiàng)目綜合利用了常規(guī)大地測(cè)量、衛(wèi)星大地測(cè)量、現(xiàn)代地球重力場(chǎng)確定理論與方法。使用自適應(yīng)最小二乘配置方法充分發(fā)揮GNSS 水準(zhǔn)的控制作用，在長(zhǎng)江口航道區(qū)域建立了高精度高分辨率似大地水準(zhǔn)面模型，模型覆蓋范圍約12 240 平方公里，分辨率為2.5′×2.5′，內(nèi)符合精度優(yōu)于2 cm，外符合精度優(yōu)于3 cm。

精化后的區(qū)域可滿(mǎn)足陸域測(cè)量放樣和大比例地形測(cè)量需求，達(dá)到了用GNSS 技術(shù)代替低等級(jí)水準(zhǔn)測(cè)量目的，亦滿(mǎn)足大比例尺RTK（PPK）三維水深測(cè)量要求，必將為長(zhǎng)江口航道工程建設(shè)產(chǎn)生較大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。