似大地水準面模型在張家口地區(qū)礦業(yè)權核查中的應用*

郭有平，王文棟

(河北省地質(zhì)測繪院，河北 廊坊 065000)

似大地水準面模型在張家口地區(qū)礦業(yè)權核查中的應用*

郭有平，王文棟

(河北省地質(zhì)測繪院，河北 廊坊 065000)

礦權核查工作需要建立覆蓋數(shù)千平方公里范圍的GPS控制網(wǎng)，如何保證控制點的平面高程精度是必須解決的重要問題。為此，以張家口地區(qū)礦業(yè)權核查GPS控制網(wǎng)的建立為例，從構網(wǎng)、觀測、平差計算、精度分析等方面系統(tǒng)介紹了大面積GPS控制網(wǎng)的建立步驟和方法，并得出利用似大地水準面模型內(nèi)插的方法求解控制點高程，可得到較高精度的結(jié)論。

GPS控制網(wǎng);似大地水準面模型;高程異常;大地高;正常高

0 引言

礦業(yè)權實地核查工作是我國礦產(chǎn)資源領域的一次重要國情調(diào)查，包括探礦權和采礦權實地核查，實地核查的第一步工作即是建立統(tǒng)一的高精度測量控制網(wǎng)，為開展測量工作做好準備。

張家口地區(qū)位于河北省西北部，總面積3.68萬km2，地形復雜，山地、高原、丘陵與河谷盆地相間分布，海拔500～1 500 m，各礦點大多處于山區(qū)，交通不便，測量工作難度較大。

依照《全國礦業(yè)權實地核查工作指南與技術要求》，在核查工作區(qū)內(nèi)布設了沽源東、西部三縣、壩下3個高精度的GPS控制網(wǎng)，其中沽源東控制網(wǎng)控制面積2 800 km2，壩上西部三縣控制網(wǎng)控制面積9 000 km2，壩下控制網(wǎng)控制面積2 800 km2。高程控制采用河北省CQG2000似大地水準面模型，通過內(nèi)插的方法求解高程。

1 GPS控制網(wǎng)的技術規(guī)格

1.1 坐標系統(tǒng)、高程基準

坐標系統(tǒng):平面坐標系統(tǒng)分別采用1954年北京坐標系和1980西安坐標系，高斯正形投影統(tǒng)一3°分帶，中央子午線為測區(qū)中央子午線;高程系統(tǒng)采用1985國家高程基準。

1.2 控制網(wǎng)精度要求

最弱點平面中誤差小于 ±0.10 m，高程中誤差小于± 0.25 m[4]。

2 已有資料及利用情況

2.1 地形圖資料

地形圖資料包括總參測繪局70年代出版的1∶5萬地形圖65幅，坐標系統(tǒng)為1954年北京坐標系，高程系統(tǒng)為1956年黃海高程系，以其作為控制網(wǎng)設計、選點和作業(yè)用圖。

2.2 礦權登記數(shù)據(jù)庫

張家口市國土資源局礦管部門提供了有關數(shù)據(jù)庫，提取礦權數(shù)據(jù)后利用南方CASS軟件編輯成圖，并與拼接好的1∶50 000地形圖套合到一起，形成礦權分布圖，為控制網(wǎng)的設計、野外生產(chǎn)作業(yè)的調(diào)度指揮提供依據(jù)。

2.3 控制網(wǎng)起算數(shù)據(jù)

測區(qū)范圍內(nèi)有國家B、C級GPS控制點25個，每個控制點均有1954年北京坐標系和1980西安坐標系兩套成果。其中15個B、C級點還有WGS－84坐標系下的成果。

測區(qū)范圍內(nèi)有國家等級水準點40個，點位全部保存完好，成果為1985國家高程基準成果，作為GPS擬合高程的起算點。

3 儀器設備使用情況

本次GPS控制測量使用的儀器設備，見表1。

表1 GPS儀器設備表Tab.1 GPS equipment table

4 控制網(wǎng)的建立

4.1 控制網(wǎng)布設

依據(jù)各區(qū)、縣礦業(yè)權分布情況和收集到的已知點分布情況，在礦權分布圖上進行四等GPS控制網(wǎng)的設計后，整個作業(yè)區(qū)域共布設了3個四等GPS控制網(wǎng)。其中沽源東部布設了一個37個點組成的控制網(wǎng);壩上的康保、尚義、張北和沽源西部地區(qū)布設了一個由148個點組成的控制網(wǎng)，整個壩下地區(qū)布設了一個由40個點組成的控制網(wǎng)。起算點為國家B、C級GPS點。3個控制網(wǎng)均按邊連接形式布網(wǎng)，網(wǎng)形相似，限于篇幅，此處只將壩下控制網(wǎng)圖列出，如圖1所示。

圖1 壩下GPS控制網(wǎng)圖Fig.1 GPS control network figure of Baxia

4.2 選點與埋石

選點埋石按四等GPS控制點對點位的要求進行[1][2]。

4.3 觀測

使用9臺TrimbleGPS接收機(標稱精度為(5+1×10－6·D)mm)觀測，天線高度在觀測前量取兩次，讀至毫米，取中數(shù)使用。為加強圖形強度，GPS網(wǎng)形由三角形、大地四邊形和中點多邊形組成?？紤]到邊長遠超常規(guī)四等GPS網(wǎng)的情況，為了確保觀測精度，觀測時段數(shù)大于2，每個時段大于45 min，衛(wèi)星截止高度角設為15°，數(shù)據(jù)采樣間隔為15 s[1]。兩時段連接時至少重復觀測3個點。觀測時禁止在GPS接收機附近使用手機或?qū)χv機通話，避免電磁波的干擾。

4.4 平差計算

4.4.1 基線解算

基線解算利用Trimble Total Control隨機軟件進行?；€處理采用廣播星歷、雙差相位觀測值，單基線模式解算。自由網(wǎng)平差采用雙差固定解作為數(shù)據(jù)處理模型，基線處理的各項精度統(tǒng)計，見表2。

表2 基線處理精度統(tǒng)計Tab.2 Precision statistics of baseline processing

4.4.2 三維無約束平差

在各項質(zhì)量檢驗符合要求后，采用Trimble Total Control軟件以所有獨立基線組成GPS空間向量網(wǎng)，在WGS－84地球橢球上進行三維無約束平差。計算出基線向量改正數(shù)、基線邊長、方位、坐標值以及精度信息等成果[3]。表3為自由網(wǎng)平差后各基線分量的標準差統(tǒng)計。

4.4.3 WGS-84坐標系下的三維約束平差

無約束平差后，利用WGS－84坐標系下的B、C級點作為起算點，分別對上述3個GPS網(wǎng)進行WGS－84坐標系下的約束平差，得到各控制點的精確WGS－84坐標，作為利用似大地水準面模型內(nèi)插求解各GPS點高程的精確定位之用。WGS－84坐標系下3個控制網(wǎng)平差精度統(tǒng)計，見表4。

表3 無約束平差基線標準差統(tǒng)計表Tab.3 Baseline standard deviation statistics table of unrestrained adjustment

表4 三維約束平差精度統(tǒng)計Tab.4 Precision statistics table of 3D restrained adjustment

3個網(wǎng)在WGS－84下約束平差的最弱點平面位置和大地高中誤差分別為:沽源東平面8.8 mm，大地高16.8 mm;西部三縣平面19.2 mm，大地高34.0 mm;壩下平面19.3 mm，大地高41.2 mm。精度遠高于控制網(wǎng)的設計規(guī)格。

4.4.4 不同坐標系下的二維約束平差

利用三維無約束平差獲得的獨立基線成果，以B、C級GPS點作為起算點，采用Trimble Total Control軟件，分別在1980西安坐標系和1954年北京坐標系下對GPS網(wǎng)進行二維約束平差，分別得到各控制點的1980西安坐標和1954年北京坐標成果。平差后GPS網(wǎng)中最弱邊相對誤差為1/415 000，平面精度遠優(yōu)于國家規(guī)范規(guī)定的1/45 000要求。

4.5 GPS控制網(wǎng)的高程計算

本測區(qū)GPS控制網(wǎng)的高程采用河北省CQG2000似大地水準面模型通過內(nèi)插法求解。河北省似大地水準面的分辨率為2.5分×2.5分(約4.5 km×4.5 km)，精度優(yōu)于±0.050 m。計算原理是，在WGS－84坐標系下的三維平差結(jié)果基礎上，以各控制點的WGS－84坐標(大地經(jīng)度、緯度)確定其在模型格網(wǎng)上的準確位置，根據(jù)模型格網(wǎng)的高程異常值，按距離比例求得控制點處的高程異常，加上控制點的大地高，從而得到控制點的正常高高程。

為了檢驗利用似大地水準面模型求得的控制點高程精度，選擇位于平緩地區(qū)的18個控制點，以國家等級水準點為起算點，采用四等水準連測的方法進行檢測，檢測結(jié)果最大高程誤差為8.8 cm，高程中誤差為3.68 cm。表明控制點高程精度可靠，完全滿足礦業(yè)權核查工程測量的要求。檢測記錄，見表5。

表5 控制點高程檢測表Tab.5 Height check table of control points

5 結(jié)束語

首級控制測量是礦業(yè)權核查工作的重要基礎，控制點的精度直接決定礦區(qū)的工程測量精度。利用GPS手段快速獲得高精度的控制點平面坐標技術已經(jīng)比較成熟，如果再將GPS技術與似大地水準面模型相結(jié)合，就能快速獲得控制點的較高精度的正常高高程，對礦業(yè)權核查工作而言既提高了效率，也節(jié)約了成本。該方法可為其他類似項目提供參考。

[1]中華人民共和國國家測繪局.GB/T18314—2009全球定位系統(tǒng)(GPS)測量規(guī)范[S].北京:中國標準出版社，2009.

[2]中華人民共和國國土資源部.GB/T18341—2001地質(zhì)礦產(chǎn)勘查測量規(guī)范[S].北京:中國標準出版社，2001.

[3]施一民.現(xiàn)代大地控制測量[M].北京:測繪出版社，2008.

[4]中華人民共和國國土資源部.全國礦業(yè)權實地核查工作指南與技術要求(修訂本)[M].北京:中國大地出版社，2008.

Application of Quasi-geoid Model in Mining Right Inspection in Zhangjiakou

GUO You-ping，WANG Wen-dong
(Hebei Institute of Geology Surveying and Mapping，Langfang Hebei 065000，China)

BuildingGPS control network that cover thousands of kilometers in mining right inspection work is necessary.How to ensure the plane and height accuracy of control points is an important problem that must be solved.The thesis，for example，buildingGPS control network of mining right inspection in Zhangjiakou，comprehensively introduces building steps and methods of large areaGPS control network from the aspects of network structure，surveying，adjustment calculation，precision analysis and so on，and importantly explains getting more high precision control point results using quasi-geoid model.

GPS control network;Quasi-geoid model;height anomaly;geodetic height;normal height

P 228.4

B

1007－9394(2012)02－0029－03

2012－03－06

郭有平(1964～)，男，河北萬全人，碩士，高級工程師，現(xiàn)主要從事控制測量、工程測量等方面的工作。