包頭市高精度三維GPS控制網(wǎng)的建立及應(yīng)用前景

戴利國　馬南　丁毅

摘要：本文主要闡述了包頭市高精度三維GPS控制網(wǎng)的建立及應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：高精度三維GPS控制網(wǎng) 基線解算 三維網(wǎng)平差

1 前言

隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、計算機技術(shù)、無線通訊技術(shù)近年來迅猛發(fā)展，大量數(shù)據(jù)實時傳輸和處理成為可能，一種高效、實時高精度定位方式——高精度三維GPS控制網(wǎng)系統(tǒng)應(yīng)用而生。包頭市高精度三維GPS控制網(wǎng)項目是根據(jù)當(dāng)前GPS技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀及包頭市信息化建設(shè)的迫切需要，由包頭市測繪院聯(lián)合武漢大學(xué)測繪學(xué)院共同承擔(dān)的“十一五”基礎(chǔ)測繪項目。該項目的完成和應(yīng)用極大地提高了基礎(chǔ)控制測量的作業(yè)效率，改變了傳統(tǒng)GPS RTK的作業(yè)模式，為建立包頭市地理空間基礎(chǔ)框架奠定了基礎(chǔ)，具有廣泛的應(yīng)用前景。

2 包頭市高精度三維GPS控制網(wǎng)建立的主要目標(biāo)

2.1建立包頭市統(tǒng)一的高精度坐標(biāo)控制基本框架。

2.2首次建立與2000國家大地坐標(biāo)系統(tǒng)（CGCS2000）相一致的包頭市高精度地心參考框架，構(gòu)成包頭新一代“國家空間數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施（NSDI）”的框架設(shè)施，為包頭市信息化建設(shè)提供基礎(chǔ)保障。

2.3獲取包頭市各平面坐標(biāo)系下的高精度平面坐標(biāo)，為城市坐標(biāo)系統(tǒng)向地心基準(zhǔn)轉(zhuǎn)變提供技術(shù)準(zhǔn)備。

3 包頭市高精度三維GPS控制網(wǎng)數(shù)據(jù)處理的內(nèi)容

3.1高精度GPS控制網(wǎng)的基線處理，主要包括：數(shù)據(jù)整理、基線處理與基線檢核等。

3.1.1數(shù)據(jù)整理是進行基線解算之前的一項重要工作，主要包括以下幾項工作：

a 清查框架點編號。

b 根據(jù)所用計算軟件的要求，列出并仔細(xì)檢查天線高的量測方法及天線類型。

c 為了軟件基線處理的方便，數(shù)據(jù)處理前，應(yīng)將接收機采集的原始數(shù)據(jù)按要求進行格式轉(zhuǎn)換。

d 下載所選取的全球站數(shù)據(jù)及精密星歷，并對全球站坐標(biāo)進行框架及歷元改算。

3.1.2基線處理

基線處理采用雙觀測值解算，正確修改觀測數(shù)據(jù)中的跳周和刪除大殘差觀測值的數(shù)據(jù)。對于質(zhì)量差的站進行人工數(shù)據(jù)編輯。數(shù)據(jù)編輯工作完成后，生成干凈的觀測數(shù)據(jù)文件，用于每時段基線解算。

3.1.3基線檢核

重復(fù)各時段解向量的重復(fù)性反映了基線解的內(nèi)部精度，是衡量基線解質(zhì)量的一個重要指標(biāo)，其定義為：R=nn+li=lnci-c δ i22i=lnl δ i2 12

式中：ci是各時段解基線的各分量，δ i2是相應(yīng)分量的協(xié)方差，c為相應(yīng)基線分量的加權(quán)平均值，R為相應(yīng)的重復(fù)性。

3.2CGCS2000坐標(biāo)系下的三維網(wǎng)平差

三維網(wǎng)平差包括三維無約束平差和三維約束平差。三維無約束平差的目的主要有以下三個方面：一是進行初差分析；二是調(diào)整觀測量的協(xié)方差分量因子；三是對整體網(wǎng)的內(nèi)部精度進行檢驗和評估。三維約束平差的目的是將全面網(wǎng)重新作為整體平差。將全面網(wǎng)的所有獨立基線向量及其經(jīng)調(diào)整后的協(xié)方差陣作為觀測量，平差時為消除星歷和網(wǎng)的傳遞誤差引起的整網(wǎng)在尺度和方向上的系統(tǒng)偏差，應(yīng)對全面網(wǎng)加一個尺度和三個轉(zhuǎn)換參數(shù)。

3.3平面直角坐標(biāo)系下的二維網(wǎng)平差

為了保證C級網(wǎng)與包頭平面坐標(biāo)系統(tǒng)的融合，需聯(lián)測1954年北京坐標(biāo)系、1980年西安坐標(biāo)系、包頭53獨立坐標(biāo)系和包頭97獨立坐標(biāo)系控制點。為了保證成果的精度，需對所聯(lián)測的1954年北京坐標(biāo)系、1980年西安坐標(biāo)系、包頭53獨立坐標(biāo)系和包頭97獨立坐標(biāo)系控制點成果的兼容性進行檢核，檢核采用剔點法和加點法。

3.3.1剔點法的基本思路：

a 利用所有控制點的CGCS2000成果和54/80成果，采用四參數(shù)模型，求WGS84坐標(biāo)到1954年北京坐標(biāo)系、1980年西安坐標(biāo)系、包頭53獨立坐標(biāo)系和包頭97獨立坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換參數(shù)。

b 利用所求得的轉(zhuǎn)換參數(shù)將參與求轉(zhuǎn)換參數(shù)點的CGCS2000坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到1954年北京坐標(biāo)、1980年西安坐標(biāo)、包頭53獨立坐標(biāo)和包頭97獨立坐標(biāo)。

c 求轉(zhuǎn)換所得的1954年北京坐標(biāo)、1980年西安坐標(biāo)、包頭53獨立坐標(biāo)和包頭97獨立坐標(biāo)與已知的1954年北京坐標(biāo)、1980年西安坐標(biāo)、包頭53獨立坐標(biāo)和包頭97獨立坐標(biāo)的殘差。

d 剔除殘差最大的點，重新執(zhí)行a.b.c步驟，直到所有參與求轉(zhuǎn)換參數(shù)點的點位殘差小于2cm。

3.3.2剔點法的基本思路：

a 找出可靠性最好的兩個點，利用四參數(shù)模型求CGCS2000坐標(biāo)到1954年北京坐標(biāo)系、1980年西安坐標(biāo)系、包頭53獨立坐標(biāo)系和包頭97獨立坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換參數(shù)。

b 利用所求得的轉(zhuǎn)換參數(shù)將所有控制點的CGCS2000坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到1954年北京坐標(biāo)、1980年西安坐標(biāo)、包頭53獨立坐標(biāo)和包頭97獨立坐標(biāo)。

c 求轉(zhuǎn)換所得的1954年北京坐標(biāo)、1980年西安坐標(biāo)、包頭53獨立坐標(biāo)和包頭97獨立坐標(biāo)與已知的1954年北京坐標(biāo)、1980年西安坐標(biāo)、包頭53獨立坐標(biāo)和包頭97獨立坐標(biāo)的殘差。

d 找出殘差最小的點，加入求轉(zhuǎn)換參數(shù)的中點，重新執(zhí)行a.b.c步驟，直到所有參與求轉(zhuǎn)換參數(shù)點的點位殘差小于2cm。

4 結(jié)果與分析

包頭市高精度三維GPS控制網(wǎng)布設(shè)均勻，結(jié)構(gòu)合理，數(shù)據(jù)處理模型嚴(yán)密，綜合了多種精密數(shù)據(jù)處理技術(shù)，獲得了精度很高的結(jié)果。GPS網(wǎng)的三維約束平差結(jié)果建立了包頭市在CGCS2000坐標(biāo)系統(tǒng)下的三維地心坐標(biāo)基準(zhǔn)。通過整體平差，求出了GPS控制點的1954年北京坐標(biāo)系、1980年西安坐標(biāo)系、包頭53獨立坐標(biāo)系和包頭97獨立坐標(biāo)系坐標(biāo)。高精度控制坐標(biāo)點為今后基礎(chǔ)測繪基準(zhǔn)的最終建立提供科學(xué)的依據(jù)，也為高精度、高分辨率似大地水準(zhǔn)面的建立提供均勻、可靠和精確的數(shù)據(jù)。

5 應(yīng)用前景

5.1可降水汽預(yù)報的應(yīng)用

目前氣象上獲取水汽資料主要依賴常規(guī)的探空站網(wǎng)，對于尺度很小或在兩次觀察間隔期間內(nèi)快速生成、發(fā)展、消亡的暴雨等災(zāi)害天氣，常規(guī)方法根本無法觀測到。應(yīng)用高精度三維GPS控制網(wǎng)可以提供全方位的可降水汽的變化信息，分辨率可從傳統(tǒng)的12小時采樣一次提高到30分鐘一次，從而能提供更早、更準(zhǔn)、更細(xì)的短期天氣預(yù)報。

5.2防災(zāi)減災(zāi)的應(yīng)用

地殼運動是一個緩慢的、微小的變化過程。以往應(yīng)用常規(guī)大地測量方法對地殼運動進行監(jiān)測，經(jīng)過長期艱苦的努力，最后的測量成果在精度、連續(xù)性和覆蓋范圍方面都難以取得令人滿意的結(jié)果。高精度三維GPS控制網(wǎng)的建立，從根本上突破了常規(guī)大地測量的局限性，使測定各種尺度、各種時間分辨率地殼運動以至準(zhǔn)實時監(jiān)測成為可能。這種技術(shù)已被世間上許多國家和地區(qū)用來監(jiān)測火山地震、構(gòu)造地震和板塊運動的重要方法。

5.3水利建設(shè)的應(yīng)用

高精度三維GPS控制網(wǎng)可為水利建設(shè)提供高精度、實時、動態(tài)、可靠的數(shù)據(jù)源，如對水庫大壩形變進行監(jiān)測。水庫由于所蓄水的重壓可能使大壩產(chǎn)生形變，為了大壩的安全，水利部門需要對大壩的形變進行連續(xù)而精密的監(jiān)測。利用高精度三維GPS控制網(wǎng)，可在遠離大壩體的適當(dāng)位置選擇一參考站，并在大壩形變區(qū)域選擇若干監(jiān)測點，分在參考站和監(jiān)測點上分別安置GPS接收機，進行連續(xù)自動觀測，實時地將監(jiān)測數(shù)據(jù)傳送到數(shù)據(jù)處理中心，以進行處理和分析，從而實現(xiàn)對水庫大壩的實時監(jiān)測。

5.4交通管理和智能交通的應(yīng)用

自20世紀(jì)90年代以來，電子信息技術(shù)越來越多地應(yīng)用到交通運輸領(lǐng)域，并逐漸形成一個嶄新的工程領(lǐng)域——智能運輸系統(tǒng)。ITS采用先進的電子、信息、通信等高新技術(shù)，對傳統(tǒng)的交通運輸系統(tǒng)及管理體制進行改造，從而形成一種信息化、智能化、社會化的新型現(xiàn)代交通系統(tǒng)。發(fā)展ITS所需的主要技術(shù)包括：互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、GPS技術(shù)、GIS技術(shù)、信息自動采集技術(shù)、航位推算技術(shù)、智能信號控制技術(shù)、信息系統(tǒng)集成技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)軟件技術(shù)等，其核心部分就GPS技術(shù)。21世紀(jì)，以GPS為基礎(chǔ)的道路引導(dǎo)/車輛導(dǎo)航系統(tǒng)已成為最大的ITS用戶市場，該系統(tǒng)將有更多機會開辟新的更為廣闊的市場。

5.5農(nóng)林領(lǐng)域中的應(yīng)用

5.5.1精細(xì)農(nóng)業(yè)的應(yīng)用

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中增加產(chǎn)量和提高效益是根本目的。要達到增產(chǎn)高效的目的，除了種植高產(chǎn)作物，加強田間管理技術(shù)措施，弄清土壤性質(zhì)，監(jiān)測農(nóng)作物產(chǎn)量、分布，合理施肥及噴灑農(nóng)藥等也是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中重要的管理技術(shù)。利用GPS技術(shù)，配合遙感技術(shù)（RS）和地理信息系統(tǒng)（GIS），就能夠做到監(jiān)測農(nóng)作物產(chǎn)量及分布，分析土壤成分，做到合理施肥、播種和噴灑農(nóng)藥，降低成本，達到增加產(chǎn)量提高效益的目的。

5.5.2林業(yè)的應(yīng)用

將GPS測量技術(shù)應(yīng)用在林業(yè)工作中，能夠快速、高效、準(zhǔn)確地提供點、線、面要素的坐標(biāo)，完成森林調(diào)查與管理中各種境界線的勘測測繪與放樣定界，成為森林資源調(diào)查與動態(tài)監(jiān)測的有力工具。同時，在確定林區(qū)面積，估算木材量，計算可采伐森林面積，對森林火災(zāi)周邊測量，尋找水源等方面發(fā)揮重要的作用。

6 結(jié)束語

地理信息是人們認(rèn)識世界、利用自然不可缺少的媒介，是經(jīng)濟社會發(fā)展的基礎(chǔ)性、戰(zhàn)略性資源。包頭市高精度三維GPS控制網(wǎng)是包頭市地理空間基礎(chǔ)框架工程的重要組成部分，也是包頭市地理空間基礎(chǔ)框架數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)。包頭市高精度三維GPS控制網(wǎng)的建立，將大大提高測繪生產(chǎn)效率，加快基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)的更新速度，同時在氣象、水利、交通、國土資源管理、農(nóng)林、生態(tài)環(huán)境保護、防災(zāi)減災(zāi)、及科學(xué)研究等方面的具有廣泛的應(yīng)用前景。