三明市現(xiàn)代測(cè)繪基準(zhǔn)體系的建立

何書鏡，杜仲進(jìn)，郭坤偉

（1.福建省測(cè)繪院，福建 福州 350003）

三明市現(xiàn)代測(cè)繪基準(zhǔn)體系的建立

何書鏡1，杜仲進(jìn)1，郭坤偉1

（1.福建省測(cè)繪院，福建 福州 350003）

概述了三明市的地理概況和現(xiàn)代測(cè)繪基準(zhǔn)框架體系建設(shè)的意義，詳細(xì)介紹了GNSS控制網(wǎng)、水準(zhǔn)網(wǎng)、似大地水準(zhǔn)面精化的建設(shè)實(shí)施、數(shù)據(jù)處理和精度分析的有關(guān)情況，展望了三明市現(xiàn)代測(cè)繪基準(zhǔn)框架體系的應(yīng)用前景。

現(xiàn)代測(cè)繪基準(zhǔn)體系；三明市；GNSS控制網(wǎng)；水準(zhǔn)測(cè)量；似大地水準(zhǔn)面精化

1 三明市概況

三明市位于福建省中西北部，是一座新興的工業(yè)城市、中國(guó)優(yōu)秀旅游城市、全國(guó)百強(qiáng)城市、福建省的重點(diǎn)林區(qū)，也是國(guó)務(wù)院批準(zhǔn)建立的全國(guó)集體林區(qū)改革試驗(yàn)區(qū)，國(guó)家林業(yè)局確定的全國(guó)集體林區(qū)林業(yè)產(chǎn)權(quán)制度改革唯一試點(diǎn)和海峽兩岸現(xiàn)代林業(yè)合作實(shí)驗(yàn)區(qū)。轄2區(qū)1市9縣，土地總面積23 000 km2，山地占總面積82%，耕地占8.3%，水域及其他占9.7%，有“八山一水一分田”之稱。

隨著社會(huì)的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，用于建立和維持大地測(cè)量基準(zhǔn)的技術(shù)手段、工具和理論方法發(fā)生了巨大的變化[1]。為滿足新技術(shù)條件下國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)、國(guó)防建設(shè)及地球科學(xué)研究對(duì)三維動(dòng)態(tài)大地測(cè)量基準(zhǔn)框架的需求，建立高精度、三維、動(dòng)態(tài)、多功能的國(guó)家空間坐標(biāo)基準(zhǔn)框架、國(guó)家高程基準(zhǔn)框架、國(guó)家重力基準(zhǔn)框架，以及由GNSS、水準(zhǔn)、重力等綜合技術(shù)確定的高精度、高分辨率似大地水準(zhǔn)面模型構(gòu)成的地理空間信息基準(zhǔn)框架的需要[2-4]，三明市提出建設(shè)三明市現(xiàn)代測(cè)繪基準(zhǔn)框架體系基礎(chǔ)設(shè)施的目標(biāo)。

2 建設(shè)實(shí)施

為了滿足三明市經(jīng)濟(jì)發(fā)展、城市建設(shè)和人民文化生活對(duì)基礎(chǔ)地理信息的需求，《三明市“十二五”基礎(chǔ)測(cè)繪規(guī)劃》的一項(xiàng)重要目標(biāo)是進(jìn)一步豐富基礎(chǔ)地理信息資源，完善現(xiàn)代化測(cè)繪基準(zhǔn)體系，提高基礎(chǔ)地理信息現(xiàn)勢(shì)性。三明市現(xiàn)代測(cè)繪基準(zhǔn)體系建設(shè)在國(guó)家和省空間坐標(biāo)基準(zhǔn)框架的基礎(chǔ)上，利用大地測(cè)量高新技術(shù)手段，在三明市現(xiàn)有平面成果資料和水準(zhǔn)、重力資料等測(cè)繪成果的基礎(chǔ)上，布設(shè)覆蓋全市域集平面、高程、重力場(chǎng)信息于一體的綜合性基礎(chǔ)控制網(wǎng)，形成由大地基準(zhǔn)、高程基準(zhǔn)和重力基準(zhǔn)等組成的高精度、三維地心、實(shí)用的三明市現(xiàn)代測(cè)繪基準(zhǔn)體系基礎(chǔ)設(shè)施，為“數(shù)字三明”建設(shè)、測(cè)繪工程、推廣2000國(guó)家大地坐標(biāo)系統(tǒng)（CGCS2000）提供了統(tǒng)一的空間定位基準(zhǔn)。三明市現(xiàn)代測(cè)繪基準(zhǔn)體系于2013～2014年建設(shè)完成并通過驗(yàn)收。其基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)主要包括三明市23 000 km2范圍內(nèi)的GNSS控制網(wǎng)的布設(shè)和實(shí)施，二、三等水準(zhǔn)網(wǎng)的施測(cè)、計(jì)算和似大地水準(zhǔn)面計(jì)算及相關(guān)軟件的編制等。

2.1 GNSS控制網(wǎng)

三明市現(xiàn)代測(cè)繪基準(zhǔn)體系GNSS控制網(wǎng)由GNSS框架網(wǎng)和基本網(wǎng)組成。GNSS框架網(wǎng)用于獲取高精度的地心坐標(biāo)，提高GNSS控制網(wǎng)整體精度，將基本網(wǎng)與CGCS2000坐標(biāo)系鏈接起來，為三明市控制網(wǎng)建立提供精密參考框架。GNSS框架網(wǎng)由境內(nèi)及周邊的福建省連續(xù)運(yùn)行衛(wèi)星定位服務(wù)系統(tǒng)（FJCORS）18個(gè)基準(zhǔn)站組成。基本網(wǎng)以GNSS框架網(wǎng)點(diǎn)為基礎(chǔ)，在已有的2004年福建省C級(jí)GPS網(wǎng)點(diǎn)[5]基礎(chǔ)上，加密布設(shè)GPS基本網(wǎng)控制點(diǎn)，點(diǎn)位選取均滿足GPS觀測(cè)條件，并盡量滿足水準(zhǔn)觀測(cè)條件。GPS基本網(wǎng)控制點(diǎn)在各個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)、街道辦事處所在地或附近布設(shè)，基本滿足一個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)布設(shè)一個(gè)點(diǎn)的要求。基本網(wǎng)控制點(diǎn)共布設(shè)點(diǎn)位241個(gè)，新選埋199個(gè)，套合福建省C級(jí)GPS點(diǎn)38個(gè)，國(guó)家A級(jí)GPS控制點(diǎn)3個(gè)，其中聯(lián)測(cè)一等、二等三角點(diǎn)6個(gè)。GNSS控制網(wǎng)點(diǎn)分布見圖1（圖中站點(diǎn)位置已經(jīng)過保密處理，為示意位置，并非站點(diǎn)準(zhǔn)確分布圖）。

GNSS控制網(wǎng)觀測(cè)按《全球定位系統(tǒng)（GPS）測(cè)量規(guī)范》規(guī)定執(zhí)行?？蚣芫W(wǎng)與FJCORS同步觀測(cè)；基本網(wǎng)按C級(jí)技術(shù)要求，使用Trimble 5800、R4、R8接收機(jī)基于FJCORS基準(zhǔn)站同步的單點(diǎn)觀測(cè)模式進(jìn)行觀測(cè)，每個(gè)點(diǎn)觀測(cè)2個(gè)時(shí)段，于2013-06-20～2013-07-19、2014-01-09～2014-01-12觀測(cè)，每時(shí)段長(zhǎng)度不少于4 h。

數(shù)據(jù)處理軟件采用美國(guó)麻省理工學(xué)院的GAMIT/ GLOBK軟件（版本10.40）。收集18個(gè)FJCORS基準(zhǔn)站同步觀測(cè)數(shù)據(jù)。GNSS控制網(wǎng)三維地心基準(zhǔn)為CGCS2000，約束框架網(wǎng)點(diǎn)，使用框架網(wǎng)點(diǎn)已有坐標(biāo)成果，作三維約束平差，求出基本網(wǎng)點(diǎn)成果。

圖1 GNSS控制網(wǎng)點(diǎn)分布圖（審圖號(hào)：閩S（2013）70號(hào)）

GNSS基本網(wǎng)基線以GPS Day（年積日）為單位進(jìn)行解算,基本網(wǎng)同步環(huán)Nrms值均小于0.3周，基線解算時(shí)周跳基本剔除干凈。對(duì)整網(wǎng)的全部基線結(jié)果進(jìn)行了x2檢驗(yàn)，檢驗(yàn)值均小于3。經(jīng)平差計(jì)算，基本網(wǎng)基線精度統(tǒng)計(jì)見表1，坐標(biāo)精度統(tǒng)計(jì)見表2。其中，最弱邊0093-SC137，基線長(zhǎng)度為4 043 m，相對(duì)中誤差為1.09×10-6。

表1 基本網(wǎng)基線精度統(tǒng)計(jì)

表2 基本網(wǎng)空間坐標(biāo)精度統(tǒng)計(jì)/mm

為了檢校本次平面控制成果的可靠性，將基本網(wǎng)中聯(lián)測(cè)的41個(gè)2004年A級(jí)、省C級(jí)控制點(diǎn)成果與省C級(jí)控制點(diǎn)已有成果進(jìn)行比較，點(diǎn)位間差值統(tǒng)計(jì)[6]結(jié)果見表3。已有控制點(diǎn)成果點(diǎn)位較差最小值為0.001 m，最大值為0.058 m，中誤差為0.028 m。說明本次基本網(wǎng)新測(cè)成果與已有成果變化不大，建議使用更新后的成果。

表3 基本網(wǎng)點(diǎn)位之間差值區(qū)間分布統(tǒng)計(jì)

2.2 水準(zhǔn)網(wǎng)

水準(zhǔn)網(wǎng)覆蓋三明市全市域，分為二等、三等水準(zhǔn)，在現(xiàn)有的國(guó)家一等、二等水準(zhǔn)路線和2012年FJCORS二等水準(zhǔn)聯(lián)測(cè)路線基礎(chǔ)上，以附和路線、閉合環(huán)線及結(jié)點(diǎn)網(wǎng)形式布設(shè)，路線分布見圖2（圖中水準(zhǔn)點(diǎn)位置已經(jīng)過保密處理，為示意位置，并非水準(zhǔn)點(diǎn)準(zhǔn)確分布圖）。二等水準(zhǔn)路線主要布設(shè)在國(guó)家一等、二等水準(zhǔn)路線未經(jīng)過或點(diǎn)位破壞嚴(yán)重地區(qū)。二等、三等水準(zhǔn)聯(lián)測(cè)新選埋的可聯(lián)測(cè)水準(zhǔn)的基本網(wǎng)控制點(diǎn)以及水準(zhǔn)路線附近的其他水準(zhǔn)點(diǎn)，共聯(lián)測(cè)點(diǎn)位133個(gè)，其中新選埋基本網(wǎng)控制點(diǎn)108個(gè)，省C級(jí)GPS點(diǎn)9個(gè)，新選埋水準(zhǔn)點(diǎn)8個(gè)，路線上其他水準(zhǔn)點(diǎn)8個(gè)。二等水準(zhǔn)線路3條，路線長(zhǎng)度675.9 km，采用2臺(tái)徠卡DNA03、1臺(tái)天寶Dini0.3觀測(cè)，聯(lián)測(cè)了32個(gè)水準(zhǔn)點(diǎn)、控制點(diǎn)。三等水準(zhǔn)線路附合路線15條，閉合環(huán)線2條，三等支線33條，路線長(zhǎng)度1 622.3 km，采用6臺(tái)徠卡 DNA03、4臺(tái)索佳 SDL30M和1臺(tái)套天寶 Dini0.3觀測(cè)，聯(lián)測(cè)了189個(gè)控制點(diǎn)、水準(zhǔn)點(diǎn)。

圖2 二、三等水準(zhǔn)聯(lián)測(cè)圖（審圖號(hào)：閩S（2013）70號(hào)）

水準(zhǔn)概算進(jìn)行了數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性與一致性的檢核。二等水準(zhǔn)進(jìn)行標(biāo)尺長(zhǎng)度誤差改正、正常水準(zhǔn)面不平行改正、重力異常改正、固體潮改正、日月引力改正、閉合差計(jì)算及每km水準(zhǔn)測(cè)量全中誤差計(jì)算，用全部二等水準(zhǔn)路線高差不符值計(jì)算的每km水準(zhǔn)測(cè)量偶然中誤差為±0.49 mm，滿足二等±1.0 mm的限差要求，閉（附）合路線用經(jīng)過各項(xiàng)改正后的高差計(jì)算的每km全中誤差為±0.26 mm，滿足二等±2.0 mm的限差要求。三等水準(zhǔn)進(jìn)行標(biāo)尺長(zhǎng)度誤差改正、正常水準(zhǔn)面不平行改正，用全部三等水準(zhǔn)路線高差不符值計(jì)算的每km水準(zhǔn)測(cè)量偶然中誤差為±1.26 mm，滿足三等±3.0 mm的限差要求，閉（附）合路線用經(jīng)過各項(xiàng)改正后的高差計(jì)算的每km全中誤差為±3.48 mm，滿足三等±6.0 mm的限差要求。

平差按逐級(jí)控制原則分等級(jí)進(jìn)行，在國(guó)家二期一等水準(zhǔn)網(wǎng)復(fù)測(cè)成果下進(jìn)行二等水準(zhǔn)路線平差，在新布設(shè)的二等水準(zhǔn)路線和2004年浙閩贛區(qū)域似大地水準(zhǔn)面精化試點(diǎn)項(xiàng)目二等水準(zhǔn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行三等水準(zhǔn)路線平差。二等水準(zhǔn)網(wǎng)平差以加過標(biāo)尺長(zhǎng)度誤差改正、正常水準(zhǔn)面不平行改正、重力異常改正、固體潮改正和海潮負(fù)荷改正后的往返測(cè)高差中數(shù)為元素，三等水準(zhǔn)網(wǎng)平差以加過標(biāo)尺長(zhǎng)度誤差改正、正常水準(zhǔn)面不平行改正的往返測(cè)高差中數(shù)為元素，待定結(jié)點(diǎn)高程為未知數(shù)，按路線測(cè)站數(shù)定權(quán)進(jìn)行結(jié)點(diǎn)平差。當(dāng)結(jié)點(diǎn)高程及路線高差改正量計(jì)算完成后，采用附合路線平差的方法推求其他各水準(zhǔn)點(diǎn)的高程。二等水準(zhǔn)平差后每km單位權(quán)中誤差為±0.26 mm。三等水準(zhǔn)平差后每km單位權(quán)中誤差為±3.46 mm，最弱結(jié)點(diǎn)高程中誤差為±17.38 mm。

為了檢校本次高程控制成果的可靠性，將新布設(shè)的水準(zhǔn)路線聯(lián)測(cè)已有20點(diǎn)成果與2004年浙閩贛區(qū)域似大地水準(zhǔn)面精化試點(diǎn)項(xiàng)目[5]中的二、三等水準(zhǔn)點(diǎn)成果進(jìn)行比較，高程之間差值[7,8]絕對(duì)值最小值為0，最大值為0.084 m，中誤差為0.026 m，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表4。

表4 水準(zhǔn)點(diǎn)高程差值區(qū)間分布統(tǒng)計(jì)

2.3 似大地水準(zhǔn)面精化

似大地水準(zhǔn)面精化利用地球重力場(chǎng)模型、數(shù)字地形模型和地面重力資料獲得該地區(qū)高分辨率柵格重力異常值，確定重力似大地水準(zhǔn)面，將重力似大地水準(zhǔn)面擬合適配于該區(qū)域的GPS水準(zhǔn)網(wǎng)，獲得最終似大地水準(zhǔn)面。收集該區(qū)域及周邊地區(qū)重力點(diǎn)和1：50 000 CGCS2000地形數(shù)據(jù)DEM成果完成規(guī)則格網(wǎng)重力似大地水準(zhǔn)面計(jì)算，利用GPS水準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行重力似大地水準(zhǔn)面擬合糾正。充分利用該地區(qū)及周邊地區(qū)的重力點(diǎn)成果、DEM、全球重力場(chǎng)模型及分布較均勻的、現(xiàn)勢(shì)性較好的GPS水準(zhǔn)成果，采用重力法及移去-恢復(fù)技術(shù)，計(jì)算重力區(qū)域似大地水準(zhǔn)面[9]。利用該區(qū)域?qū)崪y(cè)的142 點(diǎn)、2004年省C級(jí)21點(diǎn)、周邊（江西）6點(diǎn)，共169點(diǎn)GPS/水準(zhǔn)點(diǎn)，選擇自適應(yīng)最小二乘配置糾正重力似大地水準(zhǔn)面，獲取全市域范圍內(nèi)符合要求（±3.1 cm）的高精度、高分辨率似大地水準(zhǔn)面成果，見圖3。根據(jù)該區(qū)域最終似大地水準(zhǔn)面2.5'×2.5'格網(wǎng)成果，按照雙線性內(nèi)插方法編制相應(yīng)的似大地水準(zhǔn)面插值軟件。

為了檢測(cè)似大地水準(zhǔn)面精化模型精度[10]，在測(cè)區(qū)均勻布設(shè)20個(gè)外部檢核點(diǎn)，使用同精度同方法施測(cè)，與似大地水準(zhǔn)面插值軟件計(jì)算檢核點(diǎn)的大地水準(zhǔn)面擬合值進(jìn)行比較，最大值為5.1 cm，最小值為-6.3 cm，中誤差為±3.1 cm。

圖3 似大地水準(zhǔn)面等值線圖

3 結(jié) 語

三明市現(xiàn)代測(cè)繪基準(zhǔn)體系采用了框架網(wǎng)、基本網(wǎng)的布網(wǎng)形式，在CGCS2000下將省、市控制網(wǎng)通過重合點(diǎn)納入到基本網(wǎng)中，為CGCS2000、1954北京坐標(biāo)系、1980西安坐標(biāo)系等坐標(biāo)相互轉(zhuǎn)換提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。提供高精度的GNSS框架網(wǎng)、基本網(wǎng)控制點(diǎn)和二、三等水準(zhǔn)點(diǎn)成果及高分辨率的似大地水準(zhǔn)面模型，建立覆蓋全市域的三維地心基準(zhǔn)，統(tǒng)一全市域二維平面基準(zhǔn)和高程基準(zhǔn)，為三明市地理空間信息相關(guān)活動(dòng)提供了統(tǒng)一的空間定位基準(zhǔn)。三明市高精度似大地水準(zhǔn)面和FJCORS的結(jié)合，可代替較低等級(jí)水準(zhǔn)測(cè)量，有效減少野外測(cè)繪工作量，極大地改善傳統(tǒng)的平面和高程測(cè)量作業(yè)模式，推進(jìn)衛(wèi)星定位技術(shù)的社會(huì)化應(yīng)用進(jìn)程，提高測(cè)繪服務(wù)保障能力，滿足三明市數(shù)字城市建設(shè)和現(xiàn)代測(cè)繪的需要，具有良好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

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P208

B

1672-4623（2016）03-0088-03

10.3969/j.issn.1672-4623.2016.03.028

何書鏡，正高職高級(jí)工程師，注冊(cè)測(cè)繪師，從事大地測(cè)量、工程測(cè)量及測(cè)繪生產(chǎn)管理工作。

2015-01-23。

項(xiàng)目來源：福建省科技重大專項(xiàng)專題任務(wù)資助項(xiàng)目（2013HZ0002-1）。