太原市現(xiàn)代測(cè)繪基準(zhǔn)的建立方法與實(shí)現(xiàn)

李 峰

(山西省工程測(cè)繪院,山西太原 030002)

太原市現(xiàn)代測(cè)繪基準(zhǔn)的建立方法與實(shí)現(xiàn)

李 峰

(山西省工程測(cè)繪院,山西太原 030002)

介紹太原市現(xiàn)代測(cè)繪基準(zhǔn)的建立方案和實(shí)施過(guò)程,內(nèi)容包括 GPS C級(jí)點(diǎn)建設(shè),二、三等水準(zhǔn)測(cè)量,大地水準(zhǔn)面精化,TYCORS系統(tǒng)建設(shè)和太原市 2008城市獨(dú)立坐標(biāo)系的建立及應(yīng)用等。

測(cè)繪基準(zhǔn);水準(zhǔn)面精化;CORS系統(tǒng);獨(dú)立坐標(biāo)系

一、引 言

測(cè)繪基準(zhǔn)是人類定義的能夠描述地球自然、人文信息地理空間特征的參照系統(tǒng)?，F(xiàn)代測(cè)繪基準(zhǔn)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)是構(gòu)建高精度、三維、地心、動(dòng)態(tài)的,能滿足信息化社會(huì)需要的測(cè)繪基準(zhǔn)框架體系,由空間基準(zhǔn)、平面基準(zhǔn)、高程基準(zhǔn)、重力基準(zhǔn)組成。太原市原有的測(cè)繪基準(zhǔn)是非地心、二維、低精度、靜態(tài)的基準(zhǔn)框架,在“數(shù)字太原”建設(shè)和地理空間數(shù)據(jù)的應(yīng)用中,它所帶來(lái)的不協(xié)調(diào)問(wèn)題愈來(lái)愈多。太原市現(xiàn)代測(cè)繪基準(zhǔn)通過(guò)現(xiàn)代大地測(cè)量技術(shù)手段建立,目標(biāo)是與 2000國(guó)家大地坐標(biāo)系相一致,實(shí)現(xiàn)多源數(shù)據(jù)的無(wú)縫銜接,保證地理空間數(shù)據(jù)的一致性、兼容性、完整性和可轉(zhuǎn)換性,為太原市的信息化測(cè)繪體系建設(shè)服務(wù)。本文研究了太原市現(xiàn)代測(cè)繪基準(zhǔn)建立的方法,并詳細(xì)探討了建立的內(nèi)容。

二、太原市原有測(cè)繪基準(zhǔn)狀況

1.平面基準(zhǔn)

太原市的坐標(biāo)框架一直沿用 20世紀(jì) 50年代建立的城市獨(dú)立坐標(biāo)系,由于作業(yè)時(shí)間不同、作業(yè)單位不同、依據(jù)的起算數(shù)據(jù)不同等原因,歷史上曾出現(xiàn)過(guò)幾種不同的坐標(biāo)系。同時(shí),隨著城市的不斷擴(kuò)張,坐標(biāo)控制范圍由幾十平方千米逐漸發(fā)展到上千平方千米。太原市的坐標(biāo)系統(tǒng)基本確定以后,主要經(jīng)歷過(guò)三次大的改造建設(shè)：1978年采用三等三角網(wǎng)觀測(cè)方法,測(cè)量 42個(gè)三角點(diǎn),城市控制范圍 1 000余平方千米;1992年施測(cè)城市 GPS二等點(diǎn) 41個(gè),城市控制范圍延伸到清徐縣城和榆次市邊;2006年施測(cè) GPS C級(jí)點(diǎn) 124個(gè),控制范圍覆蓋太原市全境(含兩市、三縣)6 990 km2。

太原市原有的坐標(biāo)系統(tǒng)經(jīng)過(guò)幾次改造,雖然控制點(diǎn)的精度有了很大的提高,但由于其坐標(biāo)框架采用 1954北京坐標(biāo)系的橢球參數(shù),以市區(qū)中心一點(diǎn)為原點(diǎn),中央子午線近似為 112°30′,投影面高程為0m,因此在城市中心區(qū)域,邊長(zhǎng)投影變形值達(dá)到12.6 cm/km左右,遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足《城市測(cè)量規(guī)范》規(guī)定的小于 2.5 cm/km的要求,測(cè)量精度從根源上受到制約。

2.高程基準(zhǔn)

太原市的高程基準(zhǔn)為大沽高程基準(zhǔn),同樣始建于 20世紀(jì) 50年代,由于建設(shè)年代久遠(yuǎn),形成了自我封閉獨(dú)立的城市高程體系,與周圍城市和地區(qū)采用的 1985國(guó)家高程基準(zhǔn)存在著銜接問(wèn)題。

太原市城市及周邊每年地下水抽取量較大,地面沉降較為嚴(yán)重,城市高程點(diǎn)數(shù)值變化較快,為此,太原市城市勘察測(cè)繪研究院定期進(jìn)行城市二等水準(zhǔn)聯(lián)測(cè),起始點(diǎn)為上蘭村(城市北部基巖水準(zhǔn)點(diǎn))。

三、太原市 GPS C級(jí)點(diǎn)建設(shè)和城市大地水準(zhǔn)面精化

1.GPS C級(jí)點(diǎn)建設(shè)

2006年,太原市 GPS C級(jí)點(diǎn)建設(shè)與山西省 GPS C級(jí)點(diǎn)建設(shè)同步進(jìn)行、同網(wǎng)測(cè)量、同網(wǎng)數(shù)據(jù)處理。太原市全境布設(shè) GPS C級(jí)點(diǎn) 124個(gè),其中利用城市原有高等級(jí)控制點(diǎn) 16個(gè),國(guó)家高等級(jí)控制點(diǎn) 6個(gè),點(diǎn)位布設(shè)市區(qū)較密,市區(qū)外圍分布基本均勻,相鄰點(diǎn)距小于 10 km。選取的基準(zhǔn)為：①空間基準(zhǔn)：ITRF97、參考?xì)v元 2000.0(即 2000國(guó)家大地坐標(biāo)系);②平面基準(zhǔn)：2006太原市城市獨(dú)立坐標(biāo)系和1980西安坐標(biāo)系;③高程基準(zhǔn)：1985國(guó)家高程基準(zhǔn);④重力基準(zhǔn)：2000國(guó)家重力基準(zhǔn)。

采用與 GPS連續(xù)運(yùn)行站聯(lián)測(cè)的觀測(cè)方法,即全省均勻建立 5個(gè)臨時(shí) GPS連續(xù)運(yùn)行站(太原站為其中之一),每個(gè) GPS C級(jí)點(diǎn)觀測(cè)時(shí)間大于 8 h。平差精度為：GPS C級(jí)網(wǎng)相鄰基線點(diǎn)水平分量測(cè)定精度平均值 ±3.9mm;相鄰基線點(diǎn)垂直分量測(cè)定精度平均值 ±9.1mm;GPS C級(jí)網(wǎng)基線相對(duì)中誤差平均值1.58×10-8。

2.二、三等水準(zhǔn)測(cè)量

二、三等水準(zhǔn)測(cè)量是與 GPS C級(jí)點(diǎn)測(cè)量結(jié)合進(jìn)行的,目的是為城市大地水準(zhǔn)面精化提供計(jì)算依據(jù)數(shù)據(jù)。該項(xiàng)工作仍與山西省二、三等水準(zhǔn)測(cè)量任務(wù)合作進(jìn)行,太原市施測(cè)二等水準(zhǔn) 69.0 km,三等水準(zhǔn)304.5 km。39個(gè) GPS C級(jí)點(diǎn)聯(lián)測(cè)三等水準(zhǔn)。用各等級(jí)水準(zhǔn)路線的高差不符值分別計(jì)算了各等級(jí)水準(zhǔn)的每千米偶然中誤差,二等為 ±0.72 mm,三等為±1.10mm,均滿足限差要求。

3.城市大地水準(zhǔn)面精化

太原市大地水準(zhǔn)面精化模型是在山西省大地水準(zhǔn)面精化模型中截取的,兩者精度一致,中誤差為 ±5.0 cm。

大地水準(zhǔn)面精化的技術(shù)路線為：利用該區(qū)域內(nèi)的重力測(cè)量資料、3″×3″分辨率數(shù)字高程模型、360階次的國(guó)內(nèi)外先進(jìn)的重力場(chǎng)模型(WDM94、EG M96等),以及 GPS、水準(zhǔn)測(cè)量成果,采用重力法 (Stokes、Molodensky原理)與移去-恢復(fù)技術(shù)完成該地區(qū)分辨率為 2.5′×2.5′的高精度似大地水準(zhǔn)面。

四、太原市 2008城市獨(dú)立坐標(biāo)系的建立

1.原有坐標(biāo)系統(tǒng)的過(guò)渡階段

隨著“數(shù)字太原”工作的大力推進(jìn)和城市地理空間數(shù)據(jù)的廣泛應(yīng)用,迫切需要建立太原市空間基準(zhǔn)體系及與其相對(duì)應(yīng)的平面基準(zhǔn),目的是保證太原市原有測(cè)繪資料 (主要是大量的大比例尺地形圖)作為過(guò)渡階段成果,仍能正常提供使用。

根據(jù)以上原則,2006太原市城市獨(dú)立坐標(biāo)系的設(shè)計(jì)理念為：空間基準(zhǔn)采用 2000國(guó)家大地坐標(biāo)系,平面基準(zhǔn)通過(guò)選取中央子午線、坐標(biāo)原點(diǎn) (坐標(biāo)平移量)、長(zhǎng)度縮放因子的手段,建立與原城市獨(dú)立坐標(biāo)系吻合的坐標(biāo)系統(tǒng)(其差異情況見(jiàn)表 1)。

ITRF97坐標(biāo)系與 2006太原獨(dú)立坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換關(guān)系

表 1 2006太原獨(dú)立坐標(biāo)系成果與原城市獨(dú)立坐標(biāo)系成果的對(duì)比 m

2.太原市 2008城市獨(dú)立坐標(biāo)系統(tǒng)的建設(shè)方案

太原市 2008城市獨(dú)立坐標(biāo)系統(tǒng)建立的根本目的,是要滿足市區(qū)邊長(zhǎng)投影變形值小于 2.5 cm/km的要求。

由于邊長(zhǎng)高程歸化改正和高斯投影距離改正具有相互抵償?shù)牡貛?即

式中,σ為邊長(zhǎng)投影變形值;ΔHm為觀測(cè)邊的平均大地高與投影面的差值;R為地球平均曲率半徑;Ym為該邊兩端點(diǎn)的平均橫坐標(biāo)。)取市區(qū)的平均高程面為投影面,平均經(jīng)線為中央子午線,可得ΔHm= 0,Ym=0,此時(shí),σ=0,基于此抵償原理,太原市 2008城市獨(dú)立坐標(biāo)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案為:空間基準(zhǔn)采用2000國(guó)家大地坐標(biāo)系,平面基準(zhǔn)采用選取特定中央子午線、特定高程投影面、坐標(biāo)原點(diǎn) (坐標(biāo)平移量)的模式。

3.太原市 2008城市獨(dú)立坐標(biāo)系統(tǒng)的應(yīng)用

(1)適用范圍

太原市(轄古交市、陽(yáng)曲縣、婁煩縣、清徐縣)地理環(huán)境獨(dú)特,幅員遼闊。建成區(qū)東、西、北三面環(huán)山,南面為開(kāi)闊的平原區(qū),陽(yáng)曲縣縣城位于其北部山區(qū),古交市、婁煩縣縣城位于其西部山區(qū),清徐縣縣城位于其南部平原。太原市 2008城市獨(dú)立坐標(biāo)系在上述縣城中心區(qū)的邊長(zhǎng)投影變形值見(jiàn)表 2。

表2

由表 2可見(jiàn),太原市 2008城市獨(dú)立坐標(biāo)系可以同時(shí)滿足太原城區(qū)、古交市、陽(yáng)曲縣、婁煩縣、清徐縣城市獨(dú)立坐標(biāo)系統(tǒng)的建立要求。

在全國(guó)大、中城市中,使用一套城市獨(dú)立坐標(biāo)同時(shí)滿足本身及周圍所轄市、縣的需要是十分困難的。太原市兩市、三縣城市獨(dú)立坐標(biāo)的一致性,保證了城市基礎(chǔ)空間數(shù)據(jù)基準(zhǔn)的統(tǒng)一,實(shí)現(xiàn)了各市、縣基礎(chǔ)空間數(shù)據(jù)的無(wú)縫連接。

(2)與其他坐標(biāo)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換

1)與 2006太原獨(dú)立坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換關(guān)系為

上述轉(zhuǎn)換是以 2000國(guó)家大地坐標(biāo)為平臺(tái),經(jīng)過(guò)改變投影面和中央子午線、坐標(biāo)平移、長(zhǎng)度縮放的方法得以實(shí)現(xiàn)。該轉(zhuǎn)換的目的是解決與城市原有空間數(shù)據(jù)的銜接問(wèn)題。

2)與 1980西安坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換關(guān)系為

TY2008與 CGCS2000之間的轉(zhuǎn)換,采用高斯投影正、反算(特定投影面和中央子午線)加坐標(biāo)平移的方法;CGCS2000與 X IAN80之間的轉(zhuǎn)換,采用布爾沙模型(七參數(shù)轉(zhuǎn)換法)。該轉(zhuǎn)換的目的是解決與國(guó)家原有空間數(shù)據(jù)的銜接問(wèn)題。

五、城市CORS系統(tǒng)的建設(shè)

太原市空間基準(zhǔn)的確定,為 TYCORS系統(tǒng)建設(shè)提供了基準(zhǔn)保障。

1.TYCORS系統(tǒng)的建設(shè)方案和過(guò)程

太原市全球?qū)Ш叫l(wèi)星連續(xù)運(yùn)行參考站網(wǎng)絡(luò)服務(wù)系統(tǒng)(TYCORS)由 6個(gè)參考站 (太原站、陽(yáng)曲站、清徐站、古交站、婁煩站和晉中站)組成,屬于區(qū)域參考站網(wǎng),平均站間距約 36.6 km,覆蓋全太原市絕大部分,范圍約為 7 000 km2。

TYCORS采用Leica GRX1200 GG雙頻 GPS接收機(jī),系統(tǒng)軟件是 Leica公司的 GNSS Spider 3.1.1版本,具有數(shù)據(jù)傳送與存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)解算、數(shù)據(jù)分發(fā)等功能。參考站與系統(tǒng)控制中心通過(guò) SDH光纖專線連接,系統(tǒng)控制中心開(kāi)通了APN專用通道,與用戶的通信采用 GPRS、GS M、CDMA等無(wú)線方式。系統(tǒng)的指標(biāo)如表 3所示。

表3 TYCORS的指標(biāo)

2.CORS系統(tǒng)的測(cè)試精度情況

為了檢核站網(wǎng)設(shè)計(jì)的合理性以及有效覆蓋范圍、流動(dòng)站在有效覆蓋范圍內(nèi)所能達(dá)到的精度、系統(tǒng)穩(wěn)定性和兼容性等技術(shù)指標(biāo),共有 9家相關(guān)單位的 10種型號(hào) GPS接收機(jī)參與測(cè)試。測(cè)試內(nèi)容主要包括：①系統(tǒng)坐標(biāo)框架測(cè)定和精度評(píng)定;②系統(tǒng)連續(xù)、自動(dòng)運(yùn)行能力的測(cè)試;③控制中心系統(tǒng)對(duì)參考站的管理能力和數(shù)據(jù)處理能力;④系統(tǒng)的可用性測(cè)試;⑤流動(dòng)站用戶接收機(jī)測(cè)試;⑥流動(dòng)站通信方式的可用性和性能測(cè)試;⑦流動(dòng)站用戶定位初始化時(shí)間、定位精度、時(shí)間延遲測(cè)試。

上述內(nèi)容測(cè)試范圍為太原市全境 6 990 km2,測(cè)試結(jié)果為系統(tǒng)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位精度在水平方向達(dá)到±(2～3)cm,高程方向達(dá)到 ±(3～5)cm,滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。

六、結(jié)束語(yǔ)

太原市現(xiàn)代測(cè)繪基準(zhǔn)的使用,為太原市信息化測(cè)繪提供了基本保障。目前,太原市國(guó)土、交通、規(guī)劃、測(cè)繪、環(huán)保等行業(yè)和領(lǐng)域已開(kāi)始正式起用新的現(xiàn)代測(cè)繪基準(zhǔn)體系,應(yīng)用到城市二次土地調(diào)查、“數(shù)字太原”、城市基礎(chǔ)測(cè)繪等項(xiàng)目中,并開(kāi)始陸續(xù)提供給社會(huì)使用。太原市現(xiàn)代測(cè)繪基準(zhǔn)的應(yīng)用前景必將非常廣闊。

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Establishment and Realization of the M odern Geodetic Datum of Ta iyuan C ity

L I Feng

0494-0911(2010)08-0018-03

P228.4

B

2010-04-27

李 峰(1968—),男,河北深澤人,工程師,主要從事基礎(chǔ)測(cè)繪生產(chǎn)、科研與管理工作。