泰順縣GPS基礎控制網(wǎng)布設與數(shù)據(jù)處理

高起月

(泰順縣測繪大隊，浙江 溫州 325500)

1 引言

浙江省泰順縣地處浙閩交界，東南鄰福建省的福鼎、柘榮，西南接福安、壽寧，西北靠浙江的景寧，東北毗文成，是溫州地區(qū)最南端的山區(qū)縣。素有“九山半水半分田”之稱。地勢從西北向東南傾斜，為洞宮山脈和南雁蕩山之延伸，境內(nèi)層巒疊嶂，綿亙起伏，千米以上山峰179座，其中浙南第一高峰白云尖海拔 1 611 m。泰順是全國生態(tài)示范縣，中國廊橋之鄉(xiāng)、茶葉之鄉(xiāng)、小水電之鄉(xiāng)。是浙江生態(tài)第一縣。水利、森林、旅游資源豐富，被譽為溫州后花園。

泰順縣政府緊密圍繞科學發(fā)展觀，堅持生態(tài)立縣，推動綠色崛起，建設“三生融合幸福泰順”。為加快全縣信息化建設和新農(nóng)村建設步伐，滿足泰順經(jīng)濟建設發(fā)展和“數(shù)字泰順”的需要。在充分利用縣內(nèi)原有省C級網(wǎng)點和1990年代后期布設D級GPS網(wǎng)點的基礎上進行聯(lián)測加密，建立泰順縣GPS基礎控制網(wǎng)。

泰順縣作為溫州市的重要組成部分，為實現(xiàn)“建設大都市框架”的目標，做好泰順控制網(wǎng)與溫州控制網(wǎng)相連接，使其融入溫州大框架，為“溫州市衛(wèi)星定位綜合服務系統(tǒng)”和“數(shù)字溫州”的建設打下基礎。

2 GPS基礎控制網(wǎng)布設

2.1 分級布網(wǎng)

為了有效提高作業(yè)效率，增強圖形層次結(jié)構(gòu)，將全網(wǎng)結(jié)構(gòu)布設呈三角形網(wǎng)。GPS基礎控制網(wǎng)采用分級布設的原則，即先在全縣范圍內(nèi)布設三等GPS網(wǎng)，然后在三等網(wǎng)下加密四等GPS網(wǎng)。

根據(jù)全縣交通狀況和地形特征以及保證所布設的點位可利用性。GPS基礎控制網(wǎng)共布設三等GPS點41個(省C級點7個，溫州市衛(wèi)星定位綜合服務系統(tǒng)基準站2座)，定位測量框架點6點。平均邊長約8.1 km，分布在全縣各鄉(xiāng)鎮(zhèn)，點位分布基本均勻，可以滿足今后城鎮(zhèn)及新農(nóng)村建設對平面控制點的需求。整個控制面積達 1 500 km2以上。同時，在三等GPS網(wǎng)中選擇6個能較好地控制全網(wǎng)的定位測量框架點與國家網(wǎng)進行聯(lián)測，還與溫州基礎控制網(wǎng)進行連接。泰順縣基礎控制網(wǎng)布設如圖1所示。

圖1 泰順縣基礎控制網(wǎng)示意圖

2.2 選點埋石

在實地踏勘選點時根據(jù)規(guī)范和設計書的要求嚴格執(zhí)行。一般地區(qū)點位盡量選在交通方便，易于長期保存，便于尋找，地質(zhì)條件較好，利于安全作業(yè)的位置上;城區(qū)內(nèi)選擇利于保存，視野相對開闊，能夠安全作業(yè)的廣場、操場、公共建筑場地等處。由于泰順縣地處山區(qū)，為考慮點位的有利使用和GPS網(wǎng)的布網(wǎng)特點，選點時對點位的通視不作要求，所有GPS點均采用現(xiàn)澆混凝土埋設，以 0.8 m×0.8 m×0.8 m(巖石上的點例外)規(guī)格按單層標志埋設，同時設立警示樁或警示牌并繪制點之記。

3 控制網(wǎng)施測

泰順縣GPS基礎控制網(wǎng)測繪項目依據(jù)城市測量規(guī)范(CJJ8－99)、全球定位系統(tǒng)城市測量技術規(guī)范(CJJ73－97)、國家三、四等水準測量規(guī)范(GB/12898－2009)、測繪技術設計規(guī)定(GH1004－2005)、測繪技術總結(jié)編寫規(guī)定(GH1001－2005)、測繪成果質(zhì)量檢查與驗收(GB/T24356－2009)等規(guī)范。

布設GPS基礎控制網(wǎng)在選點、埋石、儀器檢驗等均按照國家規(guī)范、標準執(zhí)行。同時在GPS控制網(wǎng)測量時應滿足:

(1)衛(wèi)星截止高度角≥15°;

(2)同步觀測健康衛(wèi)星數(shù)≥4顆;

(3)同步觀測儀器臺數(shù)≥4臺;

(4)幾何圖形強度因子PDOP≤6;

(5)觀測時段長度框架≥6 h，三等≥90 min;

(6)數(shù)據(jù)采樣率間隔:15 s;

(7)天線對中精度≤3 mm。

根據(jù)GPS衛(wèi)星的可見預報圖和幾何圖形強度(空間位置因子PDOP)，選取最佳觀測時段(接收衛(wèi)星多于4顆，且分布均勻、PDOP值小于6)，并編排作業(yè)調(diào)度表。采用邊連接和網(wǎng)連接相結(jié)合的方式，具有幾何強度大和輔助觀測校驗多等優(yōu)點。利用10臺套TRIMBLE系列的雙頻 GPS接收機(4臺 R6－2，3臺5800Ⅱ，2臺R6，1臺R8－2)進行觀測。觀測時將所有待測點和已知點連成一個整網(wǎng)。共觀測11個時段，GPS控制點102站次，平均重復上站率為2.2，高于三等平均上站率≥2的規(guī)范要求。

4 數(shù)據(jù)處理

4.1 坐標系統(tǒng)選擇與利用

泰順縣地理坐標為東經(jīng) 119°37'～120°15'，北緯27°17'～ 27°50'，120°子午線位于測區(qū)的中間偏西，當選擇120°為中央子午線的3°帶為投影面時，測區(qū)東西邊離中央子午線最遠的距離分別為 24.7 km和37.9 km，由此產(chǎn)生的高斯投影改正東西向最大分別為 0.75 cm/km、1.77 cm/km，其變形值低于城市測量規(guī)范規(guī)定的不超過 2.5 cm/km的要求。泰順地處山區(qū)，各地高程差值很大，當確定某一高程面為投影基準時，不同的高程值所產(chǎn)生的高程歸化值相差甚大，高程歸化改正公式為△S=－·S，綜合考慮高斯投影改正和高程歸化改正的共同影響，每千米長度的變形值為:△S=。

對于泰順縣典型的山區(qū)縣，整個控制網(wǎng)的△S不可能都滿足小于 2.5 cm/km的投影變形，有些地區(qū)嚴重超出規(guī)范要求。合理的投影基準和中央子午線成為本控制網(wǎng)的關鍵，36個鄉(xiāng)鎮(zhèn)高程分布情況如表1所示。

泰順縣鄉(xiāng)鎮(zhèn)高程分布情況表 表1

針對泰順縣這種特殊的山區(qū)地形，我們采用顧及主要城鎮(zhèn)的規(guī)劃建設項目對測量精度的需求，次要鄉(xiāng)鎮(zhèn)可考慮在實際測量工作中加入投影改正數(shù)來減小投影變形誤差的作法。對于不同的工程建設項目也根據(jù)實際的精度需求，對提供的控制成果通過需求分析后加以利用。

隨著“大都市框架”的戰(zhàn)略的實施和“數(shù)字城市”的深入發(fā)展，泰順縣作為溫州整體的有機部分來統(tǒng)一規(guī)劃發(fā)展，作為基礎控制網(wǎng)也應該與溫州控制網(wǎng)建立聯(lián)系。因此，在溫州基礎控制網(wǎng)下進行WGS－84坐標系在1997和2000兩種框架下坐標計算，同時進行了在溫州城市坐標系的坐標計算。利用省C級點和框架網(wǎng)點的1954年北京坐標和1980西安坐標進行約束平差，獲得該控制網(wǎng)的1954年北京坐標系坐標和1980西安坐標系坐標兩套成果，通過與溫州基礎網(wǎng)的聯(lián)測，在框架網(wǎng)下計算出一套溫州城市坐標系統(tǒng)下的坐標，作為泰順縣今后一切測量工作的基礎。

4.2 基線解算

GPS三等網(wǎng)基線解算采用美國Trimble TGO1.03軟件。綜合各方面因素相應取舍基線，最后形成全測區(qū)的基線網(wǎng)，并在此基礎上精確處理各條基線，使基線網(wǎng)的各閉合差均能滿足規(guī)程要求。施測的框架網(wǎng)平均邊長 35.2 km，三等GPS網(wǎng)其平均邊長 8.1 km?；€網(wǎng)各獨立環(huán)的閉合差均在限差1/2之內(nèi)。基線網(wǎng)各獨立環(huán)的閉合差推理統(tǒng)計如表2、表3所示。

框架環(huán)閉合差進度統(tǒng)計表 表2

三等網(wǎng)環(huán)閉合差精度統(tǒng)計表 表3

異步環(huán)閉合差是衡量GPS網(wǎng)外業(yè)觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量最重要指標，從以上統(tǒng)計結(jié)果可知，其觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量優(yōu)良，觀測中不含粗差觀測值，所有的基線可供內(nèi)業(yè)平差之用。

4.3 平差計算

當所有基線的同步環(huán)、異步環(huán)、重復邊長等情況完全滿足規(guī)范要求下進行GPS網(wǎng)的平差計算，平差軟件采用武漢大學科傻GPS數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)軟件(COSA)進行計算。

本次基礎控制網(wǎng)分別在WGS－84，1954年北京坐標系，1980西安坐標系，溫州城市坐標系以及在北京54橢球下以大地水準面和 450 m水準面為投影參考面的坐標系下進行嚴密平差。WGS－84坐標分別在1997框架和2000框架下進行計算。1954年北京坐標和1980西安坐標可直接利用省C級點與溫州市二等點聯(lián)測的已知點進行約束平差求得。

(1)無約束平差

在WGS－84坐標系下對全網(wǎng)進行三維無約束平差。平差結(jié)果精度為:最弱點中誤差為±2.27 cm，最弱邊相對中誤差為 1/483 000，結(jié)果表明，所選基線向量改正數(shù)大小和分布正常，無粗差觀測值，GPS網(wǎng)內(nèi)符合精度較高，其主要平差結(jié)果精度統(tǒng)計如表4、表5、表6所示。

三等網(wǎng)三維無約束平差基線向量改正數(shù)精度統(tǒng)計表 表4

三等網(wǎng)三維無約束平差邊長精度統(tǒng)計表 表5

三等網(wǎng)三維無約束平差點位誤差精度統(tǒng)計表 表6

(2)約束平差

在無約束平差的基礎上，在WGS－84坐標系下進行約束平差，三等網(wǎng)三維約束平差基線向量改正數(shù)較小，分布正常。平差結(jié)果精度為:最弱點中誤差為±2.92 cm，最弱邊相對中誤差為 1/357 000，結(jié)果表明GPS約束平差達到了較高的精度。

5 結(jié)語

泰順縣GPS基礎控制網(wǎng)作為今后“數(shù)字泰順”建設最基礎的空間框架數(shù)據(jù)以及工程測量、地下測量、地籍測量、房產(chǎn)測量等基礎測繪的基準數(shù)據(jù)。應本著高起點。高標準和“百年大計、質(zhì)量為本”的方針，充分考慮了泰順典型的山區(qū)地貌特征和地理位置，整個控制網(wǎng)不可能都滿足都小于2.5 cm/km的投影變形，有些地區(qū)嚴重超出規(guī)范要求。合理的投影基準和中央子午線成為本控制網(wǎng)的關鍵。通過高斯投影改正和高程歸化改正對長度變形的共同影響分析計算，選擇了泰順縣最為有利的坐標系統(tǒng)進行施測。保證每個測站的同步觀測時間，原始記錄格式達到規(guī)范要求。全網(wǎng)圖形結(jié)構(gòu)合理，可靠性高，GPS基線、同步環(huán)、異步環(huán)各項平差精度均達到了設計和相關規(guī)范的要求。特別是選點、埋石選在交通便利、易長期保存、地質(zhì)條件好且利于安全作業(yè)位置，視野相對開闊，采用現(xiàn)場澆筑為主，以 0.8 m×0.8 m×0.8 m規(guī)格按單層標志埋設，保證點位長期穩(wěn)定。

采用了溫州市城市控制網(wǎng)框架點、省C級點、衛(wèi)星定位綜合服務系統(tǒng)基準站作為起算數(shù)據(jù)，為實現(xiàn)全市基礎測繪坐標系統(tǒng)的統(tǒng)一，實現(xiàn)溫州市測繪成果共建共享，加速“數(shù)字溫州”和“數(shù)字泰順”的進程打下了扎實的基礎。

［1］孔祥元，郭際明，劉宗全編.大地測量學［M］.武漢:武漢大學出版社，2001

［2］劉基余.GPS衛(wèi)星導航定位原理與方法［M］.北京:科學出版社，2003

［3］GJJ73－1997.全球定位系統(tǒng)城市測量技術規(guī)程［S］.

［4］CJJ8－99.城市測量規(guī)范［S］.

［5］李曠建，李春紅.GPS在建立及改造城市控制網(wǎng)中應用的若干問題［J］.城市勘測，2005(1)