寧波市似大地水準(zhǔn)面數(shù)字高程基準(zhǔn)建設(shè)及精度檢驗

張文峰，張旭東

（1.寧波市測繪設(shè)計研究院，浙江 寧波 315041）

寧波市似大地水準(zhǔn)面數(shù)字高程基準(zhǔn)建設(shè)及精度檢驗

張文峰1，張旭東1

（1.寧波市測繪設(shè)計研究院，浙江 寧波 315041）

基于2000國家大地坐標(biāo)系和1985國家高程基準(zhǔn)，闡述了在NBCORS和寧波市基本高程控制網(wǎng)的三維框架下組織實施寧波市似大地水準(zhǔn)面數(shù)字高程基準(zhǔn)建設(shè)的方法，并進(jìn)行了似大地水準(zhǔn)面的正確性和實用性精度檢驗以及精度區(qū)域劃分。

似大地水準(zhǔn)面；數(shù)字高程基準(zhǔn)；正確性檢驗；實用性檢驗

2009~2011年，寧波市測繪設(shè)計研究院組織實施了覆蓋全寧波市域及近海區(qū)域的“寧波市似大地水準(zhǔn)面數(shù)字高程基準(zhǔn)建設(shè)”項目。項目旨在探索“GNSS+似大地水準(zhǔn)面”測量新技術(shù)的應(yīng)用，以實現(xiàn)傳統(tǒng)高程基準(zhǔn)建立和維持模式的根本性轉(zhuǎn)變。

1 數(shù)字高程基準(zhǔn)建設(shè)

1.1 工藝流程

本項目中寧波市似大地水準(zhǔn)面數(shù)字高程基準(zhǔn)的建設(shè)工藝流程主要分為4個步驟：①高程異?？刂凭W(wǎng)建設(shè)，即一體化同步建立基于GNSS的基本控制網(wǎng)和全市基本高程控制網(wǎng)；②似大地水準(zhǔn)面計算，包括GNSS、水準(zhǔn)數(shù)據(jù)處理以及似大地水準(zhǔn)面模型的建立；③似大地水準(zhǔn)面精度檢驗，包括采用正確性GNSS靜態(tài)檢驗、實用性的網(wǎng)絡(luò)RTK檢驗以及精度區(qū)域的劃分；④似大地水準(zhǔn)面的應(yīng)用，編制在線三維坐標(biāo)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，為用戶提供準(zhǔn)實時的GNSS高程轉(zhuǎn)換數(shù)字化服務(wù)。

從項目建設(shè)的工藝流程分析，本次精化主要解決4個問題：①統(tǒng)一性，即統(tǒng)一采用2000國家大地坐標(biāo)系和1985國家高程基準(zhǔn)作為平面和高程的起算基準(zhǔn)；②同步性，不僅保持水準(zhǔn)和GNSS測量的同步性，同時與全省CORS的觀測保持同步，以保障參考站點的CGCS2000大地坐標(biāo)的時效性；③取代傳統(tǒng)高程基準(zhǔn)，提出了使用似大地水準(zhǔn)面模型取代傳統(tǒng)水準(zhǔn)標(biāo)石并維持現(xiàn)代高程基準(zhǔn)的方法，研究和編制了采用GNSS高程測量代替各等級水準(zhǔn)測量的技術(shù)指標(biāo)，并經(jīng)過了理論推導(dǎo)和生產(chǎn)實踐應(yīng)用；④實用性，即項目利用似大地水準(zhǔn)面成果，結(jié)合網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)，研制在線三維坐標(biāo)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，滿足城市建設(shè)定位需求。

1.2 GNSS基本控制網(wǎng)測量

高程異?？刂凭W(wǎng)的GNSS網(wǎng)建立以ZJCORS為基礎(chǔ)，將NBCORS納入全省的CORS框架網(wǎng)中，與全省同步聯(lián)測，精確解算并確定NBCORS各參考站的CGCS2000坐標(biāo)。在此基礎(chǔ)上，再組織實施全市GNSS基本控制網(wǎng)。該網(wǎng)的特點如下：

①GNSS網(wǎng)點布設(shè)均勻，結(jié)構(gòu)合理。將GNSS點的布設(shè)與水準(zhǔn)路線選取統(tǒng)一考慮，減少了水準(zhǔn)聯(lián)測的工作量，使控制點上同時具有平面和高程成果。②采用8 h×2時段的C級GNSS同步環(huán)觀測技術(shù)，全網(wǎng)平均重復(fù)設(shè)站達(dá)4.32。③綜合了多種精密的數(shù)據(jù)處理方法，其GNSS網(wǎng)坐標(biāo)分量在水平方向上的平均精度為±0.003 5 m，大地高方向的平均精度為±0.006 7 m。

GNSS網(wǎng)的三維約束平差結(jié)果建立了該地區(qū)CGCS2000坐標(biāo)系下的平面測繪基準(zhǔn)，為高精度高分辨率似大地水準(zhǔn)面的建立提供了均勻、可靠和精確的地心坐標(biāo)數(shù)據(jù)。

1.3 基本高程控制網(wǎng)測量

高程異?？刂凭W(wǎng)中的GNSS/水準(zhǔn)點的高程聯(lián)測也布設(shè)成水準(zhǔn)網(wǎng)，該網(wǎng)基于原有寧波市基本高程控制網(wǎng)，對其進(jìn)行改造，以國家一等水準(zhǔn)點為起算數(shù)據(jù)，全部布設(shè)成二等水準(zhǔn)網(wǎng)，旨在聯(lián)測并獲取GNSS/水準(zhǔn)點的高精度正常高。該網(wǎng)的特點如下：

① 水準(zhǔn)網(wǎng)優(yōu)化調(diào)整，全網(wǎng)全部改造并構(gòu)成28個閉合環(huán)的二等水準(zhǔn)網(wǎng)；②對于全部國家一等水準(zhǔn)點南北連貫采用一等水準(zhǔn)進(jìn)行檢測，確定了符合性起算點；③水準(zhǔn)觀測采用精密水準(zhǔn)測量技術(shù)，共完成了230 km一等水準(zhǔn)檢測、2 044 km二等水準(zhǔn)測量；④水準(zhǔn)數(shù)據(jù)處理時考慮了溫度改正，進(jìn)行了水準(zhǔn)標(biāo)尺長度、正常水準(zhǔn)面不平行、重力異常以及環(huán)線閉合差改正。

全網(wǎng)平差后，二等水準(zhǔn)各種誤差均滿足限差要求，其每km水準(zhǔn)測量的全中誤差為±0.877 mm，符合設(shè)計和規(guī)范要求，為高精度高分辨率似大地水準(zhǔn)面的建立提供了精確的水準(zhǔn)高程數(shù)據(jù)。

1.4 數(shù)字高程基準(zhǔn)計算

似大地水準(zhǔn)面數(shù)字高程計算融合了規(guī)劃區(qū)已有建設(shè)成果，共使用了3 673個點重力數(shù)據(jù)和174個GNSS/水準(zhǔn)點資料，以EIGEN03C地球重力場模型作為參考重力場，由第二類Helmert凝集法完成了似大地水準(zhǔn)面的計算。其特點如下：

1）在利用原有規(guī)劃區(qū)精化成果時，首先將規(guī)劃區(qū)與全市高程異常控制網(wǎng)平面和高程采用統(tǒng)一起算點約束，計算其CGCS2000大地坐標(biāo)和水準(zhǔn)高程，經(jīng)過重復(fù)點的分析和選擇，再進(jìn)一步進(jìn)行高程異常計算。

2）格網(wǎng)重力異常的內(nèi)插和推估計算，在航天飛機(jī)雷達(dá)地形測繪使命（SRTM）高分辨率7.5"×7.5"數(shù)字地面模型基礎(chǔ)上，利用地形均衡歸算，通過移去-還原原理計算。其中地形均衡歸算采用Airy-Haiskanen均衡模型，地形改正和均衡改正采用了考慮地球曲率的嚴(yán)密球面積分公式，積分半徑為300 km。

3）似大地水準(zhǔn)面的計算采用了第二類Helmert凝集法，公式是考慮了地球曲率影響的嚴(yán)密球面積分公式。

通過計算，174個GNSS/水準(zhǔn)資料與重力似大地水準(zhǔn)面獨立比較精度為±0.018 m。利用球冠協(xié)調(diào)和分析方法將GNSS水準(zhǔn)與重力似大地水準(zhǔn)面聯(lián)合求解得出的2'×2'格網(wǎng)似大地水準(zhǔn)面精度達(dá)到±0.010 m。

2 似大地水準(zhǔn)面精度檢驗

在似大地水準(zhǔn)面精化之后，為了檢測似大地水準(zhǔn)面成果的正確性和實用性，寧波市測繪設(shè)計研究院先后組織了不同等級、不同區(qū)域的GNSS精度測試，對寧波市高精度高分辨率似大地水準(zhǔn)面成果進(jìn)行了質(zhì)量檢驗。

2.1 正確性檢驗

正確性檢測采用外部檢核方式，總共選取了26個符合要求的點位作為檢測點，主要均勻分布在寧波市的慈溪、余姚、寧海、象山、奉化等5個代表性的特征區(qū)域。每個區(qū)域均布設(shè)8個檢測點，其中包含2～3個已知點。檢測點布設(shè)均考慮了利用具有二等水準(zhǔn)成果的點位或布設(shè)于已知二等水準(zhǔn)點附近，既符合GNSS觀測要求，又便于水準(zhǔn)聯(lián)測。每個檢測點的GNSS、水準(zhǔn)測量等級與似大地水準(zhǔn)面精化時高程異?？刂泣c的測量要求一致，數(shù)據(jù)處理也采用相同的軟件和處理方法，檢測結(jié)果見表1。

表1 正確性靜態(tài)檢測結(jié)果統(tǒng)計表/m

由表1可知，應(yīng)用似大地水準(zhǔn)面成果計算的GNSS高程與直接水準(zhǔn)高程較差中誤差為±0.015 m，達(dá)到了較高精度水平，滿足了精化預(yù)期的目標(biāo)。

2.2 實用性檢驗

由于本項目實施的似大地水準(zhǔn)面精化范圍較大，實用性檢測主要基于NBCORS系統(tǒng)，在全市區(qū)按照8 km×8 km的密度，均勻布設(shè)網(wǎng)絡(luò)RTK高程檢測點，總共布設(shè)了132個網(wǎng)絡(luò)RTK檢測點。布設(shè)的實用性檢測點位均具有近期觀測的四等及其以上等級的已知水準(zhǔn)成果，這些點位穩(wěn)定可靠，沒有進(jìn)行重新測量。

RTK觀測執(zhí)行《衛(wèi)星定位城市測量技術(shù)規(guī)范》中的一級GNSS控制點觀測要求，觀測4個測回，測回間的垂直坐標(biāo)分量均不大于3 cm，取各測回結(jié)果的平均值作為最終觀測成果。最后再利用LGO軟件，在軟件中加載似大地水準(zhǔn)面精化模型，導(dǎo)入觀測數(shù)據(jù)，可直接獲取網(wǎng)絡(luò)RTK正常高，其檢測結(jié)果見表2。

表2 實用性網(wǎng)絡(luò)RTK動態(tài)檢測結(jié)果統(tǒng)計表/cm

從表2可以看出，網(wǎng)絡(luò)RTK動態(tài)檢測的模型計算高程與其水準(zhǔn)高程比較平均較差為0.011 m，中誤差為±0.022 m，均沒有超出相關(guān)規(guī)范規(guī)定的±6 cm限差，可以滿足現(xiàn)有國家規(guī)范中代替等外水準(zhǔn)、圖等水準(zhǔn)的技術(shù)指標(biāo)要求。

2.3 精度區(qū)域劃分

考慮到測繪生產(chǎn)活動的行政區(qū)域性，為了指導(dǎo)寧波市各個行政區(qū)域內(nèi)利用似大地水準(zhǔn)面精化成果進(jìn)行高程測量，本項目將精化模型精度區(qū)域劃分到行政區(qū)，共6個區(qū)域，分布情況見圖1。

圖1 全市似大地水準(zhǔn)面精度區(qū)域劃分圖

1）內(nèi)符合精度區(qū)域劃分：該精化模型在寧波市各個行政區(qū)域內(nèi)的內(nèi)符合精度在±9.2 mm～±12.4 mm，山區(qū)精化模型內(nèi)符合精度為±12.0 mm，平地為±9.7 mm，全市范圍內(nèi)的內(nèi)符合精度為±10 mm。依據(jù)相關(guān)規(guī)范，在寧波市域范圍內(nèi)，精度均滿足利用四等GNSS高程測量代替四等水準(zhǔn)測量的技術(shù)指標(biāo)要求。

2）外符合精度區(qū)域劃分：全市實用性靜態(tài)GNSS高程精度為±18.0 mm，實用性網(wǎng)絡(luò)RTK高程精度為±22.0 mm，可滿足寧波城市建設(shè)各領(lǐng)域的高程測量應(yīng)用需求。

3 結(jié) 語

1）項目綜合運用了各種現(xiàn)代大地測量技術(shù)，確定了覆蓋寧波全市域、2'×2'高分辨率、±1.0 cm高精度似大地水準(zhǔn)面模型；建立了統(tǒng)一基準(zhǔn)、統(tǒng)一地勢、統(tǒng)一精度、無縫接邊、幾何與物理一體化的寧波市似大地水準(zhǔn)面數(shù)字高程基準(zhǔn)；實現(xiàn)了傳統(tǒng)高程基準(zhǔn)建立和維持模式的根本性轉(zhuǎn)變，完善了寧波市現(xiàn)代測繪基準(zhǔn)體系的建設(shè)成果。

2）似大地水準(zhǔn)面同精度正確性檢測結(jié)果表明，寧波市似大地水準(zhǔn)面的外符合精度為±0.015 m，精化成果比較理想，達(dá)到了預(yù)期精化的目標(biāo)。實用性動態(tài)檢測結(jié)果表明，網(wǎng)絡(luò)RTK高程測量中誤差為±0.022 m，可以滿足相應(yīng)技術(shù)規(guī)范規(guī)定代替等外水準(zhǔn)、圖等水準(zhǔn)的技術(shù)指標(biāo)要求，這為寧波市解決各類測繪工作的高程控制提供了基本技術(shù)保障，為下一步基于NBCORS的網(wǎng)絡(luò)RTK高程精度研究打下堅實的基礎(chǔ)。

3）精度區(qū)域劃分表明，寧波市似大地水準(zhǔn)面高程異常模型在不同區(qū)域、不同地勢的精度基本無差異，但采用靜態(tài)和動態(tài)測量GNSS高程精度與相應(yīng)的GNSS等級精度有關(guān)。

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Construction and Testing Accuracy of Ningbo Quasi-geoid Digital Vertical Datum

byZHANG Wenfeng

Based on the 2000 national geodetic coordinate system and the 1985 National Vertical Datum, this paper described the method which organized the construction of Ningbo quasi-geoid digital vertical datum in NBCORS and Ningbo basic elevation control network 3D framework. At the same time, it conducted the accuracy test of correctness and practicality and the accuracy region's partition.

quasi-geoid, digital vertical datum, correctness testing,practicality testing

P223.0

B

1672-4623（2013）02-0157-03

10.11709/j.issn.1672-4623.2013.02.052

2012-12-05。

張文峰，工程師，主要從事大地測量技術(shù)的研究和應(yīng)用。