廣東省航道高精度三維控制網(wǎng)建立方法與實現(xiàn)

徐 天

（1.廣東省國土資源測繪院，廣東 廣州 510500）

隨著航道事業(yè)的不斷發(fā)展，航道測繪工作也越來越顯出其重要性[1-3]。利用現(xiàn)代測繪技術(shù)高效優(yōu)質(zhì)地完成航道系統(tǒng)控制網(wǎng)的測量任務(wù)，可確保航道測繪成果的精度，取得較好的社會經(jīng)濟(jì)效益[4,5]。廣東省航道平高控制測量是廣東省航道支持保障系統(tǒng)中非常重要的基礎(chǔ)性工作。為確保航道測繪成果的精度，建立廣東省航道系統(tǒng)三維高精度控制網(wǎng)，具有十分重要的現(xiàn)實意義。本文詳細(xì)探討了高精度航道三維控制網(wǎng)的建立方法及解算。

1 三維控制網(wǎng)的建立

1.1 工程概況

廣東省航道高精度三維控制網(wǎng)充分考慮了廣東省航道規(guī)劃和航道發(fā)展對高等級測量控制點的需求，同時兼顧了航道等級與水位站的選址相銜接。首級控制網(wǎng)GPS-B級網(wǎng)共布設(shè)55個點；GPS-D級網(wǎng)是在GPS-B級框架網(wǎng)控制下加密的全面網(wǎng)，共布設(shè)475個點；三等水準(zhǔn)網(wǎng)是在國家一、二等水準(zhǔn)網(wǎng)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步加密，共布設(shè)169個點。

1.2 高精度三維控制網(wǎng)的布設(shè)

1.2.1 平面控制網(wǎng)

平面控制網(wǎng)按《全球定位系統(tǒng)（GPS）測量規(guī)范》，分別參照B、D級網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行布設(shè)?？紤]到工程的實際需要，進(jìn)行幾點補(bǔ)充：

1）布設(shè)過程中充分考慮點位周圍障礙物情況，GPS-B級點障礙物水平投影情況如圖1所示。55個GPS-B級點的點位中，有47個高度角小于15°，不存在障礙物，占GPS-B級點總數(shù)的85.5%；8個高度角大于等于15°，存在障礙物，占GPS-B級點總數(shù)的14.5%，GPS-B級點周圍障礙物對點位衛(wèi)星信號接收的影響有限。

2）GPS-D級點的布設(shè)位置考慮了航道規(guī)劃和航道發(fā)展對高等級測量控制點的需求，對Ⅳ級以上（包括Ⅳ級）的內(nèi)河航道進(jìn)行布設(shè)，其他重要且運量較大的沿海航道和Ⅴ級、Ⅵ級內(nèi)河航道則斟酌考慮進(jìn)行布設(shè)，兼顧航道定級與水位站的選址。

3）GPS-D級網(wǎng)布設(shè)面積大，點數(shù)眾多，控制點分布呈窄條帶狀，采取分區(qū)布設(shè)，具體劃分為：以西、北江及珠江三角洲航道控制網(wǎng)為第一子網(wǎng)，東江三角洲為第二子網(wǎng)，粵東為第三子網(wǎng)，粵西為第四子網(wǎng)。各子網(wǎng)的劃分如圖1，點布設(shè)數(shù)量統(tǒng)計情況如圖2所示。

1.2.2 高程控制網(wǎng)

三等水準(zhǔn)網(wǎng)是在國家一、二等水準(zhǔn)網(wǎng)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步加密，以附合路線、閉合環(huán)與結(jié)點網(wǎng)的形式布設(shè)在Ⅳ級以上的內(nèi)河航道、運量較大的重要沿海航道和Ⅴ級、Ⅵ級內(nèi)河航道沿線。

由于水準(zhǔn)點分布范圍廣、數(shù)量多，因此，將水準(zhǔn)點路線（網(wǎng)）劃分為西、北江及珠江三角洲航道子路線（網(wǎng)）、東江三角洲航道子路線（網(wǎng)）、粵東航道子路線、粵西航道子路線4個子路線（網(wǎng)）進(jìn)行布設(shè)。各子路線（網(wǎng)）劃分范圍見圖3，點位布設(shè)位置見圖4，共布設(shè)13條單獨附合水準(zhǔn)路線和4個水準(zhǔn)子網(wǎng)。

1.3 三維控制網(wǎng)的施測

1.3.1 儀器裝備

GPS-B級網(wǎng)觀測使用26臺LEICA雙頻GPS接收機(jī)，其中，LEICA 520接收機(jī)12臺、LEICA 530接收機(jī)2臺，LEICA GX1230接收機(jī)9臺，LEICA GX1230+接收機(jī)3臺。

GPS-D級網(wǎng)觀測采用8臺LEICA 雙頻GPS接收機(jī)觀測，其中，LEICA GPS500系列接收機(jī)4臺，LEICA GPS1200系列接收機(jī)4臺。

水準(zhǔn)外業(yè)觀測使用高精度電子水準(zhǔn)儀8臺，其中天寶DiNi系列3臺、拓普康DL-111C系列1臺、徠卡Sprinter系列4臺。

1.3.2 采用的技術(shù)指標(biāo)

GPS-B級網(wǎng)觀測所采用的技術(shù)指標(biāo)如下：觀測衛(wèi)星截止高度角為15°；同步觀測有效衛(wèi)星數(shù)≥4；有效觀測衛(wèi)星總數(shù)≥9；時段長≥240 min；數(shù)據(jù)采樣率30 s；觀測時段數(shù)≥4；時段中任一衛(wèi)星有效觀測時間≥15 min。

GPS-D級網(wǎng)觀測所采用的技術(shù)指標(biāo)如下：觀測衛(wèi)星截止高度角為15°；同時觀測有效衛(wèi)星數(shù)≥5；時段長≥45 min；數(shù)據(jù)采樣率15 s；平均每點觀測站次數(shù)≥1.6；PDOP值≤6。

水準(zhǔn)外業(yè)測量嚴(yán)格依照《國家一、二等水準(zhǔn)測量規(guī)范》(GB/T 12897-2006)及《國家三、四等水準(zhǔn)測量規(guī)范》(GB 12898-91)施測。

2 GPS數(shù)據(jù)處理

本文以GPS-B級網(wǎng)的解算為例進(jìn)行詳細(xì)說明。采集到GPS觀測數(shù)據(jù)后，首先進(jìn)行分時段數(shù)據(jù)格式問題的檢查，然后使用TEQC軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)檢核。數(shù)據(jù)處理分為基線解算、網(wǎng)平差及高程計算3步。

2.1 基線解算

2.1.1 解算設(shè)置

基線解算使用GAMIT軟件進(jìn)行，在解算前首先進(jìn)行各項數(shù)據(jù)預(yù)處理工作，包括信息文件的生成、IGS精密星歷的下載、表文件的更新等工作。

解算采用網(wǎng)解形式，主要設(shè)置項的參數(shù)為[6,7]：

Choice of Experiment = BASELINE

Type of Analysis = 1-ITER

Choice of Observable = LC_AUTCLN

Update tolerance = 0.3

Interval zen = 2

Number gradients = 1

Update tolerance = 0.3 m

Radiation model for ARC = BERNE

ystem for Orbit = ITR93

Inertial frame = J2000

基線解算時起算點為廣東CORS基站，其中，廣東CORS基站是按照GPS-A級點的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行布設(shè)，具有很高的精度。

2.1.2 基線檢核

1）同步環(huán)。本網(wǎng)共計算了16個同步環(huán)，其nrms值均小于0.5，最大的為0.217（2009年年積日212觀測）。表明該GPS網(wǎng)的整體外業(yè)觀測質(zhì)量高，基線解的精度好。

2）重復(fù)性。GPS-B級網(wǎng)整網(wǎng)的基線分量重復(fù)性在南北方向上優(yōu)于2.3 mm+10-8，基線長度為2.5 mm+0.021×10-8，基線處理的精度達(dá)到了工程技術(shù)設(shè)計的要求。

3）異步環(huán)。該GPS-B級網(wǎng)共檢核異步環(huán)28 680個。所有的異步環(huán)閉合差都小于《全球定位系統(tǒng)（GPS）測量規(guī)范》的要求，異步環(huán)閉合差值最大的是環(huán)號為671的重復(fù)基線，其相對中誤差為0.85×10-6（1/1 176 471），X分量的閉合差為0.033 8 m，Y分量的閉合差為-0.065 8 m，Z分量的閉合差為-0.039 5 m，環(huán)閉合差為0.083 9 m，環(huán)閉合差的限差為0.141 1 m。

2.2 網(wǎng)平差

2.2.1 三維無約束平差

該GPS-B級控制網(wǎng)在WGS-84坐標(biāo)系下進(jìn)行三維無約束平差，計算結(jié)果反映了整個GPS控制網(wǎng)的內(nèi)符合精度。表1為改正數(shù)區(qū)間個數(shù)統(tǒng)計。從表中可知，基線分量的改正數(shù)絕大部分較小，這說明觀測質(zhì)量好，基線解的精度高。

表1 改正數(shù)區(qū)間個數(shù)統(tǒng)計/m

2.2.2 三維約束平差

該GPS-B級控制網(wǎng)在ITRF93框架下和WGS 84坐標(biāo)系下進(jìn)行三維約束平差。

采用ITRF93（1996.365）框架下的三維約束平差結(jié)果：最弱基線相對中誤差為2.80×10-6（1/357 143），邊長為639.60 m（B003-GDRP）。最弱點為GD28，緯度方向精度為0.003 3 m，經(jīng)度方向精度為0.003 7 m，大地高方向精度為0.029 2 m。

采用WGS 84坐標(biāo)系下進(jìn)行三維約束平差結(jié)果：最弱基線相對中誤差為2.64×10-6（1/378 788），邊長為639.60 m（B003-GDRP）。最弱點為GD28，緯度方向精度為0.003 1 m，經(jīng)度方向精度為0.003 5 m，大地高方向精度為0.027 6 m。

通過上述精度統(tǒng)計報告可以得出，ITRF93框架和WGS-84坐標(biāo)系的平差精度良好，成果滿足GPS-B級網(wǎng)的要求。

2.2.3 1980西安坐標(biāo)系下的約束平差

該GPS-B級控制網(wǎng)在1980西安坐標(biāo)系下的約束平差使用PowerNet軟件進(jìn)行，已知成果共有7個國家一等三角點。在進(jìn)行平差之前，首先對已知點的兼容性進(jìn)行檢驗。檢驗方法為給已知點5 cm的松弛量，再進(jìn)行松弛約束平差，平差結(jié)果與原成果的較差可以反映出已知點與其他點的兼容情況。首先對全部點進(jìn)行松弛約束，松弛量5 cm，剔除成果與其他已知點不兼容的點，反復(fù)進(jìn)行松弛約束平差繼續(xù)比對分析，使已知點的殘差均滿足了小于2倍松弛量的要求，再進(jìn)行平差。

平差結(jié)果為：最弱基線相對中誤差為4.97×10-6（1/201 207），邊長639.60 m（B003-GDRP）。坐標(biāo)精度最弱為0.004 5 m。將平差得到的大地坐標(biāo)投影到對應(yīng)中央子午線的高斯平面上，得到B級網(wǎng)的1980西安坐標(biāo)系成果。

2.2.4 2000國家大地坐標(biāo)系下的約束平差

廣東省航道平高控制測量GPS-B級控制網(wǎng)在2000國家大地坐標(biāo)系下的約束平差使用PowerNet軟件進(jìn)行。采用已有成果的4個已知點進(jìn)行約束平差。首先對已有的4個已知點進(jìn)行檢驗，檢驗方法同樣為給定松弛量進(jìn)行松弛約束平差，再比對平差結(jié)果與原成果的較差，已有的4個點兼容性非常好，殘差均小于1倍松弛量，因此可以將這4個點作為約束點進(jìn)行約束平差。

平差結(jié)果為：最弱基線相對中誤差1.89×10-6（1/529 101），邊長639.60 m（B003-GDRP）。最弱點為B012，緯度方向精度為0.001 8 m，經(jīng)度方向精度為0.001 9 m，大地高方向為0.012 7 m。

2.3 高程計算

廣東省已于2005年完成全省似大地水準(zhǔn)面的建立工作，確定了廣東省分辨率為2′30″、精度為4.1 cm的大地水準(zhǔn)模型及軟件。本次使用ITRF93（歷元1996.365）框架下的大地坐標(biāo)成果進(jìn)行內(nèi)插計算，得到GPS-B級網(wǎng)點的正常高。

由上可知，GPS-B級控制網(wǎng)的解算結(jié)果良好。此外，該工程GPS-D級控制網(wǎng)的解算成果均符合《全球定位系統(tǒng)（GPS）測量規(guī)范》的要求。

3 三等水準(zhǔn)數(shù)據(jù)分析

3.1 外業(yè)高差誤差改正

1）水準(zhǔn)標(biāo)尺長度改正。根據(jù)水準(zhǔn)測量測前、測中、測后3次檢定的標(biāo)尺每m分劃間隔長度和測段高差計算出改正值。

2）正常水準(zhǔn)面不平行改正。按照《國家三、四等水準(zhǔn)測量規(guī)范》要求，根據(jù)各控制點的大地坐標(biāo)（緯度）與控制點的近似高程計算出正常重力不平行改正值。

3.2 平差計算

航道控制網(wǎng)水準(zhǔn)平差采用清華山維平差軟件Nasew95在微機(jī)上以測站數(shù)定權(quán), 用純迭代平差法進(jìn)行平差計算，迭代次數(shù)為3次。

本次水準(zhǔn)網(wǎng)共采用了43個國家一、二等水準(zhǔn)點作為本次平差計算的起算點，分4個水準(zhǔn)子網(wǎng)與13條獨立附合路線進(jìn)行平差，計算出693個待定點的高程。

3.3 誤差統(tǒng)計

測得的各水準(zhǔn)子網(wǎng)的閉合差與限差的比值均小于1/2，其中，有26個閉合環(huán)和18條附合路線的比值小于1/3，占91.7%；1個閉合環(huán)和3附合路線的比值大于1/3且小于1/2，占8.3%。獨立附合路線的閉合差與限差的比值均小于1/3。

各水準(zhǔn)子網(wǎng)和獨立附合路線的閉合差與限差的比值均小于50%，由此可知，三等水準(zhǔn)測量具有很好的平差精度。

此外，三等水準(zhǔn)測量聯(lián)測了110個GPS-D級點。采用Power Adj 4.0軟件，以經(jīng)三等水準(zhǔn)聯(lián)測的GPS-D級控制點的水準(zhǔn)高程作為起算數(shù)據(jù), 建立測區(qū)的高程模型，采用附加地形改正的曲面擬合法計算其他GPS-D級控制點的正常高，擬合結(jié)果符合 《全球定位系統(tǒng)（GPS）測量規(guī)范》的要求，確保了GPS-D級網(wǎng)高程擬合計算的精度。

4 結(jié) 語

通過對廣東省航道平高控制測量工程三維控制網(wǎng)布設(shè)、施測、數(shù)據(jù)處理等內(nèi)容的探討，總結(jié)如下：

1）GPS-B級網(wǎng)聯(lián)測了廣東CORS基站，提高了GPS-B級網(wǎng)的起算點精度，在一定程度上提高了整網(wǎng)解算精度。

2）通過GPS-B級網(wǎng)的約束平差，獲得了GPS-B級點的國家2000大地坐標(biāo)系成果，為今后推廣國家2000大地坐標(biāo)系奠定基礎(chǔ)。

3）cm級精密似大地水準(zhǔn)面精化模型能夠滿足一般的水準(zhǔn)測量，利用該模型大大減少了水準(zhǔn)工作量。同時，通過部分聯(lián)測水準(zhǔn)的GPS點，進(jìn)行了帶狀區(qū)域的高程擬合并計算了相應(yīng)的擬合參數(shù)，為今后獲得GPS水準(zhǔn)提供了便利。

4）三維控制網(wǎng)外業(yè)觀測質(zhì)量高，數(shù)據(jù)處理模型嚴(yán)密，方法合理，解算平差精度良好，可為航道工程控制網(wǎng)的建立提供借鑒。

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