國家測繪基準體系基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)

張 鵬，武軍酈，孫占義

(國家基礎(chǔ)地理信息中心，北京 100830)

國家測繪基準體系基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)

張 鵬，武軍酈，孫占義

(國家基礎(chǔ)地理信息中心，北京 100830)

測繪基準是地理要素在真實世界的空間位置的參考基準，是基礎(chǔ)性測繪工作的基礎(chǔ)，也是國民經(jīng)濟、社會發(fā)展、國家安全等建設(shè)的重要基礎(chǔ)。我國測繪基準基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)經(jīng)歷了幾十年的變遷，從滿足建國初期的快速經(jīng)濟建設(shè)需要，到適應(yīng)現(xiàn)代經(jīng)濟社會廣泛的需求，從無到有，由弱變強。本文對以往測繪基準基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)情況進行了回顧，指出了存在的問題，并根據(jù)國家現(xiàn)代測繪基準體系基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)工程情況對現(xiàn)代測繪基準建設(shè)進行了闡述，并對現(xiàn)狀和今后的發(fā)展提出了建議。

測繪基準；坐標系；GNSS大地控制網(wǎng)；高程控制網(wǎng)；重力基準點

一、引 言

測繪基準主要包括大地基準、高程基準和重力基準，它是進行各種測量工作的起算數(shù)據(jù)和起算面，是確定地理空間信息幾何與物理特征和時空分布的基礎(chǔ)，是在數(shù)學空間里表示地理要素在真實世界的空間位置的參考基準，以保證地理空間信息在時間域和空間域上的整體性，因此測繪基準也成為國民經(jīng)濟、社會發(fā)展、國家安全及信息化建設(shè)的重要基礎(chǔ)。

測繪基準體系包含了理論體系、技術(shù)體系、基礎(chǔ)設(shè)施、標準等方面，其中理論體系建立在大地測量學、天文學及相關(guān)地學理論基礎(chǔ)上；技術(shù)體系包含了空間大地測量技術(shù)(GNSS全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)、SLR衛(wèi)星激光測距、VLBI甚長基線干涉測量等)、物理大地測量技術(shù)(絕對/相對重力測量、航空重力測量、衛(wèi)星重力測量、似大地水準面等)、大地測量數(shù)據(jù)處理技術(shù)、計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等；基礎(chǔ)設(shè)施主要由全國(或區(qū)域)分布的、具有不同等級特征的、具有相應(yīng)分布密度的基準控制點(觀測站)組成，構(gòu)成全國網(wǎng)狀的測量控制體系。

國家測繪基準體系經(jīng)歷了數(shù)10年的發(fā)展，技術(shù)體系發(fā)生了巨大變化，從傳統(tǒng)的光學測量(測角、測邊等)發(fā)展到衛(wèi)星導航定位，解決了全天候觀測、無須通視觀測等技術(shù)難題，航空測量技術(shù)、衛(wèi)星測量技術(shù)的發(fā)展將傳統(tǒng)的大地測量由地面轉(zhuǎn)向了四維空間，同時儀器設(shè)備的革新進步帶來了觀測精度的提升、觀測誤差(尤其人為誤差)的消除，這些都為大地測量的發(fā)展作出了巨大貢獻。而測繪基準基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)與發(fā)展同樣隨著技術(shù)體系、儀器裝備體系的發(fā)展也發(fā)生了較大的轉(zhuǎn)變。

二、傳統(tǒng)測繪基準建設(shè)

我國傳統(tǒng)大地基準為1954北京坐標系和1980西安坐標系，是以傳統(tǒng)天文測量和邊角測量技術(shù)建立的天文大地網(wǎng)為基礎(chǔ)，通過聯(lián)合平差處理形成參心坐標系統(tǒng)。天文大地網(wǎng)主要以三角點、天文點、導線點等組成，點與點之間相互通視，可以實現(xiàn)角度測量和基線測量，形成基本的三角網(wǎng)型，并在全國相互關(guān)聯(lián)形成三角鎖，覆蓋全國。自20世紀50年代起，全國共建設(shè)一、二等各類觀測點48 000多個。

隨著空間定位技術(shù)的發(fā)展和廣泛應(yīng)用，測量手段產(chǎn)生了質(zhì)的飛躍。為構(gòu)建全國空間定位基準，國家測繪地理信息局在1991—1998年布設(shè)了近818個點的國家高精度GPS A級、B級網(wǎng)，以及GPS連續(xù)運行基準站。其中，A級網(wǎng)點采用新建的方式，而B級網(wǎng)的主要基礎(chǔ)設(shè)施來源于傳統(tǒng)的三角點、導線點、水準點等，設(shè)施條件基礎(chǔ)(點位、周邊基礎(chǔ)和自身現(xiàn)狀等)較差，對于長期維持存在較大困難。

20世紀80年代末，GPS連續(xù)運行基準站成為平面基準的一種新型基礎(chǔ)設(shè)施，在以后的發(fā)展中逐步成為國家、地區(qū)乃至全球的坐標框架基礎(chǔ)。到1998年，國家測繪地理信息局通過國際合作及自籌方式在北京、西藏、新疆、陜西、黑龍江、青海、湖北和海南建立了8個基準站，后通過與中國地震局等六部委合作，在全國陸續(xù)建立了260個GNSS連續(xù)運行基準站，服務(wù)于我國地心坐標框架維護。

2003年國家測繪地理信息局、總參測繪局和中國地震局通過整合全國范圍內(nèi)2518個GPS控制點和30個連續(xù)運行基準站，形成了2000國家GPS大地控制網(wǎng)；在此基礎(chǔ)上，對國家天文大地網(wǎng)進行了聯(lián)合平差處理，最終建立了2000國家大地坐標系，并于2008年7月發(fā)布使用。

2. 高程基準

我國高程基準目前采用1985國家高程基準，水準原點根據(jù)青島大港驗潮站1952—1979年驗潮資料確定的黃海平均海水面作為起算面。高程控制網(wǎng)是1976—1984年、1981—1988年、1991—1998年建設(shè)的國家3次一、二等水準網(wǎng)建設(shè)與觀測，包括一等水準9.3萬km，100個環(huán)，二等水準13.6萬km。國家級水準路線主要由一、二等水準點組成，按照規(guī)范要求，4～8 km選擇建設(shè)一個點。

2)截割頭運動視覺測試。截割頭運動情況下的視覺性能測試是檢驗可視化輔助截割系統(tǒng)可靠性的重要部分。同樣地，每100 ms采集1張圖片，首先保持截割頭垂直方向不動，然后操作掘進機截割頭勻速從最右擺動到最左邊。回轉(zhuǎn)角測試結(jié)果如圖11a 所示。

3. 重力基準

我國現(xiàn)行的重力基準為2000國家重力基準，是通過由國家測繪地理信息局、總參測繪局和中國地震局共同建立的重力基本網(wǎng)實現(xiàn)的。該重力基本網(wǎng)由21個基準點、126個基本點和112個引點構(gòu)成，精度優(yōu)于10×10-8ms-2。但是作為重力基準基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)而言，重力基準的密度仍然不夠均勻，服務(wù)能力不足，需完善我國重力基準基礎(chǔ)設(shè)施，加大絕對重力點的分布范圍和密度，補充和加強國家重力基準體系的圖形結(jié)構(gòu)，提高控制力度，與2000國家重力基本網(wǎng)建立聯(lián)系，最大限度地滿足加密重力測量的應(yīng)用需求。

4. 存在的問題

現(xiàn)行大地基準、高程基準、重力基準等傳統(tǒng)測繪基準不能滿足現(xiàn)代應(yīng)用的需求，主要表現(xiàn)為新中國成立后先后采用了1954北京坐標系和1980西安坐標系作為我國的大地基準。我國現(xiàn)行的坐標系及維持它的天文大地網(wǎng)由于定義、點位破壞、精度低，難以為飛速發(fā)展的經(jīng)濟建設(shè)和科學研究提供服務(wù)，已經(jīng)不能擔負起國家大地基準的作用。單純采用目前參心、二維、低精度、靜態(tài)的大地坐標系統(tǒng)和相應(yīng)的基礎(chǔ)設(shè)施作為我國現(xiàn)行應(yīng)用的測繪基準，必然會帶來越來越多的不協(xié)調(diào)問題，產(chǎn)生眾多矛盾，制約高新技術(shù)的應(yīng)用。

高程基準基礎(chǔ)設(shè)施破壞較為嚴重，成果的現(xiàn)勢性弱，屬性成果維持難度比較大。同時，高程系統(tǒng)局部和靜態(tài)特點也不適應(yīng)現(xiàn)代社會發(fā)展的需要，與國際高程基準的接軌及動態(tài)維持成為難點。目前，我國大地水準面建設(shè)處于一個快速發(fā)展的階段，全國已經(jīng)實現(xiàn)了分米級大地水準面，但距國際先進水平和實用性仍有一定差距，下一階段的目標是建設(shè)厘米級全國大地水準面。

三、現(xiàn)代測繪基準基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)

“十一五”期間，國家立項批準了“國家現(xiàn)代測繪基準體系基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)一期工程”(以下簡稱基準一期工程)，通過GNSS連續(xù)運行基準站、國家衛(wèi)星大地控制網(wǎng)、國家高程控制網(wǎng)、國家重力基準點及國家測繪基準管理服務(wù)系統(tǒng)等建設(shè)內(nèi)容，初步實現(xiàn)了我國現(xiàn)代測繪基準新技術(shù)體系與相應(yīng)的基礎(chǔ)設(shè)施支撐，主要解決了：①國家大地坐標系統(tǒng)地心化，滿足了衛(wèi)星導航坐標系與我國地圖坐標系的一致性問題，實現(xiàn)了坐標系統(tǒng)動態(tài)更新，具備了更加精確和客觀描述地球自轉(zhuǎn)運動科學規(guī)律的能力；②將大地基準、高程基準、重力基準等空間幾何屬性與物理屬性建立相互依存的聯(lián)系，初步實現(xiàn)了測繪基準統(tǒng)一的問題；③具備了測繪基準大規(guī)模數(shù)據(jù)科學運算、處理分析、存儲備份的能力，初步形成了全國范圍實時米級/分米級精度的差分定位的能力。

1. 國家GNSS連續(xù)運行基準站

國家GNSS連續(xù)運行基準站的建設(shè)目標是形成國家大地基準框架的主體，獲得高精度、穩(wěn)定、連續(xù)的觀測數(shù)據(jù)，維持國家三維地心坐標框架，同時具備提供站點的精確三維位置信息變化，提供實時定位和導航的信息、GNSS衛(wèi)星軌道信息及高精度連續(xù)時頻信號等的能力。

該工程在全國布網(wǎng)建設(shè)360個國家GNSS連續(xù)運行基準站，其中西部地區(qū)站間距離為200～300 km，東北部和云貴川區(qū)域內(nèi)平均站間距離為150 km左右，經(jīng)濟較發(fā)達的華東、華中和華南地區(qū)平均站間距離約為70～100 km。新建基準站全部配置北斗系統(tǒng)接收機，實現(xiàn)我國自主導航衛(wèi)星系統(tǒng)技術(shù)在國家坐標框架維持及實時導航定位服務(wù)的應(yīng)用。

2. 國家衛(wèi)星大地控制網(wǎng)

國家衛(wèi)星大地控制網(wǎng)是為我國大地基準建立和維護而建設(shè)的基礎(chǔ)設(shè)施，其中新建點2500個，利用點2000個。新建點在我國105°E以東地區(qū)新建1700個，平均間距為40～60 km；在我國105°E以西地區(qū)新建800個，平均間距為70～100 km。國家衛(wèi)星大地控制網(wǎng)主要是維持我國大地基準和大地坐標系統(tǒng)，應(yīng)具有較高的點位密度和更廣的服務(wù)范圍，是國家GNSS連續(xù)運行基準站的加密與補充。

國家衛(wèi)星大地控制網(wǎng)根據(jù)勘選站址所處位置自然地形、地質(zhì)和環(huán)境條件等情況，分為基巖觀測墩和土層觀測墩兩種建設(shè)類型。觀測墩設(shè)計應(yīng)充分考慮穩(wěn)固、可靠、不易破壞、便于觀測、減少多路徑影響等因素，同時能滿足GNSS、水準和重力測量的要求。

3. 國家高程控制網(wǎng)

國家高程控制網(wǎng)由388條水準路線組成，路線總長122 000 km，其中包含：①149個閉合環(huán)，平均環(huán)長1420 km，其中東部地區(qū)1200～1600 km，西部地區(qū)除特殊情況外，一般應(yīng)在1800 km以內(nèi)；②包含27 400座水準點，其中利用19 535點，新建7865點，按照使用目的和工程要求，將新建點分為基巖點、基本點和普通點，其中建設(shè)基巖點110個，基本點725個，普通點7030個；③包含240個結(jié)點，設(shè)置GPS、水準和重力共用測量標志，實現(xiàn)今后對國家第三期一等水準網(wǎng)進行大尺度監(jiān)測。它將全面更新我國一等高程控制網(wǎng)，使我國一等高程控制網(wǎng)由現(xiàn)有的約9萬km增加到12.2萬km，改善局部薄弱地區(qū)的高程基準穩(wěn)定性，實現(xiàn)全國范圍的現(xiàn)代高程基準傳遞。

4. 國家重力基準點

在國家已有絕對重力點分布的基礎(chǔ)上，選擇50個新建的GNSS連續(xù)運行基準站進行絕對重力屬性測定，實現(xiàn)每300 km有一個絕對重力基準點，改善國家重力基準體系的圖形結(jié)構(gòu)和控制精度，形成分布合理、利于長期保存的國家絕對重力基準的基礎(chǔ)設(shè)施。國家重力基準點屬性測定采用絕對重力儀設(shè)備，精度優(yōu)于5×10-8ms-2。

5. 國家測繪基準管理服務(wù)系統(tǒng)

國家測繪基準管理服務(wù)系統(tǒng)是基準一期工程的組成部分，是工程產(chǎn)出的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，是保障工程成果管理、處理與共享服務(wù)的技術(shù)支持系統(tǒng)。國家測繪基準管理服務(wù)系統(tǒng)建設(shè)的目標是建設(shè)一個測繪基準數(shù)據(jù)中心，具備先進的測繪基準數(shù)據(jù)管理與處理功能，提升現(xiàn)代測繪基準成果服務(wù)的能力。

國家測繪基準管理服務(wù)系統(tǒng)包含運行支持環(huán)境、數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理分析系統(tǒng)和共享服務(wù)系統(tǒng)4個部分，各部分之間相互關(guān)聯(lián)，協(xié)調(diào)支撐，且可各自發(fā)揮作用。

數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)主要依托計算機網(wǎng)絡(luò)、存儲備份和數(shù)據(jù)庫等技術(shù)，實現(xiàn)GNSS連續(xù)運行基準站的運行監(jiān)控維護、數(shù)據(jù)匯集、數(shù)據(jù)管理、系統(tǒng)監(jiān)控和系統(tǒng)安全等功能，承擔系統(tǒng)運行技術(shù)環(huán)節(jié)的監(jiān)控和協(xié)調(diào)。

數(shù)據(jù)處理分析系統(tǒng)主要依托計算機網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)處理技術(shù)，形成先進的數(shù)據(jù)處理分析能力，具備GNSS連續(xù)運行基準站數(shù)據(jù)處理、衛(wèi)星大地控制網(wǎng)數(shù)據(jù)處理、高程控制網(wǎng)數(shù)據(jù)處理、重力基準點數(shù)據(jù)處理和測繪基準分析等功能，產(chǎn)出GNSS站點坐標、站時間序列、站位移速度、衛(wèi)星預(yù)報星歷、衛(wèi)星精密星歷等成果，提高國家動態(tài)地心坐標框架精度和可靠性。

共享服務(wù)系統(tǒng)依托網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)平臺，采用Web和FTP技術(shù)手段提供共享目錄和數(shù)據(jù)成果信息等服務(wù)。

運行支持環(huán)境包括機房改造建設(shè)、網(wǎng)絡(luò)通信建設(shè)、存儲備份建設(shè)及計算機安全系統(tǒng)設(shè)施建設(shè)，是管理服務(wù)系統(tǒng)功能實現(xiàn)與平穩(wěn)運行的支撐。

四、總結(jié)與展望

基準一期工程打下的基礎(chǔ)形成了我國現(xiàn)代測繪基準體系的基本形態(tài)，初步實現(xiàn)了現(xiàn)代測繪基準維持和服務(wù)能力，為我國現(xiàn)代測繪基準自身建設(shè)與向國際拓展打下了堅實基礎(chǔ)，可以滿足現(xiàn)階段經(jīng)濟建設(shè)的需要，但是距離全面實現(xiàn)測繪基準現(xiàn)代體系建設(shè)，仍存在以下幾方面的不足：

1) 技術(shù)體系不完善，測繪基準建設(shè)與維持技術(shù)手段較為單一。而采用多種衛(wèi)星大地測量手段共同維持坐標系統(tǒng)能很好地解決原點問題、尺度問題，以及自主實現(xiàn)地球極移、章動、地球自轉(zhuǎn)等確定問題，從而實現(xiàn)國家自主坐標體系的更新與維護。

2) 國家測繪基準基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)東西部差距較大，西部經(jīng)濟建設(shè)與邊疆開發(fā)的測繪服務(wù)保障能力嚴重不足。

3) 國家測繪基準的新技術(shù)體系變革起步較晚，應(yīng)用基礎(chǔ)和信息化服務(wù)能力仍然十分薄弱，急需加大建設(shè)力度，推動技術(shù)的現(xiàn)代化升級改造。

導航衛(wèi)星地基增強實時導航定位技術(shù)、重力衛(wèi)星技術(shù)、航空重力技術(shù)、大地水準面技術(shù)等的發(fā)展與普及應(yīng)用，對測繪基準建設(shè)的成果精度和形式、信息化服務(wù)能力提出了更高的要求，也成為測繪基準現(xiàn)代化建設(shè)下一階段的重要目標。因此，今后測繪基準基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)主要以連續(xù)觀測的基礎(chǔ)設(shè)施為主體，以符合空間大地測量技術(shù)要求為核心，發(fā)展成為滿足多種觀測手段、具有多重基準屬性、具備主動式監(jiān)控能力的現(xiàn)代測繪基礎(chǔ)設(shè)施。

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2015-09-06 作者簡介： 張 鵬(1973—)，男，博士，主要從事國家測繪基準建設(shè)與維持衛(wèi)星大地測量的應(yīng)用研究等。E-mail:zhangpeng@ngcc.cn

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0494-0911(2015)10-0009-03