南平市現(xiàn)代測繪基準體系建設與分析

葉昆平

（福建省測繪院 福建福州 350003）

1 引言

南平市位于福建省北部，轄二區(qū)三市五縣，以低山丘陵地為主，占地2.63萬平方千米。轄區(qū)內(nèi)水、陸、空交通較方便。

南平市原有的測繪基準存在著成果現(xiàn)勢性差和維持能力不足等問題。“十二五”期間，南平市基礎測繪工作的主要目標是建立一套由GPS控制網(wǎng)、水準網(wǎng)、連續(xù)運行衛(wèi)星定位服務系統(tǒng)和精化似大地水準面組成的覆蓋全市域的空間定位基準體系，保障全市域基礎地理信息快速準確的獲取及2000國家大地坐標系到1980西安坐標系、1954年北京坐標系轉(zhuǎn)換。

2 南平市現(xiàn)代測繪基準體系的建設

南平市現(xiàn)代測繪基準體系于2015年12月建設完成并通過驗收。在福建省地理空間基準框架的基礎上，首次建立覆蓋了南平市全市域由大地基準、高程基準及似大地水準面模型組成的統(tǒng)一、高精度、適用的現(xiàn)代測繪基準體系。該現(xiàn)代測繪體系的主要建設包括以下內(nèi)容：

2.1 FJCORS基準站的加密建設

依據(jù)《全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)連續(xù)運行基準站網(wǎng)技術規(guī)范》（GB/T 28588-2012）和《福建省連續(xù)運行衛(wèi)星定位服務系統(tǒng)項目總體方案》，設立觀測墩3點次（表1）。

表1 加密基準站信息

在聯(lián)通通訊線路后，進行數(shù)據(jù)通訊測試，網(wǎng)絡延時≤50ms，表明網(wǎng)絡穩(wěn)定無丟包現(xiàn)象?，F(xiàn)已接入FJCORS，提供用戶服務。

2.2 GNSS控制網(wǎng)建設

南平市現(xiàn)代測繪基準體系GNSS控制網(wǎng)由GNSS框架網(wǎng)和基本網(wǎng)組成。其中，GNSS框架網(wǎng)由福建省連續(xù)運行衛(wèi)星定位服務系統(tǒng) （FJCORS）基準站（南平境內(nèi)及周邊）、CGCS2000大地控制網(wǎng)點、部分有強制對中標志的控制點和部分省C級控制點組成，共有25個點。以GNSS框架網(wǎng)點為基礎，綜合考慮現(xiàn)有控制點的布設情況，布設高程異?？刂泣c178個，以滿足沿富屯溪、崇陽溪、南浦溪、松溪、建溪和沿閩江區(qū)域高精度精化需要（相鄰高程異?？刂泣c平均間距沿溪沿江不大于11km，其它區(qū)域不大于 28km）。

基準站聯(lián)測 （B級）2015年3月2日至3月28日期間進行持續(xù)25天的觀測，高程異?？刂泣c觀測（C級）采用基于FJCORS基準站的單點觀測模式進行。

數(shù)據(jù)處理軟件采用美國麻省理工學院的GAMIT/GLOBK 軟件（版本 10.40）。收集 WUHN（武漢）、XIAM（廈門）、GUAN（廣州）、LUZH（瀘州）、FJXP（福建霞浦）、ZJJD（浙江建德）六個GPS連續(xù)運行站的數(shù)據(jù)。GNSS控制網(wǎng)三維地心基準為2000國家大地坐標系（CGCS2000）。以GPS連續(xù)運行站為基準站進行差分，求得基準站的先驗坐標，其坐標可以達到0.1米以內(nèi)的精度。以GPS Day（年積日）為單位，進行基準站（B級）、控制點（C級）基線解算。框架網(wǎng)與基本網(wǎng)同步環(huán)Nrms值均小于0.3周，基線解算時周跳基本剔除干凈?？蚣芫W(wǎng)為多時段觀測，進行基線重復性統(tǒng)計，表2給出了統(tǒng)計結(jié)果，表格數(shù)據(jù)表明框架網(wǎng)基線重復性較好。

表2 基準站基線重復性統(tǒng)計表（單位：mm）

GNSS控制網(wǎng)全部基線進行檢驗，檢驗值均小于3，通過檢驗，基線解算結(jié)果較好，可用于平差[1]（相對中誤差超限的不參與平差計算）。表3和表5給出了框架網(wǎng)和基本網(wǎng)平差計算后的基線精度統(tǒng)計表和坐標統(tǒng)計表。

表3 框架網(wǎng)/基本網(wǎng)基線精度統(tǒng)計表

由上表可知框架網(wǎng)的基線相對中誤差均符合規(guī)范要求，基本網(wǎng)中基線相對中誤差超過1×10－6共三條基線，見表4。

表4 基線相對中誤差超過1×10－6統(tǒng)計表

表5 框架網(wǎng)/基本網(wǎng)空間坐標精度統(tǒng)計（單位：mm）

2.3 水準網(wǎng)建設

布設二等和三等兩種水準網(wǎng)覆蓋南平市全市域，其中二等水準路線形成附合線4條，三等水準路線形成附合線20條。

二等附合路線高程計算采用測站數(shù)配賦附合差后推算水準點高程；三等附合路線高程計算采用距離配賦附合差后推算水準點高程；支線則通過起算點高程及經(jīng)過各項改正后的高差直接推算。其中，二等觀測高差中加入了水準標尺長度改正、正常水準面不平行改正、重力異常改正、固體潮改正和海潮負荷改正五項改正；三等觀測高差中加入了水準標尺長度改正和正常水準面不平行改正。用經(jīng)過各項改正后的水準路線附合差計算的水準測量每千米全中誤差二等水準為±1.80mm、三等水準為±3.53mm，精度達到規(guī)范要求[2，3]。

2.4 似大地水準面精化

區(qū)域似大地水準面精化的目的是綜合利用重力資料、地形資料、重力場模型與GPS/水準成果，采用物理大地測量理論與方法，應用移去～恢復技術確定區(qū)域性精密似大地水準面[4]。本項目利用國家測繪地理信息局大地測量檔案分館館藏的1：50000數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)、全球海域1′×1′ETOPO1水深數(shù)據(jù)完成規(guī)則格網(wǎng)重力似大地水準面計算，對重力似大地水準面的擬合計算，利用GPS水準點進行重力似大地水準面擬合糾正[5]。采用重力法（Molodensky原理）及移去（remove）～恢復（restore）技術，計算重力區(qū)域似大地水準面，利用本次實測160個和相鄰區(qū)域的GPS水準點99個。為了檢驗GPS水準數(shù)據(jù)的可靠性，采用最小二乘配置方法對數(shù)據(jù)進行初步處理，初步判斷081N、032N、036N、A027為異常點（殘差分別為21.8cm、-6.0cm、5.2cm、4.1cm），不參加似大地水準面擬合計算。因此，南平市似大地水準面精化最終使用255個GPS水準點作為控制數(shù)據(jù)，選擇自適應最小二乘配置糾正重力似大地水準面，獲取南平市內(nèi)符合精度為±1.97cm的似大地水準面成果，其中沿溪沿江區(qū)域約1.1萬平方千米內(nèi)符合精度±1.95cm，沿溪沿江區(qū)域外內(nèi)符合精度±1.98cm。根據(jù)該區(qū)域最終似大地水準面2.5'×2.5'格網(wǎng)成果，按照雙線性內(nèi)插方法編制相應的似大地水準面插值軟件。

3 現(xiàn)代測繪基準體系分析

3.1 控制網(wǎng)的坐標轉(zhuǎn)換分析

南平市似大地水準面精化控制網(wǎng)在進行坐標轉(zhuǎn)換時，為了與福建省C級GPS網(wǎng)成果相匹配，利用“精化區(qū)域大地水準面試點”項目中福建省2000國家大地坐標系到1980西安坐標系、1954年北京坐標系坐標轉(zhuǎn)換的轉(zhuǎn)換參數(shù)。

表6給出了坐標轉(zhuǎn)換信息表，包括2000國家大地坐標系到1980西安坐標系、1954年北京坐標系坐標轉(zhuǎn)換殘差中誤差和利用重合點點數(shù)。

表6 坐標轉(zhuǎn)換信息統(tǒng)計表

3.2 控制點等精度觀測檢測

選取已有成果的控制點按本次施測精度進行平面聯(lián)測或高程連測，共同參與平差計算，獲取成果與已有成果資料進行比較，來驗證本次成果觀測精度，具體比較見表7。

表7 已有控制點成果比較（△h為大地高比較）

從上表可知本次施測成果與原成果無較大差別，表明本次成果可靠。

3.3 似大地水準面精化模型精度的檢測

在測區(qū)均勻布設43個外部檢核點，檢測點的高程均為三等水準以上成果，與似大地水準面插值軟件計算檢核點的高程擬合值進行比較。其中不等精度檢測點采用網(wǎng)絡RTK觀測或利用已有控制點。

表8 等精度/不等精檢測外符合精度統(tǒng)計表（單位：m）

從表8可以看出，外符合精度檢測的結(jié)果可以看出，采用基于連續(xù)運行基準站網(wǎng)的網(wǎng)絡RTK高程進行檢測，精度良好，南平市似大地水準面精化精度滿足設計要求。

3.4 似大地水準面精化成果分析

對漳州、龍巖、南平和三明這四個地級市的似大地水準面精化成果精度進行對比分析，簡單分析表9、圖1可知：

（1）在gps/水準點密度相似的情況下，收集、利用更多的重力點數(shù)據(jù)，能較大幅度提高似大地水準面的精度；

（2）當gps/水準點密度達到一定程度時，單純增加gps/水準點數(shù)量已不能達到提高似大地水準面精度的目的。

表9 似大地水準面精度（內(nèi)符合）與gps/水準點密度及重力點種類數(shù)量的關系

圖1 gps/水準點密度與似大地水準面精度（內(nèi)符合）關系圖

4 結(jié)束語

綜合運用GPS技術、水準測量技術、重力資料以及數(shù)字地形模型，建立集GNSS、水準高程于一體的南平市現(xiàn)代測繪基準體系，以便解決2000國家大地坐標系、1980西安坐標系、1954年北京坐標系和南平市獨立坐標系之間相互轉(zhuǎn)換這一難題。實踐表明，利用高精度似大地水準面和FJCORS能夠代替低等級水準測量，實現(xiàn)平面和高程測量的傳統(tǒng)模式向現(xiàn)代化模式跨越，切實提升測繪保障服務能力，充分服務于“智慧南平”建設。

對于現(xiàn)代測繪基準體系建設而言，在布設GPS水準網(wǎng)和改善重力分辨率過程中，都存在著GPS大地高測定誤差、水準網(wǎng)觀測誤差和重力數(shù)據(jù)及地形數(shù)據(jù)三方面誤差[6]的問題。如何以更少的投入建立更高精度的區(qū)域似大地水準面還有待于進一步研究。