基于CGCS2000的珠海市地方坐標(biāo)體系技術(shù)探討

高春輝，李秀龍，王東閣

(珠海市測(cè)繪院，廣東 珠?！?19015)

1　引　言

國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)與社會(huì)可持續(xù)發(fā)展離不開坐標(biāo)基準(zhǔn)體系的基礎(chǔ)保障。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)和科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，原有二維的、參心的國(guó)家坐標(biāo)系(1954年北京坐標(biāo)系、1980西安坐標(biāo)系)已不能滿足客觀發(fā)展需求，為此，我國(guó)利用現(xiàn)代空間測(cè)地技術(shù)手段建立了三維的、地心的新一代高精度坐標(biāo)系[1]：2000國(guó)家大地坐標(biāo)系(China Geodetic Coordinate System 2000，CGCS2000)。CGCS2000是我國(guó)自主建立、適應(yīng)現(xiàn)代空間技術(shù)發(fā)展與經(jīng)濟(jì)社會(huì)建設(shè)的地心坐標(biāo)系。國(guó)家測(cè)繪局公告2008年第2號(hào)：根據(jù)《中華人民共和國(guó)測(cè)繪法》，經(jīng)國(guó)務(wù)院批準(zhǔn)，我國(guó)自2008年7月1日起，啟用2000國(guó)家大地坐標(biāo)系。2000國(guó)家大地坐標(biāo)系與現(xiàn)行國(guó)家大地坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換、銜接的過渡期為8至10年[2]。

珠海市已有的地方坐標(biāo)體系均基于1954年北京坐標(biāo)系構(gòu)建，限于當(dāng)時(shí)的技術(shù)手段和資料條件，加上復(fù)雜的歷史原因，長(zhǎng)期面臨著多個(gè)歷史地方坐標(biāo)系共存、起算基準(zhǔn)不統(tǒng)一等問題，不利于地方測(cè)繪地理信息工作的正常開展，也難以適應(yīng)城市發(fā)展建設(shè)的客觀要求。

2　建設(shè)背景

基于CGCS2000坐標(biāo)系更新、建設(shè)珠海地方坐標(biāo)體系工作是政策基本要求，也是地方解決歷史問題和滿足建設(shè)發(fā)展的迫切需求。

2.1　政策要求

在CGCS2000啟用過渡期間，國(guó)家測(cè)繪地理信息局多次發(fā)文要求各地推廣使用CGCS2000及相關(guān)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換等工作。2017 年8 月，廣東省國(guó)土資源廳下發(fā)了《關(guān)于印發(fā)使用2000 國(guó)家大地坐標(biāo)系工作方案的通知》(粵國(guó)土資測(cè)繪發(fā)﹝2017﹞116 號(hào))，要求：“市縣級(jí)國(guó)土資源主管部門按照國(guó)土資源部的統(tǒng)一部署和省內(nèi)的具體工作安排，……完成行政區(qū)域內(nèi)相對(duì)獨(dú)立的平面坐標(biāo)系和2000 國(guó)家大地坐標(biāo)系建立聯(lián)系的工作，……”。顯然，基于CGCS2000的坐標(biāo)系建設(shè)推廣工作已勢(shì)在必行。該項(xiàng)工作將由測(cè)繪行政主管部門牽頭實(shí)施，形成基礎(chǔ)框架成果后逐步向其他領(lǐng)域推廣使用，意義重大。

2.2　地方坐標(biāo)系概況

珠海市位于廣東省南部，珠江出?？谖靼?，地處北緯21°48′～22°27′、東經(jīng)113°03′～114°19′之間，版圖東西走向較狹長(zhǎng)，自西向東分別為西部的金灣、斗門區(qū)，中部的香洲區(qū)(市區(qū))及東部的萬山區(qū)(珠江口海島區(qū)域)。東望香港、深圳，南接澳門，西靠江門，北連中山。因位于珠江注入南海之處而得名。最初于1980年香洲區(qū)成立珠海經(jīng)濟(jì)特區(qū)，隨后將金灣、斗門區(qū)納入特區(qū)管轄范圍。珠海市已有地方坐標(biāo)系均基于1954年北京坐標(biāo)系橢球及其在地方的高等級(jí)控制點(diǎn)為基準(zhǔn)，集中產(chǎn)生于20世紀(jì)80、90年代。20世紀(jì)80年代，作為特區(qū)的香洲區(qū)設(shè)立了83珠海相對(duì)獨(dú)立坐標(biāo)系(簡(jiǎn)稱83坐標(biāo)系)，自定義中央子午線，主要應(yīng)用于市區(qū)范圍內(nèi)(不含東部珠江口萬山海島區(qū)域)。20世紀(jì)90年代，為滿足陸地區(qū)域(西部、中部)經(jīng)濟(jì)建設(shè)需求，以陸地中心設(shè)定自定義中央子午線確定了90珠海相對(duì)獨(dú)立坐標(biāo)系(簡(jiǎn)稱90坐標(biāo)系)。期間的東部萬山海島區(qū)陸續(xù)通過局部海島測(cè)圖項(xiàng)目建立了萬山海島坐標(biāo)系及個(gè)別海島獨(dú)立坐標(biāo)系，統(tǒng)稱萬山坐標(biāo)系。由于海島間距為數(shù)公里至數(shù)十公里不等，限于當(dāng)時(shí)的技術(shù)條件，難以進(jìn)行全面聯(lián)測(cè)，導(dǎo)致萬山坐標(biāo)系內(nèi)部島嶼群間的坐標(biāo)基準(zhǔn)存在較大偏差。由于歷史原因，目前市區(qū)規(guī)劃建設(shè)使用83坐標(biāo)系，西部為90坐標(biāo)系，東部為萬山坐標(biāo)系。綜上所述可知，珠海市現(xiàn)存地方坐標(biāo)系存在諸多缺點(diǎn)，已不能適應(yīng)新時(shí)代新發(fā)展的需求。

2.3　資料條件

現(xiàn)存歷史地方坐標(biāo)系資料主要為83坐標(biāo)系的框架網(wǎng)三等三角網(wǎng)、90坐標(biāo)系的二等三角網(wǎng)成果、萬山坐標(biāo)系二等至四等起算三角點(diǎn)及其加密控制點(diǎn)。2014年，通過珠海市基礎(chǔ)測(cè)繪“十二五”規(guī)劃建設(shè)完成了珠海市北斗連續(xù)運(yùn)行衛(wèi)星導(dǎo)航與位置服務(wù)系統(tǒng)(簡(jiǎn)稱珠海北斗CORS)和珠海市陸海統(tǒng)一似大地水準(zhǔn)面精化測(cè)繪工程兩項(xiàng)目[3，4]，項(xiàng)目成果主要包括由11個(gè)基準(zhǔn)站組成的珠海坐標(biāo)框架網(wǎng)和由66個(gè)點(diǎn)構(gòu)成的首級(jí)全市域GNSS-C級(jí)控制網(wǎng)。上述兩項(xiàng)目首次通過廣東CORS站點(diǎn)聯(lián)測(cè)將CGCS2000坐標(biāo)成果引入珠海，即珠海北斗CORS站網(wǎng)與首級(jí)GNSS-C級(jí)網(wǎng)具備CGCS2000成果，同時(shí)建立了地方坐標(biāo)系：83坐標(biāo)系、90坐標(biāo)系與CGCS2000的有效聯(lián)系。

鑒于珠海市已有歷史地方坐標(biāo)系的復(fù)雜情況：其老舊的起算基準(zhǔn)(1954年北京坐標(biāo)系成果)，多坐標(biāo)系共存，起算基準(zhǔn)不一致，應(yīng)用區(qū)域分化，東部萬山區(qū)坐標(biāo)系整體符合度差等不利因素，阻礙了測(cè)繪地理信息工作的有效開展與信息共享，也不符合相關(guān)政策要求，不能滿足社會(huì)發(fā)展與城市建設(shè)的客觀需求。全面建設(shè)、更新基于CGCS2000的、陸海統(tǒng)一的地方坐標(biāo)體系是具備基礎(chǔ)條件的，而且是十分必要和非常迫切的。

3　建設(shè)方案

3.1　坐標(biāo)系建設(shè)方案

建立基于CGCS2000的珠海地方坐標(biāo)系的總體技術(shù)路線可概括為：在充分收集并分析已有成果資料的基礎(chǔ)上，通過采用科學(xué)嚴(yán)密的方法推算比選，確定恰當(dāng)?shù)摹⑦m合珠海市城市建設(shè)發(fā)展實(shí)際的城市獨(dú)立坐標(biāo)系統(tǒng)。采用高斯正形投影，以CGCS2000為基礎(chǔ)，選取合適的中央子午線和投影面，建立新的坐標(biāo)系統(tǒng)，滿足在整個(gè)市域控制范圍及邊緣投影長(zhǎng)度變形值不大于 2.5 cm/km的原則[5]，且投影變形均勻，并充分顧及控制網(wǎng)的可擴(kuò)展性，兼顧與國(guó)家坐標(biāo)系統(tǒng)的銜接和應(yīng)用的方便、成果的共享等因素。

地面上水平距離的觀測(cè)值經(jīng)高程歸化和投影改化轉(zhuǎn)換為高斯投影長(zhǎng)度值，當(dāng)兩次歸化產(chǎn)生的綜合長(zhǎng)度變形值不超過 2.5 cm/km時(shí)，采用國(guó)家3°帶高斯投影。而當(dāng)長(zhǎng)度綜合變形值大于 2.5 cm/km時(shí)，城市坐標(biāo)系可依次采用：抵償面的3°帶高斯投影；任意帶高斯投影；具有高程抵償面的任意帶高斯投影[6]。珠海市地處東經(jīng)113°03′～114°19′之間，東西最大跨度約為 120 km，若采用國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)3°帶(東經(jīng)114°00′00″)，整個(gè)西部地區(qū)都不滿足投影長(zhǎng)度變形限差要求，即便利用高程抵償法，仍有大片區(qū)域無法滿足變形要求。根據(jù)珠海市地理版圖結(jié)合經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展情況，可采用雙投影帶方案或任意帶單投影方案。

(1)雙投影帶

顧及珠海市版圖呈東西向狹長(zhǎng)分布的特點(diǎn)，在東部設(shè)立國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)3°帶114°00′00″中央子午線投影帶，在中西部陸地中央附近(113°20′00″附近)設(shè)立任意中央子午線投影帶，組成雙投影帶，并于東西海陸交界處設(shè)立重疊帶，無須施加抵償高程，投影變形滿足要求且全地域變形量均處于較小水平。雙投影帶示意圖如圖1所示。

圖1雙投影方案示意圖

該方案較好地符合了變形量不大于 2.5 cm/km的要求，但雙投影帶將面臨城市坐標(biāo)系定義不唯一[7]，未從根本上解決多套地方坐標(biāo)系共存的問題，不便于跨帶應(yīng)用，不利于全市地理信息數(shù)據(jù)共享與統(tǒng)一應(yīng)用的問題。

(2)單投影帶

以全市域東西向中心任意投影(113°42′00″附近，海島區(qū)域)，西部大部分區(qū)域和東部東南側(cè)海島變形量超標(biāo)，施加 160 m抵償高程極值后仍有西南角大片陸地和東南角海島不符合要求。從城市經(jīng)濟(jì)社會(huì)活動(dòng)活躍度出發(fā)，中部與西部陸地區(qū)域是建設(shè)發(fā)展的重心，選取單投影帶應(yīng)在確保陸地區(qū)域變形符合要求的前提下兼顧海島區(qū)域。在保證陸地區(qū)域變形不超限的前提下，采用遍歷搜索法，根據(jù)東西兩側(cè)陸地區(qū)域的超限情況，發(fā)現(xiàn)將投影中心西移至市區(qū)陸地中心(113°33′00″)，西部變形量滿足要求，此時(shí)東部東南側(cè)海島超差(如圖2所示)。通過抵償高程和調(diào)整投影中心相結(jié)合的遴選方法，均無法避免東南側(cè)海島超差的問題。為易于使用和推廣，采用了無抵償投影的方法，無抵償高程也較適用于珠海市低海拔的現(xiàn)狀。對(duì)于變形超差的東南側(cè)海島，采用參數(shù)改正法解決變形超限區(qū)域?qū)崪y(cè)邊長(zhǎng)與投影長(zhǎng)度的一致性[8]。為此，在符合全市域投影變形量最小的條件下，最終計(jì)算確定單投影帶中央子午線位于全市版圖中心附近，即113°30′00″左右，采用無抵償高程。該單投影帶示意圖如圖2所示。

圖2單投影方案示意圖

單投影帶方案可解決當(dāng)前多套歷史地方坐標(biāo)系共存的問題，利于統(tǒng)一全市地方坐標(biāo)系統(tǒng)，便于建立全市統(tǒng)一的地理信息數(shù)據(jù)服務(wù)平臺(tái)，但存在東南側(cè)海島超差問題，需實(shí)施邊長(zhǎng)改正。

3.2　坐標(biāo)系框架建設(shè)方案

總體上，采取分級(jí)布設(shè)、逐級(jí)加密控制的策略，分別建立基于CGCS2000的珠海地方坐標(biāo)系框架網(wǎng)、基準(zhǔn)網(wǎng)和全面網(wǎng)，并據(jù)此確定新舊坐標(biāo)系有效聯(lián)系?？蚣芫W(wǎng)由珠海北斗CORS站網(wǎng)構(gòu)成，基準(zhǔn)網(wǎng)基于已有的GNSS-C級(jí)控制網(wǎng)進(jìn)行建設(shè)，同時(shí)布設(shè)覆蓋全市的加密GNSS-D、E級(jí)網(wǎng)作為全面網(wǎng)，其總體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

基于珠海北斗CORS 11個(gè)基準(zhǔn)站網(wǎng)，該站網(wǎng)已覆蓋全市大部分區(qū)域，僅南部島嶼與海域未布設(shè)站點(diǎn)，采取新建、改建、遷建的措施實(shí)現(xiàn)站網(wǎng)優(yōu)化與全覆蓋，預(yù)計(jì)建成覆蓋全市域的基準(zhǔn)站總數(shù)達(dá)到15個(gè)，平均站間距離控制在 30 km以內(nèi)。根據(jù)基準(zhǔn)站分布情況，選取周邊廣東CORS 框架點(diǎn)、國(guó)內(nèi)部分IGS國(guó)際跟蹤站進(jìn)行同步聯(lián)測(cè)和數(shù)據(jù)處理，建立珠海新一代地方坐標(biāo)系框架網(wǎng)，并建立與國(guó)際ITRF框架、廣東CORS框架、各歷史時(shí)期的國(guó)家和地方坐標(biāo)系間的聯(lián)系，全面、完善地解決新舊坐標(biāo)體系銜接問題。以框架網(wǎng)為基礎(chǔ)和起算，對(duì)珠海市域所有現(xiàn)存的C級(jí)GNSS控制點(diǎn)，國(guó)家二、三等三角點(diǎn)，珠海各歷史時(shí)期坐標(biāo)系控制點(diǎn)、萬山群島坐標(biāo)系控制點(diǎn)進(jìn)行實(shí)地勘察，對(duì)于滿足觀測(cè)條件的控制點(diǎn)按C級(jí)GNSS技術(shù)要求進(jìn)行全部聯(lián)測(cè)，局部地區(qū)進(jìn)行適當(dāng)加密布設(shè)C級(jí)GNSS點(diǎn)，構(gòu)建由70個(gè)左右C級(jí)GNSS點(diǎn)組成的地方坐標(biāo)系基準(zhǔn)網(wǎng)。全面網(wǎng)在基準(zhǔn)網(wǎng)的基礎(chǔ)上，按D、E級(jí)GNSS控制網(wǎng)技術(shù)要求進(jìn)行測(cè)設(shè)?？刹捎谜W(wǎng)布設(shè)，也可根據(jù)各地需求分階段、分區(qū)域逐步加密。全面網(wǎng)以基準(zhǔn)網(wǎng)點(diǎn)的三維成果(CGCS2000相關(guān)成果)、二維成果(新建地方坐標(biāo)系及各歷史時(shí)期坐標(biāo)系)起算，從而確保全面網(wǎng)成果的統(tǒng)一和相互兼容。

圖3　坐標(biāo)系框架基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)示意圖

4　基礎(chǔ)框架維持

結(jié)合珠海北斗CORS及城市基準(zhǔn)網(wǎng)對(duì)新建的地方坐標(biāo)體系進(jìn)行實(shí)現(xiàn)和維持，確保滿足全市對(duì)新地方坐標(biāo)系成果應(yīng)用的需要。主要依托建立的框架網(wǎng)、基準(zhǔn)網(wǎng)和全面網(wǎng)來進(jìn)行維持，一方面，在基礎(chǔ)控制網(wǎng)建設(shè)之初，應(yīng)充分考慮各控制點(diǎn)的長(zhǎng)期保存和方便使用；另一方面，通過框架網(wǎng)(每年一次)、基準(zhǔn)網(wǎng)(每5年一次)進(jìn)行周期性復(fù)測(cè)，全面網(wǎng)則根據(jù)需要進(jìn)行加密維護(hù)，對(duì)于損毀控制點(diǎn)進(jìn)行及時(shí)維護(hù)和補(bǔ)充，確保全市基礎(chǔ)控制點(diǎn)具有足夠的密度，并維持其基礎(chǔ)控制成果的現(xiàn)勢(shì)性。

根據(jù)ITFR框架進(jìn)行地方坐標(biāo)基準(zhǔn)框架的維持。由于國(guó)際ITRF框架具有實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)等特點(diǎn)，作為區(qū)域動(dòng)態(tài)參考框架的科學(xué)目標(biāo)，應(yīng)開展珠海市動(dòng)態(tài)參考框架維持方面的工作，即以珠海北斗CORS系統(tǒng)為載體，按照統(tǒng)一的方案聯(lián)測(cè)IGS站計(jì)算出珠海北斗CORS基準(zhǔn)站點(diǎn)的日解、周解、月解和年解，研究站點(diǎn)三維坐標(biāo)的周日、周月、季節(jié)和周年變化，通過周年變化獲取每一CORS站點(diǎn)的平均年變化，進(jìn)而求得區(qū)域地殼運(yùn)動(dòng)速度場(chǎng)。同時(shí)，確定區(qū)域參考框架任意歷元與ITRF (yy) 間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，維持基準(zhǔn)框架的現(xiàn)勢(shì)性，并以此建立起與CGCS2000的有效聯(lián)系，達(dá)到框架維持的目的。

5　結(jié)　語

地方坐標(biāo)體系更新建設(shè)是一項(xiàng)基礎(chǔ)性、公益性很強(qiáng)的重要工作。采用現(xiàn)代高精度地心坐標(biāo)基準(zhǔn)，依托衛(wèi)星大地測(cè)量技術(shù)手段及相關(guān)基礎(chǔ)設(shè)施，可以高效地建立起符合發(fā)展需求的地方坐標(biāo)體系并利于長(zhǎng)遠(yuǎn)的框架維持工作。建立以CGCS2000為基礎(chǔ)的珠海新一代地方坐標(biāo)系，不僅能夠統(tǒng)一全市的測(cè)繪基準(zhǔn)，解決歷史遺留問題，保持珠海各種測(cè)繪地理信息數(shù)據(jù)與國(guó)家CGCS2000的有效銜接，還可提高測(cè)繪地理信息數(shù)據(jù)獲取與更新效率，提升測(cè)繪保障服務(wù)能力，對(duì)滿足城鄉(xiāng)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展均具有十分重要的作用和戰(zhàn)略意義。