ZJCORS技術(shù)在水準(zhǔn)高程基準(zhǔn)檢核中的應(yīng)用研究

郭 晨，陳鐵鑫，許燁璋，王大同

（浙江省河海測(cè)繪院，浙江 杭州 310008）

1 問題的提出

浙江省連續(xù)運(yùn)行衛(wèi)星定位綜合服務(wù)系統(tǒng)（ZJCORS），是浙江省內(nèi)一個(gè)高精度、高時(shí)空分辨率、高效率、高覆蓋率的全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位綜合服務(wù)系統(tǒng)。它綜合了衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)、測(cè)繪學(xué)理論、氣象學(xué)、地理信息系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、無線電通訊技術(shù)等理論和技術(shù)，能夠運(yùn)用于大地測(cè)量、工程測(cè)量、氣象監(jiān)測(cè)、地面沉降、交通定位、地震監(jiān)測(cè)以及社會(huì)公共定位服務(wù)[1]。目前ZJCORS技術(shù)實(shí)時(shí)定位精度平面方向優(yōu)于3.00 cm，高程方向優(yōu)于5.00 cm[2-3]。近年來，我國(guó)各省市都在加快建立所屬區(qū)域內(nèi)的似大地水準(zhǔn)面精化模型，并且都取得了不錯(cuò)的效果[4]。目前，浙江省似大地水準(zhǔn)面精化模型建立工作已經(jīng)完成，并且實(shí)現(xiàn)了與ZJCORS技術(shù)的融合，即用戶可以通過ZJCORS技術(shù)在線獲得精化的正常高成果。

在常規(guī)水準(zhǔn)測(cè)量實(shí)踐中往往存在高程起算點(diǎn)沉降的問題，因此一般在測(cè)量時(shí)都會(huì)采用附合水準(zhǔn)路線聯(lián)測(cè)起算水準(zhǔn)點(diǎn)，以檢核起算水準(zhǔn)點(diǎn)是否存在沉降現(xiàn)象。但這種作業(yè)方式存在2個(gè)問題，一是用來聯(lián)測(cè)檢核的水準(zhǔn)點(diǎn)距離起算水準(zhǔn)點(diǎn)較遠(yuǎn)，客觀上增加了水準(zhǔn)測(cè)量外業(yè)的工作量；二是用來聯(lián)測(cè)檢核的水準(zhǔn)點(diǎn)存在沉降現(xiàn)象，當(dāng)檢核點(diǎn)與起算點(diǎn)存在一致性均勻沉降現(xiàn)象時(shí)，聯(lián)測(cè)結(jié)果無法對(duì)起算點(diǎn)做出是否穩(wěn)定的判斷。

本文結(jié)合浙江省沿海潮位站水準(zhǔn)聯(lián)測(cè)項(xiàng)目中遇到的高程基準(zhǔn)檢核問題，探討利用ZJCORS技術(shù)結(jié)合浙江省似大地水準(zhǔn)面精化模型進(jìn)行高程基準(zhǔn)檢核。

2 技術(shù)實(shí)現(xiàn)

2.1 技術(shù)融合

2016年開始，ZJCORS系統(tǒng)向用戶提供了通過浙江省似大地水準(zhǔn)面精化模型事后正常高轉(zhuǎn)換的服務(wù)，ZJCORS用戶將外業(yè)采集的CGCS2000大地坐標(biāo)數(shù)據(jù)輸入浙江省衛(wèi)星導(dǎo)航定位服務(wù)平臺(tái)，通過相應(yīng)轉(zhuǎn)換既可以得到高程為1985國(guó)家高程基準(zhǔn)(二期)的點(diǎn)位成果。ZJCROS技術(shù)與浙江省似大地水準(zhǔn)面精化模型的技術(shù)融合給外業(yè)測(cè)量工作帶來了較大的便利，標(biāo)志著浙江省似大地水準(zhǔn)面精化模型工程開始真正地服務(wù)于常規(guī)測(cè)繪生產(chǎn)。

2.2 精度與可靠性

浙江省似大地水準(zhǔn)面精化模型精化成果目前已經(jīng)投入生產(chǎn)使用，該項(xiàng)目由浙江省測(cè)繪局主導(dǎo)實(shí)施，由各個(gè)地市的似大地水準(zhǔn)面精化模型加入構(gòu)成。

寧波市于2011年完成似大地水準(zhǔn)面精化項(xiàng)目，在全市近萬平方千米范圍內(nèi)，建立了2′×2′高分辨率、±1.00 cm高精度的似大地水準(zhǔn)面精化模型，其模型外部正確性靜態(tài)檢測(cè)精度達(dá)到±1.50 cm，實(shí)用性動(dòng)態(tài)檢測(cè)精度達(dá)到±2.50 cm（平地及山地的綜合統(tǒng)計(jì)）。金華市和湖州市分別于2013年和2016年建立所屬區(qū)域內(nèi)厘米級(jí)的似大地水準(zhǔn)面精化模型。嘉興市于2012年完成其似大地水準(zhǔn)面精化模型，其內(nèi)符合精度達(dá)到±0.90 cm，模型同精度正確性靜態(tài)檢測(cè)外符合精度為±1.20 cm；實(shí)用性動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)RTK檢測(cè)高程與其水準(zhǔn)高程的較差平均值為-0. 80 cm，統(tǒng)計(jì)外符合精度為±0.22 cm。紹興市于2015年完成區(qū)域內(nèi)1.00 cm精度級(jí)的似大地水準(zhǔn)面精化模型。

上述似大地水準(zhǔn)面模型精化成果為利用ZJCORS技術(shù)進(jìn)行水準(zhǔn)高程檢核提供有效的精度保證。

3 運(yùn)用ZJCORS技術(shù)進(jìn)行高程基準(zhǔn)檢核

圖1 水準(zhǔn)路線示意圖

3.1 多點(diǎn)位、多時(shí)段、整體性比測(cè)分析

運(yùn)用ZJCORS技術(shù)進(jìn)行水準(zhǔn)基準(zhǔn)檢核的總體思路是在水準(zhǔn)點(diǎn)上采用基于ZJCORS的網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)進(jìn)行比測(cè)，將由RTK測(cè)量并且經(jīng)過似大地水準(zhǔn)面精化模型轉(zhuǎn)換得到的精化正常高與該點(diǎn)的水準(zhǔn)高進(jìn)行比較，由比較的差值來判定水準(zhǔn)測(cè)量的基準(zhǔn)是否存在粗差。由于基于ZJCORS的網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)在測(cè)量方式上屬于載波相位實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)相對(duì)定位的模式，其測(cè)量精度只能達(dá)到厘米級(jí)，因此只在一個(gè)水準(zhǔn)點(diǎn)上比測(cè)很難說明高程基準(zhǔn)存在粗差。

本文提出在整條水準(zhǔn)路線上采用多時(shí)段、多點(diǎn)位、整體性的比測(cè)方式，即從起算水準(zhǔn)點(diǎn)開始至待接測(cè)水準(zhǔn)點(diǎn)以及中間的間歇水準(zhǔn)點(diǎn)都采用ZJCORS技術(shù)進(jìn)行精化正常高的比測(cè)，并且每個(gè)點(diǎn)在水準(zhǔn)測(cè)量過程中進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，這樣就保證了這些點(diǎn)位是在不同的時(shí)間段進(jìn)行的比測(cè)，將其與對(duì)應(yīng)的水準(zhǔn)高進(jìn)行比較分析其基準(zhǔn)是否存在沉降。將比測(cè)結(jié)果與水準(zhǔn)成果的差值做統(tǒng)計(jì)分析，列出偏差的最小值、最大值以及平均值，將偏差值超過一定范圍的水準(zhǔn)路線認(rèn)為其高程基準(zhǔn)存在異常，對(duì)這些異常的起算水準(zhǔn)點(diǎn)采用其他的水準(zhǔn)控制點(diǎn)進(jìn)行聯(lián)測(cè)檢核，直至發(fā)現(xiàn)問題。圖1為一條支水準(zhǔn)路線示意圖，BM為起算點(diǎn)，BM1至BM4為線路上的間歇水準(zhǔn)點(diǎn)，BM5為待接測(cè)水準(zhǔn)點(diǎn)，在水準(zhǔn)施測(cè)過程中，分別對(duì)線路上每個(gè)點(diǎn)用ZJCORS采集其精化正常高程值。

3.2 技術(shù)路線

為了盡量提高比測(cè)點(diǎn)的測(cè)量精度，在利用ZJCORS進(jìn)行比測(cè)時(shí)采用RTK高程控制測(cè)量的方式進(jìn)行比測(cè)，具體要求為比測(cè)時(shí)采用三角架對(duì)中、整平，每次觀測(cè)歷元數(shù)不少于20，采樣間隔2 ～ 5 s，每個(gè)點(diǎn)位至少重復(fù)觀測(cè)3次，每次高程互差不大于4.00 cm，取各次平均值作為最終結(jié)果[5]。運(yùn)用ZJCORS技術(shù)進(jìn)行多點(diǎn)位、多時(shí)段、整體性高程基準(zhǔn)檢核的技術(shù)路線見圖2。

圖2 ZJCORS技術(shù)高程基準(zhǔn)檢核技術(shù)路線圖

4 實(shí)例分析

實(shí)例分析依托于浙江省沿海建設(shè)的16座簡(jiǎn)易自動(dòng)潮位站水準(zhǔn)聯(lián)測(cè)項(xiàng)目，需建設(shè)的16座潮位站分布在舟山、臺(tái)州、溫州3市，其中可以通過常規(guī)水準(zhǔn)接測(cè)的為13處，每座潮位站布設(shè)工作水準(zhǔn)點(diǎn)及主要水準(zhǔn)點(diǎn)各1座，采用三等水準(zhǔn)觀測(cè)要求接測(cè)1985國(guó)家高程基準(zhǔn)(二期)，由于待接測(cè)的水準(zhǔn)點(diǎn)都分散在沿海各處，相互構(gòu)成環(huán)線比較困難，因此在施測(cè)時(shí)將路線布設(shè)成13條相互獨(dú)立的支水準(zhǔn)路線，采用本文方法對(duì)每條水準(zhǔn)線路的高程基準(zhǔn)進(jìn)行比測(cè)檢核。

4.1 ZJCORS比測(cè)分析

將13條支水準(zhǔn)路線按照本文的方法做比測(cè)檢核，將每段由ZJCORS測(cè)得的精化正常高與水準(zhǔn)高的差值做統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果見表1。

表1 各段水準(zhǔn)高和ZJCORS精化正常高較差統(tǒng)計(jì)表 m

由表1可知各段水準(zhǔn)測(cè)量成果與ZJCORS比測(cè)成果的偏差絕對(duì)值都在10.00 cm之內(nèi)，總體上不存在較大的差異性。除玉環(huán)大麥嶼、玉環(huán)靈門及桃花島外的10段水準(zhǔn)高程與ZJCORS比測(cè)高程最大偏差絕對(duì)值不超過5.00 cm，平均偏差絕對(duì)值不超過3.00 cm，結(jié)合基于ZJCORS的網(wǎng)絡(luò)RTK高程控制測(cè)量精度及浙江省似大地水準(zhǔn)面模型轉(zhuǎn)換精度看，這些測(cè)段的高程基準(zhǔn)的可靠性和內(nèi)部一致性均較好，認(rèn)為這10個(gè)測(cè)段采用對(duì)應(yīng)的基準(zhǔn)成果作為起算數(shù)據(jù)是可行的；玉環(huán)大麥嶼、玉環(huán)靈門及桃花島3段的最大偏差絕對(duì)值均超過5.00 cm，分別達(dá)到7.40，7.40，5.90 cm，平均偏差值絕對(duì)值也接近或超過5.00 cm，結(jié)合本項(xiàng)目對(duì)高程基準(zhǔn)的使用要求，需要另外針對(duì)這3段水準(zhǔn)的起算控制點(diǎn)進(jìn)行聯(lián)測(cè)檢核。

4.2 水準(zhǔn)聯(lián)測(cè)分析

根據(jù)4.1中的比測(cè)結(jié)果，對(duì)桃花島、玉環(huán)大麥嶼、玉環(huán)靈門三測(cè)段的起算控制點(diǎn)與其他水準(zhǔn)控制點(diǎn)按照三等水準(zhǔn)附和路線方法進(jìn)行聯(lián)測(cè)檢核，結(jié)果見表2。

表2 控制點(diǎn)聯(lián)測(cè)結(jié)果表

由表2可知，玉環(huán)大麥嶼和桃花島2段水準(zhǔn)的起始控制點(diǎn)經(jīng)過水準(zhǔn)聯(lián)測(cè)得出的高差與實(shí)際成果之間的高差的差值僅為0.20 cm，由于這2段聯(lián)測(cè)的水準(zhǔn)點(diǎn)在空間上均相隔數(shù)公里，位于不同的區(qū)域環(huán)境中，存在毫米級(jí)同步均勻性沉降的可能性不大，故可以認(rèn)為這些水準(zhǔn)點(diǎn)都是穩(wěn)定的。另一方面從地理環(huán)境看，舟山桃花島和玉環(huán)大麥嶼分別屬于海島和山區(qū)，浙江省似大地水準(zhǔn)面精化模型精度在這些區(qū)域的擬合精度較平原地區(qū)低是可能的，ZJCORS精化正常高和水準(zhǔn)高程結(jié)果間的差異大于其他地區(qū)也是正常合理的。綜上分析，桃花島和玉環(huán)大麥嶼2段的水準(zhǔn)起算成果可以滿足使用。

對(duì)于玉環(huán)靈門的水準(zhǔn)聯(lián)測(cè)成果看，可以明顯發(fā)現(xiàn)Ⅰ坎門支8 - 2相對(duì)于Ⅰ坎門支7發(fā)生較大的沉降，查閱2個(gè)控制點(diǎn)的成果資料，將其在2003 — 2010年2次測(cè)量成果之間沉降量列于表3，可知Ⅰ坎門支8 - 2在2003 — 2010年共沉降了10.20 cm，而Ⅰ坎門支7同步期沉降量?jī)H為0.10 cm，所以在2003 — 2010年Ⅰ坎門支7較Ⅰ坎門支8 - 2穩(wěn)定。最后將玉環(huán)靈門的觀測(cè)成果歸算到Ⅰ坎門支7的基準(zhǔn)上，將最終水準(zhǔn)成果與ZJCORS比測(cè)成果的差值列于表4中。

表3 Ⅰ坎門支7與Ⅰ坎門支8-2歷史資料沉降量表

表4 以Ⅰ坎門支7為基準(zhǔn)水準(zhǔn)高與ZJCORS比測(cè)差值表 m

由表4可以看出，以Ⅰ坎門支7作為玉環(huán)靈門的起算基準(zhǔn)在整體上都與ZJCORS比測(cè)結(jié)果相當(dāng)符合，說明Ⅰ坎門支7點(diǎn)位成果可靠，同時(shí)也說明Ⅰ坎門支8 - 2自2010年復(fù)測(cè)至2016年至少又發(fā)生5.00 cm以上的沉降，所以最終采用Ⅰ坎門支7代替Ⅰ坎門支8 - 2作為玉環(huán)靈門的起算基準(zhǔn)水準(zhǔn)點(diǎn)。

5 結(jié) 語

本文結(jié)合生產(chǎn)實(shí)踐項(xiàng)目利用ZJCORS技術(shù)與浙江省似大地水準(zhǔn)面精化模型相結(jié)合的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，將其應(yīng)用到水準(zhǔn)測(cè)量高程基準(zhǔn)檢核中，取得了預(yù)期結(jié)果。

（1）浙江省似大地水準(zhǔn)面精化模型在浙江沿海平原大部分地區(qū)的精度優(yōu)于5.00 cm，因此對(duì)上述地區(qū)水準(zhǔn)點(diǎn)的穩(wěn)定性起到輔助檢核作用，一定程度上可以簡(jiǎn)化水準(zhǔn)測(cè)量的外業(yè)工作量，利用ZJCORS技術(shù)結(jié)合浙江省似大地水準(zhǔn)面精化模型的水準(zhǔn)基準(zhǔn)檢核方法具有一定的應(yīng)用前景。

（2）ZJCORS技術(shù)與浙江省似大地水準(zhǔn)面精化模型的結(jié)合極大地方便了測(cè)繪外業(yè)生產(chǎn)，解放測(cè)繪生產(chǎn)力，能夠在浙江省內(nèi)達(dá)到厘米級(jí)的精度，完全可以應(yīng)用于數(shù)字測(cè)圖、圖根控制測(cè)量等領(lǐng)域，同時(shí)能夠取代低等級(jí)的水準(zhǔn)測(cè)量。

（3）在山區(qū)或者海島等地形變化復(fù)雜或偏遠(yuǎn)的區(qū)域，浙江省似大地水準(zhǔn)面精化模型精度低于平原地區(qū)，因此需根據(jù)實(shí)際情況選擇相應(yīng)的技術(shù)手段。