基于似大地水準(zhǔn)面精化的山區(qū)基礎(chǔ)控制網(wǎng)建設(shè)

覃允森

廣西壯族自治區(qū)地理信息測(cè)繪院 廣西 柳州 545006

引言

近年來，廣西測(cè)繪主管部門相繼建成了全區(qū)衛(wèi)星大地控制網(wǎng)，包括A、B、C級(jí)GNSS控制網(wǎng)和連續(xù)運(yùn)行參考站系統(tǒng)（GXCORS），完成了全區(qū)三、四等高程控制網(wǎng)的復(fù)測(cè)與改造，廣西似大地水準(zhǔn)面精化模型一、二期建設(shè)，其中1985國(guó)家高程基準(zhǔn)下的二期成果2′×2′格網(wǎng)似大地水準(zhǔn)面精度達(dá)到±0.033m[1]。隨著北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的建成，啟動(dòng)了廣西北斗高精度基準(zhǔn)站網(wǎng)建設(shè)。這些工作的完成極大地提高了基礎(chǔ)測(cè)繪的保障能力。但由于C級(jí)GNSS控制網(wǎng)的點(diǎn)間距離較大，水準(zhǔn)路線密度也不夠，在某山區(qū)縣更少，不能充分滿足該縣的測(cè)繪需求，為此，該縣決定建立高精度空間三維基礎(chǔ)控制網(wǎng)，作為自治區(qū)級(jí)基礎(chǔ)控制網(wǎng)的補(bǔ)充，完善本地測(cè)繪基準(zhǔn)。

1 方案設(shè)計(jì)

當(dāng)前，平面控制大都采用GNSS測(cè)量技術(shù)，高程則根據(jù)實(shí)際情況三等精度及以上采用幾何水準(zhǔn)測(cè)量，四等或以下精度采用幾何水準(zhǔn)測(cè)量或電磁波測(cè)距高程導(dǎo)線，也可采用GNSS高程測(cè)量方式[2]。

某縣境內(nèi)大部分是山地，海拔落差較大，最大達(dá)1500余米，地形復(fù)雜，交通不便，控制點(diǎn)高程如全部采用常規(guī)水準(zhǔn)測(cè)量工作量很大，因此本項(xiàng)目采用靜態(tài)衛(wèi)星定位測(cè)量技術(shù)測(cè)量各點(diǎn)坐標(biāo)和大地高，少部分控制點(diǎn)采用電磁波測(cè)距高程導(dǎo)線，其余點(diǎn)采用似大地水準(zhǔn)面精化技術(shù)獲取正常高。

1.1 控制網(wǎng)點(diǎn)位

控制網(wǎng)按D級(jí)GNSS精度要求布設(shè)，由100個(gè)D級(jí)GNSS控制點(diǎn)組成，聯(lián)測(cè)7個(gè)C級(jí)GNSS控制點(diǎn)作為起算點(diǎn)，控制面積約2500km，平均邊長(zhǎng)約5km。

1.2 GNSS控制網(wǎng)技術(shù)設(shè)計(jì)

GNSS觀測(cè)采用靜態(tài)同步模式，觀測(cè)參數(shù)如下：

衛(wèi)星高度角≥15°；

歷元間隔15s；

PDOP值小于6.0；

觀測(cè)衛(wèi)星數(shù)4個(gè)以上；

觀測(cè)時(shí)段數(shù)≥1.6；

時(shí)段長(zhǎng)度90分鐘以上；

1.3 高程測(cè)量技術(shù)設(shè)計(jì)

為便于長(zhǎng)期保存和使用，D級(jí)控制點(diǎn)大部分選在學(xué)校教學(xué)樓、政府辦公樓樓頂?shù)纫曇伴_闊之處，幾何水準(zhǔn)難以施測(cè)，故采用電磁波測(cè)距高程導(dǎo)線代替四等幾何水準(zhǔn)施測(cè)北面11個(gè)控制點(diǎn)，其余89個(gè)控制點(diǎn)采用似大地水準(zhǔn)面精化來獲取正常高[3]。

四等水準(zhǔn)測(cè)量各項(xiàng)精度指標(biāo)要求如表1所示：

表1 四等水準(zhǔn)測(cè)量各項(xiàng)精度指標(biāo)要求

2 GNSS測(cè)量

使用7臺(tái)以上雙頻接收機(jī)設(shè)站觀測(cè)387站，平均每點(diǎn)設(shè)站3.6次。GNSS控制網(wǎng)示意圖如圖1。平均邊長(zhǎng)5.8km，最長(zhǎng)11.3km，最短2.9km。

圖1 GNSS控制網(wǎng)示意圖

2.1 GNSS基線處理

采用南方GNSS數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行基線解算，基線向量采用雙差固定解，要求方差比大于3，中誤差小于0.04m。通過同步環(huán)和異步環(huán)閉合差、復(fù)測(cè)基線長(zhǎng)度較差檢核基線處理的精度[4]。

同步環(huán)閉合差共174個(gè)，分量閉合差最大為-4.2mm，其限差為±4.4mm；總量閉合差最大為6.5mm，其限差為±7.6mm。

異步環(huán)閉合差共737個(gè)，分量閉合差最大為72.5mm，相應(yīng)限差為±86mm，總量閉合差最大為90mm，相應(yīng)限差為±110mm。

重復(fù)基線共150條，最大較差40.90mm，基線長(zhǎng)為8843.3米，重復(fù)基線差限差為±52mm。

同步環(huán)、異步環(huán)、重復(fù)基線差等各項(xiàng)精度指標(biāo)均小于限差。

2.2 三維無約束平差

基線經(jīng)查合格后即組網(wǎng)進(jìn)行三維無約束平差，平差結(jié)果可判別網(wǎng)中是否有粗差基線，調(diào)整各基線向量觀測(cè)值的權(quán)，使其相互匹配。三維無約束平差在WGS84坐標(biāo)系下進(jìn)行，平差結(jié)果通過基線向量改正數(shù)、點(diǎn)位中誤差、邊長(zhǎng)中誤差等指標(biāo)來評(píng)定精度。

平差后全網(wǎng)共有基線478條，其中150條重復(fù)基線，最長(zhǎng)邊11270m，最短邊2917m，平均邊長(zhǎng)5820m?；€向量改正數(shù)最大的39mm，基線長(zhǎng)8843m，限差±55mm。平差后點(diǎn)位中誤差最大20mm，最小6mm，相對(duì)邊長(zhǎng)中誤差最大1∶109698，最小1∶799236。

2.3 三維約束平差

三維約束平差在2000國(guó)家大地坐標(biāo)系下進(jìn)行，獲取各控制點(diǎn)2000國(guó)家大地坐標(biāo)系下的坐標(biāo)和大地高，其中經(jīng)緯度和大地高提供似大地水準(zhǔn)面精化計(jì)算使用。

平差后基線向量改正數(shù)最大的是-45mm，基線長(zhǎng)7771m，限差±49mm；點(diǎn)位中誤差最大15mm，最小5mm；相對(duì)邊長(zhǎng)中誤差最大1∶108215，最小1∶786797。三維約束平差改正數(shù)與三維無約束平差同名基線改正數(shù)較差最大28mm，基線長(zhǎng)8213m，限差±34mm。三維約束平差設(shè)置了1個(gè)檢查點(diǎn)，平差坐標(biāo)與已知坐標(biāo)X方向相差17mm，Y方向相差31mm，大地高相差32mm，平面相差48mm。

2.4 二維約束平差

當(dāng)前某縣已全面啟用2000國(guó)家大地坐標(biāo)系，但為了與已有成果銜接，以便能充分利用已有圖件、數(shù)據(jù)等成果，因此本項(xiàng)目仍計(jì)算一套1980西安坐標(biāo)系成果[5]。

二維約束平差后，點(diǎn)位中誤差最大7mm，最小1mm；邊長(zhǎng)相對(duì)中誤差最大1∶522994，最小1∶2593354?；€向量改正數(shù)與三維無約束平差同名基線改正數(shù)的較差絕對(duì)值最大28mm，限差±31mm。二維約束平差設(shè)置了2個(gè)檢查點(diǎn)，平差坐標(biāo)與已知坐標(biāo)X方向相差43mm，Y方向相差24mm，各項(xiàng)指標(biāo)均符合要求。

3 高程測(cè)量

經(jīng)實(shí)地核實(shí)查找，某縣境內(nèi)三等以上水準(zhǔn)路線只分布于縣境北面少部分區(qū)域，中部和南部均沒有三等以上水準(zhǔn)點(diǎn)，且是大山區(qū)，交通不便，地勢(shì)起伏很大，加之控制點(diǎn)大部分布設(shè)于建筑物頂部，無法使用傳統(tǒng)的幾何水準(zhǔn)施測(cè)。為此，采用電磁波測(cè)距高程導(dǎo)線聯(lián)測(cè)北部11個(gè)控制點(diǎn)，其余大部分控制點(diǎn)利用廣西似大地水準(zhǔn)面精化成果獲取其正常高。

3.1 電磁波測(cè)距高程導(dǎo)線

使用高精度全站儀采用每點(diǎn)設(shè)站的方法進(jìn)行觀測(cè)，垂直角按中絲法觀測(cè)4個(gè)測(cè)回，測(cè)回間較差和指標(biāo)差均不大于5s，垂直角測(cè)角精度為1s，采用對(duì)向觀測(cè)，視線長(zhǎng)度最長(zhǎng)705m。斜距觀測(cè)兩個(gè)測(cè)回，每測(cè)回測(cè)距4次，各次讀數(shù)互差小于10mm，并量取測(cè)站氣溫、氣壓對(duì)斜距計(jì)算氣象改正。按照《國(guó)家三、四等水準(zhǔn)測(cè)量規(guī)范》要求制作外業(yè)觀測(cè)手簿并計(jì)算各點(diǎn)的概略高差。采用武漢大學(xué)開發(fā)的科傻系統(tǒng)進(jìn)行平差計(jì)算。平差后控制點(diǎn)高程中誤差最大16.49mm。符合要求。

3.2 高程值的確定與檢核

GNSS測(cè)量得到的是WGS84坐標(biāo)系下的大地高，我們國(guó)家使用的是正常高，也即1985國(guó)家高程基準(zhǔn)，大地高與正常高之間的聯(lián)系是高程異常。若建立了區(qū)域似大地水準(zhǔn)面精化模型，則可由控制點(diǎn)的GNSS大地高與該點(diǎn)的高程異常進(jìn)行求差，即可得到該點(diǎn)的正常高。故可把其余89個(gè)控制點(diǎn)采用D級(jí)GNSS測(cè)量得到的經(jīng)緯度和大地高，提供給自然資源廳信息中心利用似大地水準(zhǔn)面精化成果解算出正常高。為了檢核似大地水準(zhǔn)面精化成果的精度，電磁波測(cè)距高程導(dǎo)線施測(cè)的11個(gè)點(diǎn)也一并提供給信息中心計(jì)算正常高，并與高程導(dǎo)線平差結(jié)果進(jìn)行對(duì)比檢查，檢查結(jié)果兩者高程最大相差20mm，說明結(jié)果精度是符合要求的。

4 結(jié)束語(yǔ)

某山區(qū)縣D級(jí)GNSS控制網(wǎng)采用GNSS靜態(tài)定位模式，四等電磁波測(cè)距高程導(dǎo)線測(cè)量少量GNSS點(diǎn)高程的基礎(chǔ)上，利用似大地水準(zhǔn)面精化成果獲得其余各點(diǎn)的高程值，既節(jié)省經(jīng)費(fèi)又縮短外業(yè)工期，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，高程精度也得到保證。