清遠(yuǎn)市現(xiàn)代測(cè)繪基準(zhǔn)體系建設(shè)與應(yīng)用

趙保睿 ,鐘 靜*，韋 姍，黃 穎，嚴(yán) 飄，杜 洋

（1.湖北地信科技集團(tuán)股份有限公司，湖北 武漢 430074；2.清遠(yuǎn)市自然資源局不動(dòng)產(chǎn)登記中心，廣東 清遠(yuǎn) 511500）

測(cè)繪基準(zhǔn)主要包括大地基準(zhǔn)、高程基準(zhǔn)和重力基準(zhǔn)，是進(jìn)行各種測(cè)量工作的起算數(shù)據(jù)和起算面，更是確定地理空間信息幾何與物理特征和時(shí)空分布的基礎(chǔ)，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)、社會(huì)發(fā)展、國(guó)家安全及信息化建設(shè)等方面發(fā)揮了重要作用[1]。2000 國(guó)家大地坐標(biāo)系是我國(guó)自主建立、適應(yīng)現(xiàn)代空間技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)的地心坐標(biāo)系，2008年7月正式發(fā)布使用。2012年我國(guó)啟動(dòng)現(xiàn)代測(cè)繪基準(zhǔn)體系基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)工程，2017年5月通過(guò)驗(yàn)收，其建設(shè)成果陸續(xù)在國(guó)家、省級(jí)基準(zhǔn)服務(wù)以及行業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。現(xiàn)代測(cè)繪基準(zhǔn)體系對(duì)于提高我國(guó)乃至地方測(cè)繪地理信息保障服務(wù)能力，滿足經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展需求等具有重要意義[2]。

1 歷史基準(zhǔn)概況

廣東省連續(xù)運(yùn)行衛(wèi)星定位服務(wù)系統(tǒng)（GDCORS）于2006 年正式運(yùn)行，并于2008 年完成二期建設(shè)及局部加密，清遠(yuǎn)市內(nèi)設(shè)有6 座基準(zhǔn)站。清遠(yuǎn)市及周邊的省級(jí)GPS控制網(wǎng)成果為上世紀(jì)九十年代起布設(shè)的連韶GPS-C 級(jí)控制網(wǎng)，控制點(diǎn)保存完好共79個(gè)。其中，GPS-B 級(jí)點(diǎn)8個(gè)，GPS-C 級(jí)點(diǎn)71個(gè)。清遠(yuǎn)市清城區(qū)、連州市分別于2006 年、2013 年建立了單獨(dú)的基礎(chǔ)控制網(wǎng)，坐標(biāo)系統(tǒng)采用1980年西安坐標(biāo)系，高程基準(zhǔn)采用1985國(guó)家高程基準(zhǔn)，但是歷經(jīng)數(shù)年之久，市域內(nèi)許多控制點(diǎn)已經(jīng)被破壞，急需完善和補(bǔ)測(cè)。

清遠(yuǎn)市歷史坐標(biāo)系基準(zhǔn)現(xiàn)勢(shì)性差，測(cè)繪基準(zhǔn)不統(tǒng)一，歷史測(cè)繪成果均基于1954年北京坐標(biāo)系或1980年西安坐標(biāo)系，高程系統(tǒng)是1985國(guó)家高程基準(zhǔn)。2008年7 月1 日起我國(guó)正式啟用2000 國(guó)家大地坐標(biāo)系，并于2018年全面完成其轉(zhuǎn)換工作[3]。2018年7月1日起，廣東省國(guó)土資源系統(tǒng)空間數(shù)據(jù)全面采用2000國(guó)家大地坐標(biāo)系，要求在2018年6月30日前完成省、市、縣三級(jí)國(guó)土資源主管部門(mén)所屬存量數(shù)據(jù)向2000國(guó)家大地坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換工作，各級(jí)國(guó)土資源主管部門(mén)之間的數(shù)據(jù)上傳、下發(fā)等全面采用2000 國(guó)家大地坐標(biāo)系[4]。隨著城鄉(xiāng)一體化進(jìn)程和城市信息化建設(shè)的加快，2000國(guó)家大地坐標(biāo)系問(wèn)題已成為制約清遠(yuǎn)市可持續(xù)發(fā)展的瓶頸問(wèn)題。因此，為全面完成國(guó)家和省下達(dá)的建設(shè)、統(tǒng)一現(xiàn)代測(cè)繪基準(zhǔn)的任務(wù)，為清遠(yuǎn)市經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展保駕護(hù)航，建設(shè)清遠(yuǎn)市現(xiàn)代測(cè)繪基準(zhǔn)刻不容緩。

2 現(xiàn)代測(cè)繪基準(zhǔn)總體建設(shè)思路

根據(jù)清遠(yuǎn)市境內(nèi)以及周邊縣市區(qū)已有GDCORS，新建設(shè)9 座衛(wèi)星導(dǎo)航定位基準(zhǔn)站且并入GDCORS 進(jìn)一步提升區(qū)域內(nèi)實(shí)時(shí)高精度定位的準(zhǔn)確性和可靠性。布設(shè)覆蓋全市域范圍的框架網(wǎng)（GPS-B 級(jí)網(wǎng)）、基本網(wǎng)（GPS-C 級(jí)網(wǎng)）。完成全市二等水準(zhǔn)網(wǎng)的建設(shè)和聯(lián)測(cè)。綜合利用GNSS/水準(zhǔn)數(shù)據(jù)、重力數(shù)據(jù)、數(shù)字高程模型等資料，完成與國(guó)家高程基準(zhǔn)一致的似大地水準(zhǔn)面計(jì)算；利用已建立的平面控制網(wǎng)，通過(guò)建立轉(zhuǎn)換模型及參數(shù)計(jì)算，研發(fā)數(shù)據(jù)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換服務(wù)軟件，完成數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。清遠(yuǎn)市現(xiàn)代測(cè)繪基準(zhǔn)體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 清遠(yuǎn)市現(xiàn)代測(cè)繪基準(zhǔn)框架建設(shè)體系結(jié)構(gòu)

3 現(xiàn)代測(cè)繪基準(zhǔn)建設(shè)內(nèi)容

3.1 衛(wèi)星導(dǎo)航定位基準(zhǔn)站建設(shè)

在市內(nèi)現(xiàn)有的GDCORS 基準(zhǔn)站基礎(chǔ)上，新增9座衛(wèi)星導(dǎo)航定位基準(zhǔn)站，構(gòu)成清遠(yuǎn)市動(dòng)態(tài)空間參考框架基礎(chǔ)設(shè)施，站間距約30～60 km，平均站間距約45 km，通過(guò)新增基準(zhǔn)站的建設(shè)能顯著提升實(shí)時(shí)定位服務(wù)能力。基準(zhǔn)站建成并接入GDCORS 后，進(jìn)行了數(shù)據(jù)測(cè)試與試運(yùn)行。通過(guò)對(duì)9個(gè)基準(zhǔn)站同時(shí)段觀測(cè)數(shù)據(jù)，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)接入測(cè)試、基準(zhǔn)站觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量分析、基準(zhǔn)站接入GDCORS 網(wǎng)進(jìn)行運(yùn)行測(cè)試，上述9個(gè)基準(zhǔn)站網(wǎng)絡(luò)通信穩(wěn)定，觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量良好，設(shè)備性能穩(wěn)定，關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)符合基準(zhǔn)站建設(shè)相關(guān)規(guī)范。

3.2 控制網(wǎng)布設(shè)

3.2.1 平面控制網(wǎng)建設(shè)

平面控制網(wǎng)建設(shè)分為框架網(wǎng)（GPS-B級(jí)網(wǎng)）、基本網(wǎng)（GPS-C 級(jí)網(wǎng)）、框架網(wǎng)。以清遠(yuǎn)市內(nèi)及周邊14個(gè)GDCORS基準(zhǔn)站作為起算點(diǎn)，新布設(shè)20個(gè)框架網(wǎng)點(diǎn)，作為本次平面基準(zhǔn)框架網(wǎng)點(diǎn)，與GDCORS聯(lián)測(cè)統(tǒng)一平差，獲取成果作為基本網(wǎng)的起算點(diǎn)?？蚣芫W(wǎng)點(diǎn)建設(shè)按GPS-B級(jí)網(wǎng)要求執(zhí)行?？蚣芫W(wǎng)采用三天三夜連續(xù)觀測(cè)的方式，共觀測(cè)2個(gè)同步環(huán)。基線解算使用GAMIT 軟件，平差使用GLOBK軟件。

以上述20個(gè)框架點(diǎn)作為基本網(wǎng)的起算點(diǎn)，考慮盡可能覆蓋整個(gè)清遠(yuǎn)市，在充分利用已有30個(gè)地方控制點(diǎn)的基礎(chǔ)上，新布設(shè)110個(gè)控制點(diǎn)作為基本網(wǎng)點(diǎn)（同時(shí)結(jié)合似大地水準(zhǔn)面精化要求，將25個(gè)二等水準(zhǔn)點(diǎn)一并納入基本網(wǎng)進(jìn)行聯(lián)測(cè)，統(tǒng)一平差）。基本網(wǎng)點(diǎn)建設(shè)按GPS-C級(jí)網(wǎng)要求執(zhí)行。基本網(wǎng)采用一天一夜連續(xù)不少于23 h的觀測(cè)方式，共觀測(cè)22個(gè)同步環(huán)?；€解算使用GAMIT軟件，平差使用GLOBK軟件。

通過(guò)以上工作，清遠(yuǎn)市約20 000 km2的區(qū)域，實(shí)現(xiàn)了以CORS基站網(wǎng)（A級(jí)）為起算基準(zhǔn)，框架網(wǎng)（B級(jí)）為骨干，基本網(wǎng)（C 級(jí)）為加密的全域基礎(chǔ)控制網(wǎng)絡(luò)，建立了完善的、統(tǒng)一的大地基準(zhǔn)，達(dá)到了整體設(shè)計(jì)、分級(jí)布網(wǎng)、逐級(jí)控制的效果。各級(jí)控制網(wǎng)的各項(xiàng)精度均優(yōu)于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的對(duì)應(yīng)指標(biāo)。

3.2.2 高程控制網(wǎng)建設(shè)

高程控制網(wǎng)共聯(lián)測(cè)291個(gè)控制點(diǎn)。其中聯(lián)測(cè)新埋設(shè)二等水準(zhǔn)點(diǎn)121個(gè)、框架網(wǎng)點(diǎn)20個(gè)、基本網(wǎng)點(diǎn)76個(gè)，聯(lián)測(cè)地方已有GPS 點(diǎn)23個(gè)、國(guó)家一等水準(zhǔn)點(diǎn)15個(gè)（其中4個(gè)為起算點(diǎn)），已有舊水準(zhǔn)點(diǎn)36個(gè)，共同組成覆蓋清遠(yuǎn)市全域的高程控制網(wǎng)。

控制網(wǎng)以在清遠(yuǎn)市境內(nèi)和周邊地區(qū)的4個(gè)一等水準(zhǔn)點(diǎn)為起算數(shù)據(jù)，二等水準(zhǔn)路線往返觀測(cè)總長(zhǎng)度約5 945 km。共計(jì)38 條水準(zhǔn)路線，751個(gè)測(cè)段，組成13個(gè)閉合環(huán)、6 條附合路線。采用武漢大學(xué)科傻地面控制測(cè)量數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)(CODAPS)進(jìn)行嚴(yán)密平差，各項(xiàng)平差精度均達(dá)到了國(guó)家二等水準(zhǔn)測(cè)量技術(shù)規(guī)范要求。

3.3 似大地水準(zhǔn)面精化模型建立

本項(xiàng)目似大地水準(zhǔn)面精化模型建立使用的數(shù)據(jù)及模型為：新建設(shè)的清遠(yuǎn)市平面控制基本網(wǎng)作為大地基準(zhǔn)，新建設(shè)的清遠(yuǎn)市二等水準(zhǔn)高程控制網(wǎng)作為高程基準(zhǔn)，廣東省最新的5 m 格網(wǎng)DEM 用于地形改正計(jì)算，使用EGM2008模型作為計(jì)算所用重力場(chǎng)模型。收集清遠(yuǎn)市及周邊范圍內(nèi)已有重力點(diǎn)數(shù)據(jù)，經(jīng)試算并剔除粗差后，使用剩余的6 952個(gè)重力點(diǎn)數(shù)據(jù)用于重力水準(zhǔn)面計(jì)算；使用均勻分布于整個(gè)清遠(yuǎn)市范圍的143個(gè)控制點(diǎn)（其中框架網(wǎng)點(diǎn)20個(gè)，基本網(wǎng)點(diǎn)98個(gè)，水準(zhǔn)點(diǎn)25個(gè)）作為高程異?？刂泣c(diǎn)。

在以上數(shù)據(jù)和模型的基礎(chǔ)上，構(gòu)建重力似大地水準(zhǔn)面和GPS 水準(zhǔn)似大地水準(zhǔn)面，然后將兩者進(jìn)行擬合。分別進(jìn)行精度統(tǒng)計(jì)，挑選精度最好的結(jié)果，作為本項(xiàng)目最終似大地水準(zhǔn)面成果。通過(guò)統(tǒng)計(jì)可知采用二次多項(xiàng)式、三次多項(xiàng)式、多面函數(shù)3 種算法的計(jì)算結(jié)果精度并無(wú)顯著區(qū)別，三次多項(xiàng)式的統(tǒng)計(jì)結(jié)果相對(duì)最好，3 種擬合算法外符合精度分布圖如圖2所示。

圖2 多種算法擬合結(jié)果檢驗(yàn)點(diǎn)外符合精度統(tǒng)計(jì)

基于上述結(jié)果，結(jié)合精度、模型合理性等因素，確定采用三次多項(xiàng)式進(jìn)行擬合的30″分辨率似大地水準(zhǔn)面成果，作為本項(xiàng)目最終似大地水準(zhǔn)面模型。最終確定可應(yīng)用的新一代清遠(yuǎn)市似大地水準(zhǔn)面模型，緯度范圍為23°25′～25°13′，經(jīng)度范圍為111°54′～113°57′，格網(wǎng)分辨率為30″×30″，模型精度為0.012 m。似大地水準(zhǔn)面模型如圖3所示。

圖3 30″×30″似大地水準(zhǔn)面模型等值線圖/m

3.4 確定區(qū)域坐標(biāo)轉(zhuǎn)換關(guān)系

清遠(yuǎn)市各縣市區(qū)常用國(guó)土資源數(shù)據(jù)均為1980 西安坐標(biāo)系（分為全省舊分區(qū)1980 西安坐標(biāo)系和全省統(tǒng)一新1980 西安坐標(biāo)系）。清遠(yuǎn)市全域參數(shù)，分別求解了原有全省舊分區(qū)1980 西安坐標(biāo)系與CGCS2000 的轉(zhuǎn)換參數(shù)，以及全省統(tǒng)一新1980 西安坐標(biāo)系與CGCS2000 的轉(zhuǎn)換參數(shù)。并分別采用二維四參數(shù)模型和二維七參數(shù)模型計(jì)算，共4 套參數(shù)。在對(duì)舊1980西安坐標(biāo)系與CGCS2000、新1980 西安坐標(biāo)系與CGCS2000 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換時(shí)，針對(duì)重合點(diǎn)分別采用二維四參數(shù)模型、二維七參數(shù)模型進(jìn)行試算分析。在選用不同模型進(jìn)行計(jì)算時(shí)，采用控制變量方式進(jìn)行分析不同模型的精度情況，其轉(zhuǎn)換參數(shù)精度情況見(jiàn)表1。

表1 新舊西安1980與CGCS2000轉(zhuǎn)換參數(shù)精度比較統(tǒng)計(jì)/m

由表1 可知，二維七參數(shù)模型精度具有較高的精度，內(nèi)外符合精度分別為0.019 2 m、0.019 5 m。因此本項(xiàng)目在進(jìn)行舊1980 西安坐標(biāo)系與CGCS2000、新1980 西安坐標(biāo)系與CGCS2000 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換時(shí)均建議采用二維七參數(shù)模型。以轉(zhuǎn)換參數(shù)為基礎(chǔ)，研制了清遠(yuǎn)市坐標(biāo)轉(zhuǎn)換軟件，并完成了清遠(yuǎn)市及各縣市區(qū)的國(guó)土資源數(shù)據(jù)向2000國(guó)家大地坐標(biāo)系成果的轉(zhuǎn)換。

4 現(xiàn)代測(cè)繪基準(zhǔn)成果應(yīng)用

項(xiàng)目建設(shè)成果于2020年1月正式交付使用。本次項(xiàng)目新建設(shè)的9 座基準(zhǔn)站并入GDCORS 后，基準(zhǔn)站總量達(dá)到了15 座，區(qū)域內(nèi)GPS 網(wǎng)絡(luò)RTK 信號(hào)的覆蓋程度、穩(wěn)定性得到了明顯改善，極大地提高了清遠(yuǎn)地區(qū)各項(xiàng)測(cè)繪地理信息數(shù)據(jù)采集工作的坐標(biāo)觀測(cè)效果。建成各等級(jí)控制點(diǎn)共280個(gè)，其中GPS-B 級(jí)點(diǎn)20個(gè)、GPS-C 級(jí)點(diǎn)110個(gè)、GPS-D 級(jí)點(diǎn)29個(gè)、二等水準(zhǔn)點(diǎn)121個(gè)，共同構(gòu)成清遠(yuǎn)市的平面控制網(wǎng)基準(zhǔn)，各級(jí)基礎(chǔ)控制點(diǎn)維護(hù)良好，為全市提供了統(tǒng)一的坐標(biāo)起算基準(zhǔn)。清遠(yuǎn)市原有的似大地水準(zhǔn)面精化模型為廣東省統(tǒng)一提供的似大地水準(zhǔn)面精化模型，模型精度約為3 cm，本次項(xiàng)目完成覆蓋全域的似大地水準(zhǔn)面精化模型，精化精度達(dá)到1.2 cm，有效地提高了區(qū)域高程精度，為地方建設(shè)提供更加精準(zhǔn)可靠的高程數(shù)據(jù)。為全域提供了統(tǒng)一的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)和轉(zhuǎn)換軟件，并為各區(qū)縣單獨(dú)提供了各自區(qū)域的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換軟件，累計(jì)完成清遠(yuǎn)市及各縣市區(qū)的國(guó)土資源數(shù)據(jù)向2000 國(guó)家大地坐標(biāo)系成果的轉(zhuǎn)換1 354.57 GB，為地方測(cè)繪企事業(yè)單位的數(shù)據(jù)融合共享提供了便利，標(biāo)志著清遠(yuǎn)市開(kāi)始全面啟用2000 國(guó)家大地坐標(biāo)系。

項(xiàng)目建設(shè)成果將清遠(yuǎn)市城市建設(shè)和開(kāi)發(fā)納入了一個(gè)統(tǒng)一的時(shí)空基準(zhǔn)，為各項(xiàng)建設(shè)工程和城市管理工作提供了定位支持和基準(zhǔn)保障，極大提高了地方測(cè)繪技術(shù)服務(wù)水平和作業(yè)效率，為清遠(yuǎn)市的基礎(chǔ)測(cè)繪、數(shù)字中國(guó)地理空間基礎(chǔ)框架、區(qū)域沉降監(jiān)測(cè)、環(huán)境預(yù)報(bào)與防災(zāi)減災(zāi)、國(guó)防建設(shè)、海洋科學(xué)、氣象預(yù)報(bào)、地學(xué)研究、交通、水利、電力等多學(xué)科研究與應(yīng)用提供必要的測(cè)繪服務(wù)，具有重大的科學(xué)意義。項(xiàng)目成果的應(yīng)用避免了重復(fù)投資、節(jié)約了財(cái)政資金，取得了良好的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益，推動(dòng)了清遠(yuǎn)市測(cè)繪基準(zhǔn)建設(shè)、維持于服務(wù)模式的現(xiàn)代化進(jìn)程，促進(jìn)了我國(guó)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)和2000國(guó)家大地坐標(biāo)系的推廣與應(yīng)用，凸顯了我國(guó)測(cè)繪科技的跨越式進(jìn)步[5]。

5 結(jié)語(yǔ)

本文結(jié)合了清遠(yuǎn)市的實(shí)際情況，構(gòu)建了統(tǒng)一的市域全覆蓋的現(xiàn)代測(cè)繪基準(zhǔn)體系，實(shí)現(xiàn)了清遠(yuǎn)市現(xiàn)代測(cè)繪基準(zhǔn)維持和服務(wù)能力，提升了地方大地基準(zhǔn)、高程基準(zhǔn)和重力基準(zhǔn)的現(xiàn)實(shí)性、完整性，改變傳統(tǒng)繁重的測(cè)繪作業(yè)模式，測(cè)繪基準(zhǔn)保障服務(wù)能力實(shí)現(xiàn)了歷史性的飛躍。為適應(yīng)國(guó)家、廣東省政策和發(fā)展需求，更好地服務(wù)于城市發(fā)展和民生，在“十四五”期間，還需繼續(xù)健全和完善現(xiàn)代化測(cè)繪基準(zhǔn)框架和地理空間框架，提升測(cè)繪基準(zhǔn)服務(wù)與保障能力，積極開(kāi)展和探索新型基礎(chǔ)測(cè)繪保障體系，助力“智慧清遠(yuǎn)”建設(shè)[6]，深化推廣社會(huì)化服務(wù)。