太原市現(xiàn)代測繪基準(zhǔn)的建立方法與實現(xiàn)

李 峰

(山西省工程測繪院,山西太原 030002)

太原市現(xiàn)代測繪基準(zhǔn)的建立方法與實現(xiàn)

李 峰

(山西省工程測繪院,山西太原 030002)

介紹太原市現(xiàn)代測繪基準(zhǔn)的建立方案和實施過程,內(nèi)容包括 GPS C級點建設(shè),二、三等水準(zhǔn)測量,大地水準(zhǔn)面精化,TYCORS系統(tǒng)建設(shè)和太原市 2008城市獨立坐標(biāo)系的建立及應(yīng)用等。

測繪基準(zhǔn);水準(zhǔn)面精化;CORS系統(tǒng);獨立坐標(biāo)系

一、引 言

測繪基準(zhǔn)是人類定義的能夠描述地球自然、人文信息地理空間特征的參照系統(tǒng)。現(xiàn)代測繪基準(zhǔn)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)是構(gòu)建高精度、三維、地心、動態(tài)的,能滿足信息化社會需要的測繪基準(zhǔn)框架體系,由空間基準(zhǔn)、平面基準(zhǔn)、高程基準(zhǔn)、重力基準(zhǔn)組成。太原市原有的測繪基準(zhǔn)是非地心、二維、低精度、靜態(tài)的基準(zhǔn)框架,在“數(shù)字太原”建設(shè)和地理空間數(shù)據(jù)的應(yīng)用中,它所帶來的不協(xié)調(diào)問題愈來愈多。太原市現(xiàn)代測繪基準(zhǔn)通過現(xiàn)代大地測量技術(shù)手段建立,目標(biāo)是與 2000國家大地坐標(biāo)系相一致,實現(xiàn)多源數(shù)據(jù)的無縫銜接,保證地理空間數(shù)據(jù)的一致性、兼容性、完整性和可轉(zhuǎn)換性,為太原市的信息化測繪體系建設(shè)服務(wù)。本文研究了太原市現(xiàn)代測繪基準(zhǔn)建立的方法,并詳細(xì)探討了建立的內(nèi)容。

二、太原市原有測繪基準(zhǔn)狀況

1.平面基準(zhǔn)

太原市的坐標(biāo)框架一直沿用 20世紀(jì) 50年代建立的城市獨立坐標(biāo)系,由于作業(yè)時間不同、作業(yè)單位不同、依據(jù)的起算數(shù)據(jù)不同等原因,歷史上曾出現(xiàn)過幾種不同的坐標(biāo)系。同時,隨著城市的不斷擴張,坐標(biāo)控制范圍由幾十平方千米逐漸發(fā)展到上千平方千米。太原市的坐標(biāo)系統(tǒng)基本確定以后,主要經(jīng)歷過三次大的改造建設(shè)：1978年采用三等三角網(wǎng)觀測方法,測量 42個三角點,城市控制范圍 1 000余平方千米;1992年施測城市 GPS二等點 41個,城市控制范圍延伸到清徐縣城和榆次市邊;2006年施測 GPS C級點 124個,控制范圍覆蓋太原市全境(含兩市、三縣)6 990 km2。

太原市原有的坐標(biāo)系統(tǒng)經(jīng)過幾次改造,雖然控制點的精度有了很大的提高,但由于其坐標(biāo)框架采用 1954北京坐標(biāo)系的橢球參數(shù),以市區(qū)中心一點為原點,中央子午線近似為 112°30′,投影面高程為0m,因此在城市中心區(qū)域,邊長投影變形值達到12.6 cm/km左右,遠遠不能滿足《城市測量規(guī)范》規(guī)定的小于 2.5 cm/km的要求,測量精度從根源上受到制約。

2.高程基準(zhǔn)

太原市的高程基準(zhǔn)為大沽高程基準(zhǔn),同樣始建于 20世紀(jì) 50年代,由于建設(shè)年代久遠,形成了自我封閉獨立的城市高程體系,與周圍城市和地區(qū)采用的 1985國家高程基準(zhǔn)存在著銜接問題。

太原市城市及周邊每年地下水抽取量較大,地面沉降較為嚴(yán)重,城市高程點數(shù)值變化較快,為此,太原市城市勘察測繪研究院定期進行城市二等水準(zhǔn)聯(lián)測,起始點為上蘭村(城市北部基巖水準(zhǔn)點)。

三、太原市 GPS C級點建設(shè)和城市大地水準(zhǔn)面精化

1.GPS C級點建設(shè)

2006年,太原市 GPS C級點建設(shè)與山西省 GPS C級點建設(shè)同步進行、同網(wǎng)測量、同網(wǎng)數(shù)據(jù)處理。太原市全境布設(shè) GPS C級點 124個,其中利用城市原有高等級控制點 16個,國家高等級控制點 6個,點位布設(shè)市區(qū)較密,市區(qū)外圍分布基本均勻,相鄰點距小于 10 km。選取的基準(zhǔn)為：①空間基準(zhǔn)：ITRF97、參考?xì)v元 2000.0(即 2000國家大地坐標(biāo)系);②平面基準(zhǔn)：2006太原市城市獨立坐標(biāo)系和1980西安坐標(biāo)系;③高程基準(zhǔn)：1985國家高程基準(zhǔn);④重力基準(zhǔn)：2000國家重力基準(zhǔn)。

采用與 GPS連續(xù)運行站聯(lián)測的觀測方法,即全省均勻建立 5個臨時 GPS連續(xù)運行站(太原站為其中之一),每個 GPS C級點觀測時間大于 8 h。平差精度為：GPS C級網(wǎng)相鄰基線點水平分量測定精度平均值 ±3.9mm;相鄰基線點垂直分量測定精度平均值 ±9.1mm;GPS C級網(wǎng)基線相對中誤差平均值1.58×10-8。

2.二、三等水準(zhǔn)測量

二、三等水準(zhǔn)測量是與 GPS C級點測量結(jié)合進行的,目的是為城市大地水準(zhǔn)面精化提供計算依據(jù)數(shù)據(jù)。該項工作仍與山西省二、三等水準(zhǔn)測量任務(wù)合作進行,太原市施測二等水準(zhǔn) 69.0 km,三等水準(zhǔn)304.5 km。39個 GPS C級點聯(lián)測三等水準(zhǔn)。用各等級水準(zhǔn)路線的高差不符值分別計算了各等級水準(zhǔn)的每千米偶然中誤差,二等為 ±0.72 mm,三等為±1.10mm,均滿足限差要求。

3.城市大地水準(zhǔn)面精化

太原市大地水準(zhǔn)面精化模型是在山西省大地水準(zhǔn)面精化模型中截取的,兩者精度一致,中誤差為 ±5.0 cm。

大地水準(zhǔn)面精化的技術(shù)路線為：利用該區(qū)域內(nèi)的重力測量資料、3″×3″分辨率數(shù)字高程模型、360階次的國內(nèi)外先進的重力場模型(WDM94、EG M96等),以及 GPS、水準(zhǔn)測量成果,采用重力法 (Stokes、Molodensky原理)與移去-恢復(fù)技術(shù)完成該地區(qū)分辨率為 2.5′×2.5′的高精度似大地水準(zhǔn)面。

四、太原市 2008城市獨立坐標(biāo)系的建立

1.原有坐標(biāo)系統(tǒng)的過渡階段

隨著“數(shù)字太原”工作的大力推進和城市地理空間數(shù)據(jù)的廣泛應(yīng)用,迫切需要建立太原市空間基準(zhǔn)體系及與其相對應(yīng)的平面基準(zhǔn),目的是保證太原市原有測繪資料 (主要是大量的大比例尺地形圖)作為過渡階段成果,仍能正常提供使用。

根據(jù)以上原則,2006太原市城市獨立坐標(biāo)系的設(shè)計理念為：空間基準(zhǔn)采用 2000國家大地坐標(biāo)系,平面基準(zhǔn)通過選取中央子午線、坐標(biāo)原點 (坐標(biāo)平移量)、長度縮放因子的手段,建立與原城市獨立坐標(biāo)系吻合的坐標(biāo)系統(tǒng)(其差異情況見表 1)。

ITRF97坐標(biāo)系與 2006太原獨立坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換關(guān)系

表 1 2006太原獨立坐標(biāo)系成果與原城市獨立坐標(biāo)系成果的對比 m

2.太原市 2008城市獨立坐標(biāo)系統(tǒng)的建設(shè)方案

太原市 2008城市獨立坐標(biāo)系統(tǒng)建立的根本目的,是要滿足市區(qū)邊長投影變形值小于 2.5 cm/km的要求。

由于邊長高程歸化改正和高斯投影距離改正具有相互抵償?shù)牡貛?即

式中,σ為邊長投影變形值;ΔHm為觀測邊的平均大地高與投影面的差值;R為地球平均曲率半徑;Ym為該邊兩端點的平均橫坐標(biāo)。)取市區(qū)的平均高程面為投影面,平均經(jīng)線為中央子午線,可得ΔHm= 0,Ym=0,此時,σ=0,基于此抵償原理,太原市 2008城市獨立坐標(biāo)系統(tǒng)的設(shè)計方案為:空間基準(zhǔn)采用2000國家大地坐標(biāo)系,平面基準(zhǔn)采用選取特定中央子午線、特定高程投影面、坐標(biāo)原點 (坐標(biāo)平移量)的模式。

3.太原市 2008城市獨立坐標(biāo)系統(tǒng)的應(yīng)用

(1)適用范圍

太原市(轄古交市、陽曲縣、婁煩縣、清徐縣)地理環(huán)境獨特,幅員遼闊。建成區(qū)東、西、北三面環(huán)山,南面為開闊的平原區(qū),陽曲縣縣城位于其北部山區(qū),古交市、婁煩縣縣城位于其西部山區(qū),清徐縣縣城位于其南部平原。太原市 2008城市獨立坐標(biāo)系在上述縣城中心區(qū)的邊長投影變形值見表 2。

表2

由表 2可見,太原市 2008城市獨立坐標(biāo)系可以同時滿足太原城區(qū)、古交市、陽曲縣、婁煩縣、清徐縣城市獨立坐標(biāo)系統(tǒng)的建立要求。

在全國大、中城市中,使用一套城市獨立坐標(biāo)同時滿足本身及周圍所轄市、縣的需要是十分困難的。太原市兩市、三縣城市獨立坐標(biāo)的一致性,保證了城市基礎(chǔ)空間數(shù)據(jù)基準(zhǔn)的統(tǒng)一,實現(xiàn)了各市、縣基礎(chǔ)空間數(shù)據(jù)的無縫連接。

(2)與其他坐標(biāo)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換

1)與 2006太原獨立坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換關(guān)系為

上述轉(zhuǎn)換是以 2000國家大地坐標(biāo)為平臺,經(jīng)過改變投影面和中央子午線、坐標(biāo)平移、長度縮放的方法得以實現(xiàn)。該轉(zhuǎn)換的目的是解決與城市原有空間數(shù)據(jù)的銜接問題。

2)與 1980西安坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換關(guān)系為

TY2008與 CGCS2000之間的轉(zhuǎn)換,采用高斯投影正、反算(特定投影面和中央子午線)加坐標(biāo)平移的方法;CGCS2000與 X IAN80之間的轉(zhuǎn)換,采用布爾沙模型(七參數(shù)轉(zhuǎn)換法)。該轉(zhuǎn)換的目的是解決與國家原有空間數(shù)據(jù)的銜接問題。

五、城市CORS系統(tǒng)的建設(shè)

太原市空間基準(zhǔn)的確定,為 TYCORS系統(tǒng)建設(shè)提供了基準(zhǔn)保障。

1.TYCORS系統(tǒng)的建設(shè)方案和過程

太原市全球?qū)Ш叫l(wèi)星連續(xù)運行參考站網(wǎng)絡(luò)服務(wù)系統(tǒng)(TYCORS)由 6個參考站 (太原站、陽曲站、清徐站、古交站、婁煩站和晉中站)組成,屬于區(qū)域參考站網(wǎng),平均站間距約 36.6 km,覆蓋全太原市絕大部分,范圍約為 7 000 km2。

TYCORS采用Leica GRX1200 GG雙頻 GPS接收機,系統(tǒng)軟件是 Leica公司的 GNSS Spider 3.1.1版本,具有數(shù)據(jù)傳送與存儲、網(wǎng)絡(luò)解算、數(shù)據(jù)分發(fā)等功能。參考站與系統(tǒng)控制中心通過 SDH光纖專線連接,系統(tǒng)控制中心開通了APN專用通道,與用戶的通信采用 GPRS、GS M、CDMA等無線方式。系統(tǒng)的指標(biāo)如表 3所示。

表3 TYCORS的指標(biāo)

2.CORS系統(tǒng)的測試精度情況

為了檢核站網(wǎng)設(shè)計的合理性以及有效覆蓋范圍、流動站在有效覆蓋范圍內(nèi)所能達到的精度、系統(tǒng)穩(wěn)定性和兼容性等技術(shù)指標(biāo),共有 9家相關(guān)單位的 10種型號 GPS接收機參與測試。測試內(nèi)容主要包括：①系統(tǒng)坐標(biāo)框架測定和精度評定;②系統(tǒng)連續(xù)、自動運行能力的測試;③控制中心系統(tǒng)對參考站的管理能力和數(shù)據(jù)處理能力;④系統(tǒng)的可用性測試;⑤流動站用戶接收機測試;⑥流動站通信方式的可用性和性能測試;⑦流動站用戶定位初始化時間、定位精度、時間延遲測試。

上述內(nèi)容測試范圍為太原市全境 6 990 km2,測試結(jié)果為系統(tǒng)實時動態(tài)定位精度在水平方向達到±(2～3)cm,高程方向達到 ±(3～5)cm,滿足設(shè)計指標(biāo)要求。

六、結(jié)束語

太原市現(xiàn)代測繪基準(zhǔn)的使用,為太原市信息化測繪提供了基本保障。目前,太原市國土、交通、規(guī)劃、測繪、環(huán)保等行業(yè)和領(lǐng)域已開始正式起用新的現(xiàn)代測繪基準(zhǔn)體系,應(yīng)用到城市二次土地調(diào)查、“數(shù)字太原”、城市基礎(chǔ)測繪等項目中,并開始陸續(xù)提供給社會使用。太原市現(xiàn)代測繪基準(zhǔn)的應(yīng)用前景必將非常廣闊。

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Establishment and Realization of the M odern Geodetic Datum of Ta iyuan C ity

L I Feng

0494-0911(2010)08-0018-03

P228.4

B

2010-04-27

李 峰(1968—),男,河北深澤人,工程師,主要從事基礎(chǔ)測繪生產(chǎn)、科研與管理工作。