內蒙古自治區三維測繪基準研究與建立

趙新剛 楊郁

一、引言

基礎測繪工作是經濟建設及社會可持續發展的前提和基礎，也是一項長期而艱巨的公益性事業。經濟建設和社會的可持續發展，必須有測繪的支持和保障。隨著內蒙古社會經濟的發展，政治、經濟、科學技術、能源、交通、環境治理等諸多領域，對內蒙古基礎測繪工作提出了更高的要求。完善內蒙古平面坐標系統和高程系統的統一性、精準性，并對各等級測量控制成果進行更新和維護，是各項經濟建設順利進行的保障，也是“數字內蒙古”地理空間基礎框架數據的基礎。為此，需要盡快建立內蒙古統一的高精度、三維（GPS）空間基準、高程基準。

二、內蒙古自治區原有測繪基準狀況

1. 平面基準

內蒙古自治區原有測繪基準，基本上是20世紀50～70年代建成的，由于歷史原因（儀器設備的落后、計算手段的局限性），其點位的相對精度只有10-5，而且已是30年前的觀測成果，現勢性比較差。控制網點大部分分布在山頭或地區最高處，造成了使用上的極不便利，并且有近一半控制點由于人為和自然的破壞已不存在，難以發揮其應有的基準作用。

2. 高程基準

原有的國家水準點（一、二、三等），一般在城市外圍大部分是沿著國道、省道布設；在城區選擇的是機關、學校、醫院等單位。但是由于30多年來國家基礎設施建設迅猛發展，原有的國道、省道進行了重新建設，有的已加寬、有的已改道；城市中舊城區改造、機關、學校、醫院等單位改擴建等，使原有的國家水準點有的已破壞，有的難以找到。另外，水準點分布不均勻，道路網密集地區水準路線多（呼、包、鄂、赤峰、通遼等）、道路網稀疏地區水準路線少（阿盟、錫盟等）。

三、內蒙古自治區GPS B級點建設和城市大地水準面精化

1. GPS B級點建設

從2007年至2009年，全區GPS B級點共布設860點，利用一、二等水準點691個，利用三角點9個，新選埋GPS點160個。

GPS控制網采用網聯式，布設均勻，結構合理，其中框架點觀測37點，平均邊長220km，基本點觀測823點，平均邊長60km。GPS接收機采用雙頻接收機，觀測量至少有L1、L2兩個載波相位，同步觀測接收機數6臺。框架網點觀測兩時段，每時段觀測23.5小時。基本點觀測兩時段，每時段觀測8小時。

CORS站與GPS B級網同步觀測。

對新埋設的GPS點，利用三等水準聯測，共觀測三等水準4830km。

GPS B級網平差精度：

框架網重復性在南北方向上為2.2mm+0.19×10-8，在東西方向上為2.1mm+0.22×10-8，在垂直方向為7.1mm+0.27×10-8，在基線長度方向為1.6mm+0.23×10-8。基本網重復性在南北方向上為3.5mm+0.13×10-8，在東西方向上為3.8mm+0.02×10-8，在垂直方向為19.4mm+0.29×10-8，在基線長度方向為3.9mm+0.02×10-8。

控制網的平均邊長為85.1km，平均相對精度為0.08ppm，最弱邊相對精度為0.911ppm，邊長為5.7km(B078-B079)。點位精度較高，坐標分量在水平方向上的平均精度為0.008m，大地高方向為0.027m。最弱點為B541，其水平精度為0.012，大地高精度為0.047m。

采用7參數進行坐標轉換，計算模型嚴密，坐標轉換精度高，建立了CGCS2000坐標至北京54、西安80之間的轉換關系，并獲得了CORS基準站在1980西安坐標系和1954年北京坐標系下的坐標。

確定了與國家基準CGCS2000統一的控制點坐標，為今后基礎測繪基準的最終建立提供了科學的依據。

2. 大地水準面精化

本項目在內蒙古似大地水準面計算中, 使用了175589個重力數據點和873個GPS水準點資料, EGM08地球重力場模型作為參考重力場，由第二類Helmert凝集法完成了大地水準面的計算。

格網重力異常的內插和推估, 是利用航天飛機雷達地形測繪使命(Shuttle Radar Topography Mission, 簡稱SRTM)高分辨率7.5〃×7.5〃地形均衡歸算、通過移去-還原原理計算。地形均衡歸算采用Airy-Haiskanen均衡模型,地形改正(即：Helmert凝集層位所產生的引力影響)和均衡改正采用了考慮地球曲率的嚴密球面積分公式，積分半徑為300公里。利用曲率連續張量樣條算法將離散重力異常內插為格網異常，這一方法適合重力數據稀少、分布極其不均勻和地形復雜地區，使用這一方法顯著提高了格網空間重力異常的內插和推估精度。

似大地水準面的計算采用了第二類Helmert凝集法(Wichiencharoen，1982；Martinec，1998)，在利用第二類Helmert凝集法計算大地水準面中的各類地形位及地形引力的影響，即：牛頓地形質量引力位和凝集層位間的殘差地形位的間接影響以及Helmert重力異常由地形質量引力位和凝集層位所產生的引力影響，采用的公式均考慮了地球曲率影響的嚴密球面積分公式。計算地形的直接和間接影響的積分半徑均采用了300公里。873個GPS水準資料與重力似大地水準面獨立比較精度為±0.099m。利用球冠諧調和分析方法將GPS水準與重力似大地水準面聯合求解得出的2′×2′格網似大地水準面其精度達到±0.079m。

3. GPS B級網以及似大地水準面精化成果的檢驗

由內蒙古自治區測繪產品質量監督檢驗站組織，于2010年6月20日～2011年4月8日對內蒙古自治區測繪事業局完成的“內蒙古自治區高精度三維大地測量基準的建立與研究”項目進行檢測。以便驗證GPS B級網及似大地水準面模型的精度是否達到預期的目標。

檢測地點分別為加格達奇、阿爾山、錫林浩特、土左、土右及額濟納旗。檢測外業由質檢站委托內蒙古測繪院一分院采用GPS C級網連測已知水準點，內業由質檢站進行檢測質量檢查及數據處理。本次檢測投入Trimble GPS雙頻接收機R8S 5臺、5700接收機3臺、4700接收機3臺。內業質量檢查及數據處理采用Trimble公司的隨機軟件TGO1.63及武漢大學測繪學院編制的Cosa5.11GPS數據處理軟件進行。

檢測結果：

1）平面精度驗證

a）WGS84無約束平差

b）2000坐標系約束平差

2）高程精度驗證

檢測結論

通過檢測數據證明，“內蒙古自治區高精度三維大地測量基準的建立與研究”項目完全達到預期的精度指標。

四、內蒙古CORS系統的建設

1. NMGCORS系統的建設方案和過程

2007年7月內蒙古國土資源廳主持啟動了內蒙古GNSS連續運行參考站綜合服務系統（簡稱NMGCORS）項目，首期工程是利用三年時間建立由15個點組成的呼和浩特市、包頭市和鄂爾多斯市GNSS連續運行參考站綜合服務系統，取得經驗后按照自治區各地的需求情況綜合分析陸續建設，并最終整網覆蓋自治區全境。截止2011年3月NMGCORS已建成74個，其中呼倫貝爾市6個，興安盟1個，通遼市3個，赤峰市18個，錫林郭勒盟3個，集寧市1個，呼和浩特市5個，包頭市3個，鄂爾多斯市20個，巴彥淖爾市9個，烏海市1個，阿拉善盟4個。已經試運行的站點共61個。覆蓋范圍約占自治區面積的三分之一。

NMGCORS設備主要由GNSS接收機、網絡RTK軟件系統、計算機、服務器、網絡設備、防火墻等設備組成。采用拓普康NET-G3接收機及相關設備作為NMGCORS參考站設備，TopNET+軟件包為系統的計算和服務軟件，惠普服務器、思科路由器和防火墻等相關設備為系統的網絡設備。參考站與系統控制中心通過SDH光纖專線或ADSL專線連接，建立了網絡RTK和DGPS服務平臺，利用GPRS、CDMA等方式，向用戶提供實時厘米級、亞米級定位服務，為用戶提供事后精密數據服務和信息下載。系統的技術指標見下表：（表4.1）

2. CORS系統的測試情況

通過系統測試，目前NMGCORS已具備以下功能：

1）靜態測量后處理，在系統有效范圍內利用單臺或多臺GPS測量型接收機可進行各級控制點測量（非完全蔭蔽區），利用參考站數據進行數據處理。

2）參考站網覆蓋區域及邊界外推35km的范圍內，提供可達厘米級精度的網絡RTK差分數據服務。

3）采用GPRS、CDMA或3G等公共無線通信技術，進行CMR，CMR+，RTCM-SC104.V2.x/3.0等格式的差分信息播發，并預留與其它通信廣播手段的擴展接口。通過Internet或數據盤下載的方式，初步實現覆蓋區域內用戶的事后精密定位服務。

4）控制中心具備與參考站不間斷通信的能力，具備數據完整性分析、多路徑影響分析、電離層和對流層變化分析、系統完整性監測等功能；經測試表明，網絡RTK等核心算法具有較強的穩健性，可適應電離層和對流層的較大變化。控制中心具備與鄰近系統（或參考站）的聯網能力，與相關協作單位在可控制的條件下實現數據共享和服務聯網。

5）參考站按國家及行業有關標準建設，可升級為國家級的GPS參考站、國家地殼形變監測的參考站；參考站具備長期連續運行的能力。

6）系統兼容性測試表明，NMGCORS能接入國內外主流品牌GNSS接收機，并提供相應的數據服務。

7）系統實測技術指標：

● 動態參考基準的絕對定位精度優于設計的0.1m，相對定位精度高于設計的3×10-8。

● 實時定位內符合精度平面方向優于原設計的3cm，垂直方向優于原設計的5cm；外符合精度平面方向優于原設計的5cm，垂直方向優于原設計的10cm。

● 事后精密定位服務平面方向優于原設計的5mm，垂直方向優于原設計的10mm。

● 實時定位服務的覆蓋范圍優于原設計的要求。

● 實時定位服務的日可用性優于原設計的95%。

五、結束語

2011年5月7日，內蒙古自治區科學技術廳邀請專家組成鑒定委員會，對內蒙古自治區測繪事業局完成的《內蒙古三維測繪基準研究與建立》項目進行了科技成果鑒定，鑒定委員會一致認為，該項目理論嚴密，技術先進，方法科學，整體達到了國際先進水平。

內蒙古自治區三維測繪基準的應用，對于滿足目前“數字內蒙古”基礎地理信息的迫切需要（如大地數據庫的建立、專題GIS研制、4D產品開發、GPS RTK測量等），改變傳統的水準測量和GPS RTK的作業模式，推進“數字內蒙古”及其它工程的建設，具有重要的科學意義和社會意義。

參考文獻：

[1] 寧津生，羅志才，李建成.我國省市級大地大地水準面精化的現狀及技術模式[J].大地測量學與地球動力學，2004，（2）：4-8.

[2] 陳俊勇.GPS與大地水準面[J].全球定位系統，2005，30（S0）：1-3.

[3] 楊光，林鴻，歐海平，方鋒，李建成.廣州市亞厘米級高精度似大地水準面的確定[J].測繪通報，2007，（1）：24-25.

[4] 張全德，郭春喜，王斌，陳現軍.華北地區似大地水準面精化[J].測繪通報，2007，（7）：13-15.

[5] 李峰.太原市現代測繪基準的建立方法與實現.測繪通報，（2010）08-0018-03.

作者簡介：趙新剛（1957-），男，測繪高級工程師，漢族，遼寧省沈陽人，主要測繪項目規劃、審批及組織實施測繪技術工作。單位：內蒙古自治區測繪事業局。