淺談重慶市現(xiàn)代測繪基準(zhǔn)體系建設(shè)

楊本廷，謝征海

(重慶市勘測院，重慶 400020)

1 引言

重慶市現(xiàn)有測繪基準(zhǔn)體系存在較多問題，如:在重慶的大部分區(qū)縣使用的坐標(biāo)系統(tǒng)不統(tǒng)一，有些地方采用假設(shè)和近似高程系統(tǒng)。已有控制點施測時間久遠(yuǎn)、整體精度低、現(xiàn)勢性差、成果資料陳舊、標(biāo)志破壞嚴(yán)重、服務(wù)能力不斷弱化，已不能滿足經(jīng)濟(jì)和社會建設(shè)的需要。

為解決全國的這些類似問題，20世紀(jì)90年代以來，我國不斷改造傳統(tǒng)測繪基準(zhǔn)體系。2001年建成的新一代高精度高分辨率的中國似大地水準(zhǔn)面(CQG2000)，僅能滿足我國小于等于 1∶10000比例尺測圖和其他類似精度需求的高程測定工作。2003年建成新一代國家重力基準(zhǔn)—2000國家重力基本網(wǎng);2003年～2004年先后建成了由2500余點組成的2000國家GPS大地控制網(wǎng)和由近5萬點組成的2000國家大地控制網(wǎng)，并于2008年7月1日啟用了2000國家大地坐標(biāo)系。目前國家采用的黃海1985國家高程系統(tǒng)，主要由國家第二期一、二等水準(zhǔn)網(wǎng)所構(gòu)成的國家高程控制網(wǎng)來實現(xiàn)，該水準(zhǔn)網(wǎng)使用至今已有二十余年。目前正在實施國家第三期一等水準(zhǔn)網(wǎng)，但一等水準(zhǔn)點的平均密度也僅為1/(30 km×30 km)。國家的平面和高程控制的密度、現(xiàn)勢性不能完全滿足地方經(jīng)濟(jì)建設(shè)的需要，因此需要各個地方根據(jù)自己的情況建立區(qū)域性的現(xiàn)代測繪基準(zhǔn)體系。同時，國家測繪地理信息局已于2012年6月啟動了國家現(xiàn)代測繪基準(zhǔn)體系基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)一期工程。

區(qū)域性測繪基準(zhǔn)建設(shè)要求既要有高精度的平面和高程基準(zhǔn)，又要進(jìn)行區(qū)域似大地水準(zhǔn)面精化，還要有實時的CORS。目前全國部分省市如北京、上海、廣東、浙江、武漢、南寧等已建立了區(qū)域性的測繪基準(zhǔn)體系。重慶市現(xiàn)代測繪基準(zhǔn)體系建設(shè)目標(biāo)是:采用當(dāng)今測繪新技術(shù)，建成以CQCORS、似大地水準(zhǔn)面為核心技術(shù)的區(qū)域現(xiàn)代測繪基準(zhǔn)體系，逐步擺脫以傳統(tǒng)測量標(biāo)志維持測繪基準(zhǔn)的模式，實現(xiàn)高精度、三維和動態(tài)的測繪。

2 平面基準(zhǔn)

重慶市平面基準(zhǔn)采用CORS(A級GPS)和B級GPS控制網(wǎng)來建立和維護(hù)覆蓋全重慶區(qū)域的與全國三維地心坐標(biāo)框架相一致的地方參考框架，同時建立各區(qū)縣城市首級平面控制網(wǎng)(C級GPS網(wǎng))。

2.1 CQCORS

在全重慶市范圍內(nèi)建立35個A級GPS連續(xù)運行參考站(ChongQing Continuously Operating Reference，CQCORS)，CQCORS站間距約 50 km～60 km。CQCORS于2010年7月全部建成，實現(xiàn)了重慶市域范圍8.24萬km2全覆蓋，如圖1所示。該系統(tǒng)現(xiàn)已向重慶市各政府部門和測繪單位提供綜合服務(wù)。

圖1 建成后的CQCORS分布圖

2.2 B級GPS網(wǎng)

在全重慶市范圍內(nèi)建設(shè)由60個B級GPS點組成的B級GPS網(wǎng)，點間距離約 30 km～55 km，同35個A級GPS連續(xù)運行參考站共同組成重慶市測繪基準(zhǔn)參考框架。B級GPS點采用GPS、水準(zhǔn)共用標(biāo)石，并聯(lián)測二等水準(zhǔn)。

2.3 C級GPS網(wǎng)

在重慶市GPS框架網(wǎng)的基礎(chǔ)上，除都市區(qū)外的各區(qū)縣城市規(guī)劃區(qū)內(nèi)布設(shè)105個C級GPS點，作為各區(qū)縣城市首級平面控制網(wǎng)，其中中心城市不少于5點，其余城市不少于3點。C級GPS點既是平面控制點，又是似大地水準(zhǔn)面精化點，采用GPS、水準(zhǔn)共用標(biāo)石，并聯(lián)測二等水準(zhǔn)。在重慶都市區(qū)結(jié)合地形變化布設(shè)220個GPS精化點，按C級GPS標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。精化點平均間距 6 km～8 km，均聯(lián)測二等水準(zhǔn)。

GPS的選埋除滿足《區(qū)域似大地水準(zhǔn)面精化基本技術(shù)規(guī)定》、《全球定位系統(tǒng)(GPS)測量規(guī)范》等規(guī)范外，還必須考慮山地城市高差起伏大的特點、地形變化、便于水準(zhǔn)聯(lián)測、方便使用、標(biāo)志保護(hù)等原則，其觀測嚴(yán)格按規(guī)范執(zhí)行，如圖2所示。

GPS數(shù)據(jù)處理采用美國麻省理工學(xué)院研制的高精度數(shù)據(jù)處理軟件GAMIT/GLOBK 10.40，平差采用逐級控制的原則進(jìn)行。在2000國家大地坐標(biāo)系(ITRF2000、ITRF2005參考框架，觀測瞬時歷元)下，首先約束LUZH、WUHN等9個國家連續(xù)運行站點，做三維約束平差，求出35個A級GPS點坐標(biāo);然后約束A級GPS點，做三維約束平差，求出60個B級GPS點坐標(biāo);最后約束A、B級GPS點，做三維約束平差，求出C級GPS點坐標(biāo)。數(shù)據(jù)處理后各項成果的精度均達(dá)到規(guī)范要求，其精度統(tǒng)計見表1。

圖2 建成后的GPS點分布圖

GPS成果精度統(tǒng)計 表1

我國先后建立有1954年北京坐標(biāo)系、1980西安坐標(biāo)系，重慶中西部建立有重慶市獨立坐標(biāo)系，并以此生產(chǎn)了大量的測繪產(chǎn)品。為了充分利用已有成果，GPS網(wǎng)分別聯(lián)測了1954年北京坐標(biāo)系、1980西安坐標(biāo)系、重慶市獨立坐標(biāo)系、各區(qū)縣坐標(biāo)系(萬州、黔江、永川、墊江、開縣、忠縣、梁平、彭水、涪陵等區(qū)縣的地方坐標(biāo)系控制點)的已知點。選用三維七參數(shù)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模型確定了重慶區(qū)域2000國家大地坐標(biāo)系與1954年北京坐標(biāo)系、1980西安坐標(biāo)系之間坐標(biāo)轉(zhuǎn)換關(guān)系，其坐標(biāo)轉(zhuǎn)換點位殘差中誤差分別為±0.15 m、±0.58 m;選用二維四參數(shù)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模型確定了重慶中西部區(qū)域2000國家大地坐標(biāo)系與重慶市獨立坐標(biāo)系之間坐標(biāo)轉(zhuǎn)換關(guān)系，其坐標(biāo)轉(zhuǎn)換點位殘差中誤差±0.062 m。

3 高程基準(zhǔn)

目前國家采用黃海1985國家高程系統(tǒng)，其高程的提供主要是采用傳統(tǒng)的測量方法，即通過與國家高程控制點的水準(zhǔn)聯(lián)測來傳遞高程。2001年建成的中國似大地水準(zhǔn)面(CQG2000)，精度±0.3 m ～±0.6 m，僅能滿足我國小于等于 1∶10000比例尺測圖和其他類似精度需求的高程測定工作，對于更高的高程精度要求，還必須建立厘米級精度的似大地水準(zhǔn)面。因此，現(xiàn)代化高程系統(tǒng)除了有高精度的高程控制網(wǎng)外，還應(yīng)有高精度、高分辨率的似大地水準(zhǔn)面。

重慶市的高程基準(zhǔn)采用二等水準(zhǔn)，1985國家高程基準(zhǔn)，采用建設(shè)傳統(tǒng)的高程控制網(wǎng)和精化似大地水準(zhǔn)面相結(jié)合，即在全重慶建立二等水準(zhǔn)控制網(wǎng)，同時在都市圈進(jìn)行厘米級精度似大地水準(zhǔn)面精化。

3.1 二等水準(zhǔn)網(wǎng)

重慶市二等水準(zhǔn)控制網(wǎng)分為框架網(wǎng)和精化網(wǎng)，框架網(wǎng)主要是維護(hù)重慶市的高程參考框架，精化網(wǎng)主要是為了進(jìn)行似大地水準(zhǔn)面精化而進(jìn)行的A、B、C級GPS點的水準(zhǔn)聯(lián)測。

重慶市二等水準(zhǔn)框架網(wǎng)由18個結(jié)點、長約6443 km的覆蓋全重慶市二等水準(zhǔn)網(wǎng)組成，如圖3所示，共埋設(shè)水準(zhǔn)點約 1100余點。

圖3 二等水準(zhǔn)框架網(wǎng)示意圖

重慶市二等水準(zhǔn)精化網(wǎng)是為A、B、C級GPS點聯(lián)測水準(zhǔn)高程。在二等水準(zhǔn)路線上的GPS點，納入二等水準(zhǔn)路線，采用閉合或附合方式聯(lián)測二等水準(zhǔn)。距離二等水準(zhǔn)路線超出 5 km的GPS點，使用二等水準(zhǔn)支線方法施測。對于在樓頂上的GPS點，采用自由懸掛鋼尺法進(jìn)行樓頂GPS點的二等水準(zhǔn)聯(lián)測。GPS點二等水準(zhǔn)支線215條，路線長 2235 km，聯(lián)測GPS點426個。

二等水準(zhǔn)布設(shè)原則:區(qū)域內(nèi)原有一、二等水準(zhǔn)線路一般不再布設(shè)新的水準(zhǔn)，個別破壞嚴(yán)重的線路重新布設(shè)水準(zhǔn)線路;A、B級GPS點和埋設(shè)于公路附近的C級GPS點，納入二等水準(zhǔn)路線中聯(lián)測;新布設(shè)普通水準(zhǔn)點的點間距，城建區(qū)平均 3 km，非城建區(qū)平均 6 km，平均間距 5 km;在GPS點附近要增加埋設(shè)1個二等準(zhǔn)點，便于GPS點的水準(zhǔn)聯(lián)測;二等水準(zhǔn)應(yīng)盡量利用其路線上保存完好并且符合要求的一、二等水準(zhǔn)點，全網(wǎng)共利用已有國家一、二等水準(zhǔn)點位共203點。

二等水準(zhǔn)測量分三期實施，2008年5月～2009年12月完成外業(yè)工作，二等水準(zhǔn)觀測及連測按《國家一、二等水準(zhǔn)測量規(guī)范》要求，采用 Lieca DNA03、蔡司NI002等電子水準(zhǔn)儀和條形碼因瓦尺進(jìn)行單路線往返觀測，5處跨河水準(zhǔn)觀測方法采用測距三角高程法，場地布設(shè)成大地四邊形。

二等水準(zhǔn)觀測高差經(jīng)過了標(biāo)尺長度誤差改正、正常水準(zhǔn)面不平行改正、重力異常改正、固體潮改正、環(huán)線閉合差改正。二等水準(zhǔn)平差以重慶主城區(qū)的“重慶基巖點”作為高程起算點，采用間接平差法平差，以待定結(jié)點高程為未知數(shù)，按路線測站數(shù)定權(quán)，當(dāng)結(jié)點高程及路線高差改正量計算完成后，采用附合路線平差的方法推求其他各水準(zhǔn)點的高程。

二等水準(zhǔn)路線長 8678 km，構(gòu)成71個閉合環(huán)，如圖4所示，按環(huán)閉合差計算的二等水準(zhǔn)測量每千米全中誤差為±0.83 mm，滿足規(guī)范±2.0 mm的限差要求。

圖4 建成后的二等水準(zhǔn)網(wǎng)示意圖

3.2 區(qū)域似大地水準(zhǔn)面

在當(dāng)前GNSS定位時代，精化似大地水準(zhǔn)面和建設(shè)傳統(tǒng)的高程控制網(wǎng)同等重要。因此，重慶市高程基準(zhǔn)體系除了有高精度的高程控制網(wǎng)外，還應(yīng)有高精度、高分辨率的似大地水準(zhǔn)面。利用GNSS衛(wèi)星定位技術(shù)取代傳統(tǒng)的、低精度的水準(zhǔn)測量工作，因此需確定重慶區(qū)域似大地水準(zhǔn)面。

重慶市似大地水準(zhǔn)面精化過程中，收集了國家測繪地理信息局館藏重慶市范圍內(nèi)及周邊地區(qū) 90617個加密重力點，重慶市范圍內(nèi)426個GPS/水準(zhǔn)點以及相鄰省市的104個GPS/水準(zhǔn)點，重慶市范圍內(nèi)的 1∶1萬CGCS 2000地形數(shù)據(jù)DEM成果、重慶市范圍外的1∶5萬CGCS 2000地形數(shù)據(jù)DEM成果。利用這些資料，應(yīng)用多種擬合模型，確定了重慶市高精度、高分辨率的似大地水準(zhǔn)面模型，其等值線圖見圖5。似大地水準(zhǔn)面模型精度采用空點法進(jìn)行檢核，在都市區(qū)內(nèi)空點精度達(dá)到 ±1.6 cm，都市區(qū)外空點精度達(dá)到 ±1.9 cm。

圖5 似大地水準(zhǔn)面等值線圖

4 重慶市地方坐標(biāo)系改造

在重慶市38個區(qū)縣各自都使用自己的坐標(biāo)體系，建立方法不統(tǒng)一，等級精度不一致，給全市的統(tǒng)一應(yīng)用帶來困難。因此，必須對重慶市地方坐標(biāo)系進(jìn)行改造，建立統(tǒng)一、科學(xué)的坐標(biāo)系。

重慶位于東經(jīng)105°17'～110°11'、北緯 28°10'～32°13'，東西長約 500 km，市域面積8.24萬km2，高差起伏較大，因此不宜采用單一的坐標(biāo)系統(tǒng)，應(yīng)分別在重慶的中西部和東部建立獨立坐標(biāo)系(見圖6)，來對全市兩個區(qū)域的坐標(biāo)系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一。獨立坐標(biāo)系的建立采用具有高程抵償面的任意帶高斯正形投影平面直角坐標(biāo)系。

圖6 新建地方坐標(biāo)系覆蓋范圍圖

在重慶中西部已建立有重慶市獨立坐標(biāo)系，該坐標(biāo)系基于克拉索夫斯基橢球，設(shè)置3個投影帶，采用同一個高程投影面。該坐標(biāo)系符合相關(guān)規(guī)定要求，因此，該區(qū)域直接采用該獨立坐標(biāo)系，不再建立新的獨立坐標(biāo)系。

在重慶東部新建立重慶市東部獨立坐標(biāo)系，將渝東北、渝東南的17個區(qū)縣統(tǒng)一到重慶市東部獨立坐標(biāo)系。該獨立坐標(biāo)系基于CGCS 2000橢球，采用橢球膨脹法，投影方式為高斯－克呂格，設(shè)置3個投影帶，帶寬各不相等，每個區(qū)縣的行政區(qū)域均處于同一個投影帶。由于該區(qū)域高差起伏較大，故采用兩個高程投影面。

建立的重慶地方坐標(biāo)系統(tǒng)，分別與國家平面坐標(biāo)系統(tǒng)建立了聯(lián)系，選用三維七參數(shù)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模型確定了2000國家大地坐標(biāo)系與重慶市獨立坐標(biāo)系、重慶市東部獨立坐標(biāo)系之間坐標(biāo)轉(zhuǎn)換關(guān)系。同時，為充分利用原已有的成果，在布設(shè)重慶市C級GPS網(wǎng)時，聯(lián)測了各區(qū)縣原坐標(biāo)系的控制點，實現(xiàn)了原有區(qū)縣坐標(biāo)系與新建立的獨立坐標(biāo)系的相互轉(zhuǎn)換。

5 結(jié)語

近幾年，由于測繪新技術(shù)的廣泛應(yīng)用，區(qū)域經(jīng)濟(jì)的發(fā)展對測繪的迫切需求，一些地區(qū)和城市以GPS技術(shù)建立了地方區(qū)域性現(xiàn)代測繪基準(zhǔn)體系。在區(qū)域性現(xiàn)代測繪基準(zhǔn)體系的建設(shè)進(jìn)程中，由于地區(qū)差異和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的不平衡，出現(xiàn)了東部經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)的省份和城市較中西部地區(qū)的進(jìn)展快，城市比省(市)精度高等現(xiàn)象。重慶作為西部地區(qū)，經(jīng)濟(jì)較為落后，其現(xiàn)代測繪基準(zhǔn)體系建設(shè)于2007年才啟動建設(shè)，目前已建成，形成了適合重慶實際情況的CQCORS、高精度GPS控制網(wǎng)、精密水準(zhǔn)網(wǎng)、高精度高分辨率區(qū)域似大地水準(zhǔn)面成果，建立了覆蓋全重慶市的統(tǒng)一、動態(tài)、連續(xù)的現(xiàn)代測繪基準(zhǔn)，從而滿足我市的經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展的需要。

［1］GB/T 18314－2009.全球定位系統(tǒng)(GPS)測量規(guī)范［S］.

［2］GB/T 12897－2006.國家一、二等水準(zhǔn)測量規(guī)范［S］.

［3］CH/T 2008－2005.全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)連續(xù)運行參考站網(wǎng)建設(shè)規(guī)范［S］.

［4］GB/T 23709－2009.區(qū)域似大地水準(zhǔn)面精化基本技術(shù)規(guī)定［S］.

［5］黨亞民，成英燕，薛樹強(qiáng).大地坐標(biāo)系統(tǒng)及其應(yīng)用［M］.北京:測繪出版社，2010，110 ～127.

［6］呂志平，喬書波.大地測量學(xué)基礎(chǔ)［M］.北京:測繪出版社，2010:37～88.

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