內(nèi)蒙古巴丹吉林沙漠必魯圖峰峰頂高程測繪

賈中甫 崔錦龍 內(nèi)蒙古自治區(qū)測繪院 賈敏 王淑春 內(nèi)蒙古自治區(qū)地圖院

巴丹吉林沙漠位于內(nèi)蒙古西部的阿拉善高原，面積約4.92萬km2，是我國第二大流動(dòng)沙漠，因其腹地沙山高大、湖泊眾多而備受關(guān)注[1-2]。相關(guān)的地理資料記載的高程在1150~1700m之間，但準(zhǔn)確的海拔高度至今沒有進(jìn)行精確的測量[3]。必魯圖主峰峰頂高程測繪不但可以填補(bǔ)阿拉善沙漠世界地質(zhì)公園沙漠測量領(lǐng)域的空白，而且可以推進(jìn)巴丹吉林沙漠與其它沙漠在數(shù)據(jù)上的分析研究，還可以為科學(xué)分析沙漠的形成、發(fā)展、環(huán)境變化等提供有利的數(shù)據(jù)來源。內(nèi)蒙古巴丹吉林沙漠必魯圖主峰重要地理信息數(shù)據(jù)的采集，將進(jìn)一步提升內(nèi)蒙古巴丹吉林沙漠在世界上的知名度和影響力，為提高內(nèi)蒙古阿拉善盟經(jīng)濟(jì)、文化、旅游業(yè)等發(fā)展起到推動(dòng)作用。

一、GNSS網(wǎng)布設(shè)及外業(yè)觀測

在必魯圖峰主峰峰頂及必魯圖峰周邊選擇易于長期保存的地方埋設(shè)了5個(gè)固定標(biāo)志，標(biāo)志采用不銹鋼管標(biāo)，志。取直徑為51mm不銹鋼鋼管做成1米長套絲扣連接，加工一套抱箍和套管夾緊鋼管頂部，用大錘砸在套管部位，將鋼管夯入地下3m。采用直徑180mm不銹鋼鋼棒，切割厚度為45mm的圓形標(biāo)志，留15mm圓盤，余30mm加工成直徑50mm外絲扣，與不銹鋼鋼管連接。必魯圖峰峰頂標(biāo)志采用強(qiáng)制對中裝置。在大盤標(biāo)志中心鉆孔，將直徑17mm英制螺桿鑲嵌于大盤標(biāo)志中心，不銹鋼鋼管每10厘米加工一圈標(biāo)志，作為流沙移動(dòng)檢測。其余在大盤標(biāo)志中心刻制“+”。埋石點(diǎn)示意圖如圖1。

圖1

在已有資料的基礎(chǔ)上，選取17個(gè)國家一等水準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行GNSS網(wǎng)聯(lián)測，加入重力改正等數(shù)據(jù)，進(jìn)行區(qū)域似大地水準(zhǔn)面精化。

GNSS接收機(jī)采用美國Trimble公司生產(chǎn)的4700、5700、R8雙頻GNSS接收機(jī)、日本Topcon公司生產(chǎn)的HiperproⅡ雙頻GNSS接收機(jī)、廣州中海達(dá)衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)有限公司生產(chǎn)的V8雙頻GNSS接收機(jī)，同步觀測，觀測前作業(yè)員提前進(jìn)入現(xiàn)場，觀測23.5小時(shí)，兩個(gè)時(shí)段。兩人一組。每一時(shí)段結(jié)束后必須關(guān)機(jī)重新整置儀器，重新開機(jī)，重新量測天線高。天線高要在測前、測后各量測三次，每次應(yīng)在天線互為120°方向上量測一次，三次量取的互差均小于2mm。觀測時(shí)段不得跨年積日，觀測結(jié)束后將人員集中進(jìn)行數(shù)據(jù)下載，進(jìn)行轉(zhuǎn)換、檢查。巴丹吉林沙漠必魯圖峰高程聯(lián)測示意圖如圖2。

圖2

二、基線數(shù)據(jù)預(yù)處理及數(shù)據(jù)檢核

（一）基線數(shù)據(jù)預(yù)處理

（1）數(shù)據(jù)下載：依據(jù)外業(yè)觀測手簿，將兩個(gè)時(shí)段的觀測數(shù)據(jù)按儀器編號放在一個(gè)文件夾內(nèi)，按日期分類，導(dǎo)入各種儀器隨機(jī)軟件進(jìn)行基線數(shù)據(jù)質(zhì)量分析，剔除多余的周跳和多路徑效應(yīng)等不利于基線質(zhì)量的數(shù)據(jù)，保存數(shù)據(jù)。

（2）數(shù)據(jù)整理：將觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行整理之后轉(zhuǎn)化為rinex格式，并進(jìn)行以下數(shù)據(jù)正確性的檢驗(yàn)：點(diǎn)名一致性與正確性；接收機(jī)與天線型號的正確性；天線高的正確性；年積日的一致性。

（3）數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化：使用隨機(jī)軟件標(biāo)準(zhǔn)化，形成觀測數(shù)據(jù)文件：測點(diǎn)編號（4位）+年代（2位）+該天的年積日（3位）+D（1位）（表示原始觀測數(shù)據(jù)）。

（4）天線高的歸算：按照天線結(jié)構(gòu)，天線高統(tǒng)一采用觀測值歸算。將量測的斜高歸算到天線相位中心，下標(biāo)至標(biāo)石標(biāo)志面。

（二）數(shù)據(jù)檢核

為了保證數(shù)據(jù)的完整性，根據(jù)網(wǎng)圖我們選用了三個(gè)點(diǎn)作為平面和高程的檢核，平面選用點(diǎn)周圍找到非網(wǎng)中的兩個(gè)控制點(diǎn)，組成三角形進(jìn)行GNSS靜態(tài)觀測8小時(shí)，一個(gè)時(shí)段，解算平面坐標(biāo)與網(wǎng)中的坐標(biāo)進(jìn)行比較。

高程在選用點(diǎn)周圍找到一個(gè)水準(zhǔn)點(diǎn)，進(jìn)行二等水準(zhǔn)聯(lián)測，嚴(yán)格按照《國家一、二等水準(zhǔn)測量規(guī)范》執(zhí)行，所有聯(lián)測的水準(zhǔn)點(diǎn)都在實(shí)地檢查，沒有發(fā)現(xiàn)點(diǎn)位破壞和挪動(dòng)的痕跡。

三、GNSS基線解算

（一）GNSS連續(xù)運(yùn)行站的選取

根據(jù)測區(qū)地理位置分布，本次數(shù)據(jù)處理收集了北京房山（BJFS）、烏魯木齊（URUM）、拉薩（LHAZ）、安樂河（SX01）、IRKT五個(gè)GNSS連續(xù)運(yùn)行站的數(shù)據(jù)。

（二）GNSS網(wǎng)平差

GNSS 網(wǎng)平差在2000國家大地坐標(biāo)系下進(jìn)行。約束BJFS、URUM、LHAZ、SX01、IRKT五個(gè)GNSS連續(xù)運(yùn)行站，做三維約束平差，求出其他GNSS網(wǎng)點(diǎn)成果。

（三）坐標(biāo)精度統(tǒng)計(jì)

GNSS網(wǎng)點(diǎn)空間直角坐標(biāo)X分量的中誤差平均值為±1.4mm，最大值為±1.5mm；Y分量的中誤差平均值為±2.8mm，最大值為±3.4mm；Z分量的中誤差平均值為±2.3mm，最大值為±2.8mm。GNSS網(wǎng)點(diǎn)南北分量的中誤差平均值為±1.0mm，最大值為±1.1mm；東西分量的中誤差平均值為±1.3mm，最大值為±1.4mm；高程分量的中誤差平均值為±3.5mm，最大值為±4.3mm。

（四）基線精度統(tǒng)計(jì)

GNSS網(wǎng)相鄰點(diǎn)基線南北分量的中誤差平均值為±1.0mm，最大值為±1.2mm；東西分量的中誤差平均值為±1.0mm，最大值為±1.2mm；相鄰點(diǎn)基線垂直分量的中誤差平均值為±4.0m，最大值為±5.3mm；GNSS網(wǎng)基線相對中誤差平均值為1.80×10-8，最大值為8.78×10-7。

四、巴丹吉林沙漠必魯圖峰地區(qū)似大地水準(zhǔn)面計(jì)算

國內(nèi)外文獻(xiàn)及試驗(yàn)均表明，GPS水準(zhǔn)高程擬合在一定的條件下可得出令人滿意的正常高或正高高程。在確定高程過程中，關(guān)鍵是確定高精度的大地水準(zhǔn)面差距或高程異常。高程異常的確定方法主要有重力法和GPS高程擬合的幾何法[4-6]。利用重力法，無論地勢平坦與否，如果利用精確、密集的重力數(shù)據(jù)及地形數(shù)據(jù)，高程求解精度就可達(dá)到cm級（Rapp，1985）[7-10]。為了滿足高程精度，本次研究在數(shù)字地形模型資料分析整理、重力測量成果收集與分析整理、重力點(diǎn)重力異常歸算、格網(wǎng)地形和均衡改正計(jì)算、2.5′×2.5′格網(wǎng)平均空間異常的確定、GNSS水準(zhǔn)資料的整理與分析等方面進(jìn)行了收集與整理工作。

（一）GNSS水準(zhǔn)資料分析

巴丹吉林沙漠必魯圖峰實(shí)測了17個(gè)自治區(qū)B級點(diǎn)（B級點(diǎn)均為國家一、二等水準(zhǔn)點(diǎn)），其中將B007、B692、B702作為空點(diǎn)檢核點(diǎn)，共計(jì)14個(gè)自治區(qū)B級點(diǎn)作為似大地水準(zhǔn)面精化初步計(jì)算的起算點(diǎn)。利用14個(gè)自治區(qū)B級點(diǎn)初步糾正試算，自治區(qū)B級點(diǎn)B004、B694、B703殘差分別為-12.2cm、-14.0cm、-14.5cm，這些點(diǎn)的殘差都大于整體精度的3倍，判斷B004、B694、B703為粗差點(diǎn)，不參加最終的似大地水準(zhǔn)面計(jì)算。因此，最終利用11個(gè)自治區(qū)B級點(diǎn)糾正該區(qū)域重力似大地水準(zhǔn)面。

（二）巴丹吉林沙漠必魯圖峰地區(qū)似大地水準(zhǔn)面的確定

采用該地區(qū)的重力資料以及1949階次的EIGAN參考重力場模型，得到巴丹吉林沙漠必魯圖峰區(qū)域高精度高分別率的重力似大地水準(zhǔn)面，利用11個(gè)自治區(qū)B級點(diǎn)的數(shù)據(jù)糾正似大地水準(zhǔn)面與重力似大地水準(zhǔn)面的系統(tǒng)誤差，即采用重力似大地水準(zhǔn)面+常數(shù)（0.190m）的方法得到該區(qū)域似大地水準(zhǔn)面。

五、結(jié)論

（一）GNSS觀測結(jié)果分析

完成22個(gè)GNSS點(diǎn)的數(shù)據(jù)處理，其中南北分量的中誤差平均值為±1.0mm，最大值為±1.1mm；東西分量的中誤差平均值為±1.3mm，最大值為±1.4mm；高程分量的中誤差平均值為±3.5mm，最大值為±4.3mm。相鄰點(diǎn)基線南北分量的中誤差平均值為±1.0mm，最大值為±1.2mm；東西分量的中誤差平均值為±1.0mm，最大值為±1.2mm；垂直分量的中誤差平均值為±4.0m，最大值為±5.3mm。基線相對中誤差平均值為1.80×10-8，最大值為 8.78×10-7。

利用20個(gè)重合點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)，采用Bursa七參數(shù)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模型，將GNSS點(diǎn)2000系成果轉(zhuǎn)換為80系坐標(biāo)系成果。其中坐標(biāo)轉(zhuǎn)換精度：X方向精度為±0.211m，Y方向精度為±0.220m，平面精度為±0.305m。

（二）水準(zhǔn)面擬合結(jié)果分析

似大地水準(zhǔn)面精化綜合利用了常規(guī)大地測量、衛(wèi)星大地測量、現(xiàn)代地球重力場確定理論與方法，詳細(xì)分析了GNSS水準(zhǔn)數(shù)據(jù)現(xiàn)勢性，充分發(fā)揮了GNSS水準(zhǔn)點(diǎn)對區(qū)域似大地水準(zhǔn)面的作用。最終巴丹吉林沙漠必魯圖峰似大地水準(zhǔn)面模型的內(nèi)符合精度為±4.1cm，空點(diǎn)檢核精度為±5.2cm。