太原市现代测绘基准的建立方法与实现

2010-09-28李峰

测绘通报 2010年8期

关键词：水准面太原市基准

李峰

(山西省工程测绘院,山西太原 030002)

太原市现代测绘基准的建立方法与实现

李峰

(山西省工程测绘院,山西太原 030002)

介绍太原市现代测绘基准的建立方案和实施过程,内容包括 GPS C级点建设,二、三等水准测量,大地水准面精化,TYCORS系统建设和太原市 2008城市独立坐标系的建立及应用等。

测绘基准;水准面精化;CORS系统;独立坐标系

一、引言

测绘基准是人类定义的能够描述地球自然、人文信息地理空间特征的参照系统。现代测绘基准基础设施建设是构建高精度、三维、地心、动态的,能满足信息化社会需要的测绘基准框架体系,由空间基准、平面基准、高程基准、重力基准组成。太原市原有的测绘基准是非地心、二维、低精度、静态的基准框架,在“数字太原”建设和地理空间数据的应用中,它所带来的不协调问题愈来愈多。太原市现代测绘基准通过现代大地测量技术手段建立,目标是与 2000国家大地坐标系相一致,实现多源数据的无缝衔接,保证地理空间数据的一致性、兼容性、完整性和可转换性,为太原市的信息化测绘体系建设服务。本文研究了太原市现代测绘基准建立的方法,并详细探讨了建立的内容。

二、太原市原有测绘基准状况

1.平面基准

太原市的坐标框架一直沿用 20世纪 50年代建立的城市独立坐标系,由于作业时间不同、作业单位不同、依据的起算数据不同等原因,历史上曾出现过几种不同的坐标系。同时,随着城市的不断扩张,坐标控制范围由几十平方千米逐渐发展到上千平方千米。太原市的坐标系统基本确定以后,主要经历过三次大的改造建设：1978年采用三等三角网观测方法,测量 42个三角点,城市控制范围 1 000余平方千米;1992年施测城市 GPS二等点 41个,城市控制范围延伸到清徐县城和榆次市边;2006年施测 GPS C级点 124个,控制范围覆盖太原市全境(含两市、三县)6 990 km2。

太原市原有的坐标系统经过几次改造,虽然控制点的精度有了很大的提高,但由于其坐标框架采用 1954北京坐标系的椭球参数,以市区中心一点为原点,中央子午线近似为 112°30′,投影面高程为0m,因此在城市中心区域,边长投影变形值达到12.6 cm/km左右,远远不能满足《城市测量规范》规定的小于 2.5 cm/km的要求,测量精度从根源上受到制约。

2.高程基准

太原市的高程基准为大沽高程基准,同样始建于 20世纪 50年代,由于建设年代久远,形成了自我封闭独立的城市高程体系,与周围城市和地区采用的 1985国家高程基准存在着衔接问题。

太原市城市及周边每年地下水抽取量较大,地面沉降较为严重,城市高程点数值变化较快,为此,太原市城市勘察测绘研究院定期进行城市二等水准联测,起始点为上兰村(城市北部基岩水准点)。

三、太原市 GPS C级点建设和城市大地水准面精化

1.GPS C级点建设

2006年,太原市 GPS C级点建设与山西省 GPS C级点建设同步进行、同网测量、同网数据处理。太原市全境布设 GPS C级点 124个,其中利用城市原有高等级控制点 16个,国家高等级控制点 6个,点位布设市区较密,市区外围分布基本均匀,相邻点距小于 10 km。选取的基准为：①空间基准：ITRF97、参考历元 2000.0(即 2000国家大地坐标系);②平面基准：2006太原市城市独立坐标系和1980西安坐标系;③高程基准：1985国家高程基准;④重力基准：2000国家重力基准。

采用与 GPS连续运行站联测的观测方法,即全省均匀建立 5个临时 GPS连续运行站(太原站为其中之一),每个 GPS C级点观测时间大于 8 h。平差精度为：GPS C级网相邻基线点水平分量测定精度平均值 ±3.9mm;相邻基线点垂直分量测定精度平均值 ±9.1mm;GPS C级网基线相对中误差平均值1.58×10-8。

2.二、三等水准测量

二、三等水准测量是与 GPS C级点测量结合进行的,目的是为城市大地水准面精化提供计算依据数据。该项工作仍与山西省二、三等水准测量任务合作进行,太原市施测二等水准 69.0 km,三等水准304.5 km。39个 GPS C级点联测三等水准。用各等级水准路线的高差不符值分别计算了各等级水准的每千米偶然中误差,二等为 ±0.72 mm,三等为±1.10mm,均满足限差要求。

3.城市大地水准面精化

太原市大地水准面精化模型是在山西省大地水准面精化模型中截取的,两者精度一致,中误差为 ±5.0 cm。

大地水准面精化的技术路线为：利用该区域内的重力测量资料、3″×3″分辨率数字高程模型、360阶次的国内外先进的重力场模型(WDM94、EG M96等),以及 GPS、水准测量成果,采用重力法 (Stokes、Molodensky原理)与移去-恢复技术完成该地区分辨率为 2.5′×2.5′的高精度似大地水准面。

四、太原市 2008城市独立坐标系的建立

1.原有坐标系统的过渡阶段

随着“数字太原”工作的大力推进和城市地理空间数据的广泛应用,迫切需要建立太原市空间基准体系及与其相对应的平面基准,目的是保证太原市原有测绘资料 (主要是大量的大比例尺地形图)作为过渡阶段成果,仍能正常提供使用。

根据以上原则,2006太原市城市独立坐标系的设计理念为：空间基准采用 2000国家大地坐标系,平面基准通过选取中央子午线、坐标原点 (坐标平移量)、长度缩放因子的手段,建立与原城市独立坐标系吻合的坐标系统(其差异情况见表 1)。

ITRF97坐标系与 2006太原独立坐标系的转换关系

表 1 2006太原独立坐标系成果与原城市独立坐标系成果的对比 m

2.太原市 2008城市独立坐标系统的建设方案

太原市 2008城市独立坐标系统建立的根本目的,是要满足市区边长投影变形值小于 2.5 cm/km的要求。

由于边长高程归化改正和高斯投影距离改正具有相互抵偿的地带,即

式中,σ为边长投影变形值;ΔHm为观测边的平均大地高与投影面的差值;R为地球平均曲率半径;Ym为该边两端点的平均横坐标。)取市区的平均高程面为投影面,平均经线为中央子午线,可得ΔHm= 0,Ym=0,此时,σ=0,基于此抵偿原理,太原市 2008城市独立坐标系统的设计方案为:空间基准采用2000国家大地坐标系,平面基准采用选取特定中央子午线、特定高程投影面、坐标原点 (坐标平移量)的模式。

3.太原市 2008城市独立坐标系统的应用

(1)适用范围

太原市(辖古交市、阳曲县、娄烦县、清徐县)地理环境独特,幅员辽阔。建成区东、西、北三面环山,南面为开阔的平原区,阳曲县县城位于其北部山区,古交市、娄烦县县城位于其西部山区,清徐县县城位于其南部平原。太原市 2008城市独立坐标系在上述县城中心区的边长投影变形值见表 2。

表2

由表 2可见,太原市 2008城市独立坐标系可以同时满足太原城区、古交市、阳曲县、娄烦县、清徐县城市独立坐标系统的建立要求。

在全国大、中城市中,使用一套城市独立坐标同时满足本身及周围所辖市、县的需要是十分困难的。太原市两市、三县城市独立坐标的一致性,保证了城市基础空间数据基准的统一,实现了各市、县基础空间数据的无缝连接。

(2)与其他坐标系统的转换

1)与 2006太原独立坐标系的转换关系为

上述转换是以 2000国家大地坐标为平台,经过改变投影面和中央子午线、坐标平移、长度缩放的方法得以实现。该转换的目的是解决与城市原有空间数据的衔接问题。

2)与 1980西安坐标系的转换关系为

TY2008与 CGCS2000之间的转换,采用高斯投影正、反算(特定投影面和中央子午线)加坐标平移的方法;CGCS2000与 X IAN80之间的转换,采用布尔沙模型(七参数转换法)。该转换的目的是解决与国家原有空间数据的衔接问题。

五、城市CORS系统的建设

太原市空间基准的确定,为 TYCORS系统建设提供了基准保障。

1.TYCORS系统的建设方案和过程

太原市全球导航卫星连续运行参考站网络服务系统(TYCORS)由 6个参考站 (太原站、阳曲站、清徐站、古交站、娄烦站和晋中站)组成,属于区域参考站网,平均站间距约 36.6 km,覆盖全太原市绝大部分,范围约为 7 000 km2。

TYCORS采用Leica GRX1200 GG双频 GPS接收机,系统软件是 Leica公司的 GNSS Spider 3.1.1版本,具有数据传送与存储、网络解算、数据分发等功能。参考站与系统控制中心通过 SDH光纤专线连接,系统控制中心开通了APN专用通道,与用户的通信采用 GPRS、GS M、CDMA等无线方式。系统的指标如表 3所示。

表3 TYCORS的指标

2.CORS系统的测试精度情况

为了检核站网设计的合理性以及有效覆盖范围、流动站在有效覆盖范围内所能达到的精度、系统稳定性和兼容性等技术指标,共有 9家相关单位的 10种型号 GPS接收机参与测试。测试内容主要包括：①系统坐标框架测定和精度评定;②系统连续、自动运行能力的测试;③控制中心系统对参考站的管理能力和数据处理能力;④系统的可用性测试;⑤流动站用户接收机测试;⑥流动站通信方式的可用性和性能测试;⑦流动站用户定位初始化时间、定位精度、时间延迟测试。

上述内容测试范围为太原市全境 6 990 km2,测试结果为系统实时动态定位精度在水平方向达到±(2～3)cm,高程方向达到 ±(3～5)cm,满足设计指标要求。