包头市高精度三维GPS控制网的建立及应用前景

戴利国　马南　丁毅

摘要：本文主要阐述了包头市高精度三维GPS控制网的建立及应用前景。

关键词：高精度三维GPS控制网 基线解算 三维网平差

1 前言

随着网络技术、计算机技术、无线通讯技术近年来迅猛发展，大量数据实时传输和处理成为可能，一种高效、实时高精度定位方式——高精度三维GPS控制网系统应用而生。包头市高精度三维GPS控制网项目是根据当前GPS技术的发展现状及包头市信息化建设的迫切需要，由包头市测绘院联合武汉大学测绘学院共同承担的“十一五”基础测绘项目。该项目的完成和应用极大地提高了基础控制测量的作业效率，改变了传统GPS RTK的作业模式，为建立包头市地理空间基础框架奠定了基础，具有广泛的应用前景。

2 包头市高精度三维GPS控制网建立的主要目标

2.1建立包头市统一的高精度坐标控制基本框架。

2.2首次建立与2000国家大地坐标系统（CGCS2000）相一致的包头市高精度地心参考框架，构成包头新一代“国家空间数据基础设施（NSDI）”的框架设施，为包头市信息化建设提供基础保障。

2.3获取包头市各平面坐标系下的高精度平面坐标，为城市坐标系统向地心基准转变提供技术准备。

3 包头市高精度三维GPS控制网数据处理的内容

3.1高精度GPS控制网的基线处理，主要包括：数据整理、基线处理与基线检核等。

3.1.1数据整理是进行基线解算之前的一项重要工作，主要包括以下几项工作：

a 清查框架点编号。

b 根据所用计算软件的要求，列出并仔细检查天线高的量测方法及天线类型。

c 为了软件基线处理的方便，数据处理前，应将接收机采集的原始数据按要求进行格式转换。

d 下载所选取的全球站数据及精密星历，并对全球站坐标进行框架及历元改算。

3.1.2基线处理

基线处理采用双观测值解算，正确修改观测数据中的跳周和删除大残差观测值的数据。对于质量差的站进行人工数据编辑。数据编辑工作完成后，生成干净的观测数据文件，用于每时段基线解算。

3.1.3基线检核

重复各时段解向量的重复性反映了基线解的内部精度，是衡量基线解质量的一个重要指标，其定义为：R=nn+li=lnci-c δ i22i=lnl δ i2 12

式中：ci是各时段解基线的各分量，δ i2是相应分量的协方差，c为相应基线分量的加权平均值，R为相应的重复性。

3.2CGCS2000坐标系下的三维网平差

三维网平差包括三维无约束平差和三维约束平差。三维无约束平差的目的主要有以下三个方面：一是进行初差分析；二是调整观测量的协方差分量因子；三是对整体网的内部精度进行检验和评估。三维约束平差的目的是将全面网重新作为整体平差。将全面网的所有独立基线向量及其经调整后的协方差阵作为观测量，平差时为消除星历和网的传递误差引起的整网在尺度和方向上的系统偏差，应对全面网加一个尺度和三个转换参数。

3.3平面直角坐标系下的二维网平差

为了保证C级网与包头平面坐标系统的融合，需联测1954年北京坐标系、1980年西安坐标系、包头53独立坐标系和包头97独立坐标系控制点。为了保证成果的精度，需对所联测的1954年北京坐标系、1980年西安坐标系、包头53独立坐标系和包头97独立坐标系控制点成果的兼容性进行检核，检核采用剔点法和加点法。

3.3.1剔点法的基本思路：

a 利用所有控制点的CGCS2000成果和54/80成果，采用四参数模型，求WGS84坐标到1954年北京坐标系、1980年西安坐标系、包头53独立坐标系和包头97独立坐标系的转换参数。

b 利用所求得的转换参数将参与求转换参数点的CGCS2000坐标转换到1954年北京坐标、1980年西安坐标、包头53独立坐标和包头97独立坐标。

c 求转换所得的1954年北京坐标、1980年西安坐标、包头53独立坐标和包头97独立坐标与已知的1954年北京坐标、1980年西安坐标、包头53独立坐标和包头97独立坐标的残差。

d 剔除残差最大的点，重新执行a.b.c步骤，直到所有参与求转换参数点的点位残差小于2cm。

3.3.2剔点法的基本思路：

a 找出可靠性最好的两个点，利用四参数模型求CGCS2000坐标到1954年北京坐标系、1980年西安坐标系、包头53独立坐标系和包头97独立坐标系的转换参数。

b 利用所求得的转换参数将所有控制点的CGCS2000坐标转换到1954年北京坐标、1980年西安坐标、包头53独立坐标和包头97独立坐标。

c 求转换所得的1954年北京坐标、1980年西安坐标、包头53独立坐标和包头97独立坐标与已知的1954年北京坐标、1980年西安坐标、包头53独立坐标和包头97独立坐标的残差。

d 找出残差最小的点，加入求转换参数的中点，重新执行a.b.c步骤，直到所有参与求转换参数点的点位残差小于2cm。

4 结果与分析

包头市高精度三维GPS控制网布设均匀，结构合理，数据处理模型严密，综合了多种精密数据处理技术，获得了精度很高的结果。GPS网的三维约束平差结果建立了包头市在CGCS2000坐标系统下的三维地心坐标基准。通过整体平差，求出了GPS控制点的1954年北京坐标系、1980年西安坐标系、包头53独立坐标系和包头97独立坐标系坐标。高精度控制坐标点为今后基础测绘基准的最终建立提供科学的依据，也为高精度、高分辨率似大地水准面的建立提供均匀、可靠和精确的数据。

5 应用前景

5.1可降水汽预报的应用

目前气象上获取水汽资料主要依赖常规的探空站网，对于尺度很小或在两次观察间隔期间内快速生成、发展、消亡的暴雨等灾害天气，常规方法根本无法观测到。应用高精度三维GPS控制网可以提供全方位的可降水汽的变化信息，分辨率可从传统的12小时采样一次提高到30分钟一次，从而能提供更早、更准、更细的短期天气预报。

5.2防灾减灾的应用

地壳运动是一个缓慢的、微小的变化过程。以往应用常规大地测量方法对地壳运动进行监测，经过长期艰苦的努力，最后的测量成果在精度、连续性和覆盖范围方面都难以取得令人满意的结果。高精度三维GPS控制网的建立，从根本上突破了常规大地测量的局限性，使测定各种尺度、各种时间分辨率地壳运动以至准实时监测成为可能。这种技术已被世间上许多国家和地区用来监测火山地震、构造地震和板块运动的重要方法。

5.3水利建设的应用

高精度三维GPS控制网可为水利建设提供高精度、实时、动态、可靠的数据源，如对水库大坝形变进行监测。水库由于所蓄水的重压可能使大坝产生形变，为了大坝的安全，水利部门需要对大坝的形变进行连续而精密的监测。利用高精度三维GPS控制网，可在远离大坝体的适当位置选择一参考站，并在大坝形变区域选择若干监测点，分在参考站和监测点上分别安置GPS接收机，进行连续自动观测，实时地将监测数据传送到数据处理中心，以进行处理和分析，从而实现对水库大坝的实时监测。

5.4交通管理和智能交通的应用

自20世纪90年代以来，电子信息技术越来越多地应用到交通运输领域，并逐渐形成一个崭新的工程领域——智能运输系统。ITS采用先进的电子、信息、通信等高新技术，对传统的交通运输系统及管理体制进行改造，从而形成一种信息化、智能化、社会化的新型现代交通系统。发展ITS所需的主要技术包括：互联网技术、GPS技术、GIS技术、信息自动采集技术、航位推算技术、智能信号控制技术、信息系统集成技术和网络软件技术等，其核心部分就GPS技术。21世纪，以GPS为基础的道路引导/车辆导航系统已成为最大的ITS用户市场，该系统将有更多机会开辟新的更为广阔的市场。

5.5农林领域中的应用

5.5.1精细农业的应用

农业生产中增加产量和提高效益是根本目的。要达到增产高效的目的，除了种植高产作物，加强田间管理技术措施，弄清土壤性质，监测农作物产量、分布，合理施肥及喷洒农药等也是农业生产中重要的管理技术。利用GPS技术，配合遥感技术（RS）和地理信息系统（GIS），就能够做到监测农作物产量及分布，分析土壤成分，做到合理施肥、播种和喷洒农药，降低成本，达到增加产量提高效益的目的。

5.5.2林业的应用

将GPS测量技术应用在林业工作中，能够快速、高效、准确地提供点、线、面要素的坐标，完成森林调查与管理中各种境界线的勘测测绘与放样定界，成为森林资源调查与动态监测的有力工具。同时，在确定林区面积，估算木材量，计算可采伐森林面积，对森林火灾周边测量，寻找水源等方面发挥重要的作用。

6 结束语

地理信息是人们认识世界、利用自然不可缺少的媒介，是经济社会发展的基础性、战略性资源。包头市高精度三维GPS控制网是包头市地理空间基础框架工程的重要组成部分，也是包头市地理空间基础框架数据的基础。包头市高精度三维GPS控制网的建立，将大大提高测绘生产效率，加快基础地理信息数据的更新速度，同时在气象、水利、交通、国土资源管理、农林、生态环境保护、防灾减灾、及科学研究等方面的具有广泛的应用前景。