广东省航道高精度三维控制网建立方法与实现

2014-09-29徐天

地理空间信息 2014年4期

徐天

（1.广东省国土资源测绘院，广东广州 510500）

随着航道事业的不断发展，航道测绘工作也越来越显出其重要性[1-3]。利用现代测绘技术高效优质地完成航道系统控制网的测量任务，可确保航道测绘成果的精度，取得较好的社会经济效益[4,5]。广东省航道平高控制测量是广东省航道支持保障系统中非常重要的基础性工作。为确保航道测绘成果的精度，建立广东省航道系统三维高精度控制网，具有十分重要的现实意义。本文详细探讨了高精度航道三维控制网的建立方法及解算。

1 三维控制网的建立

1.1 工程概况

广东省航道高精度三维控制网充分考虑了广东省航道规划和航道发展对高等级测量控制点的需求，同时兼顾了航道等级与水位站的选址相衔接。首级控制网GPS-B级网共布设55个点；GPS-D级网是在GPS-B级框架网控制下加密的全面网，共布设475个点；三等水准网是在国家一、二等水准网的基础上进一步加密，共布设169个点。

1.2 高精度三维控制网的布设

1.2.1 平面控制网

平面控制网按《全球定位系统（GPS）测量规范》，分别参照B、D级网的标准进行布设。考虑到工程的实际需要，进行几点补充：

1）布设过程中充分考虑点位周围障碍物情况，GPS-B级点障碍物水平投影情况如图1所示。55个GPS-B级点的点位中，有47个高度角小于15°，不存在障碍物，占GPS-B级点总数的85.5%；8个高度角大于等于15°，存在障碍物，占GPS-B级点总数的14.5%，GPS-B级点周围障碍物对点位卫星信号接收的影响有限。

2）GPS-D级点的布设位置考虑了航道规划和航道发展对高等级测量控制点的需求，对Ⅳ级以上（包括Ⅳ级）的内河航道进行布设，其他重要且运量较大的沿海航道和Ⅴ级、Ⅵ级内河航道则斟酌考虑进行布设，兼顾航道定级与水位站的选址。

3）GPS-D级网布设面积大，点数众多，控制点分布呈窄条带状，采取分区布设，具体划分为：以西、北江及珠江三角洲航道控制网为第一子网，东江三角洲为第二子网，粤东为第三子网，粤西为第四子网。各子网的划分如图1，点布设数量统计情况如图2所示。

1.2.2 高程控制网

三等水准网是在国家一、二等水准网的基础上进一步加密，以附合路线、闭合环与结点网的形式布设在Ⅳ级以上的内河航道、运量较大的重要沿海航道和Ⅴ级、Ⅵ级内河航道沿线。

由于水准点分布范围广、数量多，因此，将水准点路线（网）划分为西、北江及珠江三角洲航道子路线（网）、东江三角洲航道子路线（网）、粤东航道子路线、粤西航道子路线4个子路线（网）进行布设。各子路线（网）划分范围见图3，点位布设位置见图4，共布设13条单独附合水准路线和4个水准子网。

1.3 三维控制网的施测

1.3.1 仪器装备

GPS-B级网观测使用26台LEICA双频GPS接收机，其中，LEICA 520接收机12台、LEICA 530接收机2台，LEICA GX1230接收机9台，LEICA GX1230+接收机3台。

GPS-D级网观测采用8台LEICA 双频GPS接收机观测，其中，LEICA GPS500系列接收机4台，LEICA GPS1200系列接收机4台。

水准外业观测使用高精度电子水准仪8台，其中天宝DiNi系列3台、拓普康DL-111C系列1台、徕卡Sprinter系列4台。

1.3.2 采用的技术指标

GPS-B级网观测所采用的技术指标如下：观测卫星截止高度角为15°；同步观测有效卫星数≥4；有效观测卫星总数≥9；时段长≥240 min；数据采样率30 s；观测时段数≥4；时段中任一卫星有效观测时间≥15 min。

GPS-D级网观测所采用的技术指标如下：观测卫星截止高度角为15°；同时观测有效卫星数≥5；时段长≥45 min；数据采样率15 s；平均每点观测站次数≥1.6；PDOP值≤6。

水准外业测量严格依照《国家一、二等水准测量规范》(GB/T 12897-2006)及《国家三、四等水准测量规范》(GB 12898-91)施测。

2 GPS数据处理

本文以GPS-B级网的解算为例进行详细说明。采集到GPS观测数据后，首先进行分时段数据格式问题的检查，然后使用TEQC软件进行数据检核。数据处理分为基线解算、网平差及高程计算3步。

2.1 基线解算

2.1.1 解算设置

基线解算使用GAMIT软件进行，在解算前首先进行各项数据预处理工作，包括信息文件的生成、IGS精密星历的下载、表文件的更新等工作。

解算采用网解形式，主要设置项的参数为[6,7]：

Choice of Experiment = BASELINE

Type of Analysis = 1-ITER

Choice of Observable = LC_AUTCLN

Update tolerance = 0.3

Interval zen = 2

Number gradients = 1

Update tolerance = 0.3 m

Radiation model for ARC = BERNE

ystem for Orbit = ITR93

Inertial frame = J2000

基线解算时起算点为广东CORS基站，其中，广东CORS基站是按照GPS-A级点的标准进行布设，具有很高的精度。

2.1.2 基线检核

1）同步环。本网共计算了16个同步环，其nrms值均小于0.5，最大的为0.217（2009年年积日212观测）。表明该GPS网的整体外业观测质量高，基线解的精度好。

2）重复性。GPS-B级网整网的基线分量重复性在南北方向上优于2.3 mm+10-8，基线长度为2.5 mm+0.021×10-8，基线处理的精度达到了工程技术设计的要求。

3）异步环。该GPS-B级网共检核异步环28 680个。所有的异步环闭合差都小于《全球定位系统（GPS）测量规范》的要求，异步环闭合差值最大的是环号为671的重复基线，其相对中误差为0.85×10-6（1/1 176 471），X分量的闭合差为0.033 8 m，Y分量的闭合差为-0.065 8 m，Z分量的闭合差为-0.039 5 m，环闭合差为0.083 9 m，环闭合差的限差为0.141 1 m。

2.2 网平差

2.2.1 三维无约束平差

该GPS-B级控制网在WGS-84坐标系下进行三维无约束平差，计算结果反映了整个GPS控制网的内符合精度。表1为改正数区间个数统计。从表中可知，基线分量的改正数绝大部分较小，这说明观测质量好，基线解的精度高。

表1 改正数区间个数统计/m

2.2.2 三维约束平差

该GPS-B级控制网在ITRF93框架下和WGS 84坐标系下进行三维约束平差。

采用ITRF93（1996.365）框架下的三维约束平差结果：最弱基线相对中误差为2.80×10-6（1/357 143），边长为639.60 m（B003-GDRP）。最弱点为GD28，纬度方向精度为0.003 3 m，经度方向精度为0.003 7 m，大地高方向精度为0.029 2 m。

采用WGS 84坐标系下进行三维约束平差结果：最弱基线相对中误差为2.64×10-6（1/378 788），边长为639.60 m（B003-GDRP）。最弱点为GD28，纬度方向精度为0.003 1 m，经度方向精度为0.003 5 m，大地高方向精度为0.027 6 m。

通过上述精度统计报告可以得出，ITRF93框架和WGS-84坐标系的平差精度良好，成果满足GPS-B级网的要求。

2.2.3 1980西安坐标系下的约束平差

该GPS-B级控制网在1980西安坐标系下的约束平差使用PowerNet软件进行，已知成果共有7个国家一等三角点。在进行平差之前，首先对已知点的兼容性进行检验。检验方法为给已知点5 cm的松弛量，再进行松弛约束平差，平差结果与原成果的较差可以反映出已知点与其他点的兼容情况。首先对全部点进行松弛约束，松弛量5 cm，剔除成果与其他已知点不兼容的点，反复进行松弛约束平差继续比对分析，使已知点的残差均满足了小于2倍松弛量的要求，再进行平差。

平差结果为：最弱基线相对中误差为4.97×10-6（1/201 207），边长639.60 m（B003-GDRP）。坐标精度最弱为0.004 5 m。将平差得到的大地坐标投影到对应中央子午线的高斯平面上，得到B级网的1980西安坐标系成果。

2.2.4 2000国家大地坐标系下的约束平差

广东省航道平高控制测量GPS-B级控制网在2000国家大地坐标系下的约束平差使用PowerNet软件进行。采用已有成果的4个已知点进行约束平差。首先对已有的4个已知点进行检验，检验方法同样为给定松弛量进行松弛约束平差，再比对平差结果与原成果的较差，已有的4个点兼容性非常好，残差均小于1倍松弛量，因此可以将这4个点作为约束点进行约束平差。

平差结果为：最弱基线相对中误差1.89×10-6（1/529 101），边长639.60 m（B003-GDRP）。最弱点为B012，纬度方向精度为0.001 8 m，经度方向精度为0.001 9 m，大地高方向为0.012 7 m。

2.3 高程计算

广东省已于2005年完成全省似大地水准面的建立工作，确定了广东省分辨率为2′30″、精度为4.1 cm的大地水准模型及软件。本次使用ITRF93（历元1996.365）框架下的大地坐标成果进行内插计算，得到GPS-B级网点的正常高。

由上可知，GPS-B级控制网的解算结果良好。此外，该工程GPS-D级控制网的解算成果均符合《全球定位系统（GPS）测量规范》的要求。

3 三等水准数据分析

3.1 外业高差误差改正

1）水准标尺长度改正。根据水准测量测前、测中、测后3次检定的标尺每m分划间隔长度和测段高差计算出改正值。

2）正常水准面不平行改正。按照《国家三、四等水准测量规范》要求，根据各控制点的大地坐标（纬度）与控制点的近似高程计算出正常重力不平行改正值。

3.2 平差计算

航道控制网水准平差采用清华山维平差软件Nasew95在微机上以测站数定权, 用纯迭代平差法进行平差计算，迭代次数为3次。

本次水准网共采用了43个国家一、二等水准点作为本次平差计算的起算点，分4个水准子网与13条独立附合路线进行平差，计算出693个待定点的高程。

3.3 误差统计

测得的各水准子网的闭合差与限差的比值均小于1/2，其中，有26个闭合环和18条附合路线的比值小于1/3，占91.7%；1个闭合环和3附合路线的比值大于1/3且小于1/2，占8.3%。独立附合路线的闭合差与限差的比值均小于1/3。

各水准子网和独立附合路线的闭合差与限差的比值均小于50%，由此可知，三等水准测量具有很好的平差精度。

此外，三等水准测量联测了110个GPS-D级点。采用Power Adj 4.0软件，以经三等水准联测的GPS-D级控制点的水准高程作为起算数据, 建立测区的高程模型，采用附加地形改正的曲面拟合法计算其他GPS-D级控制点的正常高，拟合结果符合《全球定位系统（GPS）测量规范》的要求，确保了GPS-D级网高程拟合计算的精度。