粤港澳大湾区大地基准和高程基准的统一

邓思胜，宋传峰，陈 敬，侯 雪

（1. 广东省国土资源测绘院，广东 广州 510500；2. 武汉大学卫星导航定位技术研究中心，湖北 武汉 430079）

测绘基准作为获取空间信息的基础设施，是为进行测绘工作所确定和建立的各类起算点、起算面及其相应参数的总称[1-3]。现代测绘基准包括大地坐标基准和高程基准等[4]。我国20 世纪建立的测绘基准曾为我国的国家发展和安全做出了重要贡献[5]。进入21 世纪后，各地逐步开启了现代化测绘基准建设道路[6-8]，主要包括建立CORS 站和实施区域似大地水准面精化[9]。

2019 年国家发布了《粤港澳大湾区发展规划纲要》，支持香港、澳门与内地融合发展；但由于历史因素，粤、港、澳三地建立的测绘基准不尽相同[10-14]，这将导致覆盖港澳的相关重大工程和科学项目难以实施，阻碍粤港澳协同发展。因此，广东省准确把握规划纲要重点任务，组织并实施了粤港澳大湾区测绘基准建设项目。该项目收集并处理了大湾区内广州、深圳、珠海、佛山、惠州、东莞、中山、江门等8个地市原有的920个、国家现代测绘基准工程一期18个和港珠澳大桥工程建立的16个GNSS水准点；通过在空白区域——肇庆市布测二等水准路线840 km，并联测全域内GNSS-B级点123个，实现了大湾区GNSS水准点的全覆盖。基于GNSS 水准点，以国家现代测绘基准工程一期GNSS水准点为主，采用23 441个重力数据点计算确定了总覆盖面积6.7 万km2、陆海一体、高精度的粤港澳大湾区似大地水准面模型，统一了大湾区的大地坐标基准和高程基准；同时建立了大湾区成果与港、澳以及8 个地市原有成果的多向转换关系，有利于新旧测绘成果的融合利用。

本文简要回顾了大湾区各地市以及港、澳的测绘基准现状，介绍了粤港澳大湾区测绘基准建设与统一的技术思路，并对其成果应用方式进行了探讨，旨在为成果使用提供实际应用参考。该项目的技术思路对相关工程的实施也具有一定的借鉴意义。

1 粤港澳大湾区原有测绘基准现状

本文在项目实施前收集了大湾区9 个地市和港澳地区的测绘基准现状，并简要介绍了国家现代测绘基准工程一期以及港珠澳大桥工程所采用测绘基准的基本情况，如表1 所示，可以看出，各地市和港澳地区的大地基准、高程基准不尽相同、建设年代各异；肇庆市没有可用的二等水准资料。通过基准兼容性分析可知，采用相同大地坐标系统和高程系统的广州、深圳、珠海、佛山、惠州、东莞、中山、江门等地市在相邻城市交界处的大地坐标差异可达3~6 cm，水准高程差异可达2~7 cm；而采用不同大地坐标系统和高程系统的城市存在更大的系统误差。大湾区大地基准和高程基准的不统一严重阻碍了相关工程和科学项目的实施，不利于粤港澳大湾区协同发展。因此，粤港澳大湾区测绘基准建设与统一项目的实施势在必行。

表1 大湾区原有测绘基准情况统计

2 粤港澳大湾区测绘基准建设与统一

本项目的建设内容主要包括大地基准的建设与统一、高程基准的建设与统一以及新旧基准转换关系的建立。

2.1 总体技术路线

国家现代测绘基准工程一期建设的测绘基准体系是由国家组织实施建设的、全国性的、具有较高精度和现势性的现代测绘基准体系[3]。本项目的目标是将大湾区原有基准统一到与国家一致的测绘基准体系上来。其总体技术路线如图1所示。

图1 总体技术路线图

2.2 大地基准建设

粤港澳大湾区大地基准由本次布设的CORS 网和GNSS-B 联测网的大地成果、各地市原有GNSS点位成果、国家现代测绘基准工程一期以及港珠澳大桥工程的GNSS 点位成果共同构成。CORS 网共选取130 个CORS站，其中广东113个、香港15个、澳门2个。

首先选取分布均匀、具有与国家成果相一致的部分CORS站作为起算，获取全部CORS站、GNSS-B联测网点的大地坐标，称为新大地基准；再以这些站点为起算，分区获取新大地基准下各地市原有GNSS 点位成果和港珠澳大桥工程的GNSS 点位成果，以此实现大湾区大地基准的统一。

新布测GNSS 网的基线解算采用GAMIT 软件。由于该软件仅支持单系统数据解算，暂未支持多系统组合解，且GNSS-B 级联测网的部分站点也仅能跟踪GPS 信号，因此本项目仅处理了GPS 的观测数据。数据处理时，引入了BJFS、CHAN、WUHN、LHAZ、URUM、USUD、KIT3、POL2、SUWN 九个全球跟踪站作为基线解算的坐标约束基准，并将GNSS 控制网划分为南、北两个子网，子网与子网之间通过均匀分布的13 个CORS 站进行连接，站点分布如图2 所示。CORS网和GNSS-B级联测网的基线解算相对精度均达到了10-9，所有同步时段的NRMS 值均小于0.2。由此可知，本次基线解算精度较好。

图2 CORS网和GNSS-B联测网点位示意图

网平差采用GLOBK 软件。整体平差得到的CGCS2000 框架下GNSS-B 联测网、CORS 网点位精度如表2、3所示。分区平差地市原有以及港珠澳大桥工程的GNSS网时，则直接利用原有的H文件。

表2 GNSS-B联测网点位精度中误差统计/m

表3 CORS网点位精度中误差统计/m

2.3 高程基准建设

粤港澳大湾区高程基准的统一体现在高精度似大地水准面模型的建立上；通过在空白区域——肇庆市布测二等水准路线，实现了大湾区全域GNSS 水准点的覆盖。这些点位的大地基准已通过CORS网和GNSS联测实现了统一，但高程基准间仍存在系统差异，不能作为似大地水准面精化的控制点。由于国家现代测绘基准工程一期的GNSS 水准点具有与国家相一致的水准和GNSS 成果，且在项目范围内均匀分布，因此项目以该类GNSS 水准点为主，综合利用相关地形数据、卫星测高数据、数字高程模型（DEM）数据和重力测量数据建立了粤港澳大湾区似大地水准面模型，如图3所示。

图3 2＇×2＇GNSS重力似大地水准面/m

通过18 个GNSS 水准点对大湾区重力似大地水准面模型进行精度评价发现，模型精度为0.014 m，经GNSS 水准点与重力似大地水准面拟合后的格网水准面模型的精度为0.010 m（内符合）。由665 个检验点的精度检验可知，模型整体外符合精度为0.017 2 m，检验点来源于广州、深圳、珠海、佛山、惠州、东莞、中山、江门、肇庆等广东省9 个地市，香港、澳门地区以及港珠澳大桥项目的原有GNSS 水准点，检验时已移除系统偏差。通过107个香港GNSS水准点和16 个澳门GNSS 水准点对模型进行精度检验发现，整体点位高程中误差分别为±0.022 m 和±0.018 3 m。项目选取江门市范围的92 个GNSS-B、C 级点，经实测GNSS 参与应用精度检验，结果表明，检验点残差最大值为0.055 3 m，最小值为-0.043 7 m，RMS 值为0.019 2 m。由此可知，本项目建立的大湾区似大地水准面模型正确可靠、在广东省9 个地市以及香港、澳门地区均具有较高的精度。

2.4 新旧基准转换

为实现新旧测绘成果的融合利用，本项目分别建立了新大地基准、新高程基准（似大地水准面模型）与原有各地市、香港、澳门以及港珠澳大桥工程的大地基准与高程基准的转换关系。大地基准转换主要通过布尔莎七参数模型求取两种坐标系间的坐标转换参数[15]；高程基准转换主要求取由模型计算的GNSS 水准点高程与原有高程之间的常数偏差。港澳地区大地基准和高程基准转换参数的精度统计如表4、5所示。

表4 不同坐标系间转换残差的RMS值

表5 不同高程基准转换参数的精度统计

3 成果应用方式探讨

本项目建立了大湾区统一的大地基准和高程基准以及与原有基准的转换关系。大地基准由大湾区范围内GNSS 控制点的大地坐标体现，高程基准由高精度似大地水准面模型体现，基准转换关系则包括新旧基准的坐标转换参数和高程转换参数。

项目成果应用包括直接法与间接法两种方式，其中直接法是指通过联测部分GNSS 控制点获取未知点的新大地基准坐标，或通过GDCORS 服务系统[16]实时动态获取未知点在新大地基准下的坐标，再利用似大地水准面模型获取未知点的高程值；间接法是指在获取原有基准框架下的坐标或高程值后，利用本项目的转换参数获取大湾区统一框架下的坐标和高程值。

4 结 语

粤港澳大湾区测绘基准建设项目充分利用了已有测绘成果资料，采用现代大地测量技术和方法，精化了大湾区陆地全域以及邻近海域的似大地水准面模型，建立了大湾区统一的、与国家基准一致的、高精度的三维大地基准，并通过粤港澳大湾区似大地水准面模型延伸到高程基准、深度基准、重力基准的统一，为下一步全面更新提升广东全省似大地水准面模型精度，延伸扩展服务区域，开展全省陆海统一空间定位基准框架建设积累经验。

1）基于粤港澳CORS 站实现了大地基准的统一，实现了2000 国家大地坐标系、香港大地坐标系（ITRF96 框架）和澳门大地坐标系（ITRF2005 框架）之间坐标框架的严密转换，有利于统一基准的维持和更新。

2）通过新建立的似大地水准面模型实现了粤港澳大湾区高程基准的统一，确定了1985 国家高程基准、香港高程基准面和澳门特别行政区平均海平面高程之间的准确转换关系，为结合GNSS 技术实时获得厘米级高程测量结果奠定了基础。

3）可利用GDCORS 坐标基准实时服务平台实现项目成果与GDCORS的融合应用，进一步提升粤港澳大湾区卫星定位服务平面和高程应用的精度，为粤港澳大湾区发布基于统一基准、地方格网坐标和高程的网络RTK实时定位服务做好充分准备。