泰順縣GPS基礎控制網布設與數據處理

高起月

(泰順縣測繪大隊，浙江 溫州 325500)

1 引言

浙江省泰順縣地處浙閩交界，東南鄰福建省的福鼎、柘榮，西南接福安、壽寧，西北靠浙江的景寧，東北毗文成，是溫州地區最南端的山區縣。素有“九山半水半分田”之稱。地勢從西北向東南傾斜，為洞宮山脈和南雁蕩山之延伸，境內層巒疊嶂，綿亙起伏，千米以上山峰179座，其中浙南第一高峰白云尖海拔 1 611 m。泰順是全國生態示范縣，中國廊橋之鄉、茶葉之鄉、小水電之鄉。是浙江生態第一縣。水利、森林、旅游資源豐富，被譽為溫州后花園。

泰順縣政府緊密圍繞科學發展觀，堅持生態立縣，推動綠色崛起，建設“三生融合幸福泰順”。為加快全縣信息化建設和新農村建設步伐，滿足泰順經濟建設發展和“數字泰順”的需要。在充分利用縣內原有省C級網點和1990年代后期布設D級GPS網點的基礎上進行聯測加密，建立泰順縣GPS基礎控制網。

泰順縣作為溫州市的重要組成部分，為實現“建設大都市框架”的目標，做好泰順控制網與溫州控制網相連接，使其融入溫州大框架，為“溫州市衛星定位綜合服務系統”和“數字溫州”的建設打下基礎。

2 GPS基礎控制網布設

2.1 分級布網

為了有效提高作業效率，增強圖形層次結構，將全網結構布設呈三角形網。GPS基礎控制網采用分級布設的原則，即先在全縣范圍內布設三等GPS網，然后在三等網下加密四等GPS網。

根據全縣交通狀況和地形特征以及保證所布設的點位可利用性。GPS基礎控制網共布設三等GPS點41個(省C級點7個，溫州市衛星定位綜合服務系統基準站2座)，定位測量框架點6點。平均邊長約8.1 km，分布在全縣各鄉鎮，點位分布基本均勻，可以滿足今后城鎮及新農村建設對平面控制點的需求。整個控制面積達 1 500 km2以上。同時，在三等GPS網中選擇6個能較好地控制全網的定位測量框架點與國家網進行聯測，還與溫州基礎控制網進行連接。泰順縣基礎控制網布設如圖1所示。

圖1 泰順縣基礎控制網示意圖

2.2 選點埋石

在實地踏勘選點時根據規范和設計書的要求嚴格執行。一般地區點位盡量選在交通方便，易于長期保存，便于尋找，地質條件較好，利于安全作業的位置上;城區內選擇利于保存，視野相對開闊，能夠安全作業的廣場、操場、公共建筑場地等處。由于泰順縣地處山區，為考慮點位的有利使用和GPS網的布網特點，選點時對點位的通視不作要求，所有GPS點均采用現澆混凝土埋設，以 0.8 m×0.8 m×0.8 m(巖石上的點例外)規格按單層標志埋設，同時設立警示樁或警示牌并繪制點之記。

3 控制網施測

泰順縣GPS基礎控制網測繪項目依據城市測量規范(CJJ8－99)、全球定位系統城市測量技術規范(CJJ73－97)、國家三、四等水準測量規范(GB/12898－2009)、測繪技術設計規定(GH1004－2005)、測繪技術總結編寫規定(GH1001－2005)、測繪成果質量檢查與驗收(GB/T24356－2009)等規范。

布設GPS基礎控制網在選點、埋石、儀器檢驗等均按照國家規范、標準執行。同時在GPS控制網測量時應滿足:

(1)衛星截止高度角≥15°;

(2)同步觀測健康衛星數≥4顆;

(3)同步觀測儀器臺數≥4臺;

(4)幾何圖形強度因子PDOP≤6;

(5)觀測時段長度框架≥6 h，三等≥90 min;

(6)數據采樣率間隔:15 s;

(7)天線對中精度≤3 mm。

根據GPS衛星的可見預報圖和幾何圖形強度(空間位置因子PDOP)，選取最佳觀測時段(接收衛星多于4顆，且分布均勻、PDOP值小于6)，并編排作業調度表。采用邊連接和網連接相結合的方式，具有幾何強度大和輔助觀測校驗多等優點。利用10臺套TRIMBLE系列的雙頻 GPS接收機(4臺 R6－2，3臺5800Ⅱ，2臺R6，1臺R8－2)進行觀測。觀測時將所有待測點和已知點連成一個整網。共觀測11個時段，GPS控制點102站次，平均重復上站率為2.2，高于三等平均上站率≥2的規范要求。

4 數據處理

4.1 坐標系統選擇與利用

泰順縣地理坐標為東經 119°37'～120°15'，北緯27°17'～ 27°50'，120°子午線位于測區的中間偏西，當選擇120°為中央子午線的3°帶為投影面時，測區東西邊離中央子午線最遠的距離分別為 24.7 km和37.9 km，由此產生的高斯投影改正東西向最大分別為 0.75 cm/km、1.77 cm/km，其變形值低于城市測量規范規定的不超過 2.5 cm/km的要求。泰順地處山區，各地高程差值很大，當確定某一高程面為投影基準時，不同的高程值所產生的高程歸化值相差甚大，高程歸化改正公式為△S=－·S，綜合考慮高斯投影改正和高程歸化改正的共同影響，每千米長度的變形值為:△S=。

對于泰順縣典型的山區縣，整個控制網的△S不可能都滿足小于 2.5 cm/km的投影變形，有些地區嚴重超出規范要求。合理的投影基準和中央子午線成為本控制網的關鍵，36個鄉鎮高程分布情況如表1所示。

泰順縣鄉鎮高程分布情況表 表1

針對泰順縣這種特殊的山區地形，我們采用顧及主要城鎮的規劃建設項目對測量精度的需求，次要鄉鎮可考慮在實際測量工作中加入投影改正數來減小投影變形誤差的作法。對于不同的工程建設項目也根據實際的精度需求，對提供的控制成果通過需求分析后加以利用。

隨著“大都市框架”的戰略的實施和“數字城市”的深入發展，泰順縣作為溫州整體的有機部分來統一規劃發展，作為基礎控制網也應該與溫州控制網建立聯系。因此，在溫州基礎控制網下進行WGS－84坐標系在1997和2000兩種框架下坐標計算，同時進行了在溫州城市坐標系的坐標計算。利用省C級點和框架網點的1954年北京坐標和1980西安坐標進行約束平差，獲得該控制網的1954年北京坐標系坐標和1980西安坐標系坐標兩套成果，通過與溫州基礎網的聯測，在框架網下計算出一套溫州城市坐標系統下的坐標，作為泰順縣今后一切測量工作的基礎。

4.2 基線解算

GPS三等網基線解算采用美國Trimble TGO1.03軟件。綜合各方面因素相應取舍基線，最后形成全測區的基線網，并在此基礎上精確處理各條基線，使基線網的各閉合差均能滿足規程要求。施測的框架網平均邊長 35.2 km，三等GPS網其平均邊長 8.1 km。基線網各獨立環的閉合差均在限差1/2之內。基線網各獨立環的閉合差推理統計如表2、表3所示。

框架環閉合差進度統計表 表2

三等網環閉合差精度統計表 表3

異步環閉合差是衡量GPS網外業觀測數據質量最重要指標，從以上統計結果可知，其觀測數據質量優良，觀測中不含粗差觀測值，所有的基線可供內業平差之用。

4.3 平差計算

當所有基線的同步環、異步環、重復邊長等情況完全滿足規范要求下進行GPS網的平差計算，平差軟件采用武漢大學科傻GPS數據處理系統軟件(COSA)進行計算。

本次基礎控制網分別在WGS－84，1954年北京坐標系，1980西安坐標系，溫州城市坐標系以及在北京54橢球下以大地水準面和 450 m水準面為投影參考面的坐標系下進行嚴密平差。WGS－84坐標分別在1997框架和2000框架下進行計算。1954年北京坐標和1980西安坐標可直接利用省C級點與溫州市二等點聯測的已知點進行約束平差求得。

(1)無約束平差

在WGS－84坐標系下對全網進行三維無約束平差。平差結果精度為:最弱點中誤差為±2.27 cm，最弱邊相對中誤差為 1/483 000，結果表明，所選基線向量改正數大小和分布正常，無粗差觀測值，GPS網內符合精度較高，其主要平差結果精度統計如表4、表5、表6所示。

三等網三維無約束平差基線向量改正數精度統計表 表4

三等網三維無約束平差邊長精度統計表 表5

三等網三維無約束平差點位誤差精度統計表 表6

(2)約束平差

在無約束平差的基礎上，在WGS－84坐標系下進行約束平差，三等網三維約束平差基線向量改正數較小，分布正常。平差結果精度為:最弱點中誤差為±2.92 cm，最弱邊相對中誤差為 1/357 000，結果表明GPS約束平差達到了較高的精度。

5 結語

泰順縣GPS基礎控制網作為今后“數字泰順”建設最基礎的空間框架數據以及工程測量、地下測量、地籍測量、房產測量等基礎測繪的基準數據。應本著高起點。高標準和“百年大計、質量為本”的方針，充分考慮了泰順典型的山區地貌特征和地理位置，整個控制網不可能都滿足都小于2.5 cm/km的投影變形，有些地區嚴重超出規范要求。合理的投影基準和中央子午線成為本控制網的關鍵。通過高斯投影改正和高程歸化改正對長度變形的共同影響分析計算，選擇了泰順縣最為有利的坐標系統進行施測。保證每個測站的同步觀測時間，原始記錄格式達到規范要求。全網圖形結構合理，可靠性高，GPS基線、同步環、異步環各項平差精度均達到了設計和相關規范的要求。特別是選點、埋石選在交通便利、易長期保存、地質條件好且利于安全作業位置，視野相對開闊，采用現場澆筑為主，以 0.8 m×0.8 m×0.8 m規格按單層標志埋設，保證點位長期穩定。

采用了溫州市城市控制網框架點、省C級點、衛星定位綜合服務系統基準站作為起算數據，為實現全市基礎測繪坐標系統的統一，實現溫州市測繪成果共建共享，加速“數字溫州”和“數字泰順”的進程打下了扎實的基礎。

［1］孔祥元，郭際明，劉宗全編.大地測量學［M］.武漢:武漢大學出版社，2001

［2］劉基余.GPS衛星導航定位原理與方法［M］.北京:科學出版社，2003

［3］GJJ73－1997.全球定位系統城市測量技術規程［S］.

［4］CJJ8－99.城市測量規范［S］.

［5］李曠建，李春紅.GPS在建立及改造城市控制網中應用的若干問題［J］.城市勘測，2005(1)