CORS與靜態(tài)相對定位技術(shù)下的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換研究

■高廣杰張孟磊

（1河南省有色金屬地質(zhì)礦產(chǎn)局河南鄭州450000；2北京山水環(huán)境科技股份有限公司北京100000）

CORS與靜態(tài)相對定位技術(shù)下的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換研究

■高廣杰1張孟磊2

（1河南省有色金屬地質(zhì)礦產(chǎn)局河南鄭州450000；2北京山水環(huán)境科技股份有限公司北京100000）

通過GNSS靜態(tài)控制網(wǎng)數(shù)據(jù)處理可以精確獲取區(qū)域CGCS2000與1980西安坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)、縮放參數(shù)，以及各點1980西安坐標(biāo)，采用CORS網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)多次且長時間的獨立觀測，可以獲取點位在CGCS2000坐標(biāo)系下較精確的三維空間直角坐標(biāo)，達(dá)到厘米級精度。通過利用CORS技術(shù)獲取控制網(wǎng)中部點位的較精確三維空間直角坐標(biāo)，采用三維無約束平差方法可以獲取其余各點在CGCS2000坐標(biāo)系下的三維空間直角坐標(biāo)，從而可以較準(zhǔn)確地計算出區(qū)域坐標(biāo)轉(zhuǎn)換平移參數(shù)。該方法得到的轉(zhuǎn)換成果能滿足工程區(qū)各類大比例尺地形圖測繪及普通工程放線等工作的要求。除此之外，利用該方法獲取1980西安坐標(biāo)系與CGCS2000坐標(biāo)系下的坐標(biāo)，通過四參數(shù)坐標(biāo)變換的方法，可以實現(xiàn)地方數(shù)字線劃圖從1980西安坐標(biāo)系到CGCS2000坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換，從而簡單、快捷地推進(jìn)CGCS2000坐標(biāo)系在相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用。

CORS CGCS2000 靜態(tài)相對定位 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

1　引言

由于GNSS定位技術(shù)的優(yōu)越性能，觀測受環(huán)境影響較小且相對定位精度可以達(dá)到10-7～10-8［1］，其在測繪領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。特別近年來國家大力推行CGCS2000［2］坐標(biāo)系與CORS定位系統(tǒng)，更是將衛(wèi)星定位推向一個新的高潮，隨之也帶來一些問題。由于現(xiàn)有大多數(shù)城市及地方采用的成果基于1954北京坐標(biāo)系或1980西安坐標(biāo)系，實現(xiàn)CGCS2000與地方坐標(biāo)系成果簡單且高精度的相互轉(zhuǎn)換已成為一個核心問題［3］。針對這種現(xiàn)狀，國內(nèi)已有不少學(xué)者作了相關(guān)方面的研究工作，如開發(fā)出CORS在線坐標(biāo)轉(zhuǎn)換服務(wù)軟件［4］、定制測區(qū)的CORS轉(zhuǎn)換參數(shù)［5］、建立高精度坐標(biāo)轉(zhuǎn)換格網(wǎng)模型［6］等。本文采用靜態(tài)相對定位及CORS技術(shù)，求取區(qū)域高精度坐標(biāo)轉(zhuǎn)換七參數(shù)，并通過工程驗證該方法的精度及可靠性，有效解決了區(qū)域CGCS2000與地方原有坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換參數(shù)獲取復(fù)雜的問題。

2　基于CORS的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換研究

2.1GNSS靜態(tài)相對定位數(shù)據(jù)處理

為了獲取相對精度較高的轉(zhuǎn)換參數(shù)，首先根據(jù)測區(qū)的面積及精度設(shè)計要求，布設(shè)或利用相應(yīng)等級的GNSS控制網(wǎng)，如城市Ⅱ等、Ⅲ等控制網(wǎng)，采用靜態(tài)的觀測方法采集外業(yè)觀測數(shù)據(jù)，并嚴(yán)格按照國家GPS靜態(tài)數(shù)據(jù)處理規(guī)范要求，內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理滿足同步環(huán)、異步環(huán)、重復(fù)基線較差、三維無約束平差基線分量改正數(shù)、約束平差基線分量改正數(shù)等在相應(yīng)等級控制網(wǎng)的限差范圍內(nèi)。最后利用合格的基線與起算數(shù)據(jù)獲取各點1980西安坐標(biāo)與1985水準(zhǔn)高程。

2.2CORS獲取三維起算數(shù)據(jù)

由于CGCS2000與WGS-84坐標(biāo)系都屬于地心坐標(biāo)系，其原點、尺度、定向都一致，只有扁率存在微量差異［7］，除科學(xué)研究外，在工程實踐中可以視兩者完全一致。因此，通過上述靜態(tài)數(shù)據(jù)處理后，可以獲取區(qū)域CGCS2000與1980西安坐標(biāo)系精確的旋轉(zhuǎn)、縮放參數(shù)，而平移參數(shù)的獲取通常采用網(wǎng)中觀測時間較長的點，利用廣播星歷單點定位［8］的方式獲取該點在CGCS2000坐標(biāo)系下三維空間直角坐標(biāo)，但這種方式往往不能獲取精確的平移參數(shù)（Δx，Δy，Δz）。

獲取高精度的平移參數(shù)，需要高精度的三維無約束平差起算點。通常獲取高精度平移參數(shù)可以通過與CORS站點聯(lián)測，采用GAMIT/GLOBK高精度解算軟件解算，獲取點位在CGCS2000坐標(biāo)系下高精度的地心坐標(biāo)，但這種方式往往要簽署一系列的保密協(xié)議，對于普通測繪單位來講，成本較高，技術(shù)難度大，不利于大面積推廣。

根據(jù)國內(nèi)CORS系統(tǒng)的精度測試結(jié)果可知，網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)獲取的站點坐標(biāo)外符合精度可以實現(xiàn)平面優(yōu)于20 mm，垂向優(yōu)于50 mm。通過多次、長時間的觀測，甚至可以獲取更高的點位精度。將網(wǎng)絡(luò)RTK獲取點位的CGCS2000坐標(biāo)作為三維無約束平差起算數(shù)據(jù)，不僅可以快速獲取GNSS控制網(wǎng)其余各點在CGCS2000坐標(biāo)系中較精確的三維空間直角坐標(biāo)，而且方式簡單、快捷，成本較低。

2.3坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模型及精度分析

坐標(biāo)轉(zhuǎn)換通常根據(jù)測區(qū)的范圍、已知點的數(shù)量進(jìn)行選擇，大區(qū)域通常使用Bursa-Wolf七參數(shù)，反之一般選用平面四參數(shù)。

（1）Bursa-Wolf模型。Bursa-Wolf模型為：

式中，X0、Y0、Z0為平移參數(shù);α、β、γ為旋轉(zhuǎn)參數(shù);k為縮放參數(shù)。通過3個以上的公共點，利用最小二乘法可以求取區(qū)域坐標(biāo)轉(zhuǎn)換七參數(shù)。

（2）平面四參數(shù)。平面四參數(shù)模型為：

式中，ΔX、ΔY為坐標(biāo)平移參數(shù);θ為旋轉(zhuǎn)角;m為尺度參數(shù)。通過2個以上的公共點，利用最小二乘法求取小區(qū)域坐標(biāo)轉(zhuǎn)換四參數(shù)。

（3）精度估計。通過重合點的殘差中誤差反映坐標(biāo)轉(zhuǎn)換精度，利用n個重合點的轉(zhuǎn)換坐標(biāo)與已知坐標(biāo)的殘差v來體現(xiàn)。

式中，v=重合點已知坐標(biāo)-重合點轉(zhuǎn)換坐標(biāo);n為重合點的個數(shù)。

3　實例驗證

某項目位于河南省內(nèi)三個鄉(xiāng)鎮(zhèn)的交界位置，根據(jù)任務(wù)的要求，對8 km2區(qū)域進(jìn)行1∶2000地形圖測繪。根據(jù)測區(qū)的實際特點，首先在測區(qū)及周邊布設(shè)城市E級控制網(wǎng)，共埋設(shè)7個點，起算數(shù)據(jù)采用國家大地水準(zhǔn)面精化成果中的4個D級GPS點。外業(yè)共對11個點進(jìn)行10個時段的觀測，每個時段觀測40min，控制網(wǎng)如圖1所示。

圖1　控制網(wǎng)圖

為獲取控制網(wǎng)中各點準(zhǔn)確的三維空間直角坐標(biāo)，利用HNCORS對網(wǎng)中部控制點JPII06進(jìn)行3次重設(shè)站觀測，每次觀測10min，采樣率1s。將所有歷元的觀測結(jié)果取平均值作為最終三維無約束平差的起算數(shù)據(jù)，得到其余各點在CGCS2000坐標(biāo)系下的三維空間直角坐標(biāo)，然后采用國家大地水準(zhǔn)面精化的4個已知點（ZJ、TY、JP、JB）作為起算數(shù)據(jù)，獲取剩余各點的1980西安坐標(biāo)，通過高程擬合的方法獲取各點的水準(zhǔn)高程。

由于該控制網(wǎng)覆蓋區(qū)域較大，因此采用七參數(shù)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模型。利用中海達(dá)HGO參數(shù)計算器計算該區(qū)域CGCS2000與1980西安坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換參數(shù)，坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的殘差見表1。經(jīng)計算可知，平面轉(zhuǎn)換精度為4.25 mm，高程中誤差為0.3mm。

表1　坐標(biāo)轉(zhuǎn)換殘差mm

為驗證求得的七參數(shù)中平移參數(shù)的可靠性，采用兩種方式加以驗證。

（1）從控制網(wǎng)基線文件中選擇觀測時間較長且處于中部的JPII06絕對定位坐標(biāo)作為三維無約束平差的起算點，計算區(qū)域坐標(biāo)轉(zhuǎn)換七參數(shù)，然后在城市E級控制點上檢驗參數(shù)的可靠性。

（2）利用HNCORS對網(wǎng)中JPII06進(jìn)行長達(dá)3次且每次10 min的觀測，取平均坐標(biāo)作為三維無約束平差的起算數(shù)據(jù)，求取該區(qū)域的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換七參數(shù)，同理于實地驗證參數(shù)的精度及可靠性。采用以上兩種方式，將城市控制點靜態(tài)數(shù)據(jù)處理得到的坐標(biāo)視為真值。

表2　坐標(biāo)比較結(jié)果

從方案（1）殘差可以看出，X方向存在約0.466 m，Y方向存在約0.301m，Z方向存在約-0.468m的系統(tǒng)偏差。方案（2）結(jié)果偏差最大的點為JPII01，Y方向最大偏差僅為4.4 cm。可以看出，采用網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)較大程度上消除了由起算數(shù)據(jù)帶來的系統(tǒng)誤差，較準(zhǔn)確地求取了坐標(biāo)轉(zhuǎn)換當(dāng)中的平移參數(shù)。

4　結(jié)束語

目前，CORS已得到廣泛應(yīng)用，如何實現(xiàn)CORS系統(tǒng)得到的CGCS2000坐標(biāo)與1980西安坐標(biāo)之間簡單、快捷且高精度的轉(zhuǎn)換已成為制約CORS推廣的核心問題。本文采用CORS網(wǎng)絡(luò)RTK與GNSS靜態(tài)相對定位技術(shù)求得區(qū)域CGCS2000與1980西安坐標(biāo)系的高精度轉(zhuǎn)換參數(shù)。通過實際工程驗證，該方法得到的成果轉(zhuǎn)換精度較高、可靠性較強(qiáng)，不僅可以將CORS系統(tǒng)得到的CGCS2000坐標(biāo)實時轉(zhuǎn)換到1980西安坐標(biāo)系，而且為局部1980西安數(shù)字線劃圖轉(zhuǎn)換到CGCS2000坐標(biāo)系提供了一種方法。

［1］ 李東，毛之琳，王文利，等.CGCS2000獨立坐標(biāo)系與原城市獨立坐標(biāo)系融合問題的研究［J］.測繪通報，2014（6） :17-19，38.

［2］ 孟泱，戴明松，馮發(fā)杰，等.CGCS2000坐標(biāo)系對現(xiàn)有測繪成果的影響及坐標(biāo)轉(zhuǎn)換方法的探討［J］.工程勘察，2010（S1） :683-687.

［3］ 孟慶武，張洪文，朱李忠.基于CGCS2000的高斯平面坐標(biāo)與城市獨立平面坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的研究［J］.測繪與空間地理信息，2012（11） :160-164.

P5[文獻(xiàn)碼]B

1000-405X（2016）-7-324-2