粵港澳大灣區大地基準和高程基準的統一

鄧思勝，宋傳峰，陳 敬，侯 雪

（1. 廣東省國土資源測繪院，廣東 廣州 510500；2. 武漢大學衛星導航定位技術研究中心，湖北 武漢 430079）

測繪基準作為獲取空間信息的基礎設施，是為進行測繪工作所確定和建立的各類起算點、起算面及其相應參數的總稱[1-3]。現代測繪基準包括大地坐標基準和高程基準等[4]。我國20 世紀建立的測繪基準曾為我國的國家發展和安全做出了重要貢獻[5]。進入21 世紀后，各地逐步開啟了現代化測繪基準建設道路[6-8]，主要包括建立CORS 站和實施區域似大地水準面精化[9]。

2019 年國家發布了《粵港澳大灣區發展規劃綱要》，支持香港、澳門與內地融合發展；但由于歷史因素，粵、港、澳三地建立的測繪基準不盡相同[10-14]，這將導致覆蓋港澳的相關重大工程和科學項目難以實施，阻礙粵港澳協同發展。因此，廣東省準確把握規劃綱要重點任務，組織并實施了粵港澳大灣區測繪基準建設項目。該項目收集并處理了大灣區內廣州、深圳、珠海、佛山、惠州、東莞、中山、江門等8個地市原有的920個、國家現代測繪基準工程一期18個和港珠澳大橋工程建立的16個GNSS水準點；通過在空白區域——肇慶市布測二等水準路線840 km，并聯測全域內GNSS-B級點123個，實現了大灣區GNSS水準點的全覆蓋。基于GNSS 水準點，以國家現代測繪基準工程一期GNSS水準點為主，采用23 441個重力數據點計算確定了總覆蓋面積6.7 萬km2、陸海一體、高精度的粵港澳大灣區似大地水準面模型，統一了大灣區的大地坐標基準和高程基準；同時建立了大灣區成果與港、澳以及8 個地市原有成果的多向轉換關系，有利于新舊測繪成果的融合利用。

本文簡要回顧了大灣區各地市以及港、澳的測繪基準現狀，介紹了粵港澳大灣區測繪基準建設與統一的技術思路，并對其成果應用方式進行了探討，旨在為成果使用提供實際應用參考。該項目的技術思路對相關工程的實施也具有一定的借鑒意義。

1 粵港澳大灣區原有測繪基準現狀

本文在項目實施前收集了大灣區9 個地市和港澳地區的測繪基準現狀，并簡要介紹了國家現代測繪基準工程一期以及港珠澳大橋工程所采用測繪基準的基本情況，如表1 所示，可以看出，各地市和港澳地區的大地基準、高程基準不盡相同、建設年代各異；肇慶市沒有可用的二等水準資料。通過基準兼容性分析可知，采用相同大地坐標系統和高程系統的廣州、深圳、珠海、佛山、惠州、東莞、中山、江門等地市在相鄰城市交界處的大地坐標差異可達3~6 cm，水準高程差異可達2~7 cm；而采用不同大地坐標系統和高程系統的城市存在更大的系統誤差。大灣區大地基準和高程基準的不統一嚴重阻礙了相關工程和科學項目的實施，不利于粵港澳大灣區協同發展。因此，粵港澳大灣區測繪基準建設與統一項目的實施勢在必行。

表1 大灣區原有測繪基準情況統計

2 粵港澳大灣區測繪基準建設與統一

本項目的建設內容主要包括大地基準的建設與統一、高程基準的建設與統一以及新舊基準轉換關系的建立。

2.1 總體技術路線

國家現代測繪基準工程一期建設的測繪基準體系是由國家組織實施建設的、全國性的、具有較高精度和現勢性的現代測繪基準體系[3]。本項目的目標是將大灣區原有基準統一到與國家一致的測繪基準體系上來。其總體技術路線如圖1所示。

圖1 總體技術路線圖

2.2 大地基準建設

粵港澳大灣區大地基準由本次布設的CORS 網和GNSS-B 聯測網的大地成果、各地市原有GNSS點位成果、國家現代測繪基準工程一期以及港珠澳大橋工程的GNSS 點位成果共同構成。CORS 網共選取130 個CORS站，其中廣東113個、香港15個、澳門2個。

首先選取分布均勻、具有與國家成果相一致的部分CORS站作為起算，獲取全部CORS站、GNSS-B聯測網點的大地坐標，稱為新大地基準；再以這些站點為起算，分區獲取新大地基準下各地市原有GNSS 點位成果和港珠澳大橋工程的GNSS 點位成果，以此實現大灣區大地基準的統一。

新布測GNSS 網的基線解算采用GAMIT 軟件。由于該軟件僅支持單系統數據解算，暫未支持多系統組合解，且GNSS-B 級聯測網的部分站點也僅能跟蹤GPS 信號，因此本項目僅處理了GPS 的觀測數據。數據處理時，引入了BJFS、CHAN、WUHN、LHAZ、URUM、USUD、KIT3、POL2、SUWN 九個全球跟蹤站作為基線解算的坐標約束基準，并將GNSS 控制網劃分為南、北兩個子網，子網與子網之間通過均勻分布的13 個CORS 站進行連接，站點分布如圖2 所示。CORS網和GNSS-B級聯測網的基線解算相對精度均達到了10-9，所有同步時段的NRMS 值均小于0.2。由此可知，本次基線解算精度較好。

圖2 CORS網和GNSS-B聯測網點位示意圖

網平差采用GLOBK 軟件。整體平差得到的CGCS2000 框架下GNSS-B 聯測網、CORS 網點位精度如表2、3所示。分區平差地市原有以及港珠澳大橋工程的GNSS網時，則直接利用原有的H文件。

表2 GNSS-B聯測網點位精度中誤差統計/m

表3 CORS網點位精度中誤差統計/m

2.3 高程基準建設

粵港澳大灣區高程基準的統一體現在高精度似大地水準面模型的建立上；通過在空白區域——肇慶市布測二等水準路線，實現了大灣區全域GNSS 水準點的覆蓋。這些點位的大地基準已通過CORS網和GNSS聯測實現了統一，但高程基準間仍存在系統差異，不能作為似大地水準面精化的控制點。由于國家現代測繪基準工程一期的GNSS 水準點具有與國家相一致的水準和GNSS 成果，且在項目范圍內均勻分布，因此項目以該類GNSS 水準點為主，綜合利用相關地形數據、衛星測高數據、數字高程模型（DEM）數據和重力測量數據建立了粵港澳大灣區似大地水準面模型，如圖3所示。

圖3 2＇×2＇GNSS重力似大地水準面/m

通過18 個GNSS 水準點對大灣區重力似大地水準面模型進行精度評價發現，模型精度為0.014 m，經GNSS 水準點與重力似大地水準面擬合后的格網水準面模型的精度為0.010 m（內符合）。由665 個檢驗點的精度檢驗可知，模型整體外符合精度為0.017 2 m，檢驗點來源于廣州、深圳、珠海、佛山、惠州、東莞、中山、江門、肇慶等廣東省9 個地市，香港、澳門地區以及港珠澳大橋項目的原有GNSS 水準點，檢驗時已移除系統偏差。通過107個香港GNSS水準點和16 個澳門GNSS 水準點對模型進行精度檢驗發現，整體點位高程中誤差分別為±0.022 m 和±0.018 3 m。項目選取江門市范圍的92 個GNSS-B、C 級點，經實測GNSS 參與應用精度檢驗，結果表明，檢驗點殘差最大值為0.055 3 m，最小值為-0.043 7 m，RMS 值為0.019 2 m。由此可知，本項目建立的大灣區似大地水準面模型正確可靠、在廣東省9 個地市以及香港、澳門地區均具有較高的精度。

2.4 新舊基準轉換

為實現新舊測繪成果的融合利用，本項目分別建立了新大地基準、新高程基準（似大地水準面模型）與原有各地市、香港、澳門以及港珠澳大橋工程的大地基準與高程基準的轉換關系。大地基準轉換主要通過布爾莎七參數模型求取兩種坐標系間的坐標轉換參數[15]；高程基準轉換主要求取由模型計算的GNSS 水準點高程與原有高程之間的常數偏差。港澳地區大地基準和高程基準轉換參數的精度統計如表4、5所示。

表4 不同坐標系間轉換殘差的RMS值

表5 不同高程基準轉換參數的精度統計

3 成果應用方式探討

本項目建立了大灣區統一的大地基準和高程基準以及與原有基準的轉換關系。大地基準由大灣區范圍內GNSS 控制點的大地坐標體現，高程基準由高精度似大地水準面模型體現，基準轉換關系則包括新舊基準的坐標轉換參數和高程轉換參數。

項目成果應用包括直接法與間接法兩種方式，其中直接法是指通過聯測部分GNSS 控制點獲取未知點的新大地基準坐標，或通過GDCORS 服務系統[16]實時動態獲取未知點在新大地基準下的坐標，再利用似大地水準面模型獲取未知點的高程值；間接法是指在獲取原有基準框架下的坐標或高程值后，利用本項目的轉換參數獲取大灣區統一框架下的坐標和高程值。

4 結 語

粵港澳大灣區測繪基準建設項目充分利用了已有測繪成果資料，采用現代大地測量技術和方法，精化了大灣區陸地全域以及鄰近海域的似大地水準面模型，建立了大灣區統一的、與國家基準一致的、高精度的三維大地基準，并通過粵港澳大灣區似大地水準面模型延伸到高程基準、深度基準、重力基準的統一，為下一步全面更新提升廣東全省似大地水準面模型精度，延伸擴展服務區域，開展全省陸海統一空間定位基準框架建設積累經驗。

1）基于粵港澳CORS 站實現了大地基準的統一，實現了2000 國家大地坐標系、香港大地坐標系（ITRF96 框架）和澳門大地坐標系（ITRF2005 框架）之間坐標框架的嚴密轉換，有利于統一基準的維持和更新。

2）通過新建立的似大地水準面模型實現了粵港澳大灣區高程基準的統一，確定了1985 國家高程基準、香港高程基準面和澳門特別行政區平均海平面高程之間的準確轉換關系，為結合GNSS 技術實時獲得厘米級高程測量結果奠定了基礎。

3）可利用GDCORS 坐標基準實時服務平臺實現項目成果與GDCORS的融合應用，進一步提升粵港澳大灣區衛星定位服務平面和高程應用的精度，為粵港澳大灣區發布基于統一基準、地方格網坐標和高程的網絡RTK實時定位服務做好充分準備。