宜昌城區(qū)2000 國家大地基準建設

盧 立

（1. 宜昌市測繪大隊，湖北 宜昌 443000）

宜昌市按照統(tǒng)一規(guī)劃、整體設計的原則，以宜昌周邊的湖北CORS （HBCORS） 和宜昌CORS （YCCORS）基準站為基礎，施測高精度GNSS 平面控制網(wǎng)。結合YCCORS和宜昌市中心城區(qū)的似大地水準面精化模型，構建基于“CORS+似大地水準面”的宜昌現(xiàn)代測繪基準體系，為“數(shù)字宜昌”的建設奠定統(tǒng)一的空間定位基準[1-2]。

1 現(xiàn)狀分析

宜昌城市規(guī)劃建設使用的坐標基準是基于三角測量技術（于80年代建立），平面控制坐標系統(tǒng)采用111°中央子午線3°分帶的高斯平面直角坐標系，平面控制歸算到1954年北京坐標系，高程歸算到1956年黃海高程系統(tǒng)，控制網(wǎng)內面積約165 km2，南部片區(qū)使用的坐標系統(tǒng)是基于GPS測量技術于90年代建立，坐標系橢球參數(shù)與80年代建設一致，控制網(wǎng)內面積約40 km2。

隨著城鄉(xiāng)規(guī)模化建設的快速發(fā)展，上述測繪基準已不適應城市的發(fā)展，主要體現(xiàn)為：

1）不同時期、不同項目中建立的控制網(wǎng)不統(tǒng)一，且無法維持。

2）原有控制網(wǎng)覆蓋區(qū)域有限，控制區(qū)外變形大。

3）跨區(qū)域的測繪成果精度不一致，給大型項目實施及成果數(shù)據(jù)的融合增加了大量工作。

不同時期建立的控制網(wǎng)同為1954 年北京坐標系，但未進行聯(lián)合平差，導致宜昌城區(qū)坐標基準被人為切割為兩個部分，無法有效統(tǒng)一更新，且區(qū)域連接處接邊誤差大，給基礎地理信息數(shù)據(jù)的管理和使用帶來不便[3]。

2 實施方案

2.1 技術路線

按照統(tǒng)一規(guī)劃、整體設計、兼顧歷史成果資料的原則，采用高精度GNSS 定位技術，建立宜昌市基礎控制網(wǎng)。具體技術路線如圖1。

圖1 流程圖

2.2 聯(lián)測方案

宜昌市GNSS 網(wǎng)布設方案包括兩個部分：框架網(wǎng)和GNSS C級網(wǎng)。

構建框架網(wǎng)的目的在于通過框架點與全球IGS 跟蹤站進行聯(lián)測，將IGS 跟蹤站的高精度坐標傳遞給整個GNSS C 級網(wǎng)，提高整網(wǎng)的精度。框架網(wǎng)布設利用已建成投入使用的HBCORS和YCCORS基準站。GNSS框架網(wǎng)由13 個均勻分布在宜昌城區(qū)周邊的基準站組成，包括6個HBCORS基準站和7個YCCORS基準站。

GNSS C級網(wǎng)是市級基礎控制網(wǎng)，網(wǎng)的邊長最短為907 m，最長為50.8 km，平均19.3 km，總點數(shù)65 個。GNSS C 級網(wǎng)與國家GPS B 級網(wǎng)和框架網(wǎng)聯(lián)測。GNSS C級網(wǎng)布點如圖2所示。

圖2 宜昌市2000國家大地基準建設布點示意圖

2.3 數(shù)據(jù)處理

顧及到起算坐標的精度和長短基線的處理策略，將本項目的數(shù)據(jù)處理分成框架網(wǎng)和C級網(wǎng)分別進行處理，框架中通過IGS 站引入高精度的起算坐標，而C級網(wǎng)處理引入框架的結果作為起算坐標。處理完成后，將框架網(wǎng)和C級網(wǎng)進行整體平差處理，獲得最終的坐標。數(shù)據(jù)處理流程如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)處理流程

1）基線處理。通過整理獲得的數(shù)據(jù)，顧及起算坐標精度與長短基線的處理策略，將數(shù)據(jù)處理分為框架網(wǎng)和C 級網(wǎng)分別進行處理。框架網(wǎng)中引入IGS 站高精度的起算坐標，C 級網(wǎng)中通過引入框架的結果作為起算坐標。數(shù)據(jù)處理采用GAMIT軟件，利用IGS發(fā)布的事后精密軌道和鐘差等產品確定對應框架和歷元下精確的基線結果，如表1所示。

表1 基線向量重復性統(tǒng)計表

2）三維約束平差。三維約束平差采用GLOBK將全面網(wǎng)的所有獨立基線向量及其經調整后的協(xié)方差陣作為觀測量，平差時為消除星歷和網(wǎng)的傳遞誤差引起的整網(wǎng)在尺度和方向上的系統(tǒng)性偏差，對全面網(wǎng)加入一個尺度和3 個轉換參數(shù)。平差之后對結果精度進行分析，對整體網(wǎng)的精度進行檢驗和評估[4]，點位坐標精度統(tǒng)計如表2所示。

表2 點位精度中誤差統(tǒng)計/m

3）二維網(wǎng)平差。為使CORS基準站和C級控制點保持相同參考框架，獲得統(tǒng)一基準下的GNSS 點坐標，將CORS 基準站和C 級控制點聯(lián)合解算基線同時平差。平差時強約束特定的CORS 站作為框架點，利用不同坐標系下CORS 站的精確坐標即可求得對應坐標系下C級點坐標。

4）已知點兼容性檢查。為保證成果的精度，一般需對所聯(lián)測二維控制點成果的兼容性進行檢核，控制點成果的兼容性檢核采用了剔點法和加點法2種方法[5]。

3 轉換關系的確立

不同坐標系統(tǒng)的轉換本質上是不同基準間的轉換，不同基準間的轉換方法有很多，可以通過空間變換的方法予以實現(xiàn)，也可以通過平面變換的方法予以實現(xiàn)。對于空間變換方法，最常用的有布爾莎模型，又稱為七參數(shù)轉換法[6]。此次對于不同高斯投影平面坐標轉換，因范圍較小，可考慮采用平面四參數(shù)轉換模型，它屬于兩維坐標轉換，對于三維坐標，需將坐標通過高斯投影變換得到平面坐標再計算轉換參數(shù)。轉換內符合精度通過轉換后坐標與控制點坐標的殘差反映[7]。

式中，x0，y0為平移參數(shù)；α為旋轉參數(shù)；m為尺度參數(shù)；x2，y2為2000國家大地坐標系下的平面直角坐標系；x1，y1為原坐標系下平面直角坐標，坐標單位為m。

由于宜昌市規(guī)劃部門現(xiàn)行坐標基準為20 世紀80年代、90 年代分別建立的1954 年北京坐標系，且未進行整體聯(lián)合平差，存在一定系統(tǒng)誤差。具體轉換關系轉換殘差如表3、4所示。

表3 轉換內符合殘差表

表4 轉換外符合殘差表

4 數(shù)據(jù)轉換軟件

為了實現(xiàn)已有數(shù)據(jù)資料的基準統(tǒng)一，項目開發(fā)了一套坐標轉換軟件。該軟件具備實用、安全、保密、可靠、高效、便捷等特點，同時也需具備擴展性。

矢量數(shù)據(jù)坐標轉換是指將數(shù)據(jù)中的坐標信息進行轉換，而不改變其相關屬性。柵格數(shù)據(jù)是以規(guī)則的像元陣列來表示空間地物的數(shù)據(jù)結構，陣列中的每個數(shù)據(jù)表示地物的屬性特征。一般點是由一個像素來表示，線由相鄰的多個像素來表示，面則由連續(xù)的一片像素來表示。這種數(shù)據(jù)一般可以認為“屬性明顯，位置隱含”。帶有地理信息的柵格數(shù)據(jù)一般是以陣列中某一位置為起點，然后通過其分辨率和像素點在陣列中的位置計算出此點的位置。柵格數(shù)據(jù)坐標轉換是將每一個像素點的坐標轉換到目的坐標下。以遙感圖像TIF文件為例，一般的TIF文件包括2個文件：圖像文件（.tif）和坐標定位文件（.tfw）。轉換時，將分別按照下述流程進行轉換，如圖4、5所示。

圖4 矢量數(shù)據(jù)轉換流程

圖5 柵格數(shù)據(jù)轉換流程

5 結 論

本文詳細闡述了宜昌城區(qū)2000國家大地基準的建設情況。通過GNSS控制點與HBCORS、YCCORS參考站的聯(lián)測，高精度的數(shù)據(jù)處理，完成了宜昌城區(qū)范圍2000 國家大地坐標系與1954 年北京坐標系、1980 西安坐標系之間相互轉換關系的確立，及數(shù)據(jù)坐標轉換軟件的研制。

通過分區(qū)轉換將歷史數(shù)據(jù)轉換到2000國家大地坐標系，改善了宜昌城區(qū)因坐標基準不一致導致的基礎地理信息數(shù)據(jù)無法有效整合的問題，為今后各部門使用基礎地理信息數(shù)據(jù)奠定了基礎。