钦州市空间三维GPS控制网设计研究

包华海 覃振康
（钦州市国土资源局）

【摘　要】　本文通过分析钦州市现有平面、高程控制网存在的问题及更新的必要性，就钦州市空间三维GPS控制网技术方案设计进行了研究。
【关键词】　GPS 平差

　　一、钦州市概况
　　钦州市位于广西壮族自治区南部沿海，跨东经108°10′55″~109°9′12″、北纬21°34′52″~22°28′01″，是一个具有2千多年历史的古城。钦州市现管辖灵山县、浦北县、钦南区、钦北区、钦州港经济开发区，全市面积约1.08万平方公里，陆地海岸线长达520.8公里，岛屿海岸线约232.9公里。
　　二、钦州市现有平面控制网情况
　　（一）钦州市国土资源局建立的原有平面控制网
　　该平面控制网是钦州市国土资源局于1991年委托广州军区测绘大队布设的，全网共有三等三角点3个、四等三角点22个，控制面积约70平方公里。该平面控制网的采用传统三角测量的方法进行外业施测，在1954年北京坐标系统下选择108度00分00秒为中央子午线进行高斯-克吕格投影，高程系统选用1956年黄海高程系统。
　　随着钦州市建成区的不断扩大以及人为的破坏，该平面控制网的绝大部分控制点已遭破坏，现只剩党校、大口加工厂、共行、第三地质队4个四等三角点，这些点是由于布设在楼顶而未遭破坏。
　　（二）钦州市建规委建立的原有平面控制网
　　该平面控制网是市建规委于1997年委托广西第一测绘院布设的E级GPS控制网，全网共有E级点106点，控制面积约150平方公里，并在1954年北京坐标系统下进行控制网二维约束平差。该网的控制点也遭到了严重破坏，现保存完好的E级GPS点已不足三分之二。
　　三、现有控制网存在的问题
　　（一）控制网成果精度低
　　1991年，由钦州市国土资源局组织布设的三、四等平面控制网测量是用采用传统三角测量的方法，用经纬仪加红外测距仪进行测角网和测边网作业。受到当时测绘技术条件影响，该平面控制网二维约束平差成果的精度并没有达到设计的精度要求。
　　钦州市建规委组织布设的E级GPS控制网是采用GPS卫星定位技术进行测量的。限于当时美国建立的全球定位系统还不够完善，不同地区不同时段接收到的卫星数据质量差异较大；同时，GPS数据后处理软件数学模型较单一；当时GPS卫星定位技术是一个全新测量技术，作业人员的业务水平也需逐步提高。这些原因都制约着E级GPS控制网平差成果精度。
　　（二）不同控制网成果间存在系统差异
　　由于钦州市各测绘部门独立建立自己的首级控制网，控制网布设没有严格按照技术规范要求进行。不同控制网间没有进行公共点联测或整体联合平差，这样就导致不同控制网间存在较大的系统差。
　　（三）控制点标志破坏严重
　　钦州市原来布设的平面控制网其控制点大多数都是布设在路边、山头和楼顶上。钦州市经过近十年的快速发展，城市基础设施建设已发生了翻天覆地的变化，道路扩宽，旧城改造，各个经济开发区如雨后春笋般涌现。钦州市原有的平面控制网点也因此而被破坏，钦州市现存的平面控制网点已无法满足城市经济建设的需要了。
　　（四）部门间缺乏成果共享
　　钦州市各测量部门在布设控制网时，由于行业技术标准和要求的差异，建立的控制网成果也没有考虑控制网间的转换，导致部门间控制成果转换和数据共享困难。
　　四、建立钦州市城市控制网的必要性
　　（一）弥补钦州市各旧平面控制网的缺陷
　　由以上分析可知，钦州市市区原来布设的各个等级平面控制网无论在精度上、系统间兼容性上，还是在控制点保存的数量上已不能满足钦州市现在以及将来的经济建设的需要。因此，钦州市测绘行政主管部门必须制定出本辖区的基础测绘规划，根据统一规划、统一实施、成果共享的原则，建立一个全市统一、高精度、三维的GPS控制网，作为钦州市今后各种测绘工作的起算基准。
　　（二）满足钦州市城市建设的需要
　　目前，钦州市建成区面积约37平方公里，根据市政府的“323”工作思路，钦州市正以前所未有的态势快速发展，大项目大工程纷纷落户钦州。随着钦州市区的扩大以及沙井港、三娘湾、钦州港和进港公路的建成，钦州市到2020年建成区面积将扩大到96平方公里（不包括钦州港和三娘湾），比现有面积扩大两倍多。
　　为此，必须确定和建立起钦州市新一代卫星定位控制网作为钦州市今后基础测绘的起算基准，以便及时开展数字化地形、地籍测绘，为钦州市城市建设、市政府作出科学决策提供现势性强的基础测绘资料。
　　（三）测绘技术发展的需要
　　GPS卫星定位技术经过10多年的发展，已被广泛地应用于不同等级的大地测量、工程测量、施工放样等测绘工作中，我市部分测绘单位已装备了GPS接收机。自治区测绘局自1997年就采用GPS卫星定位技术开展全区新一代卫星定位控制网布设，先后建立起A、B、C级GPS控制网，并在1980西安坐标系统和1985国家高程基准上进行整体平差。目前，需要上报的土地利用总体规划图、土地利用更新调查现状图以及土地报批资料均要求采用1980西安坐标系统和1985国家高程基准。
　　我市现有的平面控制网成果属于1954年北京坐标系统下的成果，已无法适应经济建设的需要了。因此，需要在1980西安坐标系统和1985国家高程基准上建立钦州市新一代高精度、三维GPS控制网。
　　（四）建立统一的“数字钦州”地理空间框架的需要
　　“数字钦州”的作用是利用地理空间框架构筑起一个综合数字信息平台，把一个钦州市各种社会信息加载上去，为政府和各经济建设部门提供地理空间信息服务，实现信息资源的共享。建立钦州市新一代高精度、三维GPS控制网，同时也为构筑“数字钦州”提供一个统一标准的地理空间框架。
　　（五）履行测绘行政管理职能的需要
　　钦州市国土资源局是钦州市测绘行政主管部门。根据《中华人民共和国测绘法》第四条“...县级以上地方人民政府负责管理测绘工作的行政部门（以下简称测绘行政主管部门）负责本行政区域测绘工作的统一监督管理。县级以上地方人民政府其他有关部门按照本级人民政府规定的职责分工，负责本部门有关的测绘工作。...”和第十二条“...县级以上地方人民政府测绘行政主管部门会同本级人民政府其他有关部门根据国家和上级人民政府的基础测绘规划和本行政区域的实际情况，组织编制本行政区域的基础测绘规划，...”的要求，钦州市国土资源局必须立足于钦州市城市中长期发展的需要，综合考虑、统一规划，建立钦州市新一代高精度、三维GPS控制网。
　　五、钦州市空间三维GPS控制网建设方案研究
　　（一）测区范围
　　钦州市空间三维GPS控制网的布设范围设计以钦州到北海铁路、钦州到防城港高速公里为分界，控制范围东到钦州、北海交界，南到海边，西到钦防高速及钦州、防城港交界（包括黄屋屯镇），北到钦北铁路（包括钦州市区、大垌镇），控制面积约1500平方公里，东经108°27′~108°57′，北纬21°35′~22°38′。
　　（二）作业依据
　　※　GB/T 18314-2001《全球定位系统（GPS）测量规范》
　　※　CJJ 73-97《全球定位系统城市测量技术规程》
　　※　CH 8016-95《全球定位系统（GPS）测量型接收机检定规程》
　　（三）测绘基准
　　※　平面基准
　　钦州市空间三维GPS控制网采用以“1980西安坐标系”为大地基准、高斯-克吕格投影的平面直角坐标系，按3°分带，中央子午线取108°38′00″，高斯投影面取参考椭球面。
　　※　高程基准
　　高程基准采用“1985国家高程基准”。
　　（四）精度指标
　　钦州市空间三维GPS控制网平面精度优于±2厘米、大地高精度优于±3厘米；正常高达到二等水准测量精度。
　　（五）技术要求
　　1、点位密度
　　钦州市空间三维GPS控制网点间平均边长约为5~7公里，每点控制面积约30平方公里，全网控制面积约1500平方公里，总共布设GPS点50座，同时对GPS网点进行二等水准测量。
　　2、选埋要求
　　※　参照GB/T 18374-2001《全球定位系统（GPS）测量规范》第7点要求，选择符合观测条件、点位牢固且利于长期保存的点位。
　　※　为求定测区原有控制网（属1954年北京坐标系成果）与新测GPS控制网（属1980西安坐标系成果）的转换参数，钦州市E级GPS网必须联测一定数量的旧控制网测量标志，以满足求定新旧控制网坐标系统转换参数的要求。
　　※　在选点同时必须实地查找测区原有一等水准点，设计好二等水准联测方案。
　　※　埋石按照规范GB/T 18314-2001《全球定位系统（GPS）测量规范》中第8节要求进行埋设。
　　3、观测要求
　　※　仪器
　　外业观测必须选用大地型双频GPS接收机，接收机标称精度应达到水平：5mm+1ppm，垂直：10mm+1ppm。
　　※　软件
　　为保证成果的精度，GPS数据处理采用精密的方法和软件，拟采用目前解算精度较高的GPS处理软件（GAMIT软件）与IGS精密星历进行基线解算，采用武汉大学编制的POWERNET科研版软件或GLOBK软件进行平差处理。
　　※　外业观测技术指标
　　为了确保GPS外业观测数据质量，提高控制网的成果精度，钦州市空间三维GPS控制网的外业观测技术指标参照下表要求执行。

　　4、数据处理
　　※　GPS基线解算
　　采用GAMIT软件与IGS精密星历进行基线解算，基线的解算以同步时段为单位进行。
　　对GPS基线解算结果进行重复基线和异步环闭合差检验：
　　a、复测基线长度较差；
　　b、异步环的坐标分量相对闭合差精度应满足：
　　　　　　　　　　　　
　　其中：为独立环的边数
　　（取a=8mm，b=1ppm）。
　　※　GPS网平差
　　采用武汉大学编制的POWERNET科研版软件或GLOBK软件进行平差处理。
　　在各项基线质量检验符合标准后，以独立基线的三维基线向量及相应的方差协方差阵作为观测信息，进行GPS网无约束平差。利用“基于相关分析的粗差探测原理”进行粗差探测，然后利用“基于等价方差-协方差的稳健最小二乘”方法进行粗差处理。