内蒙古自治区三维测绘基准研究与建立

赵新刚 杨郁

一、引言

基础测绘工作是经济建设及社会可持续发展的前提和基础，也是一项长期而艰巨的公益性事业。经济建设和社会的可持续发展，必须有测绘的支持和保障。随着内蒙古社会经济的发展，政治、经济、科学技术、能源、交通、环境治理等诸多领域，对内蒙古基础测绘工作提出了更高的要求。完善内蒙古平面坐标系统和高程系统的统一性、精准性，并对各等级测量控制成果进行更新和维护，是各项经济建设顺利进行的保障，也是“数字内蒙古”地理空间基础框架数据的基础。为此，需要尽快建立内蒙古统一的高精度、三维（GPS）空间基准、高程基准。

二、内蒙古自治区原有测绘基准状况

1. 平面基准

内蒙古自治区原有测绘基准，基本上是20世纪50～70年代建成的，由于历史原因（仪器设备的落后、计算手段的局限性），其点位的相对精度只有10-5，而且已是30年前的观测成果，现势性比较差。控制网点大部分分布在山头或地区最高处，造成了使用上的极不便利，并且有近一半控制点由于人为和自然的破坏已不存在，难以发挥其应有的基准作用。

2. 高程基准

原有的国家水准点（一、二、三等），一般在城市外围大部分是沿着国道、省道布设；在城区选择的是机关、学校、医院等单位。但是由于30多年来国家基础设施建设迅猛发展，原有的国道、省道进行了重新建设，有的已加宽、有的已改道；城市中旧城区改造、机关、学校、医院等单位改扩建等，使原有的国家水准点有的已破坏，有的难以找到。另外，水准点分布不均匀，道路网密集地区水准路线多（呼、包、鄂、赤峰、通辽等）、道路网稀疏地区水准路线少（阿盟、锡盟等）。

三、内蒙古自治区GPS B级点建设和城市大地水准面精化

1. GPS B级点建设

从2007年至2009年，全区GPS B级点共布设860点，利用一、二等水准点691个，利用三角点9个，新选埋GPS点160个。

GPS控制网采用网联式，布设均匀，结构合理，其中框架点观测37点，平均边长220km，基本点观测823点，平均边长60km。GPS接收机采用双频接收机，观测量至少有L1、L2两个载波相位，同步观测接收机数6台。框架网点观测两时段，每时段观测23.5小时。基本点观测两时段，每时段观测8小时。

CORS站与GPS B级网同步观测。

对新埋设的GPS点，利用三等水准联测，共观测三等水准4830km。

GPS B级网平差精度：

框架网重复性在南北方向上为2.2mm+0.19×10-8，在东西方向上为2.1mm+0.22×10-8，在垂直方向为7.1mm+0.27×10-8，在基线长度方向为1.6mm+0.23×10-8。基本网重复性在南北方向上为3.5mm+0.13×10-8，在东西方向上为3.8mm+0.02×10-8，在垂直方向为19.4mm+0.29×10-8，在基线长度方向为3.9mm+0.02×10-8。

控制网的平均边长为85.1km，平均相对精度为0.08ppm，最弱边相对精度为0.911ppm，边长为5.7km(B078-B079)。点位精度较高，坐标分量在水平方向上的平均精度为0.008m，大地高方向为0.027m。最弱点为B541，其水平精度为0.012，大地高精度为0.047m。

采用7参数进行坐标转换，计算模型严密，坐标转换精度高，建立了CGCS2000坐标至北京54、西安80之间的转换关系，并获得了CORS基准站在1980西安坐标系和1954年北京坐标系下的坐标。

确定了与国家基准CGCS2000统一的控制点坐标，为今后基础测绘基准的最终建立提供了科学的依据。

2. 大地水准面精化

本项目在内蒙古似大地水准面计算中, 使用了175589个重力数据点和873个GPS水准点资料, EGM08地球重力场模型作为参考重力场，由第二类Helmert凝集法完成了大地水准面的计算。

格网重力异常的内插和推估, 是利用航天飞机雷达地形测绘使命(Shuttle Radar Topography Mission, 简称SRTM)高分辨率7.5〃×7.5〃地形均衡归算、通过移去-还原原理计算。地形均衡归算采用Airy-Haiskanen均衡模型,地形改正(即：Helmert凝集层位所产生的引力影响)和均衡改正采用了考虑地球曲率的严密球面积分公式，积分半径为300公里。利用曲率连续张量样条算法将离散重力异常内插为格网异常，这一方法适合重力数据稀少、分布极其不均匀和地形复杂地区，使用这一方法显著提高了格网空间重力异常的内插和推估精度。

似大地水准面的计算采用了第二类Helmert凝集法(Wichiencharoen，1982；Martinec，1998)，在利用第二类Helmert凝集法计算大地水准面中的各类地形位及地形引力的影响，即：牛顿地形质量引力位和凝集层位间的残差地形位的间接影响以及Helmert重力异常由地形质量引力位和凝集层位所产生的引力影响，采用的公式均考虑了地球曲率影响的严密球面积分公式。计算地形的直接和间接影响的积分半径均采用了300公里。873个GPS水准资料与重力似大地水准面独立比较精度为±0.099m。利用球冠谐调和分析方法将GPS水准与重力似大地水准面联合求解得出的2′×2′格网似大地水准面其精度达到±0.079m。

3. GPS B级网以及似大地水准面精化成果的检验

由内蒙古自治区测绘产品质量监督检验站组织，于2010年6月20日～2011年4月8日对内蒙古自治区测绘事业局完成的“内蒙古自治区高精度三维大地测量基准的建立与研究”项目进行检测。以便验证GPS B级网及似大地水准面模型的精度是否达到预期的目标。

检测地点分别为加格达奇、阿尔山、锡林浩特、土左、土右及额济纳旗。检测外业由质检站委托内蒙古测绘院一分院采用GPS C级网连测已知水准点，内业由质检站进行检测质量检查及数据处理。本次检测投入Trimble GPS双频接收机R8S 5台、5700接收机3台、4700接收机3台。内业质量检查及数据处理采用Trimble公司的随机软件TGO1.63及武汉大学测绘学院编制的Cosa5.11GPS数据处理软件进行。

检测结果：

1）平面精度验证

a）WGS84无约束平差

b）2000坐标系约束平差

2）高程精度验证

检测结论

通过检测数据证明，“内蒙古自治区高精度三维大地测量基准的建立与研究”项目完全达到预期的精度指标。

四、内蒙古CORS系统的建设

1. NMGCORS系统的建设方案和过程

2007年7月内蒙古国土资源厅主持启动了内蒙古GNSS连续运行参考站综合服务系统（简称NMGCORS）项目，首期工程是利用三年时间建立由15个点组成的呼和浩特市、包头市和鄂尔多斯市GNSS连续运行参考站综合服务系统，取得经验后按照自治区各地的需求情况综合分析陆续建设，并最终整网覆盖自治区全境。截止2011年3月NMGCORS已建成74个，其中呼伦贝尔市6个，兴安盟1个，通辽市3个，赤峰市18个，锡林郭勒盟3个，集宁市1个，呼和浩特市5个，包头市3个，鄂尔多斯市20个，巴彦淖尔市9个，乌海市1个，阿拉善盟4个。已经试运行的站点共61个。覆盖范围约占自治区面积的三分之一。

NMGCORS设备主要由GNSS接收机、网络RTK软件系统、计算机、服务器、网络设备、防火墙等设备组成。采用拓普康NET-G3接收机及相关设备作为NMGCORS参考站设备，TopNET+软件包为系统的计算和服务软件，惠普服务器、思科路由器和防火墙等相关设备为系统的网络设备。参考站与系统控制中心通过SDH光纤专线或ADSL专线连接，建立了网络RTK和DGPS服务平台，利用GPRS、CDMA等方式，向用户提供实时厘米级、亚米级定位服务，为用户提供事后精密数据服务和信息下载。系统的技术指标见下表：（表4.1）

2. CORS系统的测试情况

通过系统测试，目前NMGCORS已具备以下功能：

1）静态测量后处理，在系统有效范围内利用单台或多台GPS测量型接收机可进行各级控制点测量（非完全荫蔽区），利用参考站数据进行数据处理。

2）参考站网覆盖区域及边界外推35km的范围内，提供可达厘米级精度的网络RTK差分数据服务。

3）采用GPRS、CDMA或3G等公共无线通信技术，进行CMR，CMR+，RTCM-SC104.V2.x/3.0等格式的差分信息播发，并预留与其它通信广播手段的扩展接口。通过Internet或数据盘下载的方式，初步实现覆盖区域内用户的事后精密定位服务。

4）控制中心具备与参考站不间断通信的能力，具备数据完整性分析、多路径影响分析、电离层和对流层变化分析、系统完整性监测等功能；经测试表明，网络RTK等核心算法具有较强的稳健性，可适应电离层和对流层的较大变化。控制中心具备与邻近系统（或参考站）的联网能力，与相关协作单位在可控制的条件下实现数据共享和服务联网。

5）参考站按国家及行业有关标准建设，可升级为国家级的GPS参考站、国家地壳形变监测的参考站；参考站具备长期连续运行的能力。

6）系统兼容性测试表明，NMGCORS能接入国内外主流品牌GNSS接收机，并提供相应的数据服务。

7）系统实测技术指标：

● 动态参考基准的绝对定位精度优于设计的0.1m，相对定位精度高于设计的3×10-8。

● 实时定位内符合精度平面方向优于原设计的3cm，垂直方向优于原设计的5cm；外符合精度平面方向优于原设计的5cm，垂直方向优于原设计的10cm。

● 事后精密定位服务平面方向优于原设计的5mm，垂直方向优于原设计的10mm。

● 实时定位服务的覆盖范围优于原设计的要求。

● 实时定位服务的日可用性优于原设计的95%。

五、结束语

2011年5月7日，内蒙古自治区科学技术厅邀请专家组成鉴定委员会，对内蒙古自治区测绘事业局完成的《内蒙古三维测绘基准研究与建立》项目进行了科技成果鉴定，鉴定委员会一致认为，该项目理论严密，技术先进，方法科学，整体达到了国际先进水平。

内蒙古自治区三维测绘基准的应用，对于满足目前“数字内蒙古”基础地理信息的迫切需要（如大地数据库的建立、专题GIS研制、4D产品开发、GPS RTK测量等），改变传统的水准测量和GPS RTK的作业模式，推进“数字内蒙古”及其它工程的建设，具有重要的科学意义和社会意义。

参考文献：

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[3] 杨光，林鸿，欧海平，方锋，李建成.广州市亚厘米级高精度似大地水准面的确定[J].测绘通报，2007，（1）：24-25.

[4] 张全德，郭春喜，王斌，陈现军.华北地区似大地水准面精化[J].测绘通报，2007，（7）：13-15.

[5] 李峰.太原市现代测绘基准的建立方法与实现.测绘通报，（2010）08-0018-03.

作者简介：赵新刚（1957-），男，测绘高级工程师，汉族，辽宁省沈阳人，主要测绘项目规划、审批及组织实施测绘技术工作。单位：内蒙古自治区测绘事业局。