“数字重庆”地理空间信息定位基准体系的建设

徐永书，夏定辉，欧其健

（1.重庆市地理信息中心，重庆401121）

为进一步发展空间数据获取和更新的技术手段，重庆市于2007年启动了“数字重庆”地理空间信息定位基准建设项目。该项目由重庆市规划局主管、重庆市地理信息中心组织并承建，于2012年5月建成并投入使用[2]。“数字重庆”地理空间信息定位基准是重庆市空间信息资源的重要基础设施,也是建立信息化测绘体系的重要措施。

1 项目的总体建设

“数字重庆”地理空间信息定位基准，综合利用现代卫星定位技术、计算机信息技术、现代大地测量及重力测量理论和方法，将大地基准、高程基准、重力基准基础设施进行有机结合，构建起全市统一、高精度、三维、动态、多功能实用的新一代地理空间基准体系。“数字重庆”地理空间信息定位基准分为CQGNSS系统、平面基准、高程基准、重力基准建设等4大部分。平面基准分布如图1所示，高程基准[1]如图2所示。

图1 平面基准点分布示意图

2 CQGNSS系统的建设

图2 高程路线及精化点分布示意图

CQGNSS系统分期建设，首期工程于2005年10月启动实施、2006年9月完成，二三期于2008年和2009年完成并投入使用。CQGNSS以VRS技术和徕卡公司的主辅站技术为核心，由35个永久性连续运行GNSS基准参考站和1个系统数据处理中心组成，平均站间距为55.8 km。各基准站与系统数据中心采用带宽为10 M的城域网进行观测数据的实时传输，系统差分改正数据采用GSM、GPRS、CDMA 3种通信方式向用户实时发送。经过定位实时精度、空间可用性、时间可用性和设备兼容性等多方面的大量测试表明，CQGNSS系统实时定位平面精度优于2.0 cm，高程精度为4.0 cm；系统覆盖整个重庆市域地区，覆盖面积约82 000 km2；兼容目前市场上所有GPS-RTK接收机，兼容效果良好。

CQGNSS由参考站子系统、数据处理中心子系统、数据传输通信子系统和用户服务子系统4个部分构成。CQGNSS系统各参考站使用LEICA1200、TRIMBLE NETR3和TRIMBLE R8当时最新接收机，可以同时接收GPS(包括L2C信号)和GLONASS卫星信号；采用扼流圈天线，满足气象和地震等部门的基准站网建设规范；数据处理中心采用双机互为备份方案,即2台高端服务器同时运行Spider Net和 RTKNet软件双网络RTK系统，数据服务器与发布服务器用硬件防火墙隔离。采用基于MPLS的VPN专网将参考站观测数据传到数据中心,采用ADSL线路进行传输备份；利用GSM/GPRS/CDMA 方式将系统差分改正数据实时播发给实时用户；通过互联网络发布GPS其他数据为事后处理用户或非定位用户提供服务。CQGNSS系统中35个参考站与重庆市地理信息中心的数据中心由4 M光纤相连，系统组成[3,4]见图3。同时基于VRS技术开发建立了重庆GPS实时测量平台，为用户提供实时地方坐标服务[5]。

图3 系统构成示意图

3 高精度GPS网

空间精度见表2，基线精度详见表3。

3.1 高精度GPS控制网的组成

重庆市高精度GPS网和精密水准网是“都市区大地水准面精化”的组成部分。高精度GPS网由35个GPS A级点（参考站点）、60个GPS B级点和105个GPS C级网点、228个联测点组成。按照设计书要求进行外业观测，采用专业软件按照前面的原则进行处理。

3.2 数据处理原则

采用美国麻省理工学院研制的高精度数据处理软件GAMIT/GLOBK的最新版本10.40，按照逐级控制的原则进行平差。其步骤为：①约束LUZH、WUHN、GUAN、XIAM等9个GPS连续运行站点（A级点），作三维约束平差，获取重庆CORS站点坐标；②约束重庆CORS站点，作三维约束平差，获取重庆GPS B级网点坐标；③约束重庆CORS站点、重庆GPS B级网点，作三维约束平差，获取重庆GPS C级网点及联测点坐标。最后得到2000国家坐标系、ITRF2000框架某瞬时历元坐标、ITRF2005框架某瞬时历元坐标共3套空间坐标成果。

利用2000国家坐标系分别与1980系、1954系、重庆市独立坐标系的重合点，采用Bursa七参数坐标转换模型和二维高斯平面坐标转换模型[6-8]，通过转换的方法分别得到1980系、1954系、重庆市独立坐标系坐标成果，同时基于2000国家坐标系建立重庆市都市区独立坐标系和重庆市东部独立坐标系成果，统一重庆坐标体系。

3.3 数据处理精度

经过反复选择合格数据最终参与解算，形成基线重复性、空间坐标精度等统计成果，重复性统计见表1，

表1 高等级GPS网基线重复性平均值统计表/mm

表2 空间坐标精度平均值统计表/mm

由表2可知，A级点空间直角坐标X方向的平均精度是±0.1 mm，最弱点精度是±0.4 mm；Y方向的平均精度是±0.3 mm，最弱点精度是±1.1 mm；Z方向的平均精度是±0.2 mm，最弱点精度是±0.7 mm。A级点南北方向的平均精度是±0.1 mm，最弱点精度是±0.3 mm；东西方向的平均精度是±0.1 mm，最弱点精度是±0.3 mm；高程方向的平均精度是±0.3 mm，最弱点精度是±1.3 mm。同样， B级网和C级网的点位精度均达到设计要求。

表3 基线精度平均值统计表

由表3可知，CORS站相邻点基线南北方向分量的平均精度是±0.1 mm，最弱基线南北方向分量的精度是±0.3 mm；东西方向分量的平均精度是±0.1 mm，最弱基线东西方向分量的精度是±0.4 mm；相邻点基线垂直分量的平均精度是±0.5 mm，最弱基线垂直分量的精度是±1.6 mm；CORS站基线相对中误差平均值为8.63×10-10，最弱基线相对误差为6.23×10-9。同样，B级网和C级网的基线精度均达到设计要求。

4 精密水准网

水准观测使用数字水准仪和条码式因瓦水准尺。二等水准观测采用往返观测方式。新测水准路线与已有水准点联测或接测时，按国家规范要求进行检测。施测二等水准路线9条(283.2 km)，二等水准联测A级GPS点35个、B级GPS点60个、C级GPS点219个。

用高差不符值计算了水准路线每km水准测量偶然中误差；对不同等级构成的闭合环线、附合路线进行了闭合差计算，用环闭合差计算每km全中误差。水准平差在国家第二期一等水准复测网控制下完成。以加过标尺长度误差改正、正常水准面不平行改正、重力异常改正后的观测高差为元素，距离定权，待定结点的正常高程为未知数进行平差。结点平差高程及路线高差改正量计算完后，采用附合路线平差的方法推求平差路线中其他各水准点的高程。处理二等水准网平差路线529条，水准点459个，已知点1个，未知点458个。平差后单位权(每km)中误差为 0.79 mm ；结点高程中误差最大(Ⅰ屏宜85基主)为±16.98 mm，成果精度统计见表4。

表4 水准网精度统计/mm

5 区域似大地水准面精化

利用重庆都市区、周边地区的重力点成果、数字高程模型、全球重力场模型及分布较均匀、现势性较好的GPS/水准成果，采用重力法及移去-恢复技术进行重力大地水准面的计算。在预处理过程中进行841种重力大地水准面计算，同时进行GPS/水准的数据情况分析，最终确定了529个GPS/水准点参加拟合计算，将这些GPS/水准点作为拟合数据，纠正积分半径为30 km的重力似大地水准面。考虑该区域重力似大地水准面精度不高，而GPS/水准数据丰富的因素，充分发挥GPS/水准数据对区域大地水准面的控制作用，分析比较了神经网络、最小二乘配置、薄板样条、移动曲面等多种模型的拟合效果，最终选取薄板样条函数拟合方法作为最终采用的重庆市似大地水准面模型，形成 2.5′×2.5′格网模型似大地水准面，编制2.5’×2.5’格网1985国家高程基准与1956年黄海高程系的内插软件。利用529个GPS／水准点成果将区域重力似大地水准面拟合适配于该区域的实测似大地水准面，薄板样条函数以全部拟合点为节点，充分利用各拟合点的已知信息，将拟合点作为无误差的观测量，利用空点法统计精度，内符合残差为0.0 cm，市区空点法检验精度为±1.6 cm，外围空点法检验精度为±1.9 cm。

[1]张瑛. 城乡规划中的控制基准建设[J].城市勘测,2007 (3):3-4

[2]重庆市规划局.重庆市建成现代测绘基准 [EB/OL].http://www.cq.gov.cn/zwgk/zfxx/401804.htm,2012.05.18

[3]罗灵军,徐永书,夏定辉,等.重庆市连续运行卫星定位综合服务系统（CQGISS）建设[J].测绘科学, 2007(6): 164-166

[4]张黎,徐永书,夏定辉. 重庆市GPS综合服务系统的网络建设[J].全球定位系统, 2009(1)：54-57

[5]夏定辉，周玉清. 基于VRS技术的重庆GPS实时测量平台建设实现[J].地理空间信息,2010,8(4):38-39

[6]魏二虎，黄劲松. GPS测量操作与数据处理[M]. 武汉:武汉大学出版社, 2004

[7]李征航,何良华,吴北平. 全球定位系统( GPS) 技术的最新进展：第二讲网络RTK[J]. 测绘信息与工程,2002 ,27 (2):24-25

[8]孔祥元，郭际明. 大地测量学基础[M]. 武汉:武汉大学出版社, 2005