寧波市似大地水準面數字高程基準建設及精度檢驗

張文峰，張旭東

（1.寧波市測繪設計研究院，浙江 寧波 315041）

寧波市似大地水準面數字高程基準建設及精度檢驗

張文峰1，張旭東1

（1.寧波市測繪設計研究院，浙江 寧波 315041）

基于2000國家大地坐標系和1985國家高程基準，闡述了在NBCORS和寧波市基本高程控制網的三維框架下組織實施寧波市似大地水準面數字高程基準建設的方法，并進行了似大地水準面的正確性和實用性精度檢驗以及精度區域劃分。

似大地水準面；數字高程基準；正確性檢驗；實用性檢驗

2009~2011年，寧波市測繪設計研究院組織實施了覆蓋全寧波市域及近海區域的“寧波市似大地水準面數字高程基準建設”項目。項目旨在探索“GNSS+似大地水準面”測量新技術的應用，以實現傳統高程基準建立和維持模式的根本性轉變。

1 數字高程基準建設

1.1 工藝流程

本項目中寧波市似大地水準面數字高程基準的建設工藝流程主要分為4個步驟：①高程異?？刂凭W建設，即一體化同步建立基于GNSS的基本控制網和全市基本高程控制網；②似大地水準面計算，包括GNSS、水準數據處理以及似大地水準面模型的建立；③似大地水準面精度檢驗，包括采用正確性GNSS靜態檢驗、實用性的網絡RTK檢驗以及精度區域的劃分；④似大地水準面的應用，編制在線三維坐標轉換系統，為用戶提供準實時的GNSS高程轉換數字化服務。

從項目建設的工藝流程分析，本次精化主要解決4個問題：①統一性，即統一采用2000國家大地坐標系和1985國家高程基準作為平面和高程的起算基準；②同步性，不僅保持水準和GNSS測量的同步性，同時與全省CORS的觀測保持同步，以保障參考站點的CGCS2000大地坐標的時效性；③取代傳統高程基準，提出了使用似大地水準面模型取代傳統水準標石并維持現代高程基準的方法，研究和編制了采用GNSS高程測量代替各等級水準測量的技術指標，并經過了理論推導和生產實踐應用；④實用性，即項目利用似大地水準面成果，結合網絡RTK技術，研制在線三維坐標轉換系統，滿足城市建設定位需求。

1.2 GNSS基本控制網測量

高程異?？刂凭W的GNSS網建立以ZJCORS為基礎，將NBCORS納入全省的CORS框架網中，與全省同步聯測，精確解算并確定NBCORS各參考站的CGCS2000坐標。在此基礎上，再組織實施全市GNSS基本控制網。該網的特點如下：

①GNSS網點布設均勻，結構合理。將GNSS點的布設與水準路線選取統一考慮，減少了水準聯測的工作量，使控制點上同時具有平面和高程成果。②采用8 h×2時段的C級GNSS同步環觀測技術，全網平均重復設站達4.32。③綜合了多種精密的數據處理方法，其GNSS網坐標分量在水平方向上的平均精度為±0.003 5 m，大地高方向的平均精度為±0.006 7 m。

GNSS網的三維約束平差結果建立了該地區CGCS2000坐標系下的平面測繪基準，為高精度高分辨率似大地水準面的建立提供了均勻、可靠和精確的地心坐標數據。

1.3 基本高程控制網測量

高程異?？刂凭W中的GNSS/水準點的高程聯測也布設成水準網，該網基于原有寧波市基本高程控制網，對其進行改造，以國家一等水準點為起算數據，全部布設成二等水準網，旨在聯測并獲取GNSS/水準點的高精度正常高。該網的特點如下：

① 水準網優化調整，全網全部改造并構成28個閉合環的二等水準網；②對于全部國家一等水準點南北連貫采用一等水準進行檢測，確定了符合性起算點；③水準觀測采用精密水準測量技術，共完成了230 km一等水準檢測、2 044 km二等水準測量；④水準數據處理時考慮了溫度改正，進行了水準標尺長度、正常水準面不平行、重力異常以及環線閉合差改正。

全網平差后，二等水準各種誤差均滿足限差要求，其每km水準測量的全中誤差為±0.877 mm，符合設計和規范要求，為高精度高分辨率似大地水準面的建立提供了精確的水準高程數據。

1.4 數字高程基準計算

似大地水準面數字高程計算融合了規劃區已有建設成果，共使用了3 673個點重力數據和174個GNSS/水準點資料，以EIGEN03C地球重力場模型作為參考重力場，由第二類Helmert凝集法完成了似大地水準面的計算。其特點如下：

1）在利用原有規劃區精化成果時，首先將規劃區與全市高程異?？刂凭W平面和高程采用統一起算點約束，計算其CGCS2000大地坐標和水準高程，經過重復點的分析和選擇，再進一步進行高程異常計算。

2）格網重力異常的內插和推估計算，在航天飛機雷達地形測繪使命（SRTM）高分辨率7.5"×7.5"數字地面模型基礎上，利用地形均衡歸算，通過移去-還原原理計算。其中地形均衡歸算采用Airy-Haiskanen均衡模型，地形改正和均衡改正采用了考慮地球曲率的嚴密球面積分公式，積分半徑為300 km。

3）似大地水準面的計算采用了第二類Helmert凝集法，公式是考慮了地球曲率影響的嚴密球面積分公式。

通過計算，174個GNSS/水準資料與重力似大地水準面獨立比較精度為±0.018 m。利用球冠協調和分析方法將GNSS水準與重力似大地水準面聯合求解得出的2'×2'格網似大地水準面精度達到±0.010 m。

2 似大地水準面精度檢驗

在似大地水準面精化之后，為了檢測似大地水準面成果的正確性和實用性，寧波市測繪設計研究院先后組織了不同等級、不同區域的GNSS精度測試，對寧波市高精度高分辨率似大地水準面成果進行了質量檢驗。

2.1 正確性檢驗

正確性檢測采用外部檢核方式，總共選取了26個符合要求的點位作為檢測點，主要均勻分布在寧波市的慈溪、余姚、寧海、象山、奉化等5個代表性的特征區域。每個區域均布設8個檢測點，其中包含2～3個已知點。檢測點布設均考慮了利用具有二等水準成果的點位或布設于已知二等水準點附近，既符合GNSS觀測要求，又便于水準聯測。每個檢測點的GNSS、水準測量等級與似大地水準面精化時高程異?？刂泣c的測量要求一致，數據處理也采用相同的軟件和處理方法，檢測結果見表1。

表1 正確性靜態檢測結果統計表/m

由表1可知，應用似大地水準面成果計算的GNSS高程與直接水準高程較差中誤差為±0.015 m，達到了較高精度水平，滿足了精化預期的目標。

2.2 實用性檢驗

由于本項目實施的似大地水準面精化范圍較大，實用性檢測主要基于NBCORS系統，在全市區按照8 km×8 km的密度，均勻布設網絡RTK高程檢測點，總共布設了132個網絡RTK檢測點。布設的實用性檢測點位均具有近期觀測的四等及其以上等級的已知水準成果，這些點位穩定可靠，沒有進行重新測量。

RTK觀測執行《衛星定位城市測量技術規范》中的一級GNSS控制點觀測要求，觀測4個測回，測回間的垂直坐標分量均不大于3 cm，取各測回結果的平均值作為最終觀測成果。最后再利用LGO軟件，在軟件中加載似大地水準面精化模型，導入觀測數據，可直接獲取網絡RTK正常高，其檢測結果見表2。

表2 實用性網絡RTK動態檢測結果統計表/cm

從表2可以看出，網絡RTK動態檢測的模型計算高程與其水準高程比較平均較差為0.011 m，中誤差為±0.022 m，均沒有超出相關規范規定的±6 cm限差，可以滿足現有國家規范中代替等外水準、圖等水準的技術指標要求。

2.3 精度區域劃分

考慮到測繪生產活動的行政區域性，為了指導寧波市各個行政區域內利用似大地水準面精化成果進行高程測量，本項目將精化模型精度區域劃分到行政區，共6個區域，分布情況見圖1。

圖1 全市似大地水準面精度區域劃分圖

1）內符合精度區域劃分：該精化模型在寧波市各個行政區域內的內符合精度在±9.2 mm～±12.4 mm，山區精化模型內符合精度為±12.0 mm，平地為±9.7 mm，全市范圍內的內符合精度為±10 mm。依據相關規范，在寧波市域范圍內，精度均滿足利用四等GNSS高程測量代替四等水準測量的技術指標要求。

2）外符合精度區域劃分：全市實用性靜態GNSS高程精度為±18.0 mm，實用性網絡RTK高程精度為±22.0 mm，可滿足寧波城市建設各領域的高程測量應用需求。

3 結 語

1）項目綜合運用了各種現代大地測量技術，確定了覆蓋寧波全市域、2'×2'高分辨率、±1.0 cm高精度似大地水準面模型；建立了統一基準、統一地勢、統一精度、無縫接邊、幾何與物理一體化的寧波市似大地水準面數字高程基準；實現了傳統高程基準建立和維持模式的根本性轉變，完善了寧波市現代測繪基準體系的建設成果。

2）似大地水準面同精度正確性檢測結果表明，寧波市似大地水準面的外符合精度為±0.015 m，精化成果比較理想，達到了預期精化的目標。實用性動態檢測結果表明，網絡RTK高程測量中誤差為±0.022 m，可以滿足相應技術規范規定代替等外水準、圖等水準的技術指標要求，這為寧波市解決各類測繪工作的高程控制提供了基本技術保障，為下一步基于NBCORS的網絡RTK高程精度研究打下堅實的基礎。

3）精度區域劃分表明，寧波市似大地水準面高程異常模型在不同區域、不同地勢的精度基本無差異，但采用靜態和動態測量GNSS高程精度與相應的GNSS等級精度有關。

[1] 席青驥. 城市似大地水準面精化成果的檢核及其應用[J].地理空間信息，2007，5(4):90-92

[2] 肖建華，王厚之，李江衛，等. 武漢市區域似大地水準面精化成果應用分析[J].地理空間信息，2008，6(2):1-3

[3] 章傳銀，黨亞民，柯寶貴，等. 高精度海岸帶重力似大地水準面的若干問題討論[J].武漢大學學報：信息科學版，2012(10):1 150-1 154

[4] 符華年，張旭東，史秀保. 基于NBCORS的似大地水準面精化成果檢測與分析[J].城市勘測，2012(2):93-95

[5] 曹學禮，張旭東，史秀保. 似大地水準面精化成果的檢測與探討[J].測繪標準化，2008(4):22-24

[6] 陳達玉，譙勇，劉俊，等. 似大地水準面精化方法研究與精度分析[J].鐵道勘察，2011(3):21-23

[7] 盧榮. 廣州市似大地水準面精度檢核研究[J]. 礦山測量，2011(4):56-57

Construction and Testing Accuracy of Ningbo Quasi-geoid Digital Vertical Datum

byZHANG Wenfeng

Based on the 2000 national geodetic coordinate system and the 1985 National Vertical Datum, this paper described the method which organized the construction of Ningbo quasi-geoid digital vertical datum in NBCORS and Ningbo basic elevation control network 3D framework. At the same time, it conducted the accuracy test of correctness and practicality and the accuracy region's partition.

quasi-geoid, digital vertical datum, correctness testing,practicality testing

P223.0

B

1672-4623（2013）02-0157-03

10.11709/j.issn.1672-4623.2013.02.052

2012-12-05。

張文峰，工程師，主要從事大地測量技術的研究和應用。