粵港澳大灣區(qū)大地基準(zhǔn)和高程基準(zhǔn)的統(tǒng)一

鄧思勝，宋傳峰，陳 敬，侯 雪

（1. 廣東省國(guó)土資源測(cè)繪院，廣東 廣州 510500；2. 武漢大學(xué)衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)研究中心，湖北 武漢 430079）

測(cè)繪基準(zhǔn)作為獲取空間信息的基礎(chǔ)設(shè)施，是為進(jìn)行測(cè)繪工作所確定和建立的各類(lèi)起算點(diǎn)、起算面及其相應(yīng)參數(shù)的總稱(chēng)[1-3]?，F(xiàn)代測(cè)繪基準(zhǔn)包括大地坐標(biāo)基準(zhǔn)和高程基準(zhǔn)等[4]。我國(guó)20 世紀(jì)建立的測(cè)繪基準(zhǔn)曾為我國(guó)的國(guó)家發(fā)展和安全做出了重要貢獻(xiàn)[5]。進(jìn)入21 世紀(jì)后，各地逐步開(kāi)啟了現(xiàn)代化測(cè)繪基準(zhǔn)建設(shè)道路[6-8]，主要包括建立CORS 站和實(shí)施區(qū)域似大地水準(zhǔn)面精化[9]。

2019 年國(guó)家發(fā)布了《粵港澳大灣區(qū)發(fā)展規(guī)劃綱要》，支持香港、澳門(mén)與內(nèi)地融合發(fā)展；但由于歷史因素，粵、港、澳三地建立的測(cè)繪基準(zhǔn)不盡相同[10-14]，這將導(dǎo)致覆蓋港澳的相關(guān)重大工程和科學(xué)項(xiàng)目難以實(shí)施，阻礙粵港澳協(xié)同發(fā)展。因此，廣東省準(zhǔn)確把握規(guī)劃綱要重點(diǎn)任務(wù)，組織并實(shí)施了粵港澳大灣區(qū)測(cè)繪基準(zhǔn)建設(shè)項(xiàng)目。該項(xiàng)目收集并處理了大灣區(qū)內(nèi)廣州、深圳、珠海、佛山、惠州、東莞、中山、江門(mén)等8個(gè)地市原有的920個(gè)、國(guó)家現(xiàn)代測(cè)繪基準(zhǔn)工程一期18個(gè)和港珠澳大橋工程建立的16個(gè)GNSS水準(zhǔn)點(diǎn)；通過(guò)在空白區(qū)域——肇慶市布測(cè)二等水準(zhǔn)路線840 km，并聯(lián)測(cè)全域內(nèi)GNSS-B級(jí)點(diǎn)123個(gè)，實(shí)現(xiàn)了大灣區(qū)GNSS水準(zhǔn)點(diǎn)的全覆蓋?；贕NSS 水準(zhǔn)點(diǎn)，以國(guó)家現(xiàn)代測(cè)繪基準(zhǔn)工程一期GNSS水準(zhǔn)點(diǎn)為主，采用23 441個(gè)重力數(shù)據(jù)點(diǎn)計(jì)算確定了總覆蓋面積6.7 萬(wàn)km2、陸海一體、高精度的粵港澳大灣區(qū)似大地水準(zhǔn)面模型，統(tǒng)一了大灣區(qū)的大地坐標(biāo)基準(zhǔn)和高程基準(zhǔn)；同時(shí)建立了大灣區(qū)成果與港、澳以及8 個(gè)地市原有成果的多向轉(zhuǎn)換關(guān)系，有利于新舊測(cè)繪成果的融合利用。

本文簡(jiǎn)要回顧了大灣區(qū)各地市以及港、澳的測(cè)繪基準(zhǔn)現(xiàn)狀，介紹了粵港澳大灣區(qū)測(cè)繪基準(zhǔn)建設(shè)與統(tǒng)一的技術(shù)思路，并對(duì)其成果應(yīng)用方式進(jìn)行了探討，旨在為成果使用提供實(shí)際應(yīng)用參考。該項(xiàng)目的技術(shù)思路對(duì)相關(guān)工程的實(shí)施也具有一定的借鑒意義。

1 粵港澳大灣區(qū)原有測(cè)繪基準(zhǔn)現(xiàn)狀

本文在項(xiàng)目實(shí)施前收集了大灣區(qū)9 個(gè)地市和港澳地區(qū)的測(cè)繪基準(zhǔn)現(xiàn)狀，并簡(jiǎn)要介紹了國(guó)家現(xiàn)代測(cè)繪基準(zhǔn)工程一期以及港珠澳大橋工程所采用測(cè)繪基準(zhǔn)的基本情況，如表1 所示，可以看出，各地市和港澳地區(qū)的大地基準(zhǔn)、高程基準(zhǔn)不盡相同、建設(shè)年代各異；肇慶市沒(méi)有可用的二等水準(zhǔn)資料。通過(guò)基準(zhǔn)兼容性分析可知，采用相同大地坐標(biāo)系統(tǒng)和高程系統(tǒng)的廣州、深圳、珠海、佛山、惠州、東莞、中山、江門(mén)等地市在相鄰城市交界處的大地坐標(biāo)差異可達(dá)3~6 cm，水準(zhǔn)高程差異可達(dá)2~7 cm；而采用不同大地坐標(biāo)系統(tǒng)和高程系統(tǒng)的城市存在更大的系統(tǒng)誤差。大灣區(qū)大地基準(zhǔn)和高程基準(zhǔn)的不統(tǒng)一嚴(yán)重阻礙了相關(guān)工程和科學(xué)項(xiàng)目的實(shí)施，不利于粵港澳大灣區(qū)協(xié)同發(fā)展。因此，粵港澳大灣區(qū)測(cè)繪基準(zhǔn)建設(shè)與統(tǒng)一項(xiàng)目的實(shí)施勢(shì)在必行。

表1 大灣區(qū)原有測(cè)繪基準(zhǔn)情況統(tǒng)計(jì)

2 粵港澳大灣區(qū)測(cè)繪基準(zhǔn)建設(shè)與統(tǒng)一

本項(xiàng)目的建設(shè)內(nèi)容主要包括大地基準(zhǔn)的建設(shè)與統(tǒng)一、高程基準(zhǔn)的建設(shè)與統(tǒng)一以及新舊基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換關(guān)系的建立。

2.1 總體技術(shù)路線

國(guó)家現(xiàn)代測(cè)繪基準(zhǔn)工程一期建設(shè)的測(cè)繪基準(zhǔn)體系是由國(guó)家組織實(shí)施建設(shè)的、全國(guó)性的、具有較高精度和現(xiàn)勢(shì)性的現(xiàn)代測(cè)繪基準(zhǔn)體系[3]。本項(xiàng)目的目標(biāo)是將大灣區(qū)原有基準(zhǔn)統(tǒng)一到與國(guó)家一致的測(cè)繪基準(zhǔn)體系上來(lái)。其總體技術(shù)路線如圖1所示。

圖1 總體技術(shù)路線圖

2.2 大地基準(zhǔn)建設(shè)

粵港澳大灣區(qū)大地基準(zhǔn)由本次布設(shè)的CORS 網(wǎng)和GNSS-B 聯(lián)測(cè)網(wǎng)的大地成果、各地市原有GNSS點(diǎn)位成果、國(guó)家現(xiàn)代測(cè)繪基準(zhǔn)工程一期以及港珠澳大橋工程的GNSS 點(diǎn)位成果共同構(gòu)成。CORS 網(wǎng)共選取130 個(gè)CORS站，其中廣東113個(gè)、香港15個(gè)、澳門(mén)2個(gè)。

首先選取分布均勻、具有與國(guó)家成果相一致的部分CORS站作為起算，獲取全部CORS站、GNSS-B聯(lián)測(cè)網(wǎng)點(diǎn)的大地坐標(biāo)，稱(chēng)為新大地基準(zhǔn)；再以這些站點(diǎn)為起算，分區(qū)獲取新大地基準(zhǔn)下各地市原有GNSS 點(diǎn)位成果和港珠澳大橋工程的GNSS 點(diǎn)位成果，以此實(shí)現(xiàn)大灣區(qū)大地基準(zhǔn)的統(tǒng)一。

新布測(cè)GNSS 網(wǎng)的基線解算采用GAMIT 軟件。由于該軟件僅支持單系統(tǒng)數(shù)據(jù)解算，暫未支持多系統(tǒng)組合解，且GNSS-B 級(jí)聯(lián)測(cè)網(wǎng)的部分站點(diǎn)也僅能跟蹤GPS 信號(hào)，因此本項(xiàng)目?jī)H處理了GPS 的觀測(cè)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)處理時(shí)，引入了BJFS、CHAN、WUHN、LHAZ、URUM、USUD、KIT3、POL2、SUWN 九個(gè)全球跟蹤站作為基線解算的坐標(biāo)約束基準(zhǔn)，并將GNSS 控制網(wǎng)劃分為南、北兩個(gè)子網(wǎng)，子網(wǎng)與子網(wǎng)之間通過(guò)均勻分布的13 個(gè)CORS 站進(jìn)行連接，站點(diǎn)分布如圖2 所示。CORS網(wǎng)和GNSS-B級(jí)聯(lián)測(cè)網(wǎng)的基線解算相對(duì)精度均達(dá)到了10-9，所有同步時(shí)段的NRMS 值均小于0.2。由此可知，本次基線解算精度較好。

圖2 CORS網(wǎng)和GNSS-B聯(lián)測(cè)網(wǎng)點(diǎn)位示意圖

網(wǎng)平差采用GLOBK 軟件。整體平差得到的CGCS2000 框架下GNSS-B 聯(lián)測(cè)網(wǎng)、CORS 網(wǎng)點(diǎn)位精度如表2、3所示。分區(qū)平差地市原有以及港珠澳大橋工程的GNSS網(wǎng)時(shí)，則直接利用原有的H文件。

表2 GNSS-B聯(lián)測(cè)網(wǎng)點(diǎn)位精度中誤差統(tǒng)計(jì)/m

表3 CORS網(wǎng)點(diǎn)位精度中誤差統(tǒng)計(jì)/m

2.3 高程基準(zhǔn)建設(shè)

粵港澳大灣區(qū)高程基準(zhǔn)的統(tǒng)一體現(xiàn)在高精度似大地水準(zhǔn)面模型的建立上；通過(guò)在空白區(qū)域——肇慶市布測(cè)二等水準(zhǔn)路線，實(shí)現(xiàn)了大灣區(qū)全域GNSS 水準(zhǔn)點(diǎn)的覆蓋。這些點(diǎn)位的大地基準(zhǔn)已通過(guò)CORS網(wǎng)和GNSS聯(lián)測(cè)實(shí)現(xiàn)了統(tǒng)一，但高程基準(zhǔn)間仍存在系統(tǒng)差異，不能作為似大地水準(zhǔn)面精化的控制點(diǎn)。由于國(guó)家現(xiàn)代測(cè)繪基準(zhǔn)工程一期的GNSS 水準(zhǔn)點(diǎn)具有與國(guó)家相一致的水準(zhǔn)和GNSS 成果，且在項(xiàng)目范圍內(nèi)均勻分布，因此項(xiàng)目以該類(lèi)GNSS 水準(zhǔn)點(diǎn)為主，綜合利用相關(guān)地形數(shù)據(jù)、衛(wèi)星測(cè)高數(shù)據(jù)、數(shù)字高程模型（DEM）數(shù)據(jù)和重力測(cè)量數(shù)據(jù)建立了粵港澳大灣區(qū)似大地水準(zhǔn)面模型，如圖3所示。

圖3 2＇×2＇GNSS重力似大地水準(zhǔn)面/m

通過(guò)18 個(gè)GNSS 水準(zhǔn)點(diǎn)對(duì)大灣區(qū)重力似大地水準(zhǔn)面模型進(jìn)行精度評(píng)價(jià)發(fā)現(xiàn)，模型精度為0.014 m，經(jīng)GNSS 水準(zhǔn)點(diǎn)與重力似大地水準(zhǔn)面擬合后的格網(wǎng)水準(zhǔn)面模型的精度為0.010 m（內(nèi)符合）。由665 個(gè)檢驗(yàn)點(diǎn)的精度檢驗(yàn)可知，模型整體外符合精度為0.017 2 m，檢驗(yàn)點(diǎn)來(lái)源于廣州、深圳、珠海、佛山、惠州、東莞、中山、江門(mén)、肇慶等廣東省9 個(gè)地市，香港、澳門(mén)地區(qū)以及港珠澳大橋項(xiàng)目的原有GNSS 水準(zhǔn)點(diǎn)，檢驗(yàn)時(shí)已移除系統(tǒng)偏差。通過(guò)107個(gè)香港GNSS水準(zhǔn)點(diǎn)和16 個(gè)澳門(mén)GNSS 水準(zhǔn)點(diǎn)對(duì)模型進(jìn)行精度檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，整體點(diǎn)位高程中誤差分別為±0.022 m 和±0.018 3 m。項(xiàng)目選取江門(mén)市范圍的92 個(gè)GNSS-B、C 級(jí)點(diǎn)，經(jīng)實(shí)測(cè)GNSS 參與應(yīng)用精度檢驗(yàn)，結(jié)果表明，檢驗(yàn)點(diǎn)殘差最大值為0.055 3 m，最小值為-0.043 7 m，RMS 值為0.019 2 m。由此可知，本項(xiàng)目建立的大灣區(qū)似大地水準(zhǔn)面模型正確可靠、在廣東省9 個(gè)地市以及香港、澳門(mén)地區(qū)均具有較高的精度。

2.4 新舊基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換

為實(shí)現(xiàn)新舊測(cè)繪成果的融合利用，本項(xiàng)目分別建立了新大地基準(zhǔn)、新高程基準(zhǔn)（似大地水準(zhǔn)面模型）與原有各地市、香港、澳門(mén)以及港珠澳大橋工程的大地基準(zhǔn)與高程基準(zhǔn)的轉(zhuǎn)換關(guān)系。大地基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換主要通過(guò)布爾莎七參數(shù)模型求取兩種坐標(biāo)系間的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)[15]；高程基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換主要求取由模型計(jì)算的GNSS 水準(zhǔn)點(diǎn)高程與原有高程之間的常數(shù)偏差。港澳地區(qū)大地基準(zhǔn)和高程基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換參數(shù)的精度統(tǒng)計(jì)如表4、5所示。

表4 不同坐標(biāo)系間轉(zhuǎn)換殘差的RMS值

表5 不同高程基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換參數(shù)的精度統(tǒng)計(jì)

3 成果應(yīng)用方式探討

本項(xiàng)目建立了大灣區(qū)統(tǒng)一的大地基準(zhǔn)和高程基準(zhǔn)以及與原有基準(zhǔn)的轉(zhuǎn)換關(guān)系。大地基準(zhǔn)由大灣區(qū)范圍內(nèi)GNSS 控制點(diǎn)的大地坐標(biāo)體現(xiàn)，高程基準(zhǔn)由高精度似大地水準(zhǔn)面模型體現(xiàn)，基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換關(guān)系則包括新舊基準(zhǔn)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)和高程轉(zhuǎn)換參數(shù)。

項(xiàng)目成果應(yīng)用包括直接法與間接法兩種方式，其中直接法是指通過(guò)聯(lián)測(cè)部分GNSS 控制點(diǎn)獲取未知點(diǎn)的新大地基準(zhǔn)坐標(biāo)，或通過(guò)GDCORS 服務(wù)系統(tǒng)[16]實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)獲取未知點(diǎn)在新大地基準(zhǔn)下的坐標(biāo)，再利用似大地水準(zhǔn)面模型獲取未知點(diǎn)的高程值；間接法是指在獲取原有基準(zhǔn)框架下的坐標(biāo)或高程值后，利用本項(xiàng)目的轉(zhuǎn)換參數(shù)獲取大灣區(qū)統(tǒng)一框架下的坐標(biāo)和高程值。

4 結(jié) 語(yǔ)

粵港澳大灣區(qū)測(cè)繪基準(zhǔn)建設(shè)項(xiàng)目充分利用了已有測(cè)繪成果資料，采用現(xiàn)代大地測(cè)量技術(shù)和方法，精化了大灣區(qū)陸地全域以及鄰近海域的似大地水準(zhǔn)面模型，建立了大灣區(qū)統(tǒng)一的、與國(guó)家基準(zhǔn)一致的、高精度的三維大地基準(zhǔn)，并通過(guò)粵港澳大灣區(qū)似大地水準(zhǔn)面模型延伸到高程基準(zhǔn)、深度基準(zhǔn)、重力基準(zhǔn)的統(tǒng)一，為下一步全面更新提升廣東全省似大地水準(zhǔn)面模型精度，延伸擴(kuò)展服務(wù)區(qū)域，開(kāi)展全省陸海統(tǒng)一空間定位基準(zhǔn)框架建設(shè)積累經(jīng)驗(yàn)。

1）基于粵港澳CORS 站實(shí)現(xiàn)了大地基準(zhǔn)的統(tǒng)一，實(shí)現(xiàn)了2000 國(guó)家大地坐標(biāo)系、香港大地坐標(biāo)系（ITRF96 框架）和澳門(mén)大地坐標(biāo)系（ITRF2005 框架）之間坐標(biāo)框架的嚴(yán)密轉(zhuǎn)換，有利于統(tǒng)一基準(zhǔn)的維持和更新。

2）通過(guò)新建立的似大地水準(zhǔn)面模型實(shí)現(xiàn)了粵港澳大灣區(qū)高程基準(zhǔn)的統(tǒng)一，確定了1985 國(guó)家高程基準(zhǔn)、香港高程基準(zhǔn)面和澳門(mén)特別行政區(qū)平均海平面高程之間的準(zhǔn)確轉(zhuǎn)換關(guān)系，為結(jié)合GNSS 技術(shù)實(shí)時(shí)獲得厘米級(jí)高程測(cè)量結(jié)果奠定了基礎(chǔ)。

3）可利用GDCORS 坐標(biāo)基準(zhǔn)實(shí)時(shí)服務(wù)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目成果與GDCORS的融合應(yīng)用，進(jìn)一步提升粵港澳大灣區(qū)衛(wèi)星定位服務(wù)平面和高程應(yīng)用的精度，為粵港澳大灣區(qū)發(fā)布基于統(tǒng)一基準(zhǔn)、地方格網(wǎng)坐標(biāo)和高程的網(wǎng)絡(luò)RTK實(shí)時(shí)定位服務(wù)做好充分準(zhǔn)備。