城市或地区大地水准面精化技术.pptx

1.1布网目的布网目的建立AA市地心坐标参考框架，获取WGS-84坐标，提供首级控制。求得AA市WGS-84=1954年北京坐标系、WGS-84=1980西安坐标系的转换参数，获取控制网的1954年北京坐标和1980西安坐标。利用GPS、水准、重力资料，求定AA市高精度的大地水准面。为“数字AA”提供参考框架、参考基准。1.2项目目标项目目标AA市GPS网的WGS-84坐标精度优于3cm。AA市GPS网的1980西安坐标、1954年北京坐标和AA市地方坐标中误差优于5cm。AA市大地水准面的精度优于3cm。1.3外业作业依据外业作业依据GB/T18314-2001全球定位系统（GPS）测量规范福建省GPS-C级控制网技术设计书福建省第一测绘院2002.03AA市航测成图区域GPS网测量技术要求福建省第一测绘院2003.03.30GB12898-91国家三、四等水准测量规范1.4坐标系统坐标系统平面坐标系统：采用AA独立坐标系统，中央子午线为11830。高程系统：采用1985国家高程基准。工程控制网建网理论工程控制网建网理论第第15讲大地水准面精化讲大地水准面精化1.5点位情况点位情况重合水准点8个，重合原AA市GPS网点8个，新布测GPS点12个。1.6观测情况观测情况GPS观测采用基于连续运行基准站的观测模式，尽量构成同步环，有效观测时间大于4h，外业采用双频GPS接收机观测。新布测的GPS点采用三等水准联测方法联测其高程，起算点须为1985国家高程基准高程。2.GPS网数据处理网数据处理2.1数据处理基本原则2.1.1作业依据全球定位系统（GPS）测量规范国家质量技术监督局GB/T18314-2001福建省GPSC级控制网技术设计书福建省第一测绘院2002.03本数据处理方案。2.1.2软件AA市GPS网的数据处理采用目前国际上公认的用于GPS数据后处理的最优秀、最成熟的软件美国麻省理工学院（MIT）的GAMIT/GLOBK软件。2.1.3参考框架与参考历元AA市GPS网的参考框架与参考历元和国家2000GPS大地控制网的参考框架与参考历元保持一致，即参考框架为ITRF97，参考历元为2000.0。2.1.4卫星轨道卫星轨道采用精密星历。工程控制网建网理论工程控制网建网理论第第15讲大地水准面精化讲大地水准面精化2.1.5 基线解算 基线解算采用基准站技术，即GPS连续运行站+测区观测数据。同时，采用AutoClean周跳自动修复技术，进行周跳剔除与修复，以获取精确的基线解算结果。最后，使用干净的双差相位数据进行定位，从而可以获得高精度的基线处理结果。即：(1)(2)其中，是从第i站至第k星的距离 是第i，j站与第k，l星形成的双差相位模糊度 是第i，j站与第k，l星形成的双差相位观测值 是与频率相应的波长 是第i，j站与第k，l星形成的双差相位改正数，包括：卫星钟差改正工程控制网建网理论工程控制网建网理论第第15讲大地水准面精化讲大地水准面精化接收机钟差改正电离层改正对流层延迟改正测站固体潮汐改正卫星天线相位中心偏差改正接收机天线相位中心偏差改正接收机天线相位中心变化改正卫星偏航姿态改正2.1.6网平差采用与GAMIT配套的综合平差软件 GLOBK，在WGS-84椭球上进行三维整体平差处理。GLOBK软件的核心卡尔曼滤波技术，他不仅估计了测站观测信息，也估计了卫星轨道信息，从而可以获得精确的三维地心坐标。工程控制网建网理论工程控制网建网理论第第15讲大地水准面精化讲大地水准面精化2.1.7坐标系转换通过GLOBK平差后即可得到WGS-84系的高精度三维地心坐标，而实际工作中使用的1980西安坐标系坐标或1954年北京坐标系坐标或AA市地方坐标系坐标，必须通过转换，或者在1980西安坐标系（或1954年北京坐标系或AA市地方坐标系）下平差后才能得到。全国天文大地网一般是在50或60年代施测的，由于我国地壳运动变化复杂，经过这些年，点位变化不尽相同，如果通过平差强制符合的办法会将一些误差带入网中，降低了整网的精度。通过分析重合点，选择合适的重合点，不仅可求得该地区的转换参数，而且还可以验证该地区已知点位的可靠性。所以，AA市GPS网的1980/1954/地方坐标采用重合点参数转换的方法获取。根据AA市GPS网与该地区大地网点的重合情况，使用二维坐标转换模型求得转换参数，再根据该转换参数求得相应的1980/1954/地方坐标。二维坐标转换模型(3)其中，2个平移参数x0，y0，1个旋转参数和1个尺度因子。工程控制网建网理论工程控制网建网理论第第15讲大地水准面精化讲大地水准面精化2.1.8坐标系变换坐标系变换2.1.8.1空间直角坐标系与空间大地坐标系间的变换空间直角坐标系与空间大地坐标系间的变换(4)其中：，为卯酉圈的半径；a为地球椭球长半轴；b为地球椭球的短半轴。工程控制网建网理论工程控制网建网理论第第15讲大地水准面精化讲大地水准面精化2.1.8.2空间大地坐标系间与空间直角坐标系间的变换空间大地坐标系间与空间直角坐标系间的变换(5)2.1.8.3空间坐标系与平面直角坐标系间的变换 空间坐标系与平面直角坐标系间的变换采用投影变换的方法。在我国一般采用的是高斯投影。关于高斯投影，请参见有关文献。工程控制网建网理论工程控制网建网理论第第15讲大地水准面精化讲大地水准面精化2.2数据处理的技术路线与工艺数据整理与标准化收集跟踪站数据精密星历GAMIT相应表文件GAMIT基线解算GLOBK网平差1980西安坐标1954年北京坐标计算转换参数数据处理报告泉州市地方坐标图一技术流程图工程控制网建网理论工程控制网建网理论第第15讲大地水准面精化讲大地水准面精化2.2.1数据整理与标准化根据外业观测使用仪器按天为单位整理观测数据，并将原始观测数据转换为Rinex格式数据，同时编制观测仪器、天线、天线高与天线高量取位置等对照表。2.2.2收集数据与编制GAMIT相应表文件收集周边跟踪站的数据、精密星历，编制有关的表文件等。2.2.3GAMIT基线解算以同步环为单位，按时段逐一解算同步环的数据，使用周跳自动修复技术，并使得同步环的Nrms小于1.0周。2.2.4GLOBK网平差根据GAMIT基线解算结果，组织平差文件，首先对基线结果数据进行检验，一般应小于20，检验通过后即进行网平差处理。2.2.5坐标转换根据测区及周边地区重合GPS点的成果，分析重合点的可靠性，选取合适的重合点，根据坐标转换模型分别求得WGS84到1980、1954两套转换参数，再根据该转换参数，最终求得测区所有点1980和1954坐标，从而获得AA市地方坐标。2.2.6编写技术报告根据数据处理情况编写数据处理技术报告。工程控制网建网理论工程控制网建网理论第第15讲大地水准面精化讲大地水准面精化3大地水准面精化3.1区域重力（似）大地水准面的确定充分利用该地区较密集的新、老重力点成果，不低于3030分辨率数字高程模型，360阶次的国内外先进的重力场模型（EGM96、WDM94 等）及分布较均匀的、现势性较好的GPS网及水准测量成果，采用重力法（Stokes、Molodensky原理）及移去恢复技术完成该地区分辨率为11的高精度的大地水准面成果。3.1.1平均重力异常的计算根据项目区域的加密重力点成果，使用3030 DEM数据，完成加密重力点均衡重力异常归算和3030格网地形改正与均衡改正的确定；应用移动拟合法（二元一次多项式）采用布格异常和均衡异常两种异常形式，分别完成2.52.5平均布格异常和2.52.5均衡异常。根据2.52.5格网平均高、2.52.5平均地形改正和平均均衡改正（由3030格网地形改正与均衡改正取平均得到），采用移去恢复技术完成两种2.52.5平均空间异常。我们把由布格异常恢复得到的2.52.5平均空间异常简称为2.52.5布格平均空间异常；把由均衡异常恢复得到的2.52.5平均空间异常简称为2.52.5均衡平均空间异常。工程控制网建网理论工程控制网建网理论第第15讲大地水准面精化讲大地水准面精化3.1.2参考重力场模型计算格网重力异常和大地水准面根据经验，在我国一般选用360阶次的EGM96、WDM94为参考重力场，并 采 用 两 套 模 型 完 成 2.52.5格 网 模 型 大 地 水 准 面 和2.52.5格网模型平均空间异常。3.1.3剩余重力异常的计算两种平均空间异常与两种模型平均空间异常组合为4种剩余空间异常（用于重力大地水准面的计算）与4种剩余法耶异常（用于重力似重力大地水准面的计算）。3.1.4重力（似）大地水准面的计算在重力法计算大地水准面时，积分半径的大小对重力大地水准面的计算精度有着重要影响，为此，采用Stokes公式，分别使用积分半径为20Km、30Km、40Km、50Km、60Km、70Km、80Km、90Km、100Km、110Km、120Km、130Km完成4种剩余空间异常的48种重力大地水准面的计算；同样方法，采用Molodensky公式完成4种剩余法耶异常的48种重力似大地水准面的计算。在根据重力（似）大地水准面同GPS/水准结果的符合程度选择最好的大地水准面结果。工程控制网建网理论工程控制网建网理论第第15讲大地水准面精化讲大地水准面精化3.1.5GPS/水准点的利用与粗差的剔除鉴于GPS/水准成果对（似）大/地水准面的计算起控制作用，采用GPS/水准对重力大地水准面进行纠正时，水准的精度与分布对最终的大地水准面的确定有重要影响。很显然，使用有粗差GPS/水准成果将导致错误的大地水准面结果。因此，在大地水准面的计算中，保证GPS/水准测量精度（GPS/水准点上的GPS测量的大地高与等级水准测量高程要保证）和合理的分布，尤其剔除GPS/水准粗差点显得非常重要。在我们已完成的十多个区域大地水准面确定项目中或多或少地均发现与存在有粗差点。通过GPS/水准与重力（似）大地水准面差距比较，我们便能容易地发现粗差点。在最终利用GPS/水准对重力大地水准面进行纠正时，不使用这些粗差点，以确保最终重力（似）大地水准面的成果质量。3.2最终（似）大地水准面的确定与精度分析3.2.1利用GPS/水准分区纠正重力（似）大地水准面由于重力(似)大地水准面使用的平均椭球(GRS80)同GPS/水准使用椭球（WGS84）存在一定的不符值，加上重力基准等因素的影响，使得GPS/水准与重力（似）大地水准面在同一点上存在一定的差值，对此一般习惯于采用常用二元一次多项式拟合法完成系统改正计算，并获得最终的（似）大地水准面结果及有关的精度信息。工程控制网建网理论工程控制网建网理论第第15讲大地水准面精化讲大地水准面精化鉴于GPS/水准尤其是较密集的GPS/水准成果对保证大地水面成果的精度有重要作用，因此，如何利用GPS/水准完成对重力（似）大地水准面纠正是该项目的技术关键。我们基本考虑是，根据大地水准面的形态并结合GPS/水准的分布，分若干区来完成对重力（似）大地水准面的纠正，并较好地处理好分区间的接边问题。当利用GPS/水准按分区纠正（似）重力大地水准面时，由于各个分区使用的GPS/水准与重力大地水准面不一致，加上采用多项式纠正时，在各个区的周边（显然也包括分区线周围）误差较大，为了保证分区拼接后的整体大地水准面在分区线周围没有裂缝与突变（较好的连续性），一般习惯于采用在分区线周围通过扩边（本项目扩了0.5度）形成含有共同的GPS/水准成果的重叠带，另外，在分区线周围采用同时顾及分区线两边纠正函数影响的合理算法。在GPS/水准分布较好的情况下，也可考虑通过控制点上的差值，应用移动拟合法完成重力大地水准面的纠正。工程控制网建网理论工程控制网建网理论第第15讲大地水准面精化讲大地水准面精化3.2.2纠正后重力（似）大地水准面的精度分析3.2.2.1内符合精度 采用近300个GPS/水准点上的GPS/水准结果同最终似大地水准面差距的不符值完成对大地水准面结果的精度评定与分析。由于这些GPS/水准成果均参加了对重力（似）大地水准面的纠正，显然这是内符合精度。若使用了分区完成对重力（似）大地水准面的纠正时，我们也可采用逐区进行最终（似）大地水准面结果的精度评定与分析。3.2.2.2外符合精度3.2.2.2.1空点法采用每次空（留）出一个GPS/水准点，用剩余的其它GPS/水准点成果完成对重力（似）大地水准面的纠正，我们利用每次空出的GPS/水准点位（WGS84的大地经纬度）、WGS84的大地高与纠正后的似大地水准面差距，计算出该点（空出的GPS/水准点）的大地水准面差距值（简称：推估值）。我们用每次空出一个GPS/水准点上的实测似大地水准面差距（简称：实测值）同该点上的推估值的差异，完成对最终似大地水准面外符合精度检验。采用该方法的好处是：无需增加额外的GPS/水准点，由于使用了全部（不含粗差点）GPS/水准点作检核，给出的精度较合理。工程控制网建网理论工程控制网建网理论第第15讲大地水准面精化讲大地水准面精化3.2.2.2.2外业直接测量法当最终的大地水准面成果提供甲方使用后，由甲方通过重新布测分布均匀且有一定数量（30点左右）的GPS/水准点（以下简称：检验点）来完成最终似大地水准面外符合精度检验。为保证精度检验的可靠性与质量，我们对检验点的布测与数据处理提出如下要求：、检验点分布合理且有一定的数量（30点左右）。、检验点的GPS测量与数据处理同C（三）级GPS网点相同。、检验点最好选用国家一、二等水准点。当需要对检验点进行水准高程测量时，按国家三（长距离）、四等（短距离）水准测量要求进行工程控制网建网理论工程控制网建网理论第第15讲大地水准面精化讲大地水准面精化3.3（似）大地水准面精化的数学模型3.3.1重力点重力异常归算空间异常的定义为(6)其中g为重力值，是正常重力值，为空间改正。布格异常为：(7)其中，为层间改正。地形均衡重力异常为：(8)式中，为局部地形改正，为均衡改正。地形及均衡改正采用四棱柱法计算，其形式为：(9)式中,取 ，就是地形改正，取,，并用补偿密度 代替，即为均衡改正,T为均衡深度，为重力点高程。工程控制网建网理论工程控制网建网理论第第15讲大地水准面精化讲大地水准面精化3.3.2高分辨率格网地形及均衡改正的确定3.3.2.1谱方法确定格网地形改正谱方法确定格网地形改正(10)(11)(12)式中，表示二维Fourier变换逆算子，,k=0,1,2,3,4,为二维Fourier变换逆算子，,k=1,2,l为两点间平 面距离，h为高程。工程控制网建网理论工程控制网建网理论第第15讲大地水准面精化讲大地水准面精化3.3.3平均空间异常的计算平均空间异常的计算3.3.3.1格网均衡异常（格网均衡异常（）的计算）的计算 采用一次多项式移动拟合法，可获得较好的拟合效果。移动拟合法是一种局部函数拟合法，永远以待定点为中心，用它周围的已知数据定义一个函数，应用时首先将坐标原点移动到待定点中，平移后数据点i的坐标为：移动拟合法的内插模型为：(16)据待定点周围的已知点，组成误差方程式，按最小二乘法求解待定系数，对待定点p，工程控制网建网理论工程控制网建网理论第第15讲大地水准面精化讲大地水准面精化3.3.2.2 3.3.2.2 谱方法确定格网均衡改正谱方法确定格网均衡改正(13)(14)(15)式中：d0为平均抵偿根厚度。工程控制网建网理论工程控制网建网理论第第15讲大地水准面精化讲大地水准面精化3.3.3平均空间异常的计算平均空间异常的计算3.3.3.1格网均衡异常（格网均衡异常（）的计算）的计算 采用一次多项式移动拟合法，可获得较好的拟合效果。移动拟合法是一种局部函数拟合法，永远以待定点为中心，用它周围的已知数据定义一个函数，应用时首先将坐标原点移动到待定点中，平移后数据点i的坐标为：移动拟合法的内插模型为：(16)根据待定点周围的已知点，组成误差方程式，按最小二乘法求解待定系数，对待定点p，故待定点的拟合值（均衡异常）为工程控制网建网理论工程控制网建网理论第第15讲大地水准面精化讲大地水准面精化3.3.3.2计算计算2.5格网平均空间异常格网平均空间异常由2.5格网均衡异常，采用恢复法获得2.5格网平均空间异常：(17)其中，、为2.5格网平均层间改正、局部地形改正及均衡改正。3.3.4重力（似）大地水准面的确定重力（似）大地水准面的确定采用removerestore方法，完成（似）大地水准面的计算。工程控制网建网理论工程控制网建网理论第第15讲大地水准面精化讲大地水准面精化3.3.4.1重力大地水准面的计算公式重力大地水准面的计算公式(18)式中：R为地球的平均曲率半径；为地球平均正常重力值；为剩余空间异常（实际值与按重力场模型计算的模型值的差值）；(19)式中，为空间异常；为按模型计算的大地水准面；(20)模型空间重力异常：工程控制网建网理论工程控制网建网理论第第15讲大地水准面精化讲大地水准面精化(21)S()为Stokes函数；(22)这里ssin(/2)，为球面距离。3.3.4.2 3.3.4.2 重力似大地水准面的计算公式重力似大地水准面的计算公式(23)这里TC为地形改正，h为高程，为（以平方千米为单位）可由下式计算：(24)上式中 为椭球面上的正常重力值。工程控制网建网理论工程控制网建网理论第第15讲大地水准面精化讲大地水准面精化3.3.5由GPS/水准计算大地水准面 计算公式：NHh (24)这里H为GPS大地高，可由GPS定位给出，h为正常高，由水准测量获得。3.3.6最终似大地水准面的确定 由于重力(似)大地水准面使用的平均椭球(GRS80)同GPS/水准使用椭球（WGS84）不一致，加上重力基准等因素的影响，使得GPS/水准与重力大地水准面在同一点上存在一定的不符值，对此一般习惯于采用多项式拟合法完成系统改正计算，并获得最终的大地水准面结果及有关的精度信息。3.3.6.1系统改正参数的计算工程控制网建网理论工程控制网建网理论第第15讲大地水准面精化讲大地水准面精化这里仅给平面（一次多项式）拟合公式(26)其中 为i号GPS/水准点的GPS/水准结果与重力大地水准面差异 、为I号GPS水准点的重心坐标。对上式采用3个以上的GPS水准点组成误差方程、法方程，便可计算出改正系数 、。3.3.6.2 3.3.6.2 对重力大地水准面的系统改正计算对重力大地水准面的系统改正计算采用公式为：(27)其中，为系统改正前的重力（似）大地水准面结果，、分别为格网点（i,j）的重心坐标，为经过系统改正后的最终大地水准面结果，系数 、同上。工程控制网建网理论工程控制网建网理论第第15讲大地水准面精化讲大地水准面精化3.3.6.3GPS网点似大地水准面差距及正常高的确定网点似大地水准面差距及正常高的确定 利用经过系统改正后的11格网似大地水准面和GPS点WGS84椭球的大地坐标(B,L,H)成果，采用Shepard内插法完成GPS网点似大地水准面计算和正常高的确定。Shepard内插法是以计算点为中心，取似合半径以内已知函数值的权中数，数据点上的权按距计算点的不同范围采用不同的权函数确定，使靠近中心点的权增大，远离中心的权迅速减少。在Shepard局部内插模型中，选R=0.25，并规定：(28)工程控制网建网理论工程控制网建网理论第第15讲大地水准面精化讲大地水准面精化内插的函数模型为：(29)式中：(30)GPS网点正常高（）的计算：(31)式中，为GPS点WGS84椭球的大地高。工程控制网建网理论工程控制网建网理论第第15讲大地水准面精化讲大地水准面精化4.上交资料上交资料4.1AA市GPS网数据处理与大地水准面精化技术设计书4.2AA市GPS网数据处理与大地水准面精化技术报告4.3AA市GPS网坐标成果表4.3.1AA市GPS网WGS84坐标系成果表4.3.2AA市GPS网1980西安坐标系成果表（高斯平面坐标）4.3.3AA市GPS网1954年北京坐标系成果表（高斯平面坐标）4.3.4AA市GPS网AA市地方坐标系成果表（高斯平面坐标）4.4AA市大地水准面成果（11）4.4.1AA市（似）大地水准面成果4.4.2AA市（似）大地水准面等值线图4.4.3使用化的大地水准面应用软件4.5检查报告工程控制网建网理论工程控制网建网理论第第15讲大地水准面精化讲大地水准面精化附件附件上交资料另外补充说明上交资料另外补充说明AA市GPS网1954年北京坐标系成果表和AA市地方坐标系成果表各提供二套。一套为新GPS网坐标和原有GPS网坐标，另一套为新GPS网坐标和原有GPS网转换坐标。工程控制网建网理论工程控制网建网理论第第15讲大地水准面精化讲大地水准面精化