CGCS2000基准框架建立及关键技术研究.pdf

d o i:1 0.3 9 6 9/j.i s s n.1 0 0 1-3 5 8 X.2 0 2 2.0 1.0 1 1C G C S 2 0 0 0基准框架建立及关键技术研究王小维1,2,刘全海1,2,孙雪梅1,2(1.常州市测绘院,江苏 常州 2 1 3 0 0 3;2.常州市地理信息智能技术中心,江苏 常州 2 1 3 0 0 3)摘要:C G C S 2 0 0 0基准框架建立是当前城市现代测绘基准建设的重要内容。文中以常州市为例,从控制网布设、数据处理、投影变形分析以及坐标转换等几个方面,讨论了高精度C G C S 2 0 0 0基准框架建立的技术路线,深入分析了以无抵偿高程面高斯正形投影作为基础,选取最佳中央子午线作为投影方案,建立2 0 0 0平面坐标系的方法。对各地建立C G C S 2 0 0 0框架下的平面坐标系具有一定的借鉴作用。关键词:C G C S 2 0 0 0;基准框架;投影变形分析;坐标转换中图分类号:P 2 2 1 文献标识码:A 文章编号:1 0 0 1-3 5 8 X(2 0 2 2)0 1-0 0 4 3-0 5R e s e a r c ho ne s t a b l i s h m e n ta n dk e yt e c h n o l o g i e so fC G C S 2 0 0 0b e n c h m a r kf r a m e w o r kW a n gX i a o w e i1,2,L i uQ u a n h a i1,2,S u nX u e m e i1,2(1.C h a n g z h o uS u r v e y i n ga n dM a p p i n gI n s t i t u t i o n,C h a n g z h o u2 1 3 0 0 3,C h i n a;2.C h a n g z h o uS e r v i c eC e n t e ro fG e o g r a p h i cI n f o r m a t i o na n dI n t e l l i g e n tT e c h n o l o g i e s,C h a n g z h o u2 1 3 0 0 3,C h i n a)A b s t r a c t:E s t a b l i s h m e n t o fC G C S 2 0 0 0b e n c h m a r kf r a m e w o r kw a s a n i m p o r t a n tp a r t o f t h ee s t a b l i s h m e n t o fm o d e r nu r b a ns u r v e y i n ga n d m a p p i n gb e n c h m a r k.T a k i n gC h a n g z h o ua sa ne x a m p l e,i nt h i sp a p e r,t h et e c h n i c a l r o u t e f o r t h e e s t a b l i s h m e n t o f h i g hp r e c i s i o nC G C S 2 0 0 0b e n c h m a r k f r a m e w o r kw a sd i s c u s s e d f r o mt h ea s p e c t so f t h ec o n t r o ln e t w o r kl a y o u t,t h ed a t ap r o c e s s i n g,t h ep r o j e c t i o nd e f o r m a t i o na n a l y s i sa n dt h ec o o r d i n a t e t r a n s f o r m a t i o n,a n d t h em e t h o do f b u i l d i n g2 0 0 0p l a n e c o o r d i n a t e s y s t e mw a s a n a l y z e dd e e p l yb ys e l e c t i n gt h eb e s t c e n t r a lm e r i d i a na sp r o j e c t i o ns c h e m ea n db a s e do nG a u s so r t h o g r a p h i cp r o j e c t i o no fu n-c o m p e n s a t e de l e v a t i o ns u r f a c e.I t h a d t h e c e r t a i nr e f e r e n c e f o r t h e e s t a b l i s h m e n t o f t h ep l a n e c o o r d i n a t e s y s-t e mu n d e r t h e f r a m e w o r ko fC G C S 2 0 0 0.K e yw o r d s:C G C S 2 0 0 0;b e n c h m a r kf r a m e w o r k;p r o j e c t i v ed e f o r m a t i o na n a l y s i s;c o o r d i n a t e t r a n s f o r m a t i o n引用格式:王小维,刘全海,孙雪梅.C G C S 2 0 0 0基准框架建立及关键技术研究J.矿山测量,2 0 2 2,5 0(1):4 3-4 7.C G C S 2 0 0 0是地心大地坐标系,采用G R S 8 0椭球,由2 0 0 0国家G P S大地网的点在历元2 0 0 0.0的坐标 和 速 度 实 现,C G C S 2 0 0 0与I T R F一 致,同WG S 8 4相容1-2。C G C S 2 0 0 0坐标系涵盖全部陆海国土,具有高精度、动态、方便用户的密度和分布的特点,由全球导航卫星系统国家级连续运行站网和国家 高 精 度 大 地 控 制 网 这 两 部 分 组 成3。依 托C O R S站 进 行 当 前 历 元 和 框 架 下 的 测 绘 产 品 向C G C S 2 0 0 0转换变得十分迫切的大背景下,如何将新建省市级C O R S站坐标转换为C G C S 2 0 0 0下坐标也是城市测绘应用层面的重要组成部分4-5。本文以常州市为例,着重研究C G C S 2 0 0 0基准框架建立的关键技术。常州市自2 0 1 2年起着手研究C G C S 2 0 0 0坐标系,以不同尺度、不同精度建立了多个C G C S 2 0 0 0控制网,但是各控制网的精度不高,相互兼容性较差,获取的C G C S 2 0 0 0成果未与江苏省C G C S 2 0 0 0基准框架联测,也未包含C Z C O R S基准站,因此无法作为全市统一且唯一的C G C S 2 0 0 0基准框架。基于上述背景,本文旨在建立一个以C Z C O R S为核心、覆盖常州全市域、与江苏省基准框架一致的高精度控制网,分析不同投影方式,确定适合常州的投影,形34第5 0卷第1期2 0 2 2年2月 矿 山 测 量M I N ES UR V E Y I N G V o l.5 0N o.1F e b.2 0 2 2成常州市2 0 0 0大地坐标系。1 C G C S 2 0 0 0基准框架建立技术路线常州市高精度C G C S 2 0 0 0基准框架建立首先要整合和提升常州市现有平面控制网,包含常州市所有C O R S基准站、B级GN S S点、新建的常州城市原点和常州轨道交通基岩点,形成常州市有史以来覆盖范围最广、最全面的控制网。采用GAM I T软件进行基线处理,对高精度控制网的观测基线的解算精度进行评定并采用G L O B K软件进行C G C S 2 0 0 0框架下的三维约束平差,从而获取不同坐标系下的坐标成果。反复试算选取最佳的投影面和中央子午线,建立常州2 0 0 0独立坐标系。技术路线如图1所示。图1 常州市高精度C G C S 2 0 0 0基准框架建立技术路线 总体技术路线为通过整合C O R S站、B、C级GN S S网及各类基准控制网,联合I G S站、省C O R S进行精密数据处理,建立依据“满足规范要求、衔接一致、方便使用”的原则,采用降低或抬高高程面、选择地区最佳中央子午线的高斯正形投影,利用上述两项的抵偿作用,使投影变形量小而均匀,从而建立常州2 0 0 0独立坐标系;平面转换模型是一个线性模型,高斯投影变形误差不能顾及,不同坐标系统的转换采用布尔沙沃尔夫空间七参数模型和平面四参数转换模型6-8。基于O p e n C L、G D A L、T e i g h a等开44第1期 矿 山 测 量 2 0 2 2年2月源库研制支持矢量、栅格、文本等全数据类型的常州高精度C G C S 2 0 0 0坐标转换系统,实现地理空间数据不同坐标系之间超高速、高精度转换,逐步实现存量数据向C G C S 2 0 0 0坐标系提升9-1 0。2 高精度控制网的整合提升与C G C S 2 0 0 0基准框架的建立 常州市C G C S 2 0 0 0高精度控制网整合常州市近十余年的控制网,综合自2 0 0 4年起常州市布设的C级GN S S控 制 点、C O R S基 准 站,以 及6个B级GN S S点,形成分布均匀、覆盖常州市全市域的控制网。顾及到起算坐标的精度和长短基线的处理策略,将控制网分成框架网和C级网分别进行处理,框架网中引入I G S站高精度的起算坐标,C级网引入框架网的结果作为起算坐标。处理完成后,将框架网和C级网进行整体平差处理,获得C G C S 2 0 0 0、西安8 0、北京1 9 5 4各坐标系统下的坐标,数据处理流程如图2所示。图2 控制网数据处理流程图基线解算同步环检核结果表明框架网和C级网N RM S值均小于0.2;重复基线检核结果表明框架网和C级网,在E、N、U方向中误差最大分别为3.8mm、8.1mm、2 2.0mm,平均分别为1.7mm、1.6mm、9.0mm,异步环闭合差检核,具有最大闭合差的相对异步环精度为0.3 3p p m,X分量的闭合差为-0.0 0 3m,Y分量的闭合差为-0.0 3 87m,Z分量的闭合差为-0.0 0 5m,均满足限差的要求。所有测站的网平差点位精度统计结果(C G C S 2 0 0 0坐标系)如表1所示。通过常州市高精度控制网的整合、观测、基线解算和网平差,得到了覆盖常州市域的平面控制网C G C S 2 0 0 0大地坐标系成果。解算成果同步更新至表1 测站点位C G C S 2 0 0 0坐标系精度统计表/m方向最大最小平均X0.0 0 410.0 0 070.0 0 21Y0.0 0 730.0 0 110.0 0 36Z0.0 0 530.0 0 800.0 0 27C Z C O R S基站,为全市各行业用户提供厘米级定位服务。本 次 常 州 市 高 精 度 控 制 网 同 时 解 算 了C G C S 2 0 0 0、1 9 5 4北京坐标系、1 9 8 0西安坐标系成果,利用C Z C O R S用户可依据需要切换坐标系,满足C G C S 2 0 0 0全面启用后过渡解算城市测绘基准服务需要。3 坐标投影变形分析与2 0 0 0平面坐标系的建立3.1 投影长度变形理论分析根据 城市测量规范,城市坐标系高程归化和高斯投影的长度变形不得大于2.5c m/k m,即不得大于1/4 00 0 0,其长度变形才能满足1:5 0 0地形图测图和市政工程施工放样的需要。若一个城市的平均高程大于1 6 0m或平面位置离开统一3 带的中央子午线的东西方向距离大于4 5k m范围,其长度变形将超过1/4 00 0 0,应该采取具有抵偿高程面的3 带高斯投影、任意带高斯投影、具有抵偿高程面的任意带高斯投影等措施加以弥补。在利用任意带法建立独立坐标系时,由于高程归算面不变,故高程归化改正值亦不变,此时选择一条合适的子午线作为中央子午线,用由此引起的边长的高斯投影改正来抵偿高程归化改正值。顾及投影长度变形的符号,投影变形公式为1 1-1 2:Si=-HMRm+y2m2R2mS0(1)式中,Si为地面观测值归化至参考椭球面上长度变形值与参考椭球面长度值归化至高斯平面上的长度变形值的综合长度变形值;HM为高出参考椭球面的平均高程;Rm为参考椭球平均曲率半径;ym为地面边两端点近似横坐标平均值;S0为地面观测边长。由式(1)可知,选择合适的高程投影面和最佳中央子午线,使两项改正做到最佳抵偿,从而达到投影长度变形不大于2.5c m/k m的要求。3.2 高程投影面的选取分析常州市全市域地势较为平坦,平坦地区平均高程为5m左右;金坛西部为丘陵地区,最高山峰茅山54第1期 王小维等:C G C S 2 0 0 0基准框架建立及关键技术研究 2 0 2 2年2月大茅峰海拔约3 7 0m;溧阳市西部、西南部有低山、丘陵,最高山海拔高约4 5 0m;上述山地、丘陵地区均位于常州市边界附近,平坦地区占常州全市面积的9 5%以上。任意带中央子午线投影一般选取通过测区中央的子午线和测区平均高程面进行,在平坦地区由式(1)计算可知,观测边长归算至参考椭球面时的投影变形值为-0.7 6c m,总体影响较小,考虑到各类成果的衔接、今后应用及日常测绘工作的方便,常州市C G C S 2 0 0 0平面坐标系投影面仍选择为椭球面。3.3 最佳中央子午线的选取分析常州市全市域东西跨度约1 0 1k m,由于东经1 2 0 子午线恰好从常州市天宁区穿过,常州现有的1 9 5 4北京坐标系、1 9 8 0西安坐标系、新1 9 5 4北京坐标系和常州独立坐标系均以东经1 2 0 作为中央子午线。C G C S 2 0 0 0平 面 坐 标 系 投 影 分 别 选 取1 2 0、1 1 9.5 0、1 1 9.6 5 和1 1 9.7 5 作为投影的中央子午线,以便遍历搜索最佳中央子午线。由式(1)计算得出选取不同中央子午线的投影变形值如表2所示。表2 不同中央子午线投影变形值统计表中央子午线东距边界距离/k m投影变形值/c m西距边界距离/k m投影变形值/c m1 2 0 1 9.00.4 68 2.29.0 31 1 9.5 0 6 6.46.1 53 4.81.5 61 1 9.6 5 5 2.23.5 64 9.03.0 11 1 9.7 5 4 2.72.2 85 8.54.6 0 根据式(1)计算出的各地区投影变形特征,结合表2特征数据、S R TM发布的D EM数据,绘制成各地投影变形图,如图3、图4所示。图3 中央子午线为1 2 0 和1 1 9.5 0 时投影变形图由图3、图4可知,当采用1 2 0 作为投影中央子午线时,常州市区的投影变形可以满足要求,但金坛区和溧阳市西部的大片地区不能满足投影变形的要求;当采用1 1 9.5 0 作为投影中央子午线时,常州市图4 中央子午线为1 1 9.6 5 和1 1 9.7 5 时投影变形图东部大部分地区(如郑陆镇、横山桥镇、横林镇等)的投影变形不能满足投影变形不超过2.5c m/k m的要求。随着投影的中央子午线由东往西不断移动,投影变形情况也不断在变化,当中央子午线为1 1 9.6 5 时,即位于常州全市域地理位置中心时,最东部和最西部地区的投影变形仍能达到35c m/k m。仅使用一条中央子午线,较难满足常州全市域投影变形不超限的要求。若采用两条中央子午线,东部地区(即市区)仍以东经1 2 0 作为中央子午线;而在西部地区,考虑到金坛区和溧阳市的区域中心均位于板块东侧,因此以东经1 1 9.5 0 作为中央子午线,由此分别建立常州2 0 0 0独立坐标系(东)和常州2 0 0 0独立坐标系(西),常州市各地投影变形情况如图5所示。图5 中央子午线为1 1 9.5 0 和1 2 0 时投影变形图由图5可知,采用两条中央子午线作为投影中央子午线时,除金坛区西部边缘和溧阳市南部边缘个别山区地带外,常州全市域均能满足投影变形不超过2.5c m/k m的要求。为了使东、西两个坐标系可以进行无缝拼接,可以考虑在整个常州市的地理位置中心附近设置约1 0k m的重合带。通过以上的分析可得出:考虑到应用和日常使用方便,采用遍历搜索最佳中央子午线、无抵偿高程面高斯正形投影建立C G C S 2 0 0 0平面坐标系的方法科学、正确,因此,常州市选择以中央子午线分别为1 2 0、1 1 9.5 0、无抵偿高程面高斯正形投影作为常州64第1期 矿 山 测 量 2 0 2 2年2月市C G C S 2 0 0 0框架下平面坐标系投影方案,从而建立 常 州 市C G C S 2 0 0 0平 面 坐 标 系。经 过 已 有C G C S 2 0 0 0成果的B、C级GN S S点校核、外业现场检测表明,常州市C G C S 2 0 0 0 0平面坐标系东西边界地区投影变形值均满足不超过2.5c m/k m的要求。4 结 语本文以常州市为例,讨论了以城市C级GN S S控制网为基础,整合C O R S基站、B级GN S S点等形成了覆盖全域的高精度平面控制网,经联测I G S站、省C O R S进行精密数据处理,建立C G C S 2 0 0 0基准框架;采用遍历搜索最佳中央子午线、无抵偿高程面高斯正形投影方法建立C G C S 2 0 0 0平面坐标系。新建成的常州市C G C S 2 0 0 0基准框架通过C Z C O R S进 行 了 实 时 播 发,实 现 了 常 州 市 域 范 围 内C G C S 2 0 0 0坐标系的维持和应用。本文所述常州市C G C S 2 0 0 0框架下的平面坐标系投影方案,并未采用高程抵偿,但此方法对其他城市C G C S 2 0 0 0框架下平面坐标系统的确定具有一定的借鉴意义。参考文献:1 魏子卿.2 0 0 0中国大地坐标系及其与WG S 8 4的比较J.大地测量与地球动力学,2 0 0 8,2 8(5):1-5.2 杨元喜.2 0 0 0中国大地坐标系J.科学通报,2 0 0 9,5 4(1 6):2 2 7 1-2 2 7 6.3 陈 俊 勇.中 国 现 代 大 地 基 准 中 国 大 地 坐 标 系 统2 0 0 0(C G C S2 0 0 0)及 其 框 架 J.测 绘 学 报,2 0 0 8,3 7(3):2 6 9-2 7 1.4 刘经南,刘晖,邹蓉,等.建立全国C O R S更新国家地心动态参考框架的几点思考J.武汉大学学报(信息科学版),2 0 0 9,3 4(1 1):1 2 6 1-1 2 6 5,1 2 8 4.5 成英燕,程鹏飞,秘金钟,等.基于现框架下的省市级C O R S站到C G C S 2 0 0 0的转换J.测绘通报,2 0 1 1(7):1-3,1 4.6 田桂娥,宋利杰,尹利文,等.地方坐标系与C G C S 2 0 0 0坐标系转换方法的研究J.测绘工程,2 0 1 4,2 3(8):6 6-6 9.7 何林,柳林涛,许超钤,等.常见平面坐标系之间相互转换的方法研究 以1 9 5 4北京坐标系、1 9 8 0西安坐标系、2 0 0 0国家大地坐标系之间的平面坐标相互转换为例J.测绘通报,2 0 1 4(9):6-1 1.8 彭小强,高井祥,王坚.WG S 8 4和C G C S 2 0 0 0坐标转换研究J.大地测量与地球动力学,2 0 1 5,3 5(2):2 1 9-2 2 1.9 李广生,程明,贺学文,等.基于T e i g h a.n e t与S h a p e l i b的图形数据转换系统设计与实现J.测绘与空间地理信息,2 0 1 2,3 5(8):1 1 8-1 2 0.1 0 谢艳玲,夏正清,黄萍.基于G D A L的G I S产品坐标系统批量 转换 J.地 理空 间 信息,2 0 1 5,1 3(5):1 0 2-1 0 4,1 1 3.1 1 李江卫,白洁,郭际明,等.基于C G C S 2 0 0 0的城市平面坐标系最佳选取J.测绘科学,2 0 1 1,3 6(4):6 3-6 5.1 2 郭春喜,李东.基于C G C S 2 0 0 0建立城市相对独立坐标系统的方法J.测绘通报,2 0 1 2(1 0):5-7,1 5.作者简介:王小维(1 9 7 6-),男,汉族,甘肃天水人,工程硕士,高级工程师,注册测绘师,主要研究方向为大地测量、不动产测绘及质量管理。(收稿日期:2 0 2 1-1 2-1 6)74第1期 王小维等:C G C S 2 0 0 0基准框架建立及关键技术研究 2 0 2 2年2月