陳振防，王解先

(1.同濟大學 測繪與地理信息學院, 上海 200092；2.嘉興市規(guī)劃設計研究院有限公司, 浙江 嘉興 314000)

0 引 言

精密的似大地水準面數(shù)字模型是高程基準現(xiàn)代化的關鍵基礎設施．隨著各省、市似大地水準面精化模型的建立,傳統(tǒng)基于水準測量的地面標石高程基準將被基于全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)(GNSS)測量的數(shù)字高程基準所代替,從而改變高程基準的維持模式和高程測定的作業(yè)模式[1]．

GNSS/水準測量得到高程的精度主要取決于兩個方面,一方面是GNSS測量大地高的精度,另一方面是高程異常的精度．隨著高精度GNSS儀器投入使用,大地高的測量精度已達到了厘米級精度,所以提高高程異常的精度是提高GNSS/水準精度的關鍵所在[2]．以現(xiàn)代大地測量理論為基礎,把高精度的GNSS/水準測量成果與重力數(shù)據(jù)、地形數(shù)據(jù)以及地球重力場模型研究成果相結合,以精化區(qū)域似大地水準面,從而達到GNSS高程測量代替國家三等或四等水準測量的目的,真正實現(xiàn)用GNSS技術快速獲取水準高,不僅能提高測繪生產(chǎn)效率,也能更好地為城市發(fā)展建設和經(jīng)濟發(fā)展提供測繪保障服務．中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設部于2010年發(fā)布的《衛(wèi)星定位城市測量技術規(guī)范(CJJ/T73-2010)》明確了四等GNSS高程測量代

替四等水準測量的相關技術規(guī)定,然而對于最近幾年確定的城市高精度似大地水準面成果的應用還存在著一些限制[3]．本文以GNSS靜態(tài)高程測量和網(wǎng)絡實時動態(tài)(RTK)高程測量等GNSS定位技術得到的大地高結合嘉興市似大地水準面精化模型獲得的正常高稱為GNSS精化高,驗證基于GNSS精化高代替不同等級水準測量的可行性．

1 嘉興市似大地水準面精化模型精度評定與精度復檢

在2011-2012年實施的嘉興市現(xiàn)代測繪基準體系建設項目中建立的似大地水準面精化模型,其精化工作綜合利用了71個GNSS/水準數(shù)據(jù)和2 619個點重力數(shù)據(jù),以EIGEN04C地球重力場模型為參考重力場,采用第二類Helmert凝集法完成了似大地水準面計算．71個GNSS/水準數(shù)據(jù)與重力似大地水準面獨立比較的精度為±0.015 m．利用球冠諧調和分析方法將GNSS/水準與重力似大地水準面聯(lián)合求解得到的2′×2′格網(wǎng)似大地水準面,其外符合精度達到±0.009 m．該項目均勻覆蓋整個精化區(qū)域布設了20個正確性靜態(tài)檢測點和73個動態(tài)檢測點． 同精度正確性靜態(tài)檢測嘉興市似大地水準面的外符合精度為±0.012 m,實用性檢測網(wǎng)絡RTK高程與其水準高程的較差平均值為-0.008 m,統(tǒng)計外符合精度為±0.022 m[4]．經(jīng)過檢測各項精度指標均滿足設計和相關規(guī)范的要求,真正實現(xiàn)了由衛(wèi)星定位直接獲取海拔高,從而提高工作效率,降低測量成本．

表1 GNSS檢測的模型計算高程與其水準高程比較

表2 GNSS檢測的模型計算高程與其水準高程比較差值分布區(qū)間

從精化模型建立時的精度評定和時隔6年后的再次精度復檢說明:嘉興市似大地水準面受地面建筑群負荷等外界因素影響,其模型的實用性精度已發(fā)生略微變化,但變化不大,其精度均在設計指標范圍內,不影響測繪生產(chǎn)使用．

2 GNSS靜態(tài)觀測代替三、四等水準測量可行性驗證

2.1 數(shù)據(jù)源

采用2018年現(xiàn)代測繪基準體系復測項目GNSS C級基本網(wǎng)的2時段4小時靜態(tài)觀測數(shù)據(jù)．選取同時具有GNSS靜態(tài)觀測和二等水準觀測的98個GNSS C級點觀測數(shù)據(jù),平均點位間距約8 km．

2.2 數(shù)據(jù)處理

對靜態(tài)觀測數(shù)據(jù)使用TEQC軟件將每個時段的4小時觀測數(shù)據(jù)切割成1小時數(shù)據(jù)和2小時數(shù)據(jù),采用天寶TBC軟件和廣播星歷對數(shù)據(jù)進行基線解算(其中2時段4小時觀測數(shù)據(jù)采用GAMIT V10.60軟件和精密星歷解算基線),采用GPS_NET對獨立基線進行三維約束平差計算,平差起算基準為ITRF97框架2000.00歷元CGCS2000橢球．

2.3 精度統(tǒng)計

似大地水準面精化成果精度統(tǒng)計方法為:把每一點的CGCS2000坐標(B、L、H)值內插到嘉興市似大地水準面精化模型中獲取1985國家高程基準水準高(本文稱為精化高),將精化高與已知的直接用幾何水準引測的水準高進行比較,統(tǒng)計兩者的差值和差值區(qū)間分布情況,并計算高程精度[5]:

(1)

式中:σH為外符合高程中誤差;Hi為檢測點水準高程;H0為GNSS測量精化高;n為檢測點數(shù)．根據(jù)式(1),計算不同觀測時長檢測點精化高與其二等水準高程較差統(tǒng)計如表3所示.

為了解決低段學生書籍匱乏之苦，學校發(fā)動全校老師為學生捐書，把家中優(yōu)秀的注音讀物貢獻出來，存放在學校連廊的小書吧中，供學生課間及午間進行閱讀。這一舉措同時也帶動了許多家長主動來捐書。在讀書節(jié)，中高年級的學生也把拼音讀物搬上了跳蚤市場，為低段的學生創(chuàng)造了一個收集課外書的機會。每個班級還把在跳蚤市場義賣所得，用來購買課外書，充實了班級的圖書角。

表3 不同觀測時長檢測點精化高與水準高較差表

2.4 代替等級水準測量分析

依照文獻[5]第6.1.2條對GNSS高程測量技術要求(見表4),對檢測精度進行評定．

表4 GNSS高程測量主要技術要求 cm

從表3可得出結論:GNSS靜態(tài)作業(yè)觀測時間在1小時以上時,精化高程與已知幾何水準差值的高程中誤差均在±0.030 m以內,檢測較差均在±0.060 m以內,完全滿足表4要求,說明基于嘉興市似大地水準面精化模型,采用高精度的GNSS儀器,GNSS靜態(tài)作業(yè)觀測時間在1小時以上時,已能滿足精化高程代替四等水準測量的精度要求．

由于文獻[5]第6.1.2條GNSS高程測量技術要求(見表4)只對GNSS高程測量代替四等水準及以下的精度指標進行了規(guī)定,并未對GNSS高程測量代替三等水準及以上的精度指標進行明確,因此,本文結合《國家三等、四等水準測量規(guī)范》GB/T12898-2009的水準測量限差規(guī)定(見表5),對代替三等水準測量作進一步分析．

表5 各等級水準測量往返測高差不符值限差規(guī)定

注:K為水準測量測段、路線長度．

可按表5的測段限差對其精度進行推算,由于本項目的檢測點平均間距為8 km,對檢測點實施不同等級水準觀測時,其限差分別為:三等水準測量限差為±34 mm,四等水準測量限差為±56 mm．從檢測的結果(見表3)可知,GNSS靜態(tài)作業(yè)觀測時間在1小時以上時,外符合精度均在±0.020 m以內,在外符合精度方面已符合三等水準測量限差精度要求．

另外,從表3反映出,在GNSS靜態(tài)作業(yè)觀測1小時,有86%的檢測點精度滿足三等水準測量限差要求,當觀測時間達到4個小時2個時段并采用精密星歷和GAMIT解算基線時,有99%的檢測點精度滿足三等水準測量限差要求,并且隨著觀測時間的縮短,較差最大值和最小值遞增明顯．

因此,在GNSS靜態(tài)觀測+嘉興市似大地水準面精化模型代替三等水準測量方面,在外符合精度方面已能滿足水準測量規(guī)范要求,但受到觀測點周邊環(huán)境影響、觀測時間不夠長、以及是否采用精密星歷和長基線解算軟件解算基線等因素影響,存在個別點精度誤差偏大的情況．如要確保通過GNSS靜態(tài)觀測+嘉興市似大地水準面精化模型代替三等水準測量,必須得保證觀測點的周邊觀測天空開闊和受多路徑、電磁干擾影響較小等觀測環(huán)境條件,適時延長觀測時間和增加觀測時段數(shù),推薦采用精密星歷和長基線解算軟件解算基線,以進一步提高精度,從而確保100%能達到代替三等水準測量精度要求．

2.5 代替三等水準測量實例檢驗

在2018年實施的嘉興市現(xiàn)代測繪基準體系復測項目中,GNSS C級網(wǎng)采用2時段4小時靜態(tài)觀測,利用GAMIT軟件和精密星歷解算基線,所有GNSS C級點和水準點采用二等水準進行了引測,以國家一等基巖點水準高為起算進行平差計算．經(jīng)過比對,在98個GNSS C級點中有47個是相鄰點,組成了28條三等水準測段．把檢測點的精化高與幾何水準的水準高比較的差值以及根據(jù)相鄰點的水準路線長K計算的三等水準測量測段往返測限差進行比較．

表6 GNSS C級網(wǎng)檢測的GNSS精化高測量與水準測量相鄰點間的高差較差比較

從表6可知,由于檢測點周邊觀測環(huán)境佳并采用GAMIT+精密星歷解算基線以及分時段觀測,檢測的28條水準測段,GNSS精化高計算的相鄰點高差100%滿足三等水準測量的測段往返測限差要求．

另外,將表6中28條測段的相鄰點GNSS高程差值代替原二等水準網(wǎng)高差數(shù)據(jù)進行整網(wǎng)平差計算．在2018年實施的嘉興市現(xiàn)代測繪基準體系復測項目中,全市域二等水準復測共有26個二等水準閉合環(huán),檢測的GNSS C級47個相鄰點分布在26個水準閉合環(huán)的13個水準環(huán)中,經(jīng)計算,該13個水準閉合環(huán)閉合差最大值為23.1 mm,允許限差±25.4 mm,全網(wǎng)形成的13個閉合環(huán)的閉合差均滿足三等水準的閉合差限差要求．因此,代入相鄰點GNSS高程差值的28條測段數(shù)據(jù)后按三等水準測量限差統(tǒng)計,各項技術指標均滿足三等水準要求．

從上文分析說明:用GNSS測量+嘉興市似大地水準面精化模型獲取水準高的測量方式在GNSS測量觀測時間1小時以上時,已能滿足精化高程代替四等水準測量的精度要求;在觀測點的周邊觀測天空開闊和受多路徑、電磁干擾影響較小條件下,當觀測時間超過4個小時2個時段時,以及結合GAMIT軟件和精密星歷解算基線,GNSS測量+嘉興市似大地水準面精化模型獲取水準高的測量方式完全能夠代替三等水準測量．

3 JXCORS網(wǎng)絡RTK測量代替

四等水準測量可行性驗證

3.1 JXCORS簡介

JXCORS采用Trimble VRS技術構建,自2009年12月通過專家驗收運行至今,通過周邊城市連續(xù)運行參考站(CORS)的數(shù)據(jù)共享,形成了由6個自建基準站和7個數(shù)據(jù)共享基準站組成的13個基準站網(wǎng),其有效作用范圍完全覆蓋嘉興市五縣兩區(qū),目前已注冊使用60家單位170臺終端設備,廣泛應用于測繪、規(guī)劃、國土、水利、電力等領域,為廣大用戶提供高精度、高時空分辨率、高效率的定位服務[6]．

3.2 可行性分析案例一

1)數(shù)據(jù)來源

2018年現(xiàn)代測繪基準體系復測項目實施時采用JXCORS網(wǎng)絡RTK方式在嘉興全市域均勻布設JXCORS網(wǎng)絡RTK檢測點94個(其中GNSS點檢測56個,另外選取觀測環(huán)境較好的二等水準點38個),采用三腳架設站,外業(yè)采用Trimble R8登錄JXCORS網(wǎng)絡RTK服務,使用CMR+和RTCM30格式在上午和下午不同時段分別采集2次,每次測量60歷元,最終成果取4次觀測成果的平均值,所有檢測點均有2018年二等水準聯(lián)測的水準高．

2)數(shù)據(jù)分析

把JXCORS網(wǎng)絡RTK采集的每一點按照本文3.3章節(jié)的精度統(tǒng)計方法得到比較差值結果(見表7)．

表7 JXCORS網(wǎng)絡RTK測量精化高與其水準高

根據(jù)規(guī)范規(guī)定(見表4)對JXCORS網(wǎng)絡RTK采集檢測精度進行評定,JXCORS網(wǎng)絡RTK檢測點精化高程與幾何水準高的較差有89%的檢測精度在3 cm以內,100%的檢測點精化高程與幾何水準高較差在5 cm以內,并且較差高程外符合中誤差為±0.021 m,符合規(guī)范規(guī)定的高程中誤差≤3 cm的精度要求,從而說明基于JXCORS的網(wǎng)絡RTK測量模式結合嘉興市似大地水準面精化模型得到的精化高,其成果完全可以滿足四等水準測量要求．

3.3 可行性分析案例二

(2)

式中:Mj為GNSS精化高測量中誤差,mm;Mg為GNSS大地高測量中誤差,mm;Ms為似大地水準面精化模型中誤差,mm;My為儀器高測定中誤差,mm．

2012年嘉興市現(xiàn)代測繪基準體系建設時建立了嘉興市似大地水準面精化模型中誤差Ms為±9 mm[4]．

根據(jù)《全球定位系統(tǒng)實時動態(tài)測量(RTK)技術規(guī)范》CH/T2009—2010規(guī)范規(guī)定RTK高程測量觀測次數(shù)大于等于3次,以及結合式(2),JXCORS網(wǎng)絡RTK高程測量次數(shù)不斷增加時對網(wǎng)絡RTK精化高的影響分析結果如表8所示．

表8 JXCORS網(wǎng)絡RTK觀測次數(shù)對精化高的影響

由表8可知，在觀測次數(shù)大于8時對網(wǎng)絡RTK高程精度的提高不明顯,當觀測次數(shù)大于12時對網(wǎng)絡RTK高程精度的影響主要取決于似大地水準面精化模型的精度．在觀測次數(shù)4次及以上時網(wǎng)絡RTK高程精度均已在2 cm以內,結合規(guī)范規(guī)定(見表4),滿足規(guī)范中代替四等水準時網(wǎng)絡RTK高程測量高程中誤差小于等于3 cm的指標要求,從而說明:JXCORS網(wǎng)絡RTK測量+嘉興市似大地水準面精化模型可代替四等水準測量,能為圖根測量、像片控制測量、碎部點數(shù)據(jù)采集等測量提供高程起算數(shù)據(jù)．

4 結束語

本文以嘉興市現(xiàn)代測繪基準體系建設時對嘉興市似大地水準面精化模型的精度評定和嘉興市現(xiàn)代測繪基準體系復測時對嘉興市似大地水準面精化模型的精度復檢為數(shù)據(jù)源,對GNSS測量+嘉興市似大地水準面精化模型獲取水準高的測量方式代替水準測量進行了測試和分析,結果表明:

1)在GNSS測量觀測時間1小時以上時,GNSS測量+嘉興市似大地水準面精化模型獲取水準高的測量方式已完全能滿足精化高程代替四等水準測量的精度要求．

2)在觀測點的周邊觀測天空開闊和受多路徑、電磁干擾影響較小條件下,當觀測時間超過4個小時2個時段時,結合GAMIT軟件+精密星歷解算基線,GNSS測量+嘉興市似大地水準面精化模型獲取水準高的測量方式完全能夠代替三等水準測量．

3)通過兩個案例驗證,在觀測點的周邊觀測天空開闊且受多路徑、電磁干擾影響較小的條件下,架設三腳架觀測,JXCORS網(wǎng)絡RTK測量+嘉興市似大地水準面精化模型獲取水準高的測量方式，完全可以滿足四等水準測量要求．