宁波市似大地水准面数字高程基准建设及精度检验

张文峰，张旭东

（1.宁波市测绘设计研究院，浙江 宁波 315041）

宁波市似大地水准面数字高程基准建设及精度检验

张文峰1，张旭东1

（1.宁波市测绘设计研究院，浙江 宁波 315041）

基于2000国家大地坐标系和1985国家高程基准，阐述了在NBCORS和宁波市基本高程控制网的三维框架下组织实施宁波市似大地水准面数字高程基准建设的方法，并进行了似大地水准面的正确性和实用性精度检验以及精度区域划分。

似大地水准面；数字高程基准；正确性检验；实用性检验

2009~2011年，宁波市测绘设计研究院组织实施了覆盖全宁波市域及近海区域的“宁波市似大地水准面数字高程基准建设”项目。项目旨在探索“GNSS+似大地水准面”测量新技术的应用，以实现传统高程基准建立和维持模式的根本性转变。

1 数字高程基准建设

1.1 工艺流程

本项目中宁波市似大地水准面数字高程基准的建设工艺流程主要分为4个步骤：①高程异常控制网建设，即一体化同步建立基于GNSS的基本控制网和全市基本高程控制网；②似大地水准面计算，包括GNSS、水准数据处理以及似大地水准面模型的建立；③似大地水准面精度检验，包括采用正确性GNSS静态检验、实用性的网络RTK检验以及精度区域的划分；④似大地水准面的应用，编制在线三维坐标转换系统，为用户提供准实时的GNSS高程转换数字化服务。

从项目建设的工艺流程分析，本次精化主要解决4个问题：①统一性，即统一采用2000国家大地坐标系和1985国家高程基准作为平面和高程的起算基准；②同步性，不仅保持水准和GNSS测量的同步性，同时与全省CORS的观测保持同步，以保障参考站点的CGCS2000大地坐标的时效性；③取代传统高程基准，提出了使用似大地水准面模型取代传统水准标石并维持现代高程基准的方法，研究和编制了采用GNSS高程测量代替各等级水准测量的技术指标，并经过了理论推导和生产实践应用；④实用性，即项目利用似大地水准面成果，结合网络RTK技术，研制在线三维坐标转换系统，满足城市建设定位需求。

1.2 GNSS基本控制网测量

高程异常控制网的GNSS网建立以ZJCORS为基础，将NBCORS纳入全省的CORS框架网中，与全省同步联测，精确解算并确定NBCORS各参考站的CGCS2000坐标。在此基础上，再组织实施全市GNSS基本控制网。该网的特点如下：

①GNSS网点布设均匀，结构合理。将GNSS点的布设与水准路线选取统一考虑，减少了水准联测的工作量，使控制点上同时具有平面和高程成果。②采用8 h×2时段的C级GNSS同步环观测技术，全网平均重复设站达4.32。③综合了多种精密的数据处理方法，其GNSS网坐标分量在水平方向上的平均精度为±0.003 5 m，大地高方向的平均精度为±0.006 7 m。

GNSS网的三维约束平差结果建立了该地区CGCS2000坐标系下的平面测绘基准，为高精度高分辨率似大地水准面的建立提供了均匀、可靠和精确的地心坐标数据。

1.3 基本高程控制网测量

高程异常控制网中的GNSS/水准点的高程联测也布设成水准网，该网基于原有宁波市基本高程控制网，对其进行改造，以国家一等水准点为起算数据，全部布设成二等水准网，旨在联测并获取GNSS/水准点的高精度正常高。该网的特点如下：

① 水准网优化调整，全网全部改造并构成28个闭合环的二等水准网；②对于全部国家一等水准点南北连贯采用一等水准进行检测，确定了符合性起算点；③水准观测采用精密水准测量技术，共完成了230 km一等水准检测、2 044 km二等水准测量；④水准数据处理时考虑了温度改正，进行了水准标尺长度、正常水准面不平行、重力异常以及环线闭合差改正。

全网平差后，二等水准各种误差均满足限差要求，其每km水准测量的全中误差为±0.877 mm，符合设计和规范要求，为高精度高分辨率似大地水准面的建立提供了精确的水准高程数据。

1.4 数字高程基准计算

似大地水准面数字高程计算融合了规划区已有建设成果，共使用了3 673个点重力数据和174个GNSS/水准点资料，以EIGEN03C地球重力场模型作为参考重力场，由第二类Helmert凝集法完成了似大地水准面的计算。其特点如下：

1）在利用原有规划区精化成果时，首先将规划区与全市高程异常控制网平面和高程采用统一起算点约束，计算其CGCS2000大地坐标和水准高程，经过重复点的分析和选择，再进一步进行高程异常计算。

2）格网重力异常的内插和推估计算，在航天飞机雷达地形测绘使命（SRTM）高分辨率7.5"×7.5"数字地面模型基础上，利用地形均衡归算，通过移去-还原原理计算。其中地形均衡归算采用Airy-Haiskanen均衡模型，地形改正和均衡改正采用了考虑地球曲率的严密球面积分公式，积分半径为300 km。

3）似大地水准面的计算采用了第二类Helmert凝集法，公式是考虑了地球曲率影响的严密球面积分公式。

通过计算，174个GNSS/水准资料与重力似大地水准面独立比较精度为±0.018 m。利用球冠协调和分析方法将GNSS水准与重力似大地水准面联合求解得出的2'×2'格网似大地水准面精度达到±0.010 m。

2 似大地水准面精度检验

在似大地水准面精化之后，为了检测似大地水准面成果的正确性和实用性，宁波市测绘设计研究院先后组织了不同等级、不同区域的GNSS精度测试，对宁波市高精度高分辨率似大地水准面成果进行了质量检验。

2.1 正确性检验

正确性检测采用外部检核方式，总共选取了26个符合要求的点位作为检测点，主要均匀分布在宁波市的慈溪、余姚、宁海、象山、奉化等5个代表性的特征区域。每个区域均布设8个检测点，其中包含2～3个已知点。检测点布设均考虑了利用具有二等水准成果的点位或布设于已知二等水准点附近，既符合GNSS观测要求，又便于水准联测。每个检测点的GNSS、水准测量等级与似大地水准面精化时高程异常控制点的测量要求一致，数据处理也采用相同的软件和处理方法，检测结果见表1。

表1 正确性静态检测结果统计表/m

由表1可知，应用似大地水准面成果计算的GNSS高程与直接水准高程较差中误差为±0.015 m，达到了较高精度水平，满足了精化预期的目标。

2.2 实用性检验

由于本项目实施的似大地水准面精化范围较大，实用性检测主要基于NBCORS系统，在全市区按照8 km×8 km的密度，均匀布设网络RTK高程检测点，总共布设了132个网络RTK检测点。布设的实用性检测点位均具有近期观测的四等及其以上等级的已知水准成果，这些点位稳定可靠，没有进行重新测量。

RTK观测执行《卫星定位城市测量技术规范》中的一级GNSS控制点观测要求，观测4个测回，测回间的垂直坐标分量均不大于3 cm，取各测回结果的平均值作为最终观测成果。最后再利用LGO软件，在软件中加载似大地水准面精化模型，导入观测数据，可直接获取网络RTK正常高，其检测结果见表2。

表2 实用性网络RTK动态检测结果统计表/cm

从表2可以看出，网络RTK动态检测的模型计算高程与其水准高程比较平均较差为0.011 m，中误差为±0.022 m，均没有超出相关规范规定的±6 cm限差，可以满足现有国家规范中代替等外水准、图等水准的技术指标要求。

2.3 精度区域划分

考虑到测绘生产活动的行政区域性，为了指导宁波市各个行政区域内利用似大地水准面精化成果进行高程测量，本项目将精化模型精度区域划分到行政区，共6个区域，分布情况见图1。

图1 全市似大地水准面精度区域划分图

1）内符合精度区域划分：该精化模型在宁波市各个行政区域内的内符合精度在±9.2 mm～±12.4 mm，山区精化模型内符合精度为±12.0 mm，平地为±9.7 mm，全市范围内的内符合精度为±10 mm。依据相关规范，在宁波市域范围内，精度均满足利用四等GNSS高程测量代替四等水准测量的技术指标要求。

2）外符合精度区域划分：全市实用性静态GNSS高程精度为±18.0 mm，实用性网络RTK高程精度为±22.0 mm，可满足宁波城市建设各领域的高程测量应用需求。

3 结 语

1）项目综合运用了各种现代大地测量技术，确定了覆盖宁波全市域、2'×2'高分辨率、±1.0 cm高精度似大地水准面模型；建立了统一基准、统一地势、统一精度、无缝接边、几何与物理一体化的宁波市似大地水准面数字高程基准；实现了传统高程基准建立和维持模式的根本性转变，完善了宁波市现代测绘基准体系的建设成果。

2）似大地水准面同精度正确性检测结果表明，宁波市似大地水准面的外符合精度为±0.015 m，精化成果比较理想，达到了预期精化的目标。实用性动态检测结果表明，网络RTK高程测量中误差为±0.022 m，可以满足相应技术规范规定代替等外水准、图等水准的技术指标要求，这为宁波市解决各类测绘工作的高程控制提供了基本技术保障，为下一步基于NBCORS的网络RTK高程精度研究打下坚实的基础。

3）精度区域划分表明，宁波市似大地水准面高程异常模型在不同区域、不同地势的精度基本无差异，但采用静态和动态测量GNSS高程精度与相应的GNSS等级精度有关。

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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。

张文峰，工程师，主要从事大地测量技术的研究和应用。