中国的现代测绘测量基准的建设

中国的现代测绘测量基准的建设

刘友朋

摘要: 在回顾我国测绘基准(大地测量基准) 建设历史的基础上, 分析了在当前建设信息化社会, 数字中国对现代测绘基准的需求,提出了在我国期间着手建设现代测绘基准的建议。在大地基准(平面基准) 方面, 建议在国家GPS2000 网(三网) 的基础上,进一步加密国家GPS 网点和永久性追踪站, 构建有足够分布密度的3 维高精度动态大地坐标框架, 为我国今后建立新的大地坐标系统创造条件。在高程基准方面, 建议在仪器设备和规范细则方面做好准备工作, 依法定期对国家高程控制网进行复测。在重力基准方面, 在国家2000 重力基准网和国家2000 (似) 大地水准面的基础上, 有步骤的按省或地区推算具有厘米级精度, 10km 级栅格分辨率的似大地水准面; 利用地面和航空重力手段填补我国地面实测重力空白区。

关键词: 大地测量; 测绘基准; GPS; 水准; 重力

一、我国建立测绘基准的历史回顾[1 ]

我国测绘法[2 ] 第二章“测绘基准和测绘系统”中规定,“国家设立和采用全国统一的大地基准、高程基准、重力基准”。大地(平面) 基准主要包括国家坐标系统和坐标框架; 高程基准主要包括国家高程系统和国家高程控制网(精密水准网) ; 重力基准主要包括国家重力系统、国家重力基准网和全国大地水准面。我国在20 世纪50～ 70 年代的20 余年中, 在平面基准方面主要完成了全国天文大地网施测和局部平差, 建立了北京1954 坐标系。在高程基准方面完成全国一期一等水准网;建立了国家黄海56 高程基准。在重力基准方面采用波茨坦系统, 建成了57 重力基准网和推算了全国1970 似大地水准面。这一时期是

新中国测绘基准的奠基阶段。从20 世纪70 年代后期至90 年代末, 在平面基准方面,主要完成了文大地网的整体平差; 建立了西安1980 坐标系(或北京新1954 坐标系)。在高程基准方面, 完成了全国二期一等和二等水准网的施测和计算; 建成了国家黄海85 高程基准; 完成了二期一等水准网(局部) 的复测和计算。在重力基准方面, 建成了85 重力基准网, 建立了中国自己的重力系统。此外, 在这一时期还完成了我国的天文经度基准网, 野外长度检定基准等。我国空间大地测量工作在这一时期也有了相当发展, 建立了全国卫星多普勒网, 3 个全国性GPS 网和30 余个GPS 永久性追踪站, 和近10 个SLR 和VLB I 站。在半个多世纪来, 我国的这些测绘基准为国民经济、国防和社会的可持续发展提供了及时、适用、可靠的测绘保障。

二、建设现代大地基准的任务[3 ]

1. 大地坐标系统的现状和问题

目前使用的1980 年西安坐标系从技术和应用方面考虑, 存在下面几个问题: 一是椭球大小。西安80 系采用的椭球是IA G1975 椭球。它的椭球长半轴a 为6 378 140m , 要比现在国际公认的[4, 5 ] , 或是GPS 定位中所采用的相应值要大3m。它可能引起的长度误差在5×10- 7水平。二是椭球定位。西安80 系不是地心坐标系, 而是由(中国) 局域高程异常最佳符合(即[F2 ]= m in) 方法定位。三是椭球短轴的指向。西安80 系采用指向JYD 1968. 0 极原点。与国际上包括GPS 定位中通用的椭球短轴的指向B IH 1984. 0 不同。科学技术的发展, 对原来定义我国大地坐标系的物理和几何常数已有了更新和改善[4, 5 ] , 另一方面是空间和信息技术及其应用的飞速发展, 在改革开放政策的指引下, 在经济全球化的发展中, 我国单纯采用局部、2 维、低精度、静态的大地坐标系统作为大地基准所带来的不协调的矛盾会愈来愈多。

2. 大地坐标框架的现状和问题

对我国国土范围内所考虑对象的2 维或3 维空间位置(不论该对象是处于静态还是动态) , 都需要一个全国统一的、协调一致的大地(地理) 坐标框架。这是大地坐标系统的实现, 是国家测绘基准的一个重要方面。目前提供全国使用的大地坐标框架是用经典大地测量技术所测定的全国天文大地网。它由48 000 余个大地控制点组成, 这些点间的相对精度为3×10- 6 [2 ] , 在我国大陆的分布密度约为1∶ (15 km ×15 km ) , 这就是说, 在一幅1∶5 万基本比例尺地形图中, 可能有1～ 3 个属于这一坐标框架的大地控制点。我国大地坐标框架近年来在空间技术、信息技术的发展中遇到3 个主要方面的问题: 一是近50 000 个全国天文大地网点, 历经几十年沧桑, 已损毁了近1ö 3; 二是卫星定位技术,如GPS 技术, 已得到了广泛的应用, 其点位平面位置的相对定位精度已可高达10- 7量级以上, 要比现行的全国大地坐标框架高出近一至二个量级; 三是卫星定位的测量成果是3 维的, 立体的, 而现行的大地坐标框架是2 维的, 平面的。因此,高精度的卫星定位技术所确定的局部3 维测量成果, 与较低精度的, 全国性2 维大地坐标框架, 往往不能互相配适, 存在很难调整的矛盾和冲突。目前正在进行数据处理的全国GPS 2000 网, 其点数可达2 000 余个, 其中GPS 永久性追踪站为25 个。该网点的相对精度预计可达10- 7以上。这个网若在2002 年启用后, 将使我国大地坐标框架在3 维和高精度方面走上一个新的台阶。但在另一方面, 该网点的平均密度仅为1 ∶ ( 70 km ×70 km )。也就是平均9 幅1∶5 万比例尺的地形图中才能找到一个GPS 2000 网点。而实际情况还不能这样乐观, 因为GPS 2000 网中的近1 000个点的布设是为了适应地震监测的需要, 它在某些地区(如南北地震带) 密, 某些地区稀, 因此在我国大陆近一半以上的地区实际上达不到上述点位分布的平均密度。由此可见, GPS 2000 网要真正成为实用的国家大地坐标框架, 要服务于全国广大(静态) 定位用户(不论是2 维的还是3 维的) ,面临的主要问题是GPS 2000 的点数过少, 分布密度太低; 而要服务于全国动态或高精度定位用户, 则要在中国建立远比25 个更多的GPS 永久性追踪站和相应的数据传输、处理和分发的网络系统。因此加密GPS 2000 网和增加GPS

永久性追踪站及其相应配套的数据网络系统是在我国建立一个地心、3 维、动态的现代大地坐标框架所要解决的基本问题。

3. 建立现代大地坐标框架的目标和任务

在新世纪建立我国现代大地坐标框架的目标是建立3维、高精度、动态和实用的大地坐标框架。3 维主要是指该框架由具有地心3 维直角坐标的点所构成; 高精度主要是指构成该框架的点位相对精度不低于10- 7, 相对地心的绝对精度不低于10- 7; 动态是指框架点位应是时间的函数; 实用是指框架点的数量和分布密度能满足今后10 年间用户连测方便的基本需求。完成建立这一大地坐标框架的任务可以分为几个方面,逐步和交叉地实施。第一方面是GPS 2000 网和我国天文大地网的联合平差。虽然由于这两个网的公共点数量不到天文大地网点总量的2% , 天文大地网受到几十年来的点位位移的影响, 但联合平差后, 天文大地网相对点位精度仍有所提高[6 ]。因此即使它的点损毁严重, 但联合平差后仍有几万个具有3 维坐标的点, 因此在期间, 采取这一措施可以暂时满足部分用户对3 维大地坐标框架的急需。第二方面是增加GPS 2000 网点的数量以达到一定的分布密度。由于空间技术的特点, 点间无需如经典大地测量观测所需的通视条件, 因此卫星定位点间连测的距离原则上是不受限制的。但从中国的实际情况和方便用户考虑, GPS2000 加密网的点距缩短至50 km 左右为宜[3 ] , 也就是说,GPS 2000 加密网的分布密度就可增加到1 ∶ (55 km ×55 km )。由于考虑到GPS 2000 网点分布的不均匀, 改善和加密该网至上述分布密度, 估计需增加的GPS 点数约3 000个。当然设计GPS 2000 加密网点位时, 要顾及在这些加密点处施测水准和重力的需求, 同时还应充分利用地壳运动监测网络第二期工程(以下简称网络二期工程) 中GPS 的点位,和天文大地网点、水准网点、重力网点的点位。GPS 2000 加密网应力争在期间完成。第三方面是增加我国GPS 永久性跟踪站的数量和分布密度。GPS 永性跟踪站的数量和分布密度是上述框架中点位精度和现势性(动态) 的基本保证。在上述框架点位解算的数据处理中, 有了这些跟踪站长期观测的精确点位(10- 8～

10- 9量级) 及其运动速率(±0. 2～ ±0. 5 cmöa ) , 再结合一定数量的IGS 站, 才能确保大地坐标框架点位静态和动态计算的高精度。此外, 这些永久性跟踪站也是实现动态实时高精度定位、导航以及建立GQ S 综合服务系统(如电离层、大气可降水分预报) 的基础条件之一。上述GPS 永久性跟踪站的数量和分布应能比较全面地反映我国各地块(子块) 和各主要断层的地表运动, 以能比较准确地确定我国大地坐标框架点的运动矢量。这些跟踪站的数量据网络二期工程的测算大体应由目前的25 个站增至250 个站左右。此外, 顾及到测绘部门在地壳稳定地区建站和动态定位的需求, 在十五期间测绘部门可能再建设10～ 20个永久性追踪站为宜。建设这些站的同时, 还建立相应的数据传输、处理、分发和网络系统。这些工作结合网络二期工程力争在和“十一五”初期完成。这样我国就建成了以250 个左右永久性追踪站为枢纽点、有分布合理的5 000 个高精度的GPS 2000 加密网点, 构成了我国现代3 维、地心、高精度、动态和实用的大地坐标框架。若在建立大地坐标框架的同时, 考虑到GPS 综合服务系统的功能, 如动态实时定位(导航) 的需求, 电离层电子浓度和对流层大气可降水分测定的需求, 则这种跟踪站数量和网络的功能都可能有所变化, 此处就不加以讨论了。

4. 建立中国新一代大地坐标系统

数字中国、信息社会、经济社会化和国防建设的需求, 都要求我们的大地坐标系是地心的、3 维的、动态的。诚然, 改变大地坐标系统是改变整个基础地理信息的基础载体, 涉及面广, 工作量大, 要慎重对待, 大地坐标系统不经深思熟虑的改变是不恰当的,“但是, 如果实践业已证明坐标系确实需改变”,“测绘科技的发展又提供了改变坐标系的条件⋯⋯大地坐标系统应顺应实践的要求和技术发展而演进⋯⋯再长久拖下去也没的好处”[3 ]。当现代大地坐标框架在今后5～ 7 年建成之时, 届时我国的经济、社会、国防和科技也一定有了更大发展, 这时重新定义和更新我国现有大地坐标系统应是水到渠成。

三、建设现代高程基准的任务

1. 国家高程基准的现状和问题

作为国家测绘基准之一的是国家高程基准。目前国家采用的高程系统是黄海1985 高程系统。类似于坐标框架, 主要由国家二期一等和二等水准网所构成的国家高程控制网点以实现这一高程系统。二期一等、二等水准网[2 ]分别于1977～ 1981 年和1982～ 1988 年完成, 前后耗时12 年。前者计有100 个闭合环, 总环长94 000 km。后者附合于前者, 总计有793 环, 总环长136 000 km。国家高程控制网点(水准标石)总计约53 000 个, 平均分布密度约为1∶ (15 km ×15 km ) ,即在每一幅1∶50 000 比例尺地形图图幅中平均有国家高程控制网点1～ 3 个。当前国家高程基准面临的问题主要表现在两个方面。一是按国家有关法令(大地测量法式) 规定, 作为国家高程基准的主要组成部分, 即国家高程控制网, 应在15～ 20 年复测一次, 以保证国家高程控制网的现势性。目前使用的这一高程控制网, 即二期一等和二等水准网, 使用至今已有近20 年的历史。虽然曾在上个世纪90 年代组织了部分一等水准网的复测工作, 但由于种种原因, 要以它正式取代现行的二期一等水准网成果, 还存在不少问题。因此, 建议结合复测的需要, 尽快组织三期国家高程控制网的施测是必要的。二是我国的高程系统是一种局部高程系统, 与相邻国家的高程系统比较, 或与以全球大地水准面为基础的高程系统比较, 可能有米级[7 ]的差别。因此, 与邻国和地区(如亚太地区) 的地形图, GIS,DTM 等作较大比例尺的拼接时, 往往出现矛盾。从长远和发展的观点看, 测定我国黄海85 高程系统和全球大地水准面的差别是必要的。

2. 组织国家三期高程控制网的施测

1. 考虑到GPS 技术的发展和大地水准面的精化, 因此省级的高程控制网无需完全依赖很密的国家级高程控制网。同时应考虑国家三期高程控制网的施测工期, 无论从科技的

角度还是从实用可靠的角度, 都不应像二期那样延续达10余年之久。因此国家三期高程控制网的设计原则建议为:“加密一等水准网, 取消二等水准网”。一等水准网由100 环增加至120～ 130 环。加密后的一等水准网总环长可能增至120 000～ 130 000 km , 相应水准标石可增至2. 5 个左右, 它的平均分布密度为1∶ (30 km ×30 km ) , 即在平均每2 幅1∶50 000图幅中至少有一个国家三期高程控制网的点。完成这样的国家三期高程控制网的作业周期可望缩短至5～ 6年内完成。

2. 做好国家三期高程控制网施测的前期准备工作。在组织国家三期高程控制网施测前, 必须做好几件准备工作。首先是购置新型激光精密水测量仪器(以下简称激光水准仪)。我国现有的光学精密自动置平水准仪(以下简称光学水准仪) 国外已停止生产了。而在我国军民测绘主管部门中, 还只有极少量这类激光水准仪, 远不足以形成国家级的精密水准测量的作业力量, 这一现象应尽快扭转。

3. 修订相应的水准测量规范和细则。国家测绘局对激光水准仪已完成了全面的生产性测试研究, 主要的结论可以归纳为两点: 一是精度与光学水准仪基本持平, 或稍有提高。但在削弱水准观测作业中的人差, 保持观测精度的稳定性方面则有显著提高, 也就是说新老作业员在观测精度及其稳定性方面的差别缩小。二是使用激光水准仪在提高水准作业效率方面不明显, 也就是说使用该仪器时的外业作业定量, 耗时方面与光学水准仪基本持平。但考虑到激光水准仪与光学水准仪在观测和作业等方面都有相当差别, 因此在水准测量的规范和细则方面要作相应修订。

四、建设现代重力基准的任务

现在提供使用的国家85 重力基准中的重力系统是由国家1985 重力基准网中的绝对重力点所定义的, 重力系统的实现则由该网和一等重力网完成。国家85 重力基准网由57

点重力点(包含绝对和相对重力点) 组成, 实际精度为±25×10- 6 cmös2, 一等网由100 余个相对重力点组成, 实际精度为±30×10- 6 cmös2。国家的1970 大地水准面主要是用天文重力水准技术推定, 于20 世纪70 年代初完成和提供使用, 它相对西安大地原点的精度为±3～ ±5 m , 分辨率不高于200 km ×200 km。在2001 年可以提供使用的国家2000 重力基准网, 将替代已遭到严重损毁和精度略逊的国家85 重力基准网。2000重力基准网由120 余个绝对和相对重力点组成, 由于该网使用了FG5 绝对重力仪施测, 并增多了绝对重力点的数量,2000 重力基准网的精度有所提高, 预计在± 10 ×10- 6 cmös2左右。国家2000 大地水准面已正式提供使用。它的绝对精度为±0. 3～ ±0. 6 m , 分辨率为30 km ×30 km , 覆盖范围包括了我国近海海域(离岸线400 km ) , 这些指标相对于1970 大地水准网提高了近一个量级。此外, 国家测绘局现可提供包括我国海域在内的30 km ×30 km 栅格平均重力异常, 精度在±0. 5×10- 3 cm ös2。目前用户在重力基准方面比较迫切的需求是如何快捷准确的将GPS 测得的大地高转换为正常高(海拔高) , 这个需求的实质问题是要求测绘部门提供不低于20 km ×20 km分辨率, 和±5～ ±10 cm 精度的似大地水准面。因此测绘部门应有计划地在和“十一五”期间按省和地区加密GPS 水准和重力测量, 推算和提供具有上述精度和分辨率的似大地水准面。而从国家范围的重力测量来说, 应该对十余个1°×1°和百余个30′×30′没有实测重力值的栅格地区, 在期间适当安排地面和航空重力测量, 并考虑充分利用卫星重力成果, 以改善相应地区重力值的精度和可靠性。因此有计划的分区精化大地水准面和消灭重力实测空白区, 这两项应是我国期间建立现代重力基准方面的主要任务。

参考文献:

[ 1 ] 当代中国的测绘事业编委会. 当代中国的测绘事业[M ]. 北京: 中国社会科学出版社, 1987: 51271.

[ 2 ] 中华人民共和国测绘法[Z]. 北京: 测绘出版社, 1993.

[ 3 ] 魏子卿. 关于我国大地测量任务的几点思考[ J ]. 中国测绘,2000, (4) : 427.

[ 4 ] MOR ITZ H, Geodetic Reference System 1980[J ]. Bull Geod,1980, (54) : 3942405.

[ 5 ] 陈俊勇. 永久性潮汐和大地测量基本常数[J ]. 测绘学报, 2000,29 (3) : 2802281.

[ 6 ] 魏子卿, 黄维彬, 杨捷中, 等. 全国天文大地网与空间大地网联合平差[J ]. 测绘学报, 2000, 29 (4) : 2832288.

[ 7 ] 陈俊勇, 庞尚益, 张 骥, 等. 珠峰雪面高程和全球变暖[J ]. 地球科学进展, 2000, 16 (1) : 12214.