CN104111061B - 一种基础资料缺乏地区测量控制点成果获取方法 - Google Patents

一种基础资料缺乏地区测量控制点成果获取方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基础资料缺乏地区测量控制点成果获取方法，包括如下步骤：步骤一、在测绘区域选定测量控制点桩位位置，埋设控制点标志，采用GPS设备按照静态模式测量卫星数据，并根据测量数据计算出控制点的WGS84坐标；步骤二、获取并选定测绘区域周边的转换区域中兼具WGS84坐标与国家坐标的标注点作为重合点；步骤三、求解重合点WGS84坐标与国家坐标的换算关系；步骤四、根据控制点的WGS84坐标和前述的换算关系计算出控制点的国家坐标。本发明具有能够方便快捷地获取控制点成果、成果精度高、满足工程项目前期测绘要求的特点，可以广泛应用于测绘技术领域。

Description

一种基础资料缺乏地区测量控制点成果获取方法
技术领域
本发明涉及测绘技术领域，特别是涉及一种基础资料缺乏地区测量控制点成果获取方法。
背景技术
目前，工程项目测绘地形图需要用到国家测绘控制点坐标成果。而在基础资料缺乏地区进行项目前期测绘，如何获取满足项目前期测绘要求的控制点成果，是困扰电力测绘人员的一大技术难题。在大山区或偏远地区进行电力工程测量时，控制点相对稀少甚至没有测量控制点成果，即使有控制点也需要远距离联测，既费时又费力。同时，某些地区即使有控制点成果，由于测量控制点坐标属于涉密成果，需要测绘行政主管部门审批，审批周期较长，难以满足项目前期阶段勘测设计市场化快速运作要求。
发明内容
本发明的目的是为了克服上述背景技术的不足，提供一种基础资料缺乏地区测量控制点成果获取方法，具有能够方便快捷地获取控制点成果、成果精度高、满足工程项目前期测绘要求的特点。
本发明提供的一种基础资料缺乏地区测量控制点成果获取方法，包括如下步骤：步骤一、在测绘区域选定测量控制点桩位位置，埋设控制点标志，采用GPS(Global Positioning System，全球定位系统)设备按照静态模式测量卫星数据，并根据测量数据计算出控制点的WGS84(World Geodetic System1984，是为GPS全球定位系统使用而建立的坐标系统)坐标；步骤二、获取并选定测绘区域周边的转换区域中兼具WGS84坐标与国家坐标的标注点作为重合点；步骤三、求解重合点WGS84坐标与国家坐标的换算关系；步骤四、根据控制点的WGS84坐标和前述的换算关系计算出控制点的国家坐标。
在上述技术方案中，所述步骤二中，获取并选定重合点的过程如下：A、依据外业技术总结与点之记相结合的方法选取均匀分布于整个转换区域的标注点；B、通过单点定位计算方法计算出所述标注点的WGS84坐标，并利用EGM2008(是近年来由美国国家地理空间情报局释放的全球超高阶地球重力场模型)重力场模型通过点位内插计算方法计算标注点的高程异常，将GPS测量的大地高程减去高程异常即得到该点的WGS84高程；C、并对算好的标注点进行筛选和试算，剔除粗差点，获得重合点。
在上述技术方案中，所述步骤三中，重合点WGS84坐标与国家坐标的换算采用二维坐标转换模式。
在上述技术方案中，所述步骤三中，所述二维坐标转换模式为计算重合点的二维坐标换算参数，所述二维坐标换算参数包括平移参数、旋转参数和尺度参数。
在上述技术方案中，所述步骤四中，控制点国家坐标的计算步骤如下：A、根据二维坐标换算参数计算出控制点的国家平面坐标；B、分别计算各重合点WGS84高程与国家坐标高程之间的高差，再根据各重合点WGS84平面坐标、前述高差以及控制点的WGS84平面坐标计算控制点处WGS84高程与国家坐标高程之间的高差，再将控制点WGS84高程与控制点处的高差相减得到控制点的国家坐标高程。
在上述技术方案中，所述步骤三中，重合点WGS84坐标与国家坐标的换算采用三维坐标转换模式。
在上述技术方案中，所述步骤三中，所述三维坐标转换模式为计算重合点的三维坐标换算参数，所述三维坐标换算参数包括平移参数、旋转参数和尺度参数。
在上述技术方案中，所述步骤四中，控制点国家坐标的计算步骤如下：A、根据三维坐标换算参数计算出控制点的三维国家坐标，再将控制点的三维国家坐标换算成控制点的国家平面坐标；B、分别计算各重合点WGS84高程与国家坐标高程之间的高差，再根据各重合点WGS84平面坐标、前述高差以及控制点的WGS84平面坐标计算控制点处WGS84高程与国家坐标高程之间的高差，再将控制点WGS84高程与控制点处的高差相减得到控制点的国家坐标高程。
在上述技术方案中，所述步骤一中，利用测量数据计算出控制点的WGS84坐标的过程为：将测量数据转换成Rinex(ReceiverIndependent Exchange Format/与接收机无关的交换格式)格式文件，将测量数据结合下载的精密星历和精密种差文件进行单点计算，算出WGS84坐标系下控制点的经纬度、大地高、正常高和三维坐标。
在上述技术方案中，所述国家坐标包括1954北京坐标系和1956黄海高程。
本发明基础资料缺乏地区测量控制点成果获取方法，具有以下有益效果：能够方便快捷地获取控制点成果，成果精度高，提高了工程测绘企业的市场反应能力，完全满足工程项目前期测绘要求。
附图说明
图1为本发明基础资料缺乏地区测量控制点成果获取方法的流程示意图；
图2为本发明基础资料缺乏地区测量控制点成果获取方法步骤二中重合点数据库的功能结构；
图3为本发明基础资料缺乏地区测量控制点成果获取方法步骤四中GPS大地高与正常高的关系图；
图4为本发明基础资料缺乏地区测量控制点成果获取方法所选实施例中重合点与控制点的空间几何关系示意图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步的详细描述，但该实施例不应理解为对本发明的限制。
参见图1，本发明基础资料缺乏地区测量控制点成果获取方法，包括如下步骤：
步骤一、在测绘区域选定测量控制点桩位位置，埋设控制点标志，采用GPS设备按照静态模式测量卫星数据，并根据测量数据计算出控制点的WGS84坐标：
在测绘区域埋设控制点标志是控制点成果获取的基础，GPS设备按照静态模式测量控制点的卫星数据后，利用GPS设备随机软件将测量数据转换成Rinex格式文件(后缀为o文件和n文件)，如algo1840.08n和algo1840.08o。
利用单点定位软件下载精密星历和精密种差(时间与测量卫星数据记录时间相同)，解压精密星历和精密种差文件(如cod14862.clk和cod14862.eph)。将测量数据结合下载的精密星历和精密种差文件进行单点计算，算出WGS84坐标系下控制点的经纬度、大地高、正常高和三维坐标。
步骤二、获取并选定测绘区域周边的转换区域中兼具WGS84坐标与国家坐标的标注点作为重合点：
A、依据外业技术总结与点之记相结合的方法选取均匀分布于整个转换区域的标注点：
进行两种不同坐标系的转换计算，需要具有两种坐标重合的点。在本发明中，两种坐标系指WGS84坐标系与国家坐标系，其中国家坐标系包括平面坐标和高程，我国的平面坐标为1954北京坐标系(简称北京54)或1980西安坐标系(简称西安80)，高程为1956黄海高程(简称黄海高程)。获取重合点一方面是通过实测获取，另一方面是通过收集获取。
两种不同坐标系坐标转换的精度除取决于坐标转换的数学模型与求解转换参数的重合点坐标精度外，还与重合点的多少和几何形状结构有关。
重合点选取原则是：依据外业技术总结与点之记等方法选取足够的高等级、高精度且分布均匀的点作为坐标转换的重合点。采用二维坐标转换模式至少选取2个以上的重合点，采用三维坐标转换模式至少选取3个以上的重合点，重合点的分布要覆盖整个转换区域且尽量分布均匀。
B、通过单点定位计算方法计算出所述标注点的WGS84坐标，并利用EGM2008重力场模型通过点位内插计算方法计算标注点的高程异常，将GPS测量的大地高程减去高程异常即得到该点的WGS84高程：
其中，EGM2008重力场模型先通过点位内插计算方法计算GPS标注点重力异常，再由重力异常计算出标注点高程异常，然后求出该点的WGS84坐标高程，具体参见步骤四中B条b款(一)项。
C、并对算好的标注点进行筛选和试算，剔除粗差点，获得重合点：
应对参与求解转换参数的重合点进行认真分析、筛选、试算，剔除粗差点(即误差较大的点)，采用不含粗差、分布均匀且能包围转换区域的一定密度的重合点求解转换参数。
转换参数的精度与重合点分布的密度、均匀性有关，对于普通工程勘测设计单位来说，不可能在全国范围内布设一定密度的重合点，只能根据原有的工程项目资料情况，选择一定数量的重合点。
可以利用数据库软件SQL Server2008建立本单位测量控制点数据库，该数据库实现以下4个功能模块：系统管理模块、基准参数管理模块、电子地图数据管理模块、控制点数据管理模块，参见图2。
步骤三、求解重合点WGS84坐标与国家坐标的换算关系：
实现不同坐标系的转换包括不同空间直角坐标系的转换和不同大地坐标系的转换。不同空间直角坐标系的转换既包括不同参心空间直角坐标系的转换，也包括参心空间直角坐标系和地心空间直角坐标系的转换。不同大地坐标系的转换既包括不同参心大地坐标系的转换，也包括参心大地坐标系和地心大地坐标系的转换。
坐标转换通常采用分区转换法，即将整个转换区域划分成若干个分区，分别对各分区计算坐标换算参数。
不同坐标系之间的坐标转换通常有两类坐标转换模式：一类是二维坐标转换模式；一类是三维坐标转换模式。对于不同坐标系之间的坐标换算，目前常用的是平面四参数转换模型与Bursa七参数转换模型两种。其中，平面四参数转换模型适于二维坐标转换模式，Bursa七参数转换模型适于三维坐标转换模式。
A、重合点WGS84坐标与国家坐标的换算采用二维坐标转换模式，即计算重合点的二维坐标换算参数，所述二维坐标换算参数包括平移参数(dx、dy)、旋转参数θ和尺度参数dλ共计四个参数：
二维坐标转换模式只适合于小区域转换，且只需要两坐标系的二维坐标成果(高斯平面直角坐标x、y或大地经度L、大地纬度B)。
相对而言，平面四参数转换模型原理简单，数值稳定可靠。对较小区域，它转换的精度较高。但当范围较大时，由于受投影变形误差的影响，其转换精度就较差，因而它只适合于较小区域的坐标转换。
B、重合点WGS84坐标与国家坐标的换算采用三维坐标转换模式，即计算重合点的三维坐标换算参数，所述三维坐标换算参数包括平移参数(dx、dy、dz)、旋转参数(θx、θy、θz)和尺度参数dλ共计七个参数：
三维坐标转换模式适合任何区域坐标转换，且需要两坐标系的三维坐标成果(空间直角坐标X、Y、Z或大地纬度B、大地经度L、大地高H)。
Bursa七参数转换模型为三维模型，在空间直角坐标系中，两坐标系之间存在严密的转换模型。由于理论比较严密，不存在模型误差和投影变形误差，因而它适合于任何区域的坐标转换。
步骤四、根据控制点的WGS84坐标和前述的换算关系计算出控制点的国家坐标：
A、二维坐标转换模式下控制点国家坐标的计算步骤如下：
a、根据二维坐标换算参数计算出控制点的国家平面坐标；
b、分别计算各重合点WGS84高程与国家坐标高程之间的高差，再根据各重合点WGS84平面坐标、前述高差以及控制点的WGS84平面坐标计算控制点处WGS84高程与国家坐标高程之间的高差，再将控制点WGS84高程与控制点处的高差相减得到控制点的国家坐标高程。
B、三维坐标转换模式下控制点国家坐标的计算步骤如下(下面结合具体实施例对三维坐标转换模式的计算步骤加以详述)：
a、根据三维坐标换算参数计算出控制点的三维国家坐标，再将控制点的三维国家坐标换算成控制点的国家平面坐标：
本实施例以襄樊电厂(I03)、岳阳电厂(U087)、浠水核电(D3)、广水接地极(D01)4个项目控制点计算换算参数，利用武汉特高压控制点进行校核比较。
原则上，在计算各分区坐标换算参数时，为了保持各分区在接边处坐标换算参数的连续性，需要各分区之间相互重叠一部分重合点并重复使用以求取坐标换算参数。当然，为了计算简便，本实施例中每块区域只选择了一个重合点。
区域范围约为200千米×200千米。计算襄樊电厂、岳阳电厂、浠水核电、广水接地极4个项目点三维坐标换算参数如下：
平移参数：
dx0:***.97138
dy0:***.49047
dz0:**.74987
旋转参数：
θx:0.34878190100
θy:0.08062259900
θz:2.07731135100
尺度参数
dλ:-0.00001262600
武汉特高压变电站WGS84三维坐标如下表1：
表1 武汉特高压变电站WGS84三维坐标
点名 X Y Z
E21 -2277874.923 5023148.723 3192402.044
E22 -2277713.589 5023020.480 3192723.568
经换算后的武汉特高压变电站北京54的三维坐标如下表2：
表2 武汉特高压变电站北京54的三维坐标
点名 X54 Y54 Z54
E21 ****859.793 ****261.13 ****452.102
E22 ****698.463 ****132.888 ****773.623
经过换算后的平面坐标与原已知点坐标差值对照表如下表3：
表3 武汉特高压变电站平面坐标比较表
注：由表3可知，换算误差值最大为0.3m。
另：由表2也可以计算出武汉特高压变电站高程，但由于计算误差大于后叙的b项，所以在此不予采用。
b、分别计算各重合点WGS84高程与国家坐标高程之间的高差，再根据各重合点WGS84平面坐标、前述高差以及控制点的WGS84平面坐标计算控制点处WGS84高程与国家坐标高程之间的高差，再将控制点WGS84高程与控制点处的高差相减得到控制点的国家坐标高程：
(一)通过计算各重合点高程异常求出该点的WGS84高程：
单点定位计算的是WGS84坐标系下的大地高HGPS。由于在工程测量中一般使用正常高系统，因而如果知道测点高程异常值。则根据公式一：HWGS＝HGPS–N就可以计算出正常高HWGS，
式中：
HWGS：代表正常高，即WGS84坐标系下地面点的高程；
HGPS：代表大地高，即GPS测量的大地高；
N：代表高程异常，即地面点所在位置似大地水准面与与参考椭球面之间的差值。
所以，当我们知道某一点的HGPS和高程异常N即可求取该点的正常高HWGS。WGS84坐标系下的大地高与正常高关系如图3所示。
大地高由GPS测量得到，对于高程异常，我们是利用美国国家地理空间情报局(NGA，US National Geospatial-Intelligence Agency)发布的EGM2008地球重力场模型获取。该模型采用的基本格网分辨率为5’×5’，数据来源主要为地面重力、卫星测高、卫星重力等。利用该模型数据，编制计算程序采用点位内插计算方法计算定位点的高程异常N。
在实际工作中，我们一般都是已知北京54或西安80坐标系统的坐标和正常高，要计算其大地高，需要知道高程异常，为此，我们近似将EGM2008地球重力场模型插值计算的高程异常值看做北京54或西安80坐标系统的高程异常值，从而作为北京54或西安80坐标系统计算大地高的依据，以计算出北京54或西安80坐标系统的三维坐标。从实际计算的结果看，这种方法是可行的。经EGM2008重力场模型内插改正后的WGS84正常高E21＝31.01m，E22＝34.41m。
从已完成工程项目的比较可知，在低海拔地区，WGS84的正常高与我国水准面高差值较小，在0.5米左右，在高海拔地区相差较大，在3米左右，在实际作业中，可以根据我们已完成项目的高程异常值进行内插计算，使单点定位高程更接近我国似大地水准面水准高程。
(二)计算控制点的国家坐标高程：
以浠水核电(D3点)、岳阳电厂(U087点)、广水接地极(D01点)三点的高程，求解武汉特高压站单点定位点高程。
先将坐标换算到同一中央子午线(114°，武汉特高压站)，计算WGS84高程与黄海高程差值。参见图4，浠水核电(M1)、岳阳电厂(M2)、广水接地极(M3)三点组成空间三角形，按照空间解析几何计算武汉特高压站(P点)单点定位点高程。设
h1＝浠水核电WGS84高程－对应已知点高程
h2＝岳阳电厂WGS84高程－对应已知点高程
h3＝广水接地极WGS84高程－对应已知点高程。
设单点定位计算点的高差值为h，则得到公式二：
HP＝HP′+h
推导数学计算公式并整理得公式三：
h = AX 1 + BY 1 + Ch 1 - AXP - NYP C
式中：A＝(Y2-Y1)(h3-h1)-(Y3-Y1)(h2-h1)
B＝((h2-h1)(X3-X1)-(X2-X1)(h3-h1)
C＝(X2-X1)(Y3-Y1)-(X3-X1)(Y2-Y1)
将公式三代入公式二即求得P点高程值。具体数据如表4所示，
表4 已知点坐标与高差值(中央子午线114°)
武汉特高压站E21的XP(WGS84)＝3345634.292，YP(WGS84)＝537843.981，WGS84高程HP＝31.01m，经上式计算h＝0.51m，则计算武汉特高压点E21黄海高程为HP′＝30.50m，而武汉特高压点E21已知黄海高程为30.40m，高程差值为0.1m。
从上面局部换算中可以看出，平面坐标换算误差值为0.3m，高程误差值为0.1m，完全满足工程项目前期地形图测量精度要求。
综上所述，本发明的原理是根据申请人多年以来在全国范围内进行的工程项目的GPS测量数据，找出符合单点定位计算要求的数据，转换成标准数据交换格式即Rinex格式。按照GPS测量日期下载相应时间的卫星精密星历和精密钟差，进行单点定位计算，然后进行不同坐标系之间的坐标转换，以获取同一点的两种坐标系(WGS84坐标系与国家坐标系)坐标。
其中，不同坐标系之间的坐标转换是根据同时拥有两种坐标系坐标的大地点(即重合点)的情况，选择适当(具有一定密度且分布均匀)的重合点，利用所选重合点的两种坐标系的坐标，采用适当的坐标转换模式(三维坐标转换模式或二维坐标转换模式)计算两坐标系之间的坐标换算参数，再通过坐标回代求得所求坐标系的坐标成果。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (3)

1.一种基础资料缺乏地区测量控制点成果获取方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤一、在测绘区域选定测量控制点桩位位置，埋设控制点标志，采用GPS设备按照静态模式测量卫星数据，并根据测量数据计算出控制点的WGS84坐标；
步骤二、获取并选定测绘区域周边的转换区域中兼具WGS84坐标与国家坐标的标注点作为重合点，获取并选定重合点的过程如下：
A、依据外业技术总结与点之记相结合的方法选取均匀分布于整个转换区域的标注点；
B、通过单点定位计算方法计算出所述标注点的WGS84坐标，并利用EGM2008重力场模型通过点位内插计算方法计算标注点的高程异常，将GPS测量的大地高程减去高程异常即得到该点的WGS84高程；
C、并对算好的标注点进行筛选和试算，剔除粗差点，获得重合点；
步骤三、求解重合点WGS84坐标与国家坐标的换算关系，重合点WGS84坐标与国家坐标的换算采用三维坐标转换模式，所述三维坐标转换模式为计算重合点的三维坐标换算参数，所述三维坐标换算参数包括平移参数、旋转参数和尺度参数；
步骤四、根据控制点的WGS84坐标和前述的换算关系计算出控制点的国家坐标，控制点国家坐标的计算步骤如下：
A、根据三维坐标换算参数计算出控制点的三维国家坐标，再将控制点的三维国家坐标换算成控制点的国家平面坐标；
B、分别计算各重合点WGS84高程与国家坐标高程之间的高差，再根据各重合点WGS84平面坐标、前述高差以及控制点的WGS84平面坐标计算控制点处WGS84高程与国家坐标高程之间的高差，再将控制点WGS84高程与控制点处的高差相减得到控制点的国家坐标高程。
2.根据权利要求1所述的基础资料缺乏地区测量控制点成果获取方法，其特征在于：所述步骤一中，利用测量数据计算出控制点的WGS84坐标的过程为：将测量数据转换成Rinex格式文件，将测量数据结合下载的精密星历和精密种差文件进行单点计算，算出WGS84坐标系下控制点的经纬度、大地高、正常高和三维坐标。
3.根据权利要求1或2所述的基础资料缺乏地区测量控制点成果获取方法，其特征在于：所述国家坐标包括1954北京坐标系和1956黄海高程。
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