精测网数据处理讲稿

1、高速铁路高速铁路( (客运专线客运专线) )精测网坐标系与数据处理精测网坐标系与数据处理熊永良熊永良 西南交通大学西南交通大学 教授教授第第I部分部分 高程控制高程控制n高程基准高程基准n高程控制测量高程控制测量n数据质量控制数据质量控制n成果分析成果分析 高程基准高程基准n大地水准面大地水准面n自然静止的液体表面构成水准面自然静止的液体表面构成水准面, ,其在物理意义上其在物理意义上属于一个重力位等位（等势）的表面。属于一个重力位等位（等势）的表面。n水准面是个物理面，不是数学面。水准面是个物理面，不是数学面。n大地水准面是通过假定平均海水面位置的水准面。大地水准面是通过假定平均海水面位置的

2、水准面。其向陆地内部延伸形成一个封闭的曲面，这个曲其向陆地内部延伸形成一个封闭的曲面，这个曲面内部所包含的地球空间称为大地体。面内部所包含的地球空间称为大地体。 高程基准高程基准n我国的大地水准面我国的大地水准面n我国大地水准面定义为通过黄海平均海水面的水我国大地水准面定义为通过黄海平均海水面的水准面，其是我国高程测量的基准面、起算面。准面，其是我国高程测量的基准面、起算面。高程基准高程基准n绝对高程和相对高程绝对高程和相对高程n高程（铅垂距离）、高差；高程（铅垂距离）、高差；n绝对高程（或海拔）、相对高程绝对高程（或海拔）、相对高程( (假定高程假定高程) )。高程基准高程基准n高程控制点高

3、程控制点n我国高程控制点俗称水准点我国高程控制点俗称水准点 BM ( Bench Mark ) )。高程基准高程基准n水准原点水准原点n水准原点水准原点1956 1956 年在青岛设立水准原点，全年在青岛设立水准原点，全国其他所有等级高程控制点的绝对国其他所有等级高程控制点的绝对高程都是根据青岛水准原点，按水高程都是根据青岛水准原点，按水准观测方法进行推算的。准观测方法进行推算的。n我国先后使用两个高程基准我国先后使用两个高程基准19591959公布、水准原点高程公布、水准原点高程72.289m72.289m、 “ “5656黄海高程基准黄海高程基准”19871987公布、水准原点高程公布、水

4、准原点高程72.26072.2604m4m、“8585国家高程基准国家高程基准”高程基准高程基准n高铁（客运专线）的高程基准高铁（客运专线）的高程基准n客运专线无碴轨道铁路工程测量暂行规定客运专线无碴轨道铁路工程测量暂行规定（以下简称（以下简称暂规暂规）第）第1.0.4条规定条规定“客运专线无碴轨道铁路工程测客运专线无碴轨道铁路工程测量的高程系统采用量的高程系统采用1985国家高程基准国家高程基准。个别地段无。个别地段无1985国国家高程基准的水准点时，可引用其它高程系统或以独立高家高程基准的水准点时，可引用其它高程系统或以独立高程起算，但在全线高程测量贯通后，应消除断高，换算成程起算，但在全

5、线高程测量贯通后，应消除断高，换算成1985 国家高程基准；当采用国家高程基准；当采用1985国家高程基准有困难时，国家高程基准有困难时，亦应换算成全线统一的高程系统。亦应换算成全线统一的高程系统。高程控制测量高程控制测量n高程测量的主要方法高程测量的主要方法n水准测量：利用水准仪的水平视线来测量两点间水准测量：利用水准仪的水平视线来测量两点间的高差，进行高程的推算。的高差，进行高程的推算。n三角高程测量：通过测量两点间的平距（斜距）三角高程测量：通过测量两点间的平距（斜距）和竖直角，再利用三角函数获取两点间的高差，和竖直角，再利用三角函数获取两点间的高差，进行高程的推算。进行高程的推算。高程

6、控制测量高程控制测量n我国国家高程控制网概要我国国家高程控制网概要n我国国家水准控制网共进行三期建设；我国国家水准控制网共进行三期建设；n国家一等水准网共布设国家一等水准网共布设289289条，总长条，总长93360km93360km，埋，埋设固定水准标石设固定水准标石2 2万余座；万余座；n国家二等水准网共布设国家二等水准网共布设11391139条路线，总长条路线，总长136368km136368km，埋设固定水准标石，埋设固定水准标石3300033000多座；多座；n国家一、二等水准网分等级平差。一等网大陆整国家一、二等水准网分等级平差。一等网大陆整体平差，二等网以一等水准点为控制进行平差

7、。体平差，二等网以一等水准点为控制进行平差。高程控制测量高程控制测量n高铁的高程控制测量高铁的高程控制测量n暂规暂规对高铁的高程控制测量作了具体规定：对高铁的高程控制测量作了具体规定：1、全线按国家二等水准测量精度要求施测，建立、全线按国家二等水准测量精度要求施测，建立水准基点控制网；水准基点控制网；2、在、在CPIII平面控制网布点完成后，按精密水准平面控制网布点完成后，按精密水准测量精度（界于国家二、三等水准测量精度之间）测量精度（界于国家二、三等水准测量精度之间）要求施测，进行要求施测，进行CPIII高程测量。高程测量。高程控制测量高程控制测量n高铁的高程控制测量高铁的高程控制测量n暂规

8、暂规对高铁的高程控制测量的规定对高铁的高程控制测量的规定n高程控制主要采用水准测量方法，部分高程控高程控制主要采用水准测量方法，部分高程控制采用跨河水准测量方法。制采用跨河水准测量方法。高程控制测量高程控制测量n高铁的高程控制测量高铁的高程控制测量n暂规暂规4.2.5对高铁的高程控制网基准作如下规定对高铁的高程控制网基准作如下规定:水准水准基点控制网应以国家一等水准点为起算数据，采用固定基点控制网应以国家一等水准点为起算数据，采用固定数据平差和数据平差和1985 国家高程基准；国家高程基准；CPIII控制点应附合于控制点应附合于水准基点控制网上，采用固定数据平差。水准基点控制网上，采用固定数据

9、平差。n暂规暂规4.4规定：规定：水准基点应按二等水准测量要求往返水准基点应按二等水准测量要求往返施测。二等水准路线一般施测。二等水准路线一般150km 与国家一等水准点联测与国家一等水准点联测一次，最长不应超过一次，最长不应超过400km 联测一次。联测一次。n暂规暂规4.5规定：规定： CPIII控制点高程测量工作应在控制点高程测量工作应在CPIII平面测量完成后进行，起闭于二等水准基点。平面测量完成后进行，起闭于二等水准基点。数据质量控制数据质量控制n水准测量的实施水准测量的实施n通常从一个水准点开始，按照一定的水准路线通常从一个水准点开始，按照一定的水准路线引测出所需其它水准点的高程。

10、引测出所需其它水准点的高程。n测站、转点、测段、水准线路。测站、转点、测段、水准线路。n往返观测、双仪器高观测。往返观测、双仪器高观测。数据质量控制数据质量控制n水准基点水准基点测量的实施测量的实施n按国家水准测量规范和按国家水准测量规范和暂规暂规规定：规定：1.二等水准测量只能采用往返测方式；二等水准测量只能采用往返测方式；2.采用采用DS1级以上精度的水准仪；级以上精度的水准仪；3.同一测段的往返测应分别在上午与下午进行，如气象同一测段的往返测应分别在上午与下午进行，如气象条件稳定，往返测可同在上午或下午进行，但这种里条件稳定，往返测可同在上午或下午进行，但这种里程的总站数不应超过该区段（

11、线路）总站数的程的总站数不应超过该区段（线路）总站数的30%。数据质量控制数据质量控制nCPIII高程高程测量的实施测量的实施nCPIII的高程测量采用精密水准测量方法，是的高程测量采用精密水准测量方法，是一种界于国家二等和三等水准测量之间的等级一种界于国家二等和三等水准测量之间的等级水准测量。按水准测量。按暂规暂规精神，在作业实施上按精神，在作业实施上按二等水准方法执行，只是在具体的精度要求指二等水准方法执行，只是在具体的精度要求指标上较二等水准有一定降低。标上较二等水准有一定降低。数据质量控制数据质量控制n单一测站水准测量的检核单一测站水准测量的检核n视线高度的要求、视距、视距差的要求、仪

12、器视线高度的要求、视距、视距差的要求、仪器标准：标准：数据质量控制数据质量控制n单一测站水准测量的检核单一测站水准测量的检核n测站观测限差测站观测限差数据质量控制数据质量控制n一条水准线路测量的检核一条水准线路测量的检核n积累视距差的要求；积累视距差的要求；n观测时间的要求；观测时间的要求；n测段往返测高差较差要求；测段往返测高差较差要求；n水准线路的高差闭合差要求。水准线路的高差闭合差要求。数据质量控制数据质量控制n水准测量总体质量检核水准测量总体质量检核n每公里水准测量的偶然中误差；每公里水准测量的偶然中误差；n每公里水准测量的全中误差。每公里水准测量的全中误差。数据质量控制数据质量控制数

13、据质量控制数据质量控制nM和和Mw 符合规定，表明沿线路的水准测量精度符合规定，表明沿线路的水准测量精度是合格的；如不符要求，应对超限路线重测。是合格的；如不符要求，应对超限路线重测。n经检查，各项技术指标均合格的整网或分段的水经检查，各项技术指标均合格的整网或分段的水准观测数据才可以进行内业的平差数据计算。准观测数据才可以进行内业的平差数据计算。成果分析成果分析n为了保证控制点提供的高程基准的正确性，为了保证控制点提供的高程基准的正确性，在工在工程建设的过程中，经常需要对已有高程控制点进程建设的过程中，经常需要对已有高程控制点进行复测和检测，确保高程控制点的稳定。行复测和检测，确保高程控制点

14、的稳定。n复测和检测在进行平差数据处理时，引入的高程复测和检测在进行平差数据处理时，引入的高程基准应与原成果一致。基准应与原成果一致。n常用的复测和检测成果分析方法有两种：高差比常用的复测和检测成果分析方法有两种：高差比对和高程比对。对和高程比对。成果分析成果分析n高差比对用以比较分析相同高程点之间的高差，高差比对用以比较分析相同高程点之间的高差，可以反映出地表相对高程变化；可以反映出地表相对高程变化；n高程比对用以比较分析相同高程点的高程，可以高程比对用以比较分析相同高程点的高程，可以反映出地表整体的高程变化。反映出地表整体的高程变化。n无论那种比对方式，只有在比对差异超出相应等无论那种比对

15、方式，只有在比对差异超出相应等级水准测量精度的限差指标时，才能说这种高差级水准测量精度的限差指标时，才能说这种高差或变化是显著的，并考虑更新高程成果。否则，或变化是显著的，并考虑更新高程成果。否则，应沿用原高程成果。应沿用原高程成果。 成果分析成果分析n复测、检测与成果取舍：较差（闭合差）限制原复测、检测与成果取舍：较差（闭合差）限制原则、成果最新原则、平均性原则、端点外推原则。则、成果最新原则、平均性原则、端点外推原则。n测段复测与原测时间超过了三个月，且复测高差测段复测与原测时间超过了三个月，且复测高差与原测高差之差超过检测限差时，须进行测段两与原测高差之差超过检测限差时，须进行测段两端点

16、可靠性的检测。端点可靠性的检测。n检测测段长度小于检测测段长度小于1km 时，按时，按1km 计算。计算。成果分析成果分析n实际水准测量中使用高精度仪器进行低等级水准实际水准测量中使用高精度仪器进行低等级水准观测时，如果计算得到的观测时，如果计算得到的每公里每公里水准测量的偶然水准测量的偶然中误差中误差没有达到仪器应有的标称精度，则应怀疑没有达到仪器应有的标称精度，则应怀疑仪器的工作状况不正常，仪器的工作状况不正常，即使总体上水准等级的即使总体上水准等级的精度指标满足了，对水准观测的数据应该慎重使精度指标满足了，对水准观测的数据应该慎重使用。因为，一台工作不正常的仪器，提供的观测用。因为，一台

17、工作不正常的仪器，提供的观测数据是不可靠的。数据是不可靠的。 成果分析成果分析n按规定提交技术总结按规定提交技术总结n按规定上交资料按规定上交资料技术设计书、水准线路图、仪器检定报告副本、技术总结、技术设计书、水准线路图、仪器检定报告副本、技术总结、成果（验收）报告、观测数据和手薄。成果（验收）报告、观测数据和手薄。成果报告包括成果报告包括“点号、距离、往返测高差、往返测不符值、点号、距离、往返测高差、往返测不符值、限差、复测高差和原高差的成果比较限差、复测高差和原高差的成果比较”。第第II部分部分 平面控制平面控制n位置基准与坐标系位置基准与坐标系n平面控制测量平面控制测量n数据质量控制数据

18、质量控制n数据平差与成果分析数据平差与成果分析位置基准与坐标系位置基准与坐标系n参考椭球参考椭球n水准面是个物理面，不是数学面；水准面是个物理面，不是数学面；n长期测量实践研究表明：地球形状极近似于一长期测量实践研究表明：地球形状极近似于一个两极稍扁的旋转随球，即一个椭圆绕其短轴个两极稍扁的旋转随球，即一个椭圆绕其短轴旋转而成的形体。旋转椭球面是可以用较简单旋转而成的形体。旋转椭球面是可以用较简单的数学公式准确地表达出来。因而测量工作中的数学公式准确地表达出来。因而测量工作中就是用这样一个规则的曲面代替大地水准面作就是用这样一个规则的曲面代替大地水准面作为测量计算的基准面。为测量计算的基准面。

19、位置基准与坐标系位置基准与坐标系n参考椭球参考椭球n用来代表地球形状的旋转椭球称为大地椭球用来代表地球形状的旋转椭球称为大地椭球 ；n大地椭球的形态和大小由两个元素确定：长半大地椭球的形态和大小由两个元素确定：长半径径“a”和短半径和短半径“b”，或由一个半径和扁率来，或由一个半径和扁率来决定。扁率决定。扁率“a”表示椭球的扁平程度。表示椭球的扁平程度。 n由于大地水准面起伏，导致同一点的法线和由于大地水准面起伏，导致同一点的法线和垂线不一致，两者之间的微小夹角称为垂线不一致，两者之间的微小夹角称为垂线垂线偏差偏差；大地高和海拔高（正高）不一致，两；大地高和海拔高（正高）不一致，两者之间的差距

20、称为者之间的差距称为大地水准面差距大地水准面差距，用，用N 表示。表示。n我国高程系统使用正常高系统，与正高系统我国高程系统使用正常高系统，与正高系统稍有不同，此时，大地水准面差距又称为稍有不同，此时，大地水准面差距又称为高高程异常。程异常。n在一定精度范围内大地水准面差距与高程异在一定精度范围内大地水准面差距与高程异常可以看作是一致的。大地水准面差距一般常可以看作是一致的。大地水准面差距一般在十几米至几十米左右，个别较大的可达近在十几米至几十米左右，个别较大的可达近百米左右。百米左右。n法线与垂线的夹角，即垂线偏差，一般在法线与垂线的夹角，即垂线偏差，一般在10级左右，个别较大的可达级左右，

21、个别较大的可达30左右。左右。垂线偏差和大地水准面差距垂线偏差和大地水准面差距位置基准与坐标系位置基准与坐标系n参考椭球参考椭球n仅仅确定大地椭球的形态，还不足以准确表述仅仅确定大地椭球的形态，还不足以准确表述地表点位的相对和绝对关系，地表点位的相对和绝对关系，还需要确定大地还需要确定大地椭球和地球真实形体之间的相对位置关系（椭椭球和地球真实形体之间的相对位置关系（椭球定位和定向）。球定位和定向）。位置基准与坐标系位置基准与坐标系n参考椭球参考椭球n具有确定参数，经过定位和定向，同全球或某具有确定参数，经过定位和定向，同全球或某一地区大地水准面最佳拟合的地球椭球一地区大地水准面最佳拟合的地球椭

22、球叫做参叫做参考椭球。考椭球。n目前世界上采用的参考椭球有很多个。目前世界上采用的参考椭球有很多个。位置基准与坐标系位置基准与坐标系n坐标系坐标系所谓坐标系，包含两方面的内容：一是在把大地所谓坐标系，包含两方面的内容：一是在把大地水准面上的测量成果化算到椭球体面上的计算工水准面上的测量成果化算到椭球体面上的计算工作中，所采用的作中，所采用的椭球的大小形状椭球的大小形状；二是椭球体与；二是椭球体与大地水准面的相关位置不同，对同一点的地理坐大地水准面的相关位置不同，对同一点的地理坐标所计算的结果将有不同的值。因此，标所计算的结果将有不同的值。因此，选定了一选定了一个参考椭球，就确定了一个坐标系。个

23、参考椭球，就确定了一个坐标系。位置基准与坐标系位置基准与坐标系n坐标系（空间）坐标系（空间）以参考椭球为基准的坐标系叫做以参考椭球为基准的坐标系叫做参心坐标系参心坐标系。参。参心坐标系分为空间直角坐标系和大地坐标系，它心坐标系分为空间直角坐标系和大地坐标系，它们都与地球体固连，又称为地固坐标系。以地心们都与地球体固连，又称为地固坐标系。以地心为原点的地固坐标系则称为原点的地固坐标系则称地心地固坐标系地心地固坐标系，主要，主要用于描述地面点的相对位置。用于描述地面点的相对位置。空间直角坐标用（空间直角坐标用（x, y, z）表示，大地坐标用（）表示，大地坐标用（B, L, H）表示，它们之间可以

24、方便的相互转换）表示，它们之间可以方便的相互转换 。位置基准与坐标系位置基准与坐标系n坐标系（空间）坐标系（空间）大地坐标系一点的位置用纬度大地坐标系一点的位置用纬度B、经度、经度L和大地高和大地高H表示。经线和纬线是地球表面上两组正交（相表示。经线和纬线是地球表面上两组正交（相交为交为90 度）的曲线，这两组正交的曲线构成的坐度）的曲线，这两组正交的曲线构成的坐标，也称为标，也称为地理坐标系地理坐标系。点沿法线至椭球面的距。点沿法线至椭球面的距离为大地高，若点在椭球面上，离为大地高，若点在椭球面上，H=0。位置基准与坐标系位置基准与坐标系n坐标系（空间）坐标系（空间）空间直角坐标系空间直角坐

25、标系以椭球中心以椭球中心O O为原点，起始子午为原点，起始子午面与赤道面交线为面与赤道面交线为X X轴，在赤道面上与轴，在赤道面上与X X轴正交的轴正交的方向为方向为Y Y轴，椭球体的旋转轴为轴，椭球体的旋转轴为Z Z轴，构成右手坐轴，构成右手坐标系标系O-XYZO-XYZ。地球北极是地心地固坐标系的基准指向点，地球地球北极是地心地固坐标系的基准指向点，地球北极的变动将引起坐标轴方向的变化。北极的变动将引起坐标轴方向的变化。位置基准与坐标系位置基准与坐标系n坐标系（基准与框架）坐标系（基准与框架）地心地固坐标系是建立在一定的大地基准上的，地心地固坐标系是建立在一定的大地基准上的，用于表达地球表

26、面空间位置及其相对关系的数学用于表达地球表面空间位置及其相对关系的数学参照系。这里谈到的大地基准是指能够最佳拟合参照系。这里谈到的大地基准是指能够最佳拟合地球形状的地球椭球的参数及椭球定位和定向。地球形状的地球椭球的参数及椭球定位和定向。具体的坐标参考框架是上述大地基准的一个物理具体的坐标参考框架是上述大地基准的一个物理实现，它通过一系列高精度控制点的空间直角坐实现，它通过一系列高精度控制点的空间直角坐标或大地坐标来确定。标或大地坐标来确定。 位置基准与坐标系位置基准与坐标系n坐标系（基准与框架）坐标系（基准与框架）不同的坐标框架的建立可以是因为参考椭球形态不同的坐标框架的建立可以是因为参考椭

27、球形态选用不相同，也可以是参考椭球的定向、定位不选用不相同，也可以是参考椭球的定向、定位不相同。我国的两种坐标系统的框架相对固定。相同。我国的两种坐标系统的框架相对固定。GPS定位系统采用的坐标框架有周期的更新，但定位系统采用的坐标框架有周期的更新，但参考椭球参数没有变化，只有定向上的细微变化，参考椭球参数没有变化，只有定向上的细微变化，除非高精度的全球定位分析，一般定位情况下对除非高精度的全球定位分析，一般定位情况下对各坐标框架不做区别而是笼统地称为各坐标框架不做区别而是笼统地称为WGS-84坐标坐标框架。框架。位置基准与坐标系位置基准与坐标系n坐标系（基准与框架）坐标系（基准与框架）不同的

28、坐标框架之间可以通过转换参数实现其内不同的坐标框架之间可以通过转换参数实现其内坐标系的变换。坐标系的变换。任意一个坐标系都是在一定的坐任意一个坐标系都是在一定的坐标框架下，通过一定的方式（空间三维、大地坐标框架下，通过一定的方式（空间三维、大地坐标、高斯平面坐标）来描述点位的绝对和相对位标、高斯平面坐标）来描述点位的绝对和相对位置的。方式的不同，决定了坐标系的种类不同。置的。方式的不同，决定了坐标系的种类不同。位置基准与坐标系位置基准与坐标系n坐标系（基准与框架）坐标系（基准与框架）高速铁路平面精密控制网涉及使用的坐标有：高速铁路平面精密控制网涉及使用的坐标有：1.我国我国54北京坐标系；北京

29、坐标系；2.我国我国80西安坐标系；西安坐标系；3.全球全球IGS坐标系（框架坐标系（框架IGS97、IGS00、IGS05，其是用，其是用GPS观测手段来对观测手段来对ITRF97、ITRF2000、ITRF2005的一个的一个实现或者确定）实现或者确定） 。4.高速铁路施工坐标系高速铁路施工坐标系1954北京坐标系北京坐标系n 20世纪世纪50年代，年代，采用了克拉索夫斯基椭球元素采用了克拉索夫斯基椭球元素（a=6378245m, f=1/298.3），），并与前苏联并与前苏联1942年普尔科沃坐标系进行联测，通年普尔科沃坐标系进行联测，通过计算建立了我国大地坐标系，定名为过计算建立了我国

30、大地坐标系，定名为1954年北京坐标系。年北京坐标系。n 1954年北京坐标系和前苏联年北京坐标系和前苏联1942年普尔科沃坐标系有一定的关年普尔科沃坐标系有一定的关系（椭球参数和大地原点一致）但又不完全是前苏联系（椭球参数和大地原点一致）但又不完全是前苏联1942年普尔年普尔科沃坐标系。如大地点高程是以科沃坐标系。如大地点高程是以1956年青岛验潮站求出的黄海平年青岛验潮站求出的黄海平均海水面为基准，高程异常是以前苏联均海水面为基准，高程异常是以前苏联1955 年大地水准面重新平年大地水准面重新平差结果为起算值，按我国天文水准路线推算出来的。差结果为起算值，按我国天文水准路线推算出来的。n为

31、了进行全国天文大地网整体平差，采用了新的椭球元素和进行了新为了进行全国天文大地网整体平差，采用了新的椭球元素和进行了新的定位和定向，的定位和定向，1978年以后，建立了年以后，建立了1980年国家大地坐标系。年国家大地坐标系。n1980年国家大地坐标系的大地原点设在我国中部年国家大地坐标系的大地原点设在我国中部山西省泾阳县永山西省泾阳县永乐镇。乐镇。n该坐标系是参心坐标系。椭球短轴该坐标系是参心坐标系。椭球短轴Z轴平行于由地球地心指向轴平行于由地球地心指向1968.0地极原点（地极原点（JYD）的方向；大地起始子午面平行于格林尼治平均天文）的方向；大地起始子午面平行于格林尼治平均天文台子午面，

32、台子午面，X轴在大地起始子午面内与轴在大地起始子午面内与Z轴垂直指向经度零方向；轴垂直指向经度零方向；Y轴轴与与Z，X轴成右手坐标系。轴成右手坐标系。椭球参数采用椭球参数采用1975国际大地测量与地球物国际大地测量与地球物理联合会第理联合会第16届大会的推荐值届大会的推荐值，基本常数为：，基本常数为：a= 6378140f=1/298.2571980国家大地坐标系国家大地坐标系n1954 年北京坐标系和年北京坐标系和1980 年西安大地坐标系都属于参心系，随着年西安大地坐标系都属于参心系，随着时代的变迁和科学技术的发展，越来越多的实际应用要求采用地心时代的变迁和科学技术的发展，越来越多的实际应

33、用要求采用地心系。为顺应这一趋势，我国提出了系。为顺应这一趋势，我国提出了2000 国家大地坐标系国家大地坐标系CGCS2000（China Geodetic Coordinate System 2000）。）。n2000 国家大地坐标系的定义如下：国家大地坐标系的定义如下：n原点：包括海洋和大气在内的整个地球的质心；原点：包括海洋和大气在内的整个地球的质心；n长度单位：国际单位制的米，与局部地心框架下的地心坐标一致，长度单位：国际单位制的米，与局部地心框架下的地心坐标一致，通过适当的相对论模型获得；通过适当的相对论模型获得；2000 国家大地坐标系国家大地坐标系n定向：初始定向由定向：初始定

34、向由1984.0 时的时的BIH（国际时间局）定向给定；（国际时间局）定向给定；nCGCS2000 大地坐标系是右手地固直角坐标系。原点在地心，大地坐标系是右手地固直角坐标系。原点在地心，Z 轴与国际地轴与国际地球自转服务球自转服务IERS（International Earth Rotation & Reference Systems Service）参考极（）参考极（IRP）方向一致，）方向一致，X 轴为轴为IERS 参考子午面（参考子午面（IRM）与垂）与垂直于直于Z 轴的赤道面的交线，轴的赤道面的交线，Y 轴与轴与Z 轴和轴和X 轴垂直并最终构成右手坐标系。轴垂直并最终构成右手

35、坐标系。nCGCS2000 的参考历元为的参考历元为2000.0。n参考椭球采用参考椭球采用2000 参考椭球，其相关常数定义为：参考椭球，其相关常数定义为：na = 6378137m ；nf = 1/ 298.257222101nGM = 3.9860044181014m3s2 ；n0.001082629832258 2 J = ；n = 72921151011 rad s1 。2000 国家大地坐标系国家大地坐标系nCGCS2000 由以下三个层次的站网坐标框架具体实现：由以下三个层次的站网坐标框架具体实现：n（1）第一层次为连续运行参考站第一层次为连续运行参考站。由它们构成。由它们构成C

36、GCS2000 的基本骨架，其的基本骨架，其坐标精度为毫米级，年变速度精度为坐标精度为毫米级，年变速度精度为1mm/年。年。n（2）第二层次为大地控制网第二层次为大地控制网。包括中国全部领土和领海内的高精度。包括中国全部领土和领海内的高精度GPS 网点。网点。其三维地心坐标精度为厘米级，年变速度精度为其三维地心坐标精度为厘米级，年变速度精度为23mm/年。年。n（3）第三层次为天文大地网第三层次为天文大地网。包括经空间网与地面网联合平差的约。包括经空间网与地面网联合平差的约5 万个天万个天文大地点，其大地经纬度误差不超过文大地点，其大地经纬度误差不超过0.3m，大地高误差不超过，大地高误差不超

37、过0.5m。nCGCS2000 已于已于2008 年年6 月月18 日发布，日发布，7 月月1 日开始实施，计划日开始实施，计划8-10 年年完成我国现有大地基准的转换。完成我国现有大地基准的转换。2000 国家大地坐标系国家大地坐标系WGS-84大地坐标系大地坐标系n原点位于地球质心原点位于地球质心nZ轴指向轴指向BIH1984.0定义的地定义的地极（极（CTP）nX轴指向轴指向BIH984.0的零子午面的零子午面与与CTP赤道的交点赤道的交点nY轴与轴与Z轴、轴、X轴构成右手坐标轴构成右手坐标系系BXYZn国际地球参考框架国际地球参考框架ITRF（International Terrest

38、rial Reference Frame 的缩写）是一个地心参考框架。它是由空间大地测量观测站的坐的缩写）是一个地心参考框架。它是由空间大地测量观测站的坐标和运动速度来定义的，是国际地球自转服务（标和运动速度来定义的，是国际地球自转服务（IERS）的地面参考框架。）的地面参考框架。由于章动、极移影响，国际协定地极原点由于章动、极移影响，国际协定地极原点CIO 变化，所以变化，所以ITRF框架每年框架每年也都在变化。也都在变化。n根据不同的时间段可定义不同的根据不同的时间段可定义不同的ITRF，如目前使用的有，如目前使用的有ITRF93 框架，框架，ITRF94 框架、框架、ITRF2000 框

39、架等。它们的尺度和定向参数分别由人卫框架等。它们的尺度和定向参数分别由人卫激光测距和激光测距和IERS 公布的地球定向参数序列确定。公布的地球定向参数序列确定。nITRF 框架实质上也是一种地固坐标系，其原点在地球体系（含海洋和大框架实质上也是一种地固坐标系，其原点在地球体系（含海洋和大气圈）的质心，以气圈）的质心，以WGS84 椭球为参考椭球。椭球为参考椭球。国际地球参考框架国际地球参考框架ITRFnITRF 框架为高精度的框架为高精度的GPS 定位测量提供较好的参考系，近几年已被广泛定位测量提供较好的参考系，近几年已被广泛地用于地球动力学研究，高精度、大区域控制网的建立等方面，如青藏高地用

40、于地球动力学研究，高精度、大区域控制网的建立等方面，如青藏高原地球动力学研究、国家原地球动力学研究、国家A 级网平差等。级网平差等。n一个测区在使用一个测区在使用ITRF 框架时，一般以高级约束点的参考框架来确定本测框架时，一般以高级约束点的参考框架来确定本测区的框架。如选用我国区的框架。如选用我国7 个个GPS 跟踪站跟踪站 （上海韶山、武汉、拉萨、西安、（上海韶山、武汉、拉萨、西安、乌鲁木齐、昆明、北京房山）为约束基准，并选择固定的参考历元。乌鲁木齐、昆明、北京房山）为约束基准，并选择固定的参考历元。n在在ITRF 框架提出前，对全球性及大区域精密定位问题几乎都采用框架提出前，对全球性及大

41、区域精密定位问题几乎都采用VLBI 及及SLR 获取有关点的资料来建立坐标系。获取有关点的资料来建立坐标系。n目前几乎所有的目前几乎所有的IGS 精密星历都是在精密星历都是在ITRF 框架下提供的。所以在应用精框架下提供的。所以在应用精密星历进行密星历进行GPS 数据处理时，应当注意所提供的精密星历的参考框架问题。数据处理时，应当注意所提供的精密星历的参考框架问题。国际地球参考框架国际地球参考框架ITRF地方独立坐标系地方独立坐标系 高铁、水利、矿区等工程项目，基于实用、方便和科高铁、水利、矿区等工程项目，基于实用、方便和科学的目的，将地方独立测量控制网建立在当地的平均海学的目的，将地方独立测

42、量控制网建立在当地的平均海拔高程面上，并以当地子午线作为中央子午线进行高斯拔高程面上，并以当地子午线作为中央子午线进行高斯投影求的平面坐标。投影求的平面坐标。这些网都有自己的原点，自己的方向，也就是说，这这些网都有自己的原点，自己的方向，也就是说，这些控制网都是以地方独立坐标系为参考的。些控制网都是以地方独立坐标系为参考的。地方独立坐标系则隐含着一个与当地平均海拔高程对地方独立坐标系则隐含着一个与当地平均海拔高程对应的参考椭球。该椭球的中心轴向和扁率与国家参考椭应的参考椭球。该椭球的中心轴向和扁率与国家参考椭球相同，其长半径则有一改正量。球相同，其长半径则有一改正量。我们将该参考椭球称我们将该

43、参考椭球称为为地方参考椭球（或工程椭球）地方参考椭球（或工程椭球）设某地方独立坐标系位于海拔高程为设某地方独立坐标系位于海拔高程为H的椭的椭球面上，该地方的大地水准面差距为球面上，该地方的大地水准面差距为 ，则，则该曲面离国家参考椭球的高度为：该曲面离国家参考椭球的高度为：根据假定，两椭球的中心一致、轴向一致、根据假定，两椭球的中心一致、轴向一致、扁率相等，仅长半径有一变值，即有扁率相等，仅长半径有一变值，即有 为国家参考椭球长半径，为国家参考椭球长半径，N为相应于该椭为相应于该椭球的地方独立控制网原点的卯酉圈曲率半径。球的地方独立控制网原点的卯酉圈曲率半径。 地方参考椭球长半径与国家参考椭球

44、长半径的关系地方参考椭球长半径与国家参考椭球长半径的关系daaaLLrHNada)/(a HHr地方椭球位置基准与坐标系位置基准与坐标系n坐标系（平面）坐标系（平面）n测量上的计算和绘图，要求最好在平面上进行，测量上的计算和绘图，要求最好在平面上进行，因而需要平面坐标投影。因而需要平面坐标投影。n高斯投影实现了一种空间坐标到平面直角坐标高斯投影实现了一种空间坐标到平面直角坐标的转换，具有十分重要的应用意义的转换，具有十分重要的应用意义 。位置基准与坐标系位置基准与坐标系n高斯投影的特点高斯投影的特点n中央经线和赤道为互相垂直的直线；中央经线和赤道为互相垂直的直线；n中央经线投影长度变形比等于中

45、央经线投影长度变形比等于1 1，即没有长度，即没有长度变形，其余经线长度比均大于变形，其余经线长度比均大于1 1，长度变形为，长度变形为正；在同一条经线上，长度变形随纬度的降低正；在同一条经线上，长度变形随纬度的降低而增大，在赤道处为最大；在同一条纬线上，而增大，在赤道处为最大；在同一条纬线上，长度变形随经差的增加而增大，且增大速度较长度变形随经差的增加而增大，且增大速度较快；快；n面积变形也是距中央经线愈远，变形愈大；面积变形也是距中央经线愈远，变形愈大；n高斯投影后角度没有变形。高斯投影后角度没有变形。位置基准与坐标系位置基准与坐标系n高斯投影分带高斯投影分带n为了保证地图的精度，采用分带

46、投影方法，即为了保证地图的精度，采用分带投影方法，即将投影范围的东西界加以限制，使其变形不超将投影范围的东西界加以限制，使其变形不超过一定的限度，这样把许多带结合起来，可成过一定的限度，这样把许多带结合起来，可成为整个区域的投影。为整个区域的投影。n我国的高铁平面精测网对投影长度变形有严格我国的高铁平面精测网对投影长度变形有严格控制，要求最大变形比不超过控制，要求最大变形比不超过10mm/km。尽管尽管可以通过细分投影带，或者抬高投影面高程的可以通过细分投影带，或者抬高投影面高程的方式来限制投影长度变形比，但是，在平面直方式来限制投影长度变形比，但是，在平面直角坐标的使用过程中，这种方法将增加

47、了大量角坐标的使用过程中，这种方法将增加了大量的坐标换带计算工作。的坐标换带计算工作。 位置基准与坐标系位置基准与坐标系n高斯投影通用坐标高斯投影通用坐标规定以中央经线为规定以中央经线为X 轴，赤道为轴，赤道为Y 轴，两轴的交轴，两轴的交点为坐标原点。点为坐标原点。X坐标值在赤道以北为正，以南坐标值在赤道以北为正，以南为负；为负；Y坐标值在中央经线以东为正，以西为负。坐标值在中央经线以东为正，以西为负。我国在北半球，我国在北半球，X坐标皆为正值。坐标皆为正值。为了避免为了避免Y坐标坐标出现负值，将各带的坐标纵轴加一个常数（出现负值，将各带的坐标纵轴加一个常数（500公公里里-加常数）。加常数）

48、。又由于采用了分带方法，某一坐标又由于采用了分带方法，某一坐标值（值（x，y）在每一投影带中均有一个，不能确切）在每一投影带中均有一个，不能确切表示该点的位置。因此，表示该点的位置。因此，在在Y值前需冠以带号，值前需冠以带号，这样的坐标称为通用坐标。这样的坐标称为通用坐标。 位置基准与坐标系位置基准与坐标系n坐标转换（同一坐标系）坐标转换（同一坐标系）n空间空间空间直角坐标空间直角坐标大地坐标大地坐标n空间与平面空间与平面 高斯投影正、反算高斯投影正、反算n平面平面 高斯换带计算高斯换带计算位置基准与坐标系位置基准与坐标系n坐标转换（同一坐标系）坐标转换（同一坐标系）n空间直角坐标空间直角坐标

49、大地坐标大地坐标位置基准与坐标系位置基准与坐标系n坐标转换（同一坐标系）坐标转换（同一坐标系）n 高斯投影正、反算高斯投影正、反算公式的形式复杂，但早已实现程序模块化，在众多测量公式的形式复杂，但早已实现程序模块化，在众多测量程序中可方便互换。只要选定椭球形状参数、投影带宽程序中可方便互换。只要选定椭球形状参数、投影带宽和投影采用的中央子午线经度，就可以计算得到大地坐和投影采用的中央子午线经度，就可以计算得到大地坐标在相应投影带中的高斯平面直角坐标标在相应投影带中的高斯平面直角坐标，（高斯投影正，（高斯投影正算），算），或者相应投影带中的高斯平面直角坐标所对应的或者相应投影带中的高斯平面直角坐

50、标所对应的大地坐标（大地坐标（高斯投影反算）高斯投影反算）。 位置基准与坐标系位置基准与坐标系n坐标转换（同一坐标系）坐标转换（同一坐标系）n高斯换带计算高斯换带计算高斯投影坐标换带计算的方法为：先将某一投高斯投影坐标换带计算的方法为：先将某一投影分带内的高斯平面直角坐标转换成通用的大影分带内的高斯平面直角坐标转换成通用的大地坐标，然后重新设定投影的中央子午线和带地坐标，然后重新设定投影的中央子午线和带宽，就可以得到在新的投影带中的高斯平面直宽，就可以得到在新的投影带中的高斯平面直角坐标。角坐标。位置基准与坐标系位置基准与坐标系n坐标转换（同一坐标系）坐标转换（同一坐标系）n空间三维直角坐标和

51、高斯平面直角坐标之间不空间三维直角坐标和高斯平面直角坐标之间不能直接相互转换，其必须通过大地坐标这个中能直接相互转换，其必须通过大地坐标这个中间转换过程才能实现相互转换，即它们之间的间转换过程才能实现相互转换，即它们之间的转换是间接的。转换是间接的。 位置基准与坐标系位置基准与坐标系n坐标转换（不同坐标系）坐标转换（不同坐标系）n平面（平面（4参数法）参数法）两个平移参数、一个旋转参数、一个尺度参数两个平移参数、一个旋转参数、一个尺度参数 n空间（空间（7参数法）参数法）三个平移参数、三个旋转参数、一个尺度参数三个平移参数、三个旋转参数、一个尺度参数 位置基准与坐标系位置基准与坐标系n坐标转换

52、（不同坐标系）坐标转换（不同坐标系）n空间与平面（椭球参数变化）空间与平面（椭球参数变化）n客运专线测量控制网分三级布设（暂规客运专线测量控制网分三级布设（暂规1.0.6):n第一级（第一级（CPI）：基础平面控制网）：基础平面控制网n第二级（第二级（CPII）：线路平面控制网）：线路平面控制网n第一级（第一级（CPIII）：基桩平面控制网）：基桩平面控制网平面控制测量平面控制测量平面控制测量平面控制测量nGPSGPS测量测量n静态静态n相对定位相对定位n双差求解双差求解nIGSIGS与绝对位置基准与绝对位置基准暂规暂规1.0.51.0.5要求：要求：为了保证勘测、施工、运营维护各为了保证勘测

53、、施工、运营维护各阶段平面测量成果的一致性，各阶段的平面控制测量应阶段平面测量成果的一致性，各阶段的平面控制测量应共同使用同一个共同使用同一个GPS GPS 基础平面控制网。基础平面控制网。平面控制测量平面控制测量nGPSGPS测量测量GPS网的设计已免除了测角、边角同测和测边网网的设计已免除了测角、边角同测和测边网等的传统要求。它不需要点间通视，也不需要考等的传统要求。它不需要点间通视，也不需要考虑布设什么样的图形，也就更不需要考虑图形强虑布设什么样的图形，也就更不需要考虑图形强度，不需要设置在制高点上度，不需要设置在制高点上（哪里需要就可以设（哪里需要就可以设置在哪里）置在哪里）”。所以。

54、所以GPS网的设计是非常灵活。网的设计是非常灵活。 平面控制测量平面控制测量nGPS测量测量GPSGPS测量的实施和所用接收系统硬件与软件的发测量的实施和所用接收系统硬件与软件的发展水平密切相关，所以，关于展水平密切相关，所以，关于GPSGPS测量工作的作测量工作的作业细节，用户还须按国家有关部门颁发的业细节，用户还须按国家有关部门颁发的GPSGPS测测量规范，以及所用量规范，以及所用GPSGPS接收系统的操作说明书执接收系统的操作说明书执行。行。 平面控制测量平面控制测量nGPS测量精度要求测量精度要求 通常均以网中相邻点之间的距离误差来表示通常均以网中相邻点之间的距离误差来表示 。精度指标

55、，主要是对精度指标，主要是对GPS网的平面位置而言，而网的平面位置而言，而考虑到垂直分量的精度，一般较水平分量为差，考虑到垂直分量的精度，一般较水平分量为差，所以根据经验，如果在所以根据经验，如果在GPS网中对垂直分量的精网中对垂直分量的精度进行要求，可将上表所列的比例误差部分增大度进行要求，可将上表所列的比例误差部分增大一倍。一倍。 暂规暂规对高铁平面对高铁平面GPSGPS控制网的精度要求控制网的精度要求平面控制测量平面控制测量nGPS控制网布设控制网布设 nGPS网一般应采用独立观测边构成闭合图形，网一般应采用独立观测边构成闭合图形，例如三角形、多边形或附合线路，以增加检核例如三角形、多边

56、形或附合线路，以增加检核条件，提高网的可靠性；条件，提高网的可靠性；nGPS网作为测量控制网，其相邻点间基线向量网作为测量控制网，其相邻点间基线向量的精度，应分布均匀；的精度，应分布均匀；nGPS网点应尽量与原有地面控制网点相重合。网点应尽量与原有地面控制网点相重合。重合点一般不应少于重合点一般不应少于3个（不足时应联测），个（不足时应联测），且在网中应分布均匀，以利于可靠地确定且在网中应分布均匀，以利于可靠地确定GPS网与地面网之间的转换参数；网与地面网之间的转换参数；nGPS网点应考虑与水准点相重合。网点应考虑与水准点相重合。平面控制测量平面控制测量nGPS控制网布设控制网布设 n我国高铁

57、精密平面控制网分三级布设，实践中我国高铁精密平面控制网分三级布设，实践中按四级进行布设。它们是：坐标基准控制网按四级进行布设。它们是：坐标基准控制网（CP0）、基础平面控制网（）、基础平面控制网（CPI）、线路控）、线路控制网（制网（CPII）和基桩控制网（）和基桩控制网（CPIII，非非GPS方式方式）。）。 n沿线路的点间距、线路中线间距。沿线路的点间距、线路中线间距。平面控制测量平面控制测量nGPS控制网观测控制网观测 n同步观测方式同步观测方式n异步观测方式异步观测方式(网形连接方式网形连接方式)n接收机设置的参接收机设置的参数指标数指标数据质量控制数据质量控制n平面控制测量广泛地采用

58、平面控制测量广泛地采用GPSGPS定位技术，其属定位技术，其属于自动化程度很高的观测手段。数据自动记录，于自动化程度很高的观测手段。数据自动记录，并在相应服务软件的支持下自动进行数据的后并在相应服务软件的支持下自动进行数据的后处理。对处理。对GPSGPS数据观测质量的检查关系到平面数据观测质量的检查关系到平面控制点成果的可靠性，必须足够重视。控制点成果的可靠性，必须足够重视。 数据质量控制数据质量控制n仪器设备仪器设备n有效数据量有效数据量n基线解算质量基线解算质量n同步、异步环闭合差同步、异步环闭合差n基线向量自由网平差点位精度（绝对、相对）基线向量自由网平差点位精度（绝对、相对）GPS测量

59、仪器设备的配置测量仪器设备的配置 GPSGPS接收机是实施测量工作的关键设备，其性能要求所需的接接收机是实施测量工作的关键设备，其性能要求所需的接收机数量与收机数量与GPSGPS网的布设方案和要求的精度有关网的布设方案和要求的精度有关级 别ABCD、E单频单频/双双频频双频双频双频双频双频或单频双频或单频单频或双频单频或双频标称精标称精度度优于优于5mm+0.5ppm优于优于5mm+1ppm优于优于5mm+2ppm优于优于5mm+3ppmGPS测量的基本技术规定测量的基本技术规定 级别级别项目项目ABCDE卫星高度角（卫星高度角（1 ） 10 15 15 15 15观测时段数观测时段数 8 6

60、 2 2 2时段长度时段长度(min) 180 120 90 60 60数据采样间隔数据采样间隔(s)15161560156015601560卫星观测值象卫星观测值象限分布限分布(25 5)%(25 10)%(25 20)%(25 20)% 25%(25 20)% 25%数据质量控制数据质量控制n仪器的标称精度指标是否满足相应等级仪器的标称精度指标是否满足相应等级GPSGPS测量的精测量的精度要求，仪器是否检定合格；度要求，仪器是否检定合格；n外业观测记录手薄中的观测时段信息、仪器高、点名外业观测记录手薄中的观测时段信息、仪器高、点名和点号信息等是否和观测数据文件相符合；和点号信息等是否和观测数据文件