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1、高速铁路(客运专线)精测网坐标系与数据处理熊永良 西南交通大学 教授第I部分 高程控制n高程基准n高程控制测量n数据质量控制n成果分析 高程基准n大地水准面n自然静止的液体表面构成水准面,其在物理 意义上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。n大地水准面是通过假定平均海水面位置的水 准面。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。 高程基准n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 水准面，其是我国高程测量的基准面、起算面 。高程基准n绝对高程和相对高程n高程（铅垂距离）、高差；n绝对高程（或海拔）、相对高程
2、(假定高程) 。高程基准n高程控制点n我国高程控制点俗称水准点 BM ( Bench Mark )。高程基准n水准原点n水准原点1956 年在青岛设立水准原点 ，全国其他所有等级高程控 制点的绝对高程都是根据青 岛水准原点，按水准观测方 法进行推算的。 我国先后使用两个高程基准1959公布、水准原点高程72.289m、 “56黄海高程基准”1987公布、水准原点高程72.2604m、“85国家高程基准”高程基准n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（以下简称暂规）第1.0.4条规定“客运专线无碴轨道铁路工程测量的高程系统采用1985国家高程基准。个别地段无1985国
3、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1985 国家高程基准；当采用1985国家高程基准有困难时，亦应换算成全线统一的高程系统。高程控制测量n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）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。高程控制测量n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；n国家一等水准网共布设289条，总长93360km， 埋设固定水准标石2万余座；n国家二等水准网共布设1139条路线，总长 136368
4、km，埋设固定水准标石33000多座；n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。高程控制测量n高铁的高程控制测量n暂规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，建立水准基点控制网；2、在CPIII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）要求施测，进行CPIII高程测量。高程控制测量n高铁的高程控制测量n暂规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，部分高程控制采用跨河水准测量方法。高程控制测量n高铁的高程控制测量n暂规4.2.5对高铁的高程控制网基准作如下规定:水
5、准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1985 国家高程基准；CPIII控制点应附合于水准基点控制网上，采用固定数据平差。n暂规4.4规定：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150km 与国家一等水准点联测一次，最长不应超过400km 联测一次。n暂规4.5规定： CPIII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。数据质量控制n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引测出所需其它水准点的高程。n测站、转点、测段、水准线路。n往返观测、双仪器高观测。数据质量控制n水准基点测量的实施n按国家水准测量规范和暂
6、规规定：n二等水准测量只能采用往返测方式；n采用DS1级以上精度的水准仪；n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nCPIII高程测量的实施nCPIII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水准测量。按暂规精神，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标上较二等水准有一定降低。数据质量控制n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 、仪器标准：数据质量控制n单一测站水准测量的检核n测站观测限差数据质量控制n一条水准
7、线路测量的检核n积累视距差的要求；n观测时间的要求；n测段往返测高差较差要求；n水准线路的高差闭合差要求。数据质量控制n水准测量总体质量检核n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。数据质量控制数据质量控制nM和Mw 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。n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。成果分析n为了保证控制点提供的高程基准的正确性，在工程建设的过程中，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。n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。n常用的复测和
8、检测成果分析方法有两种：高差比对和高程比对。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，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，应沿用原高程成果。 成果分析n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。n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，须进行测段两端点可靠性的检测。n检测测段长度小于1km 时，按1km 计算。成果分析n实
9、际水准测量中使用高精度仪器进行低等级水准观测时，如果计算得到的每公里水准测量的偶然中误差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，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用。因为，一台工作不正常的仪器，提供的观测数据是不可靠的。 成果分析n按规定提交技术总结n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、成果（验收）报告、观测数据和手薄。成果报告包括“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”。第II部分 平面控制n位置基准与坐标系n平面控制测量n数据质量控制n数据平差与成果分析位置基准与坐标系n参考椭球n
10、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 地水准面作为测量计算的基准面。位置基准与坐标系n参考椭球n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：长半径“a”和短半径“b”，或由一个半径和扁率来决定。扁率“a”表示椭球的扁平程度。 n由于大地水准面起伏，导致同 一点的法线和垂线不一致，两 者之间的微小夹角称为垂线偏 差；大地高和海拔高（正高） 不一致，两者之间的差距称为 大
11、地水准面差距，用N 表示。n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高程 异常。垂线偏差和大地水准面差距n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 一般在十几米至几十米左右 ，个别较大的可达近百米左 右。n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30左右。垂线偏差和大地水准面差距位置基准与坐标系n参考椭球n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，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（椭球定位和定向）。位置基准与坐标系n参考椭球n具有确定参数，经过定位和定向
12、，同全球或某一地区大地水准面最佳拟合的地球椭球叫做参考椭球。n目前世界上采用的参考椭球有很多个。位置基准与坐标系n坐标系所谓坐标系，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作中，所采用的椭球的大小形状；二是椭球体与大地水准面的相关位置不同，对同一点的地理坐标所计算的结果将有不同的值。因此，选定了一个参考椭球，就确定了一个坐标系。位置基准与坐标系n坐标系（空间）以参考椭球为基准的坐标系叫做参心坐标系。参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。以地心为原点的地固坐标系则称地心地固坐标系，主要用于描述地面点的相对位置。空间直角坐标
13、用（x, y, z）表示，大地坐标用（B, L, H）表示，它们之间可以方便的相互转换 。位置基准与坐标系n坐标系（空间）大地坐标系一点的位置用纬度B、经度L和大地高H表示。经线和纬线是地球表面上两组正交（相交为90 度）的曲线，这两组正交的曲线构成的坐标，也称为地理坐标系。点沿法线至椭球面的距离为大地高，若点在椭球面上，H=0。位置基准与坐标系n坐标系（空间）空间直角坐标系以椭球中心O为原点，起始子午面与赤道面交线为X轴，在赤道面上与X轴正交的方向为Y轴，椭球体的旋转轴为Z轴，构成右手坐标系O-XYZ。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。位置基准与坐标
14、系n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，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。 位置基准与坐标系n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。GPS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，除非高精度的全球定位分析，一般 定位情况下
15、对各坐标框架不做区别而是笼统地 称为WGS-84坐标框架。位置基准与坐标系n坐标系（基准与框架）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。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、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。位置基准与坐标系n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：n我国54北京坐标系；n我国80西安坐标系；n全球IGS坐标系（框架IGS97、IGS00、IGS05，其是用GPS观测手段来对ITRF97、ITRF2000、ITRF2005的一个实现或者确定） 。n高速铁路施工坐
16、标系1954北京坐标系n 20世纪50年代，采用了克拉索夫斯基椭球元 素（a=6378245m, f=1/298.3），并与前苏 联1942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1954年北京坐标系。n 1954北京坐标系n 1954年北京坐标系和前苏联1942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1942年普尔科沃坐标 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差结果为起算值，按我国天文水准路线推算出来的。n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，1978年 以后，建立了1980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山西省泾阳县永乐镇。1980国家大地坐标系n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1968.0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台 子午面，X轴在
