西部大开发前期的大地测量工程.doc

西部大开发前期的大地测量工程 董鸿闻 程传录 (2000.9.26) 中央实施西部大开发战略，向测绘业提出了新的要求。测绘工作正面临着新的挑战，同时也面临着新的机遇。努力加强西部地区的基础测绘是我国测绘工作重点之一，作为基础测绘中的基础，大地测量应该走在前面，为国家建设与西部大开发提供更加主动的测绘保障与服务。大地测量的开展从涉及范围来讲，往往是全球性或区域性的。结合西部大开发前期的实际，笔者认为在西部大开发前期应尽快努力完成以下几项工程。GPS基准站的建设从国际、国内目前大地测量的发展来看，建设连续运行的GPS基准站是一个具有普遍意义的新动向。具体说就是利用高精度GPS技术，建立连续运行的基准站为各项经济建设与科学研究提供测绘保障，实用性的服务项目可以归纳为：使区域内用户实现厘米级水平的定位和导航；维持地球参考框架；监测地壳运动；促进用户利用它发展GIS，支持RS的应用；求定大气层水汽，监测电离层；用于精密时间信息传递；航天测控；科学服务。就目前的研究结论而言，以GPS基准站作用范围为100公里计，原则上可先在每省区设1至3个站，有条件时再逐渐加密。这是一项国家的基础性工作。但是鉴于西部地区经济将有一个大发展，地理地质环境又比较复杂，可先行一步，待到条件成熟再并为国家网。这种建设从它的功能中可以看出，对于西部地区精密定位、地壳运动、自然与人为地质灾害的防治、环境保护、建设规划、改善气象预报等都具有重要的意义。据目前不完全统计，西部地区已建有4个国际GPS基准站和8个其他基准站。这些站中，有的工作较好，有的因种种原因工作还不正常。特别是多数站只能进行连续观测，尚不能处理数据及发布有关信息。应该说，西部地区GPS基准站建设基础是好的，如果能够加大管理力度，增加必要的投入，改善技术条件，其现状将很快改观。由于这些站分属于不同的单位，建议有关主管部门加强协调，实现统一的技术要求，使其发挥更大的作用，为西部大开发做出应有的贡献。提高大地坐标和高程的现势性大地坐标和高程是国家基础地理信息，是GIS的基础框架，是国家空间数据基础设施的一个重要部分。过去我国大地坐标曾采用1954年北京坐标系，80年代全国天文大地网整体平差后启用1980西安坐标系（或称1980年国家大地坐标系），GPS测量开展以来也使用了WGS84（WGS指世界大地坐标系统）大地坐标系，90年代后期我国A、B级高精度GPS网建成又提供了ITRF93（ITRF指国际地球参考框架）框架的坐标。据了解，上述大地坐标目前都有采用。由于它们系统不同，有的属参心坐标，有的属地心坐标，给一般使用部门带来了很多不便。现在国内正就国家测绘局、总参测绘局、中国地震局所完成的高精度GPS网进行联合平差。通过这3个网的平差，我国将有一套统一的ITRF框架下的高精度GPS点地心坐标。我国国家三角与导线共有一、二等3.9万余点，各部门完成的三、四等约20余万点。参加全国天文大地网整体平差的一、二等和部分三等三角与导线点近5万个。这些点曾得到了广泛的使用，它已成为我国测绘工作的基础数据。目前，可以在前述3个高精度GPS网联合平差的基础上，进行国家高精度GPS网与全国天文大地网联合平差，使它们具有统一的大地坐标。全国天文大地网平差的点，同时具有ITRF框架的三维坐标，国家高精度GPS点也具有1980西安坐标系的坐标。这样对天文大地网点与GPS网点共同使用非常有利，而且在高精度GPS网和天文大地网进行联合平差的基础上，还能提高天文大地网点的现有精度。无论是从维护国家大地坐标系，还是从空间数据基础设施建设的角度，或是从为西部大开发提供大地测量服务的角度看，这样做都是非常有益和必要的。我国80年代后陆续完成了国家一等水准网和二等水准网平差，建立并经国务院批准启用了1985国家高程基准。但西部地区某些省区还不能提供包括一、二、三、四等水准在内的1985国家高程基准的高程。1956年黄海高程系统转换为1985国家高程基准的工作进展较为迟缓，滞后于地区建设的需要。90年代国家又进行了国家一等水准网的复测，现在已完成了平差计算，并通过了国家测绘局组织的专家验收。由于时间的推移，加之各种因素的影响，造成目前的一些水准点高程发生了变化，现在使用中在其间布设低等水准测量常常不闭合。因而，提供新的一等水准点高程，处理低等水准成果，保持水准成果现势性已势在必行。提供地壳垂直运动速率地壳不断运动。利用GPS技术监测地壳水平运动已经实现，国内已作了不少工作，但是目前利用GPS研究地壳垂直运动还存在一定的问题。我国自50年代以来，测量了3期高精度水准，这些资料蕴藏着丰富的垂直运动信息。利用国家高精度复测水准资料研究我国大陆现今地壳垂直运动的工作已经提到日程。这虽然是一项全国性的大地测量重大工程，但由于西部地区地质构造复杂，地壳垂直运动速率较明显，加之西部地区建设项目增加，所以对西部地区而言，尤为重要。利用高精度水准测量资料研究地壳垂直运动，很重要的问题是净化观测数据，排除测量系统误差的干扰以及测量标石本身的不稳定因素。因此建立何种与怎样的观测高差改正物理模型是需要周全、慎重考虑的，标石本身的不稳定性，应该在确定复测重合点的过程中加以认真分析比较，之后剔除不稳定点。其次，正确识别真正的地壳运动和地表形变也是很重要的。板块运动学说认为，板块和板内块体运动是地壳垂直运动的主导原因。因此，单纯依靠测量数据而不考虑地质构造来研究地壳垂直运动是很不够的，需要建立与地质构造相结合的数据处理方法。通过全国复测高精度水准动态平差求得的地面点垂直运动速率，是离散点的速率，如何描述速率场也需要给予重视。如果能在这些方面处理得当，就可以获得一系列较好的速率场成果，为国家建设与科学研究提供高质量的基础地理信息，可以为西部大开发重大工程建设的战略规划提供决策参考依据，为自然灾害多发的西部地区的防灾减灾、地震中长期预报、环境预测提供测绘保障。我国西部的西南有印度板块朝北向欧亚板块俯冲挤入，北部有贝加尔裂谷带张开的影响及西伯利亚块体向南推挤，而东部又有近于刚性的华北、华南块体的阻挡，是研究地球动力学的热点地区，所求得的垂直运动速率也可以为相关的地学科学研究服务。由此可知，对于地壳垂直运动速率成果的需求，不是单一而是系列形式的，大地测量工作者应该满足这种需求。精化局部大地水准面GPS测量获得大地高程，如果可以从另外渠道求得高程异常，就可以得到海拔高程。这里关键是高程异常。我国原有的高程异常是在全国天文大地网整体平差时求出的，精度约正负3米以内，用它按上述方式来求点的高程，显然不能满足需要。九五期间国家测绘局设立了重点科技项目，建立我国分米级大地水准面研究和实施，确定提供大地水准面在东部地区5分乘以5分范围精度为正负0.3米，西部地区10分乘以10分精度为正负0.8米。这一精度只能满足11万或更小比例尺测图对高程的要求，较大比例尺测图就不能满足了。为此，在西部大开发或其他需要的地区，应积极开展局部区域厘米级大地水准面的精化工作。我国已在川西、海南、陕西、天山等各种不同地形的地区做了不少工作，有关应用技术已经取得了成熟的经验。现以陕西省咸阳市大地水准面精化作为一个典型实例，予以简单说明。该区局部地区大地水准面精化，使用了现势性和分辨较好的重力点成果和30秒乘以30秒数字高程模型，用以计算高程异常。还按照CH200092全球定位系统（GPS）测量规范施测了C、D级GPS点114个。最后求得大地水准面的精度，用20个GPS水准点检核，中误差为正负2.3厘米，最大值为正负5.1厘米。用专门布测的16个四等水准点（含两个二等点）高程检核，中误差为正负3.2厘米，最大值为正负6.1厘米。此外，还要指出，我国西部某些地区由于地理条件困难，重力点较稀。建立重力场模型也好，精化大地水准面也好，重要的是有重力实测成果。因而，在条件允许的情况下，在新的观测手段目前还不能实施的情况下，在近期应克服困难，再多测一些地面重力点，以满足多方面的需要。加强省区大地数据库建设大地测量检索数据库，西部各省区都根据需要开始建立。但综观各省区的情况，还存在两个主要问题。首先是数据库的种类不全。根据目前情况，各省区起码应建有下列数据库：GPS测量数据库、三角与导线测量数据库、水准测量数据库。GPS测量西部各省区都不同程度地测了不少成果，但省区测绘主管部门掌握的还很不完全，普遍没有建立GPS数据库。三角与导线测量，包括一、二、三、四等点数据库某些省区也未建立。其次是已建立的数据库，数据现势性较差。例如水准测量数据库，西部不少省区都缺少1985国家高程基准的成果，特别是三、四等成果。随着西部大开发各项建设的进展，对大地测量成果的需要会不断增加。随着国家测绘事业的发展，大地测量技术的进步，成果将不断更新。各省区的成果也应随之更新。如不久的将来，我国新的一期一等水准高程可能启用，又如当高精度GPS网与天文大地网进行两网平差后