1、1我国现代化测绘基准体系我国现代化测绘基准体系陈俊勇 摘 要：面向中国 经济社会的 发展，面向在科学技 术特别是空间技术及信息技术的进展，中国测绘现代化也就是要从数字化 测绘进步到信息化 测绘。与此相 应，现代化测绘基准建设要考虑和顾及如三维，高精度，动态，地心等七个方面的特点。在平面基准方面，要采用中国国家 2000 大地坐标系统，建立国家 导航卫星连续运行站网，进一步加密 2000 国家 GPS网，以构建有足够数量和合理分布密度的大地坐 标框架点；在高程基准方面，应尽快施测国家三期一等水准网，结合 GPS 水准和卫星测高技术，精化我国现行 CQG2000 大地水准面至5分辨率和 cm 量级
2、精度。现 代化测绘基准应为用户在我国任何地点、任何时间测定高精度的坐标和高程，提供可靠的地理空 间基础框架。关键词：测绘基准，平面基准，坐标系统，坐标框架，高程基准。在过去的半个世纪，我国在测绘基准 1,2的平面基准方面主要完全成了全国天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） ，三个全国性 GPS 网，60余个 GPS 连续运行站等。在高程基准 1,2方面，主要建成了国家黄海 85 高程基准；完成了国家高程控制网，即全国二期一等和二等水准网的施测和计算；完成了二期一等水准网（局部）的复测和计算。我国的这些测绘基准为国民经济和社会的可持续发展提供了全国统一
3、协调的、可靠的高程和二维坐标，这些都是我国地理空间基础框架的重要组成部分，也是空间数据基础设施中的主干。世界各国在卄世纪中建立的测绘基准 3，基本上都和中国类似，具有 10-5 量级精度、二维、非地心的局域定位和以地面网络的点线方式提供坐标和高程等技术，这是大地测量基准发展历史的一个阶段，也是和当时科学技术的水平和社会发展的需求是相适应的。一、 现代化测绘基准的特点陈俊勇，博士、中科院院士，国家测绘局，大地测量学家。2测绘基准的现代化应顾及和适应中国的改革开放，要支持中国经济走向世界面向全球，要服务中国国防的现代化化，作为数字中国的地理空间基础框架的中国测绘基准要适应信息化测绘的需求。因此实现
4、测绘基准的现代化是值得大地测量工作者思考和探讨的问题。我国测绘基准的现代化要考虑和顾及以下七个方面的特点 3：（一）三维， （二）高精度， （三）动态，（四）地心， （五）涵盖全部国土（即要涵盖陆海国土） ， （六）实用， （七）国际接轨。现分别阐述如下，供参考。1 三维。采用三维大地坐标系统。过去由于科技水平的限制，大地坐标系统在实际使用中一般不采用三维坐标。此外，由于人类总是习惯对平面介质（例如纸或屏幕）上的目标进行观测。也就是说，人们常常将三维空间的目标以某种数学关系投影到二维的平面介质上进行考察研究。这种将三维空间目标转达化为二维后，该目标第三维的高程信息往往只作为地理信息系统中的属性
5、处理。这样虽然在许多场合会导致空间目标在划分与表达方面的困难 8。但由于二维介质在客观上便于观察和使用，因此二维坐标系统不仅过去需要，今后还会长期发挥作用。然而我们也还应看到事物发展的另一方面，随着空间技术和虚拟技术的发展，采用符合客观空间实际的三维坐标，将是一种必然的趋势。考虑到二维平面显示的实用性，三维坐标系统采用的形式应除了（X、Y 、Z）外，还应有经纬度与高程（B 、 L、H） ，平面公里格网与高程（X 、Y 、H）等多种形式。2 高精度。现代化大地坐标框架点间的相对精度应不低于 10-7，相对于地心的绝对精度也要不低于 10-7。这是现代化大地测量技术可以做到的，也是现代化定位技术对
6、大地坐标框架在精度方面的最低要求。对于高程控制网的精度，按当前可预见的技术进展和需求，在今后相当一段时间内仍然还只能维持在目前的水平，如一等水准网点之间，其相对精度仍为1 mmL，式中 L 为一等水准点间距，以 km 为单位。而今后中国局域大地水准面的精化，根据研究 6和实践 7，并顾及中国的地形大部分为丘陵和山区的实际，顾及中国和相邻地区重力资料的严重不足，在今后的十年中比较现实的考虑, 其精化的目标仍以 cm 量级为宜。33 动态。过去定义测绘基准时，由于精度较低，所以难于测定它自身所受到的各种影响，如地形变等所导致测绘基准或是大地控制点的位移，因而认为它是静止的，绝对的。而由于现代化测绘
7、基准的高精度性质，因此它的数值只能是相应于某一时刻(历元) 的值。为了真正保持测绘基准的精确性，就必须保持测绘基准的现势性。即不仅仅向用户提供涉及某一过去历元的测绘基准的坐标和高程值，还必须提供它们相应的时间变率，或是现势性好的、当今历元的测绘基准的坐标和高程值。因此现代化测绘基准是动态的。这也是实时定位、导航、气象、电离层和海平面监测等方面有高精度和实时需求用户的要求。4 地心。采用以地球质心为中国大地坐标系的原点，即采用地心坐标系为国家的平面基准。这种坐标系统是阐明地球上各种地理和物理现象，特别是空间物体运动的本始参照系，但长期以来由于人类科学技术水平的制约，一直不能精确确定地心的位置及其
8、移动，因而较少使用地心坐标系。但目前利用空间技术等手段已可在厘米量级上确定它的位置。因此采用地心坐标系在当今既有其必要性也有了可能性。现在利用空间技术所得到的定位和影像等成果，客观上都是以地心坐标系为参照系，因此采用这一坐标系作为我国测绘基准，就能最有效的利用这一技术，能最大限度的取得这一技术所带来的好处。5 涵盖全部国土。测绘基准的确定和它的服务对象应是涵盖我国的全部陆海国土。由于历史条件的制约，过去测绘基准的确定和服务，都主要局限于中国大陆的范围。目前我国经济、社会和国防的发展，海洋勘界、海洋资源的利用和开发，航空航天和航海技术的进展，都要求我国测绘基准的确定，必须顾及我国全部陆海国土。顾
9、及全部陆海国土的另一层意思是测绘基准应以中国全部陆海国土为服务对象，也就是说在中国的国土上，不论是陆地还是海岛、洋面的任何一点，我国的测绘基准都应提供坐标和高程方面的地理空间基础框架的保障。6 实用。坐标框架点、水准点或大地水准面必须有符合国家经济、社会发展和国防建设需求的密度（分辨率）和地理分布，以方便用户。7 国际接轨。现代化测绘基准应尽量采用国际上通用的或推荐的标准地球参数，坐标系统、坐标框架、地球重力场和大地位值等。这些数据值通常是由多国科学家联合测定，4并经过国际组织确认和推荐的科学结论，比较接近真实。另一方面采用这些符合国际标准的参数后，有利于我国的对外开放和交流。从技术层面上说，
10、这对我国使用空间技术、区域或全球的地理信息系统带来很大方便。建立能体现上述七个特点的中国现代化测绘基准的具体任务有二个部分。平面基准现代化方面就是采用现代化大地坐标系统，并建立相应的大地坐标框架 4-5来实现；高程基准现代化方面就是在维持 85 黄海高程和正常高的高程系统不变的基础上，施测新的国家高程控制网，即三期一等水准网和推算覆盖中国陆海国高精度高分辨率的似大地水准面。二、建立现代化测绘的平面基准1 国家采用现代化大地坐标系统CGCS2000。有鉴于中国经济、社会和科学技术在廿一世纪迅猛发展的需求和可能，中国决定采用地心三维大地坐标系统作为我国新一代的平面基准 5，即从 2008 年 7
11、月 1 日起正式启用中国 2000 大地坐标系 (CGCS2000)作为国家法定的坐标系。科学的采用三维地心大地坐标系统主要体现在两个方面：一是三维地心大地坐标系统的定义，二是这一系统所采用的大地测量基本常数 6。CGCS2000 定义和迄今为止比较科学和比较符合客观实际的国际通用的地面参考系(ITRS)的定义保持一致，即(1) 坐标系原点为包括海洋和大气在内的整个地球质量的质心；(2) 坐标系的尺度为在引力相对论意义下的地球框架的尺度；(3) Z 轴从原点指向BIH1984.0 定义的协议地球极 , X 轴从原点指向格林尼治平均子午面与赤道的交点, Y 轴与X 轴和 Z 轴构成右手坐标系；
12、(4) 由于极移影响，在确定不同时期的实际地球旋转轴相对于 BIH1984.0 的指向时，要确保地壳不会产生残余的全球性旋转。CGCS2000 的大地测量基本常数a, GM, , f 原则上仍采用国际当前通用的大地参考系统 1980(GRS80) 7的数值，例如地球椭球长半轴 a 和地球自转速率 和地球扁率 f等的数值。但由于空间技术在近廿年的发展和需要, GRS80 中原有的地心引力常数 GM 值必须作精化, 即由 GRS80 中原来给定的 GM=3.986 005(1014m3s-2)改变为 3.986 004 418(1014m3s-2)。 CGCS2000 的大地测量基本常数值可见下表
13、一，为了比较也将其他有关大地坐标系统的相应值一并列出，以供参考。5表一 大地测量基本常数西安 80系(IAG75)CGCS2000 GRS80 WGS84(1150)a (106 m) 6.3781406.378137 6.378137 6.378137GM(1014m3s-2)3.9860053.986004418 3.986005 3.986004418(10-5rad s-1)7.2921157.292115 7.292115 7.2921151/f (102) 2.98257 2.982572221012.982572221012.982572235632 中国地心三维坐标框架的构建。
14、平面基准中的实现大地坐标系统的是坐标框架，这一框架主要应由具有三维地心坐标的高精度大地点所构成，同时还应注意实用、现势性和方便用户。构建 CGCS2000 坐标框架的任务由二部分组成，第一部分是构建全球导航卫星系统(GNSS)国家级连续运行站网（以下简称国家 CORS 系统） 8，第二部是构建国家高精度大地控制网 4,7。（1）构建国家 GNSS CORS 系统足够数量和均匀分布的国家 CORS 系统是现代化大地坐标框架的骨干和主要技术支撑，是框架中大地点位三维地心坐标的精度和现势性（动态）的保证，也是我国大地坐标系统和框架与国际通用坐标系统和框架保持动态实时联系和协调的唯一技术手段。国家 C
15、ORS 系统的主要任务是：通过 GNSS 数据和信息的接收、传输、处理、整合、发播和服务，向国内用户提供中国陆海国土范围内的 dm 级或 m 级的实时动态空间位置服务，提供从 mm 级到 cm 级的高精度、三维单点事后精密定位服务，以维持中国国家三维地心坐标框架的统一、高精度、和现势性，是实现 CGCS2000 的基础。构建国家 CORS 系统应注意下列四个方面：（一）该系统应覆盖我国陆域和海域国土，实现国家陆海坐标与高程基准的统一；(二) CORS 要在顾及我国地质构造各块体分布的基6础上，力求均匀分布，地质环境相对稳定；(三) 充分利用地方和行业已有的 CORS，选择其中符合国家 CORS
16、 要求的，将其改造为国家级 CORS；(四) 建立国家 CORS网络管理服务中心，具有国家 CORS 的通讯网络管理、数据采集、处理和服务的功能。中国国家 CORS 系统结合国际 GNSS 服务(IGS)的信息，可以向用户提供 GNSS 卫星轨道数据、星钟数据、国际和国内 CORS 坐标及其运动速率，各 CORS 站上空的对流层、电离层信息以及各 CORS 站天线相位中心参数等。根据国内用户需求，中国国家 CORS 系统还可提供远程数据处理定制服务、 RTK 和精密单点定位等服务；提供涉及气象预报、无线通讯障碍预测、地震监测等现势性信息服务。中国国家 CORS 系统将提供开放式的数据服务平台，
17、广泛地服务于各行各业，服务于国家的经济、国防建设和社会发展。我国目前行业性的、局域性的 CORS 系统在很多，缺乏在国家级规模上的统一规划和设计，建设我国面向全国为全国各行各业服务的国家 CORS 系统，是构建国家大地测量坐标框架的一个重大任务。（2）国家高精度大地控制网中国在 2世纪初建立了我国的 2000 国家大地网 9。它包含二个部分，一个是 2000 国家 GPS 大地网，另一个是我国原有的天文大地网和该网进行了联合平差后的成果。90 年代先后建成了国家高精度 GPS A、B 级网、全国 GPS 一、二级网、和全国 GPS地壳运动监测网等三个全国性网。这三个 GPS 网由于布设的需求不
18、同，因此它们的布网原则、观测纲要、实施年代和测量仪器都有所不同；这三个 GPS 网在数据处理方面，如所选取的作为平差基准的 IGS（国际全球导航卫星系统服务）站、历元、坐标框架和平差方法也不尽相同。因此这三个 GPS 网的成果及其精度，包括同名点的坐标值之间，也必然存在差异。为了构建 CGCS2000 的坐标框架，对上述三个网进行了统一平差 3,4。参加平差的GPS 点为 2666 个（其中国外点 124 个，国内点 2542 个） 。平差后 2000 国家 GP S 大地网点的地心坐标在 ITRF97 坐标框架内，历元为 2000.0 时的点位中误差为3cm。这个网的启用使我国大地坐标框架现
19、代化方面上了一个新的台阶。但 2000 国家 GPS 大地网的密度远不如曾作为 1980 西安坐标系或 1954 北京坐标系的坐标框架全国天文大地网5,6，即使在当今卫星定位技术背景下，用户使用平面控制点的密度可以不必达到过去使用全国天文大地网平均 1000km2 一个点，但 2000 国家 GPS 大地网点的平均密度仅为1：70km70km, 也就是平均 5000km2 才能找到一个 2000 国家 GPS 网点，仅为天文大地7网密度的 1/20 左右。但由此可见 , 2000 国家 GPS 网要服务于全国广大用户特别是静态定位用户（不论是二维的还是三维的） ，将用户的定位成果统一于国家坐标
20、系统，则面临的主要问题是 2000 国家 GPS 网的点数过少，分布密度太低，它所提供的三维地心坐标精度虽高，由于点位稀疏，用户使用不便，不能完整实现中国的 CGCS2000，因此加密 GPS2000 网点(例如至 5000 个点)是我国建立现代化大地坐标框架所要解决的一个问题。但加密 GPS2000 网不是短期可以完成的任务，因此为了及时提供密度较高的三维地心坐标，也为了继承和衔接原来以全国天文大地网为基础的测量成果，因此决定利用 2000 国家 GPS 大地网的三维地心坐标、精度高和现势性好的特点，通过它和具有近 5 万大地点的全国天文大地网的公共点进行二网联合平差，将后者纳入三维地心坐标
21、系，以加密CGCS2000 的坐标框架，并可提高全国天文大地网点的精度和现势性 1,2。这一平差成果使我国获得了近 5 万点的三维地心坐标，从而使我国 CGCS2000 的坐标框架在密度和分布方面前进了一大步。二网联合平差后全国天文大地网点的点位中误差为10cm。虽然这一点位误差比 2000 国家 GPS 网的大好几倍，但在完成当前中小比例尺地图方面还可以发挥一定的作用。2000 国家 GPS 大地网和与它作联合平差的天文大地网的相应历元都是 2000.0，而现今，如 2009 年对这些大地点的实时定位成果数据处理时，其相应历元往往取为 2009.xxx，当然可以归算到 2000.0 历元，以
22、适当削弱这近十年的点位差异，但这又给人们提出一个新问题，这个 2000 国家 GPS 大地网结合今后新增的 GPS 点进行新一轮的平差时，其历元和框架要不要更新？三、建立现代化测绘的高程基准建立能体现上述七个特点的中国现代化高程系统，有二个方面的任务，第一方面是建立新的国家高程控制网，即组织国家三期高程控制网的施测。第二方面是精化我国（似）大地水准面 10。1 建立新的国家高程控制网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”。二等8水准网的作用由精化全国大地水准面（cm 级精度）来替代。一等水准网可考虑由原来的100 环加密到 140 环左右。加密后的一等水准网总环
23、长可能由原来的近 10 万 km 增至 12万 km，一等水准点的平均分布密度可达 1：30km 30km。2 精化中国 2000 似大地水准面(CQG2000)大地水准面是我国高程系统的一个基准面，在实际应用中，用户常常要求将其从 GPS定位获得的大地高，转换为我国所采用的高程，即正常高。其中最方便、最简捷的解决方案，就是按用户所要求的精度，提供相应区域的(似) 大地水准面，由此从 “GPS+(似)大地水准面”的技术中快捷的得到相应的正常高。精化中国 2000 似大地水准面(CQG2000) 1011，由目前的30-60cm 精度提高到 10-20cm、分辨率由 30km 提高到 10km。
24、四、结束语1 中国上一世纪的测绘基准为我国经济、国防和社会的发展做出了不可或缺的贡献。其中天文大地网的主要特点是二维、非地心定位，相对精度在 10-5 量级。国家高程控制网的使用期已接近大地测量法式所规定的 25 年覆测限期。科学技术特别是空间和信息技术的发展，中国测绘基准与信息化测绘的不协调将愈来愈多。2 测绘基准的现代化化主要应包括以下七个要素。(一) 三维。采用三维大地坐标系统；(二)高精度。大地坐标框架点的相对和绝对精度要等于高于 10-7；( 三)动态。大地坐标框架点坐标应是时间的函数，即应提供框架点相应于某一历元的坐标值及其运动速率。(四) 地心。采用以地球质心为三维大地坐标系的原
25、点；(五) 覆盖全部国土。建立测绘基准要顾及中国全部陆海国土，也要为陆海国土范围内的任何一点，在任何时刻测定坐标和高程提供地理空间基础框架；(六)实用。坐标框架点、水准点或大地水准面必须有符合国家经济、社会发展和国防建设需求的密度（分辨率）和地理分布，以方便用户。(七) 国际接轨。采用国际通用的地球参数，坐标系统和坐标框架，或与其保持确定的、实时的联系。现代化测绘基准将为用户在中国陆海国土范围内任何一点确定坐标和高程， ，为中国建立信息化测绘体系提供及时、可靠、适用的地理空间基础框架。93 建立中国现代化测绘平面基准的基本任务是：(一) 在国土范围内增加 GNSS CORS至一定数量和密度，是
26、建立和维持中国现代化测绘平面基准的技术基础和必要条件。(二)加密国家 GPS2000 网以建成我国实用的三维地心坐标框架，并保持它的现势性。4 建立中国现代化测绘高程基准的基本任务是：(一) 组织国家三期高程控制网的施测。(二) 推算 cm 量级精度的（似）大地水准面。参考文献1中华人民共和国测绘法M 北京：测绘出版社，1993.2当代中国的测绘事业M. 北京：中国社会科学出版社， 1987：5l713党亚明、陈俊勇. 国际大地测量参考框架技 术进展J. 测绘科学, 2008, 33(1): 33-36.4陈俊勇.大地坐标框架理论和实践的进展J. 大地测量与地球动力学, 27(1):1-6,
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