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1、高速铁路(客运专线)精测网坐标系与数据处理,主讲：李 鹏手机：邮箱：,第I部分 高程控制,高程基准高程控制测量数据质量控制成果分析,高程基准,大地水准面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。水准面是个物理面，不是数学面。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,我国的大地水准面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,绝对高程和相对高程高程（铅垂距离）、高差；绝对高程（或海拔）、相对高程(假定高程)。,高程基准,高
2、程控制点我国高程控制点俗称水准点 BM(Bench Mark)。,高程基准,水准原点水准原点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,我国国家水准控制网共进行三期建设：第一期，1976 年以前完成，以1956 年黄海高程系统为基准的一、二等网完成。第二期，1976 年至1990 年完成，以1985 年国家高程系统为基准的一、二等水准网完成。第三期，1990 年
3、后进行的以1985 年国家高程系统为基准的国家一等水准网的复测和局部地区二等水准网加密.在实际使用国家水准点成果时要注意成果所属期次与起算基准。,高程基准,高铁（客运专线）的高程基准高速铁路工程测量规范第条规定“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,高程测量的主要方法水准测量：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。三角高程测量：
4、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,我国国家高程控制网概要我国国家水准控制网共进行三期建设；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；国家二等水准网共布设1139条路线，总长136368km，埋设固定水准标石33000多座；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,高铁的高程控制测量高速铁路工程测量规范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
5、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,高铁的高程控制测量高速铁路工程测量规范对高铁的高程控制测量的规定注：1 长大桥隧及特殊路基结构施工高程控制网等级应按相关专业要求执行；高程控制主要采用水准测量方法，部分高程控制采用光电测距三角高程测量方法。,高程控制测量,高铁的高程控制测量高速铁路工程测量规范和对高铁的高程控制网基准作如下规定:在国家控制点满足平面、高程控制要求的情况下，应优先采用国家控制点作为高速铁路的平面高程控制点。高速铁路工程测量规范规定：水准基点应按二等水准测量要求施测。水准路线一般150km 与国家一、二等水准点联测一次
6、，最长不应超过400km 联测一次。高速铁路工程测量规范规定：CPIII控制点应附合于线路水准基点。,数据质量控制,水准测量的实施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。测站、转点、测段、水准线路。往返观测、双仪器高观测。,数据质量控制,水准基点测量的实施按国家水准测量规范和高速铁路工程测量规范规定：二等水准测量只能采用往返测方式；采用DS1级以上精度的水准仪；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,CPIII高程测量的实施CPIII的高程测量采用精密
7、水准测量方法，是一种介于国家二等和三等水准测量之间的等级水准测量。按高速铁路工程测量规范精神，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,单一测站水准测量的检核视线高度的要求、视距、视距差的要求、仪器标准：,数据质量控制,单一测站水准测量的检核测站观测限差（mm）,数据质量控制,一条水准线路测量的检核累积视距差的要求；观测时间的要求；测段往返测高差较差要求；水准线路的高差闭合差要求。,数据质量控制,水准测量总体质量检核每公里水准测量的偶然中误差；每公里水准测量的全中误差。,数据质量控制,M和Mw 符合规定，表明沿线路的水准测量精度是合格的；如
8、不符要求，应对超限路线重测。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,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。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。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。,成果分析,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；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。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
9、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,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。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。检测测段长度小于1km 时，按1km 计算。,成果分析,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,按规定提交
10、技术总结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,位置基准与坐标系平面控制测量数据质量控制数据平差与成果分析,位置基准与坐标系,参考椭球水准面是个物理面，不是数学面；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,参考椭球用来代表地球形状
11、的旋转椭球称为大地椭球；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。,位置基准与坐标系,参考椭球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,椭球定位是指确定椭球中心的位置，可分为两类：局部定位和地心定位。局部定位要求在一定范围内椭球面与大地水准面有最佳的符合，而对椭球的中心位置无特殊要求；地心定位要求在全球范围内椭球面与大地水准面有最佳的符合，同时要求椭球中心与地球质心一致或最为接近。,位置基准与坐标系,椭球
12、定向是指确定椭球旋转轴的方向，不论是局部定位还是地心定位，都应满足两个平行条件：椭球短轴平行于地球自转轴；大地起始子午面平行于天文起始子午面。这两个平行条件是人为规定的，其目的在于简化坐标转换之间的换算。,位置基准与坐标系,参考椭球具有确定参数，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叫做参考椭球。目前世界上采用的参考椭球有很多个。,位置基准与坐标系,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
13、，就确定了一个坐标系。,位置基准与坐标系,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,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
14、标系,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。,位置基准与坐标系,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,坐标系（基准与框架）不同的
15、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,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,坐标系（基准与框架）高速铁路
16、平面精密控制网涉及使用的坐标有：我国54北京坐标系；我国80西安坐标系；2000国家大地坐标系，2008年7月1日起启用；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）。,位置基准与坐标系,与IGS台站或国家2000大地坐标系下的高等级GPS点（A、B级）联测，直接获取的成果坐标就是2000国家大地坐标或WGS-84坐标；国家三角点成果通常只能获取54北京或80西安坐标框架下的高精度高斯平面直角坐标，或大地经、纬度。由于准确的大地高数值的缺失，使得2000国家大地坐标（或WGS-84）和54
17、北京（或80西安）坐标系之间的转换参数不能精确确定。,为了保证GPS定位技术获得的平面精测网的内符合高精度，适宜采用2000国家大地坐标或WGS-84坐标进行施工建设，避免坐标转换带来的精度损耗。但是，同时应提供相应的54北京或80西安坐标供地方部门参考。,位置基准与坐标系,坐标系（平面）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。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。,位置基准与坐标系,高斯投影的特点中央经线和赤道为互相垂直的直线；中央经线投影长度变形比等于1，即没有长度变形，其余经线长度比均大于1，长度变形为正；在同一条经线上，长度变形
18、随纬度的降低而增大，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，且增大速度较快；面积变形也是距中央经线愈远，变形愈大；高斯投影后角度没有变形。,位置基准与坐标系,高斯投影分带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。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10mm/km。尽管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。,位置基准与坐标系,高斯投影通用坐标规定以中央
19、经线为X 轴，赤道为Y 轴，两轴的交点为坐标原点。X坐标值在赤道以北为正，以南为负；Y坐标值在中央经线以东为正，以西为负。我国在北半球，X坐标皆为正值。为了避免Y坐标出现负值，将各带的坐标纵轴加一个常数（500公里-加常数）。又由于采用了分带方法，某一坐标值（x，y）在每一投影带中均有一个，不能确切表示该点的位置。因此，在Y值前需冠以带号，这样的坐标称为通用坐标。,位置基准与坐标系,坐标转换（同一坐标系）空间空间直角坐标大地坐标空间与平面 高斯投影正、反算平面 高斯换带计算,位置基准与坐标系,坐标转换（同一坐标系）空间直角坐标大地坐标,位置基准与坐标系,坐标转换（同一坐标系）高斯投影正、反算公
20、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，（高斯投影正算），或者相应投影带中的高斯平面直角坐标所对应的大地坐标（高斯投影反算）。,位置基准与坐标系,坐标转换（同一坐标系）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宽，就可以得到在新的投影带中的高斯平面直角坐标。,位置基准与坐标系,坐标转换（同一坐标系）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
21、标这个中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。,位置基准与坐标系,坐标转换（不同坐标系）平面（4参数法）两个平移参数、一个旋转参数、一个尺度参数 空间（7参数法）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,坐标转换（不同坐标系）空间与平面（椭球参数变化）,平面控制测量,GPS测量静态相对定位双差求解IGS与绝对位置基准高速铁路测量规范要求：为了保证勘测、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共同使用同一个GPS 基础平面控制网。,平面控制测量,GPS测量GPS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
22、考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（哪里需要就可以设置在哪里）”。所以GPS网的设计是非常灵活。,平面控制测量,GPS测量GPS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GPS测量工作的作业细节，用户还须按国家有关部门颁发的GPS测量规范，以及所用GPS接收系统的操作说明书执行。,平面控制测量,GPS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。精度指标，主要是对GPS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，所以根据经验，如果在GPS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一倍。,平面控制
23、测量,GPS控制网布设 GPS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，以增加检核条件，提高网的可靠性；GPS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；GPS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3个（不足时应联测），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；GPS网点应考虑与水准点相重合。,平面控制测量,GPS控制网布设 我国高铁精密平面控制网分三级布设，实践中常按四级进行布设。它们是：坐标基准控制网（CP0）、基础平面控制网（CPI）、线路控制网（CPII）和基桩控制网（CPIII，非GPS方式）。沿线路的点间
24、距、线路中线间距。,平面控制测量,GPS控制网观测 同步观测方式异步观测方式(网形连接方式)接收机设置的参数指标,数据质量控制,平面控制测量广泛地采用GPS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，并在相应服务软件的支持下自动进行数据的后处理。对GPS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。,数据质量控制,仪器设备有效数据量基线解算质量同步、异步环闭合差基线向量自由网平差点位精度（绝对、相对）,数据质量控制,仪器的标称精度指标是否满足相应等级GPS测量的精度要求，仪器是否检定合格；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
25、符合；数据同步观测时间是否有效并达到规定要求；通过数据平滑、粗差剔除等数据预处理手段，剔除的数据比率是否满足规定要求；,数据质量控制,单基线或多基线解算得到的重复观测基线的较差是否满足相应等级GPS测量的精度要求；单基线解算条件下，要进行同步闭合环（一般为三角形，对环的最大边数，相应等级GPS测量规范有限制）的闭合差检查，要求满足相应等级GPS测量的精度要求；（多基线解算条件下，不需要进行同步环闭合差检查）,数据质量控制,进行异步环（一般为三角形，对环的最大边数，相应等级GPS测量规范有限制）闭合差检查，要求闭合差满足相应等级GPS测量的精度要求；进行GPS自由网平差计算后，要对绝对点位中误差
26、和相对点位误差进行检查，要求精度满足相应等级GPS测量的要求。,数据平差与成果分析,只有在前面的数据质量控制的所有检查都合格的条件下，才可以进行GPS基线的约束网整体平差。对于GPS控制网的平差计算，应该实行逐级控制。即CPI以CP0为基准进行约束平差，CPII以CPI为基准进行约束平差。复测（检测）的平差方式应尽可能与已有成果的数据平差方式一致。,数据平差与成果分析,建立全线统一坐标基准是个全局性的大问题，各阶段的平面控制测量应共同使用同一个GPS基础平面控制网；要全线(段)一次布网、统一测量、整体平差。,数据平差与成果分析,位置基准的确定建立和维护全线统一的坐标基准，明确确定所建立的多个工
27、程独立平面坐标系与全线统一的坐标基准的转换关系。全线统一的坐标基准在勘测期、施工期、营运维护期应是唯一的、稳定的。工程独立平面坐标系只要能满足高速铁路工程测量规范投影长度变形的限差要求，可以是多个的。但一定要用唯一的、稳定的全线统一的坐标基准来统一多个的工程独立平面坐标系，否则将无法保证无碴轨道施工放样的精度和施工、营运维护期间变形监测的有效进行。,数据平差与成果分析,位置基准的确定CP0的建立就是为了提供一个稳定的全线统一的坐标基准，其被采纳,并在京沪高铁建设中得到使用。为了保证勘测、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共同使用同一个GPS平面位置基准，该位置基准
28、由CP0确定。CP0的建立采用GPS定位技术实现，具体技术标准执行国家“B”级GPS控制网的标准，只是在点间距上相对加密以满足铁路工程建设的需要。,数据平差与成果分析,CP0确定位置基准的优点CP0通过联测IGS固定参考站（测站坐标是精确已知的，测站观测数据是连续和免费共享的），不必在沿线国家三角点上设站，就获取了一个服务于高速铁路建设的WGS-84基准；CP0的稳定性是实时被监控的，网的内符合精度高，避免了因联测国家三角点所带来的精度损失，从而在服务于京沪高速铁路建设的过程中，具有较好的精度储备而在加密和后续测量中有较大的精度调整余地，着实保障京沪高速铁路的顺利建设；,数据平差与成果分析,C
29、P0确定位置基准的优点对于京沪沿线众多的工程独立平面坐标系统而言，全线统一的坐标框架对长度投影变形和坐标换带计算的实施和检核提供了概念明确，使用方便，稳定可靠的平台，避免因使用多个工程独立平面坐标系而带来的粗差。建立GPS基准网尽管在建立初期需要增加观测和数据处理上的工作量和投入。但是，在后续进行的网的复测工作中将因无需联测国家三角点而降低总体的测量成本,数据平差与成果分析,平差方法与位置基准的引入（CPI）CPI以CP0为基准进行约束平差时，适宜整网进行平差数据处理。全网进行平差数据处理有困难时，至少应该保证一个分段（至少包含2个CP0控制点）的范围内进行局部网的整体平差数据处理。在这种情况
30、下，必须进行分段相连接地带CPI点位的平顺连接性检查，即连接处附近点位的坐标较差必须满足规定要求，点位相对误差也要满足要求。,数据平差与成果分析,平差方法与位置基准的引入（CPI）按高速铁路工程测量规范要求，在提出并应用于实际建网后，CPI以CP0为基准进行约束平差应在三维空间直角坐标系下进行。CPI先进行高斯投影获得平面直角坐标后，再进行平面的CP0坐标约束平差处理，得到的坐标成果包含有一定的系统误差（高斯投影变形所引起）。,数据平差与成果分析,平差方法与位置基准的引入（CPI）CPI以CP0为基准进行约束平差后，再进行高斯投影便可以获得所需要的投影带内的平面直角坐标。,数据平差与成果分析,
31、平差方法与位置基准的引入（CPII）CPII平差同样应以CPI为基准做整网约束平差处理；当整网平差有困难时，CPII也可以以CPI为基准进行分段约束平差，但是相邻地段的CPII也必须进行CPII点位的平顺连接性检查；同时，但应避免分段过于琐碎（短）而导致因CPI点位误差带来的位置基准的不一致；CPII的平差应采用全部（分段内）稳定的CPI点做约束，不应该有选择的选定部分CPI点做平差约束；,数据平差与成果分析,平顺性分析不同分段之间应该进行CPII控制点的衔接平顺性检查（相对点位误差检查）；必要时，相邻分段应进行统一平差处理，并延伸检查衔接CPII控制点的平顺性；平顺性检查是保证线路点位相对精
32、度的重要手段，连接点（公共点）坐标较差和相邻点的相对点位误差是评价平顺性的指标。,数据平差与成果分析,平差获取的坐标成果，不但要做绝对点位误差的分析和检查，还要做相邻点位间的相对误差检查。只有上述两项标准都满足的情况下，约束平差的最终成果才可应用于工程实际。,数据平差与成果分析,应注意CPI、CPII相邻分段地带的点位的衔接平顺性检查。CPI以CP0为基准进行约束平差和CPII以CPI为基准进行约束平差都应该在三维空间直角坐标系下进行。复测（检测）的成果必须进行内部精度和可靠性的检查后，才可以进行与原成果的比对分析。,数据平差与成果分析,复测（检测）的坐标成果与原有成果的差异在限差范围内的,表明点位是稳定的,应该应用原有成果。复测（检测）的坐标成果与原有成果的差异超出限差范围,结合分析复测（检测）坐标较差超限点与其相邻点之间的相对位置误差,以及这些相邻点的坐标较差的情况下,对点位的位移作出判定。确实发生位移的点，应使用复测（检测）成果。,
