【纪念】宁津生：2000国家大地坐标系框架体系建设及其进展

【编者按】

3月15日是著名大地测量学家、教育家宁津生院士去世一周年的纪念日，为此，我们特地编发一组宁津生院士亲自撰写的文章，来共同追思这位德高望重、广受人们爱戴并为中国的测绘事业作出了杰出贡献的学者。

国务院批复自2008年6月1日起，全国启用2000国家大地坐标系（简称为CGCS2000）。至今，现有测绘成果向CGCS2000转换的工作已基本完成，全国范围的CGCS2000使用已全面展开。

为保持CGCS2000框架的高精度和现势性，国家测绘地理信息局和总参测绘导航局开展了CGCS2000框架精化与维持系列工作：对CGCS2000框架点进行精化，获得框架点精确坐标和速度值；依此开展了基于框架点速度值的板块运动速度场模型建立方法研究，建立CGCS2000板块模型，构建中国大陆格网速度场模型；开展了CGCS2000框架点周期性与稳定性分析，对CGCS2000非线性运动建模方法开展研究，并取得了可喜进展。

一、CGCS2000框架精化

CGCS2000坐标框架是2000国家大地坐标系的具体实现，其精度反映了我国地心坐标系的精度。CGCS2000的启用时间是2008年，但其参考历元是2000.0，即其框架点坐标对应的历元距今已过十余年。由于框架点受诸如板块运动的影响，其点位会随着时间变化，而且当前历元距离参考历元的时间差越长，框架点位的坐标变化也越大，因此，为保持CGCS2000框架点坐标的精确性，必须对CGCS2000框架进行精化。

⒈CGCS2000框架数据处理

最初的CGCS2000坐标框架分为三个层次：第一层次为CGCS2000框架的“骨架”——国家GPS连续运行基准站网（简称为国家级CORS），共计34个点，其坐标精度为mm级，速度精度为1mm/A；第二层次是2000国家GPS大地控制网，由全国GPS一、二级网，国家GPS A、B级网以及地壳运动监测网和地壳运动观测网络工程网（CMONC）（简称为网络工程）联合平差所得，共计2500多个点位，其坐标精度为3cm；第三层次是经与2000国家GPS大地控制网联合平差后得到的全国天文大地网，作为CGCS2000框架的加密，共计约5万个点位，尽管约有半数点位的平面精度优于10cm，但由于天文大地网的整体精度相对较低，在高精度的CGCS2000应用中，难以满足用户需求，因此，CGCS2000框架精化主要是利用第一层次和第二层次的框架点进行。

国家测绘地理信息局CGCS2000推广项目组采用非基准方法，对国家GPS连续运行基准站网和网络工程中基本网、区域网的1999～2009年的观测数据进行数据处理，包括了国家GPS连续运行基准站网的34个点（29个CMONC站、CHAN站、KUMN站以及两个国家测绘地理信息局的站点）的观测数据；对基本网中共56个点位的1998、2000、2002、2003、2005、2006年6期观测数据，区域网中共计1630个点的1999、2001、2004、2006、2009年5期观测数据进行处理，对测站坐标约束较为松弛，进行类似于自由网平差的解算，得到自由网解成果。此后，项目组根据自创的6参数分类监督法选点原则，筛选出全球92个IGS站作为基准网平差解算的基准控制点，在基本网与区域网的平差中，利用均匀化原则，从92个IGS站中选取我国周边16个站和国内24个基准站点为框架站。在此基础上，对自由网解算结果进行坐标参考框架转换，最终得到精确、可靠的CGCS2000坐标框架站点在ITRF2005框架下的坐标及其速度值，以其作为建立我国CGCS2000格网速度场的数据基础。

⒉精度统计

本次计算数据共有站点1620个，剔除观测期数少、精度较差以及速度异常的站点后，获得了剩余的1026个站点的坐标和速度值。CGCS2000框架点数据处理的坐标和速度场都达到了较高的精度，为CGCS2000坐标框架精化与维持后续工作奠定了很好的基础。

基准网精度为站点基线相对精度达到10^－9。基本网和区域网精度为：基线相对精度达到3×10^－9；站点基线解水平方向重复性3～5mm，垂直方向重复性10～15mm；站点坐标精度为N方向平均0.86mm，E方向平均0.90mm，U方向平均优于4mm；站点速度场相对精度为N方向平均0.12mm/a，E方向平均0.13mm/a，U方向优于0.4mm/a。

⒊加密CGCS2000框架

截至2014年2月，美国国家大地坐标系基准框架NAD83（2011）中，拥有mm级的CORS站点1900多个。而我国作为CGCS2000坐标框架最高精度层次的国家级CORS站点数量较少，仅有34个，即使将框架第二层次的2000国家GPS大地控制网算在内，也不足2600个点，其密度距维持高精度国家地心坐标框架还有一定距离，加密CGCS2000坐标框架势在必行。

根据国家测绘地理信息局CGCS2000推广项目组统计的数据显示，截至2011年底，我国省级CORS系统的站点数量已达1161个，对于这些已经建成投入使用的省级CORS站点，如果按照国家级CORS站的选取和建设标准，将符合条件的省级CORS站点升级纳入到国家级CORS站网中，不仅可以促进这些CORS站点的资源共享，提高利用效率，节约成本，也将极大地丰富CGCS2000框架点中的CORS站数量。

2012年完成的中国大陆构造环境监测网络是由260个连续观测站和2　000个不定期观测站构成，以GNSS观测为主，VLBI、SLR及精密重力和水准测量等技术手段为辅。将其纳入国家CORS系统，可为中国大陆地壳运动监测、我国现代大地基准的建立与维持、重力场形态及变化及空间气象等系列科学问题提供基础资料和产品。

目前在建的国家现代测绘基准体系基础设施建设一期工程是我国迄今为止规模最大，以维持国家大地坐标框架为主要目的的国家级CORS系统建设、国家一等水准网建设和卫星大地控制网建设工程。工程将在全国范围建成360个（含新建、改造现有的）国家CORS基准站及4500个点组成的卫星大地控制网，并开展国家现代高程控制网建设，通过与CORS基准站和卫星大地控制网的结合，监测大范围高程变化，实现全国范围的现代高程基准传递。同时补充和完善国家重力基准，在已有绝对重力点分布的基础上，选择50个与新建CORS基准站并置的重力基准点，构成便于长期保存的分布合理的国家绝对重力基准基础设施。

综上，可以预计在不久的将来，作为CGCS2000坐标框架的CORS站点数量将会极大增加，满足维持高精度CGCS2000的密度要求。

二、CGCS2000维持

CGCS2000坐标框架是由其框架点在参考历元2000.0时的坐标和速度来定义的，即一旦CGCS2000框架点坐标、速度都确定下来，按照通常使用的线性模型，CGCS2000框架将是确定的。但实际上，由于框架点会受到板块运动等影响，并非都表现为线性的运动变化，因此，按照线性模型推算CGCS2000坐标框架点当前历元的坐标将会带有误差，并且此误差会随着时间而增大。这也是CGCS2000启用后，必须进行CGCS2000框架维持与更新的原因所在。

完整的CGCS2000坐标框架体系不仅包括框架点的坐标，而且需要有相应的板块运动模型和速度场模型。同时，为确保推算当前历元坐标的精确性，还需考虑框架的非线性运动。

⒈CGCS2000板块模型

CGCS2000启用时，是对应于ITRF96框架、2000.0历元的静态框架，并没有与框架对应的板块运动模型。而框架本身历经十余年，实际点位已经偏离了原CGCS2000在2000.0历元下定义的坐标值，这会给那些广泛利用GNSS技术进行精确定位（如ITRF2005框架和当前历元）的应用带来不便。若要进行历元归算或转换，必须要有高分辨率、高精度的速度场资料及板块运动模型，以便实施从当前历元的点位至2000.0历元的归算。为此，国家测绘地理信息局和总参测绘导航局的大地测量学者们开展了我国板块划分和CGCS2000板块运动模型和速度场模型构建研究。

国家测绘地理信息局CGCS2000推广项目组利用长达10余年的网络工程观测数据，以CGCS2000框架精化得到的站点ITRF2005框架下高精度的速度场为数据基础，构建了中国20个二级板块运动模型CPM－CGCS2000，并利用此板块模型将框架点归算到CGCS2000下，通过对此板块模型的外部检核验证，该板块模型平均精度为1.62mm/a，最好的板块拟合精度为0.69mm/A。与国际上现有的几个成熟的模型ITRF2005、APKIM2005、PB2002以及NUVEL 1A相比，在整个中国地区，CPM－CGCS2000相较于现有模型更能精确反映站点的水平运动，并且精度提高了2～5倍，详细的数据结果分析参见相关文献。

有文献利用相同的数据源，将中国大陆二级活动块体划分为18个，并给出了相应的块体欧拉矢量。数据结果在文献中也有详细描述。两局建立的板块运动模型都是适用于CGCS2000的高精度模型，精度都在cm级，均优于现有的国际成熟板块运动模型，可用于不同框架及不同历元下GNSS站坐标到CGCS2000的高精度归算，满足我国CGCS2000的各种民用与军用需求。

⒉CGCS2000格网速度场模型

由于国家连续运行基准站网的分布密度不够，无法全面反映我国CGCS2000坐标框架的动态变化，因此，有必要建立中国大陆地壳运动速度场模型。

国家测绘地理信息局CGCS2000推广项目组以前期CGCS2000坐标框架精化得到的ITRF05框架下1025个站点的速度作为建立速度场模型的数据源，采用反距离加权插值法、块体欧拉矢量法和局域欧拉矢量法、有限元插值法、最小二乘配置5种方法，在块体划分的基础上，选择各块体上最优模型，计算了中国大陆3°×3°及1°×1°的格网点速度，并用1°×1°的格网点速度建立了速度场模型，中国大陆内任意点的速度可以用其周围的4个格网点速度的平均值表示。用格网速度场模型计算网络工程1025个站点速度，并求出差值，模型精度为E方向0.68mm/a，N方向0.95mm/a。

有关文献中也给出了利用相同数据源建立的3°×3°及2°×2°格网速度场模型，其模型精度也达到了mm级。与板块运动模型的用途一样，两局建立的格网速度场模型精度都在mm级，而且使用方便，可以满足民用与军用对CGCS2000的高精度需求。

⒊CGCS2000非线性速度场模型

前文提到，由于框架同时受到线性和非线性运动影响，仅建立线性的速度场模型并不能十分精确地反映框架点的时序特征，因此，需要对CGCS2000框架点的非线性运动建模。

国家测绘地理信息局CGCS2000推广项目组基于自适应的奇异谱分析方法进行CGCS2000坐标框架非线性运动进行分析研究，完成了CGCS2000非线性速度场建模，实测数据实验表明，CGCS2000非线性速度场模型较传统方法具有更高的精度、自适应性和可靠性，显著提高了框架点运动建模与预报精度。

三、CGCS2000框架更新

在国家测绘地理信息局和总参测绘导航局大地测量学者的努力下，CGC2000板块运动模型和速度场模型均已建立，至此，CGC2000框架体系已经初步实现。但坐标框架的精化与维持是一项长期、持续性的工作。当点位参考历元和当前历元的周期很长时，利用模型化（估计）速度归算参考历元的坐标到当前历元的预测坐标，通常会出现点位计算值和预测值之间的偏差，或者使用速度归算的点位坐标不准确，不能反映框架点所在位置的地球物理现象或区域影响时，则需要重新精化框架，有必要时，需要重新确定新的参考历元，也即该坐标框架的更新。

框架的更新意味着其相应的坐标、板块模型及速度场都需要相应的更新。更新周期取决于框架的实现精度，并非固定不变的。当框架的坐标误差或速度场误差随时间累积已无法满足用户需求时，即可进行坐标框架的更新。

以美国国家大地坐标系框架基准NAD83（2011，MA11，PA11）为例，其参考历元为2010.0，由固定于北美板块的NAD83（2011）框架、固定于马里亚纳板块的NAD83（MA11）框架、固定于太平洋板块的NAD83（PA11）三个独立参考框架组成。NAD83（2011，MA11，PA11）的前身为NAD83（CORS96）、历元2002.0，其框架的更新仅仅时隔8a。国际地球参考框架ITRF更新的得更频繁，从ITRF2000、ITRF2005到ITRF2008，8a中完成了两次框架更新，精度也越来越高。

我国CGCS2000启用至今，成果转换工作已经完成，建立了CGCS2000框架维持所需的板块运动模型和速度场模型，同时也具备了框架更新的技术手段和条件。对于CGCS2000坐标，其点位平均中误差为2cm，速度误差为3mm/a，以CGCS2000当前框架实现精度计算，10a后，框架点的坐标误差已经超出了框架本身的实现精度，需要考虑框架的更新。地图更新周期与比例尺有关，其中对于1∶500、1∶1000地图，10a后点位变化超过了制图精度，对于注重绝对位置变化而言需要更新；但对于同样比例尺的采用相对独立的地方坐标系的工程与城市建设用图，只关注地物的相对位置而非绝对位置，可以不更新。对于1∶5000比例尺地图，50a后需要更新，而1∶10000地图则90a后才需要更新。

四、结语

我国大地基准建设虽然起步晚，但发展迅速，CGCS2000框架点坐标已更新完毕，板块运动模型和速度场模型也已建立。随着CGCS2000框架中CORS站点数量的不断增加，站点分布的逐渐均匀化，纳入CGCS2000框架体系的CGCS2000板块运动模型和速度场模型应进行定期更新，以维持CGCS2000的动态、高精度的优点。建议国家测绘地理信息局成立CGCS2000框架CORS网数据处理中心和数据分析中心，对CGCS2000框架CORS观测数据进行常态化的处理与分析，实现CGCS2000的实时与高精度维护。同时，应当建立CGCS2000框架服务体系，实现国家级框架服务功能并对外提供产品服务。

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【作者简介】文/宁津生 王华 程鹏飞 成英燕 文汉江 秘金钟，分别来自武汉大学测绘学院、中国测绘科学研究院和国家测绘产品质量检验测试中心；第一作者宁津生，博士生导师，中国工程院院士，代表成果为适合于中国局部重力场的全球重力场模型WDM89和WDM94、高分辨率中国重力大地水准面等，著有《地球形状及其外部重力场》和《地球重力场模型理论》等专著七部；文章来自《武汉大学学报信息科学版》（2015年第5期），参考文献略，用于学习与交流，版权归作者及出版社共同拥有。

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来源：溪流之海洋人生

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