[0001] 本发明涉及施工测量技术领域，具体涉及一种适用施工测量控制网的工程椭球建立方法及装置。

[0002] 施工测量控制网是为满足工程建设施工而布设的测量控制网，是工程区域施工放样、工程竣工、建筑物沉降观测以及后续建筑物改建、扩建的起算数据。施工控制网的精度要求根据工程建设的性质来决定，为满足施工部位点位放样精度及工程总体布置的协调性，在施工建设前，需建立施工测量控制网。

[0003] 施工测量控制网分为平面控制网和高程控制网，其中平面控制网主要采用边角网、GNSS(Global Navigation Satellite System，全球导航卫星系统)测量等方法构建。其中，GNSS测量方法具有控制网网型构建灵活、观测方便的优点，但其计算及平差是在参考椭球面上进行的，而施工测量控制网通常是选定某一指定的高程面作为边长归算、投影的基准面，当两者不一致时，将导致GNSS控制网的坐标反算边长与实际边长存在差异，尤其对于参考椭球面与基准面倾斜角较大的区域，将产生较大误差。

[0027] 为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

[0028] 根据本发明实施例，提供了一种适用施工测量控制网的工程椭球建立方法实施例，需要说明的是，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。

[0029] 在本实施例中提供了一种适用施工测量控制网的工程椭球建立方法，可用于电子设备，如电脑、手机、平板电脑等，图1是根据本发明实施例的适用施工测量控制网的工程椭球建立方法的流程图，如图1所示，该流程包括如下步骤：

[0030] 步骤S101，建立参考椭球，获取工程区域的位置基准点、平面及高程控制点的大地坐标和正常高。具体地，工程区域是在进行工程建设、规划、设计或施工等活动时所界定的一个具体地理空间范围，即在进行工程椭球建立之前，首先要根据实际工程情况确定工程区域，划分工程区域的地理边界。

[0031] 其中，位置基准点为构建施工测量控制网(可以简称控制网)的起始点或者说出发点。例如可以以工程区域的中心位置作为位置基准点。按照预设的设计方案布设多个平面及高程控制点。即控制点中包括了平面坐标信息以及高程信息。

[0032] 在布设位置基准点、平面及高程控制点后，还需要确定其在该工程区域中的实际坐标。即将位置基准点、平面及高程控制点在设计图中的坐标转换为实地坐标。在转换时，需要确定工程区域的地理坐标系，本实施例中，通过构建参考椭球表征工程区域的地理坐标，该参考椭球是一个数学模型，用于近似描述地球的形状。由此使用参考椭球能够更准确地表示地球表面。在建立参考椭球时，需要考虑工程区域情况确定参考椭球的参数如长半轴、短半轴以及偏心率等。同时还需要选取合适的地理坐标系统，例如可以选取WGS84(WorldGeodetic System一1984Coordinate System，世界大地测量系统1984)、CGCS2000(China Geodetic Coordinate System 2000，中国2000国家大地坐标系)作为地理坐标系统。本实施例中选取WGS84构建参考椭球，因此，构建的参考椭球也可以称为WGS84椭球。

[0033] 在构建参考椭球后，即可计算确定位置基准点、平面及高程控制点的大地坐标和正常高。

[0034] 步骤S102，基于大地坐标和正常高改变参考椭球的长半轴和偏心率，建立新椭球。具体地，在建立施工测量控制网时，包括确定椭球和选择投影两个方面，即首先要建立符合实际的工程椭球。本实施例中，在工程椭球时，通过改造参考椭球实现。由于在施工工程中，地面观测结果需要投影到一个确定的工程投影面上，因此，可以通过改变参考椭球的参数如长半轴和偏心率等，使得得到的新椭球的椭球面最大限度的接近工程投影面。其中，需要说明的是，该工程投影面可以在建立工程椭球之前预先确定。

[0035] 步骤S103，将位置基准点、平面及高程控制点的大地坐标转换为新椭球下的大地坐标。具体地，当对新椭球的参数进行调整之后，原来位置基准点、平面及高程控制点的大地坐标也会改变，因此，需要将其大地坐标转换为新椭球下。其中，在转换时，可以根据新椭球的参数确定其在新椭球下的大地坐标。

[0036] 步骤S104，基于新椭球旋转时平面及高程控制点的大地坐标变化量的偏差确定新椭球工程区域椭球面与工程投影面之间的倾斜角。具体地，通过改变参考椭球的长半轴和偏心率虽然使得新椭球工程区域的椭球面接近工程投影面，但是二者之间还存在一定的角度偏差，即二者并不平行。其中，新椭球工程区域的椭球面和工程投影面之间的角度偏差(即倾斜角)表现为新椭球工程区域椭球面的法线方向和工程投影面垂线方向的偏差，具体可以通过将新椭球旋转的方式消除该偏差。新椭球旋转的角度即为新椭球工程区域椭球面和工程投影面之间倾斜角。本实施例中，在确定该倾斜角时，以新椭球旋转时大地高变化量的偏差最小确定，由此保证旋转的精度。

[0037] 步骤S105，基于倾斜角将平面及高程控制点旋转，并将旋转后平面及高程控制点在新椭球下的大地坐标进行转换，得到工程独立坐标系下的坐标，完成工程椭球建立。具体地，在确定新椭球旋转角度即倾斜角之后，将平面及高程控制点的大地坐标也进行旋转，然后基于旋转后的大地坐标参照相关技术进行转换，从而得到工程独立坐标系下的坐标，完成工程椭球建立。由此，在该工程椭球下的投影坐标反算距离与实地电磁波测距一致。解决了现有采用GNSS方法进行施工测量控制网时参考椭球与工程区域投影面无法较好重合的问题。

[0038] 本发明实施例提供的适用施工测量控制网的工程椭球建立方法，通过将工程区域的参考椭球的参数进行调整，使其最大限度的接近工程投影面，然后进一步对椭球进行旋转，消除椭球面法线方向与工程投影面垂线方向存在的偏差，并基于椭球参数的调整以及旋转对各控制点的坐标进行转换，得到工程独立坐标系下的坐标，完成工程椭球建立。由此可消除椭球面与工程投影面之间的倾斜角，使得新椭球下的投影坐标反算距离与实地电磁波测距一致，易于使用。

[0039] 在本实施例中提供了一种适用施工测量控制网的工程椭球建立方法，该流程包括如下步骤：

[0040] 步骤S201，建立参考椭球，获取工程区域的位置基准点、平面及高程控制点的大地坐标和正常高。

[0041] 具体地，上述步骤S201包括：

[0042] 步骤S2011，建立参考椭球，基于工程区域确定位置基准点的大地经度、大地纬度、大地高和正常高，并确定工程投影面的正常高。

[0043] 具体地，在确定大地经度和大地纬度时，可以采用GNSS等设备获取位置基准点在参考椭球坐标系下的大地经度B0、大地纬度L0和大地高H0。正常高h0通过水准方法获得。

[0044] 另外，在建立工程椭球时，还需要确定工程投影面，用于地面观测结果的投影。具体地，在确定工程投影面的正常高时，通常为工程区域的平均高程面，或根据工程特点指定的高程面。

[0045] 步骤S2012，采用GNSS方法计算各平面及高程控制点的大地经度、大地纬度和大地高；具体地，在计算时，可以通过在各平面以及高程控制点架设GNSS接收机，接收机通过观测接收卫星观测信号，然后采用相关处理软件对信号预处理、基线解算以及网平差等处理，得到对应控制点的大地经度、大地纬度以及大地高。其中，平面及高程控制点Pi(i＝1,2,3,……)的大地经度、大地经度以及大地高等可以分别表示为：大地纬B＝[B1B2…Bi…Bn‑T T T
1Bn]、大地经度L＝[L1L2…Li…Ln‑1Ln]、大地高H＝[H1H2…Hi…Hn‑1Hn]。

[0046] 步骤S2013，采用水准方法计算各平面及高程控制点的水准高程。具体地，采用水准方法计算水准高程时，可以基于水准仪和水准尺等设备，并选取已知高程的点作为起始点，然后按照预先设置的水准路线进行测量，基于测量得到的值计算相邻两点的高度差，并结合起始点的高程得到各平面及高程控制点的水准高程。其中，平面及高程控制点Pi(i＝1,2,3,……)的水准高程可以表示为：

[0047] [h1h2…hi…hn‑1hn]T。

[0048] 步骤S202，基于大地坐标和正常高改变参考椭球的长半轴和偏心率，建立新椭球。

[0049] 具体地，上述步骤S202包括：

[0050] 步骤S2021，基于位置基准点的大地高改变为位置基准点的正常高和工程投影面的正常高的差值时，确定参考椭球的长半轴和偏心率的变化。

[0051] 步骤S2022，基于参考椭球的长半轴和偏心率的变化，得到新椭球的长半轴和偏心率。

[0052] 具体地，为了使得新椭球工程区域的椭球面最大限度的接近工程投影面，可以通过在不改变原椭球(即参考椭球)定位和定向的前提下，改变参考椭球的长半轴a及偏心率2
e，使得位置基准点P0的大地高由H0改变为h0‑h，同时使位置基准点P0在新椭球下的法线方向及大地经纬度B0、L0不变。由此，可以先计算位置基准点P0的大地高由H0改变为位置基准点的正常高和工程投影面的正常高的差值h0‑h时，参考椭球的长半轴和偏心率的变化，然后再根据该变化和参考椭球的长半轴和偏心率得到新椭球的长半轴和偏心率。具体地，新椭球的长半轴a1及偏心率 分别为：

[0053] a1＝a+da1式(1)

[0054]

[0055] 式(1)中，

[0056]

[0057] 式(2)中，

[0058]

[0059] 其中，da1表示参考椭球的长半轴的变化，de2表示参考椭球的偏心率的变化。由此，建立长半轴为a1、偏心率的平方为 的新椭球。

[0060] 步骤S203，将位置基准点、平面及高程控制点的大地坐标转换为新椭球下的大地坐标；具体地，在转换时，可以先将其大地坐标先转换为空间直角坐标，然后再转换为新椭球下的大地坐标。

[0061] 具体地，上述步骤S203包括：

[0062] 步骤S2031，基于参考椭球的长半轴和偏心率将位置基准点、平面控制点及高程控制点的大地坐标转换为空间直角坐标；具体地，该转换过程可以参照如下公式实现：

[0063]

[0064] 式(5)中，对于得到的Xi、Yi、Zi，当其i取0,1,2,3……n等不同值时，表示位置基准点、平面控制点以及高程控制点对应的空间直角坐标，Ni为参考椭球的卯酉圈半径，其计算公式为：

[0065]

[0066] 步骤S2032，基于新椭球的长半轴和偏心率将空间直角坐标转换为新椭球下的大地坐标。具体地，该转换过程采用如下公式实现：

[0067]

[0068] 式(7)中，对于得到的Bi′、L′i、Hi′，当其i取0,1,2,3……n等不同值时，表示位置基准点、平面及高程控制点在新椭球下的大地坐标，其中，Bi′需迭代计算，即将式(8)代入到‑10式(7)中的第2个公式，迭代使Bi′两次的差值小于1e10 时停止迭代。Ni′为各点在新椭球的卯酉圈半径，其计算公式为：

[0069]

[0070] 步骤S204，基于新椭球旋转时平面及高程控制点的大地坐标变化量的偏差确定新椭球与工程投影面之间的倾斜角。

[0071] 具体地，上述步骤S204包括：

[0072] 步骤S2041，基于新椭球旋转时的旋转角度和平面及高程控制点的大地高变化量之间的关系确定大地高变化量。其中，新椭球旋转时的旋转角度由新椭球以位置基准点为中心、绕赤道方向旋转时的旋转角度和绕南北极方向的旋转角度确定。

[0073] 具体地，对于改变参数得到的新椭球，由于在调整参数时位置基准点的大地经纬度不变，且不改变椭球的定向和定位，则新椭球的法线与参考椭球的法线是一致的，但是新椭球工程区域椭球面与工程投影面并不平行，由此，本实施例中将新椭球以位置基准点为中心，分别绕赤道方向和南北极方向旋转，则新椭球的旋转角度θ由绕赤道方向的旋转角度Tθ1和绕南北极方向的旋转角度θ2确定，即θ＝[θ1θ2]。

[0074] 另外，在确定旋转角度时，还需要进一步考虑新椭球旋转时导致的平面及高程控制点的大地高变化量。其中，新椭球旋转时的旋转角度和平面控制点及高程控制点的大地高变化量dHi之间的关系采用如下公式表示：

[0075] dHi＝＝F2θ2+F1θ1式(9)

[0076] 其中，

[0077]

[0078] 步骤S2042，基于大地高变化量的偏差构建间接平差模型。具体地，基于大地高变化量得到大地高变化量的偏差采用如下公式表示：

[0079] vi＝dHi+Hi‑hi+h式(12)

[0080] 将式(9)代入式(12)，可得间接平差模型的标准形式：

[0081] vi＝aiθ+li式(13)

[0082] 式(13)中，

[0083] ai＝(F2，F1)式(14)

[0084] θ＝[θ1θ2]T式(15)

[0085] li＝Hi‑hi+h式(16)

[0086] 步骤S2043，采用最小二乘法对间接平差模型求解，得到新椭球的旋转角度，旋转角度为新椭球工程区域椭球面与工程投影面之间的倾斜角。具体地，可以采用最小二乘法对间接平差模型求解，得到新椭球的旋转角度，该旋转角度可以采用如下公式表示：

[0087] θ＝(ATA)‑1ATL式(17)

[0088] 式(17)中，矩阵A以ai为第i个行向量，列向量L以li为第i个分量。

[0089] 步骤S205，基于倾斜角将平面及高程控制点旋转，并将旋转后平面及高程控制点在新椭球下的大地坐标进行转换，得到工程独立坐标系下的坐标，完成工程椭球建立。

[0090] 具体地，上述步骤S205包括：

[0091] 步骤S2051，基于倾斜角将平面及高程控制点的空间直角坐标旋转，得到旋转后的空间直角坐标；具体地，该旋转后的空间直角坐标(X′i，Y′i，Z′i)采用如下公式表示：

[0092]

[0093] 式(18)中，

[0094]

[0095] 其中，R1和R2表示空间坐标旋转变换时的旋转矩阵。

[0096] 步骤S2052，基于新椭球的长半轴和偏心率将旋转后的空间直角坐标转换为旋转后平面及高程控制点在新椭球下的大地坐标；具体地，在得到旋转后的空间直角坐标后，可以按照上述公式7计算该旋转后的空间直角坐标在新椭球下的大地坐标(Bi新椭球、Li新椭球、Hi新椭球)。

[0097] 步骤S2053，将旋转后平面及高程控制点在新椭球下的大地坐标进行投影转换和一点一方位转换，得到工程独立坐标系下的坐标，完成工程椭球建立。具体地，转换时可以按照工程区域制定的中央子午线、投影面高程等参数计算高斯平面直角坐标，并按照工程起算点固定坐标和固定坐标方位角进行“一点一方位”转换，求得工程独立坐标系下的坐标。

[0098] 在进行转换时，首先要根据工程区域的位置，选择一个合适的中央子午线。然后再计算高斯平面直角坐标，在计算时，可以使用高斯投影公式，将经纬度坐标转换为高斯平面上的直角坐标(x,y)。在转换时，需要考虑新椭球参数(如长半轴、短半轴、偏心率等)，以及投影面的高程。在计算得到高斯平面直角坐标后，进行一点一方位转换，转换时，先选择一个已知的、在国家坐标系中有准确坐标的点作为工程起算点。然后将高斯平面直角坐标平移到工程起算点对应的高斯平面坐标，之后依据固定坐标方位角，对高斯平面坐标进行旋转，使其符合工程坐标系的定义。

[0099] 作为本发明实施例的一个具体应用实施例，如图2所示，该适用施工测量控制网的工程椭球建立方法可以采用如下流程实现：

[0100] 步骤1，在工程区域(测区)中央选定位置基准点P0，设工程投影面的正常高为h，位置基准点P0的大地经纬度及大地高为B0、L0和H0，正常高为h0。

[0101] 步骤2，在不改变参考椭球定位和定向的前提下，改变参考椭球的长半轴a及偏心2
率e，使得位置基准点P0的大地高由H0改变为h0‑h，同时使位置基准点P0在新椭球下的法线方向及大地经纬度B0、L0不变，从而得到新椭球的长半轴a1及偏心率

[0102] 步骤3，在工程区域均匀布设若干平面及高程控制点Pi(i＝1,2,3,……)，通过GNSST T方法求得各控制点的大地纬度B＝[B1B2…Bi…Bn‑cBn]、大地经度L＝[L′L2…Li…Ln‑1Ln]、大地T T
高H＝[H1H2…Hi…Hn‑1Hn]，采用水准方法求得各控制点的水准高程h＝[h1h2…hi…hn‑1hn]。

[0103] 步骤4，将位置基准点P0和各平面及高程控制点Pi的经纬度大地高Bi、Li和Hi按照式(5)转换为空间直角坐标。

[0104] 步骤5，将位置基准点P0和各平面及高程控制点Pi的空间直角坐标Xi、Yi、Zi按照新椭球的参数转换为新椭球下的经纬度和大地高。

[0105] 步骤6，为消除新椭球的工程区域法线方向与工程投影面垂线方向存在的偏差，即新椭球面与投影面间的倾斜角θ，以位置基准点P0为中心，分别绕赤道方向旋转角度θ1，同时T绕南北极方向旋转角度θ2，即θ＝[θ1θ2]。

[0106] 步骤7，在各控制点Pi处，确定大地高变化量与旋转角度分量之间的关系，然后根据各控制点的经纬度以及正常高，以旋转后大地高变化量最小为原则，构建式(13)、式(14)、式(15)、式(16)所示的误差方程(间接平差模型)。

[0107] 步骤8，根据最小二乘法对误差方程求解可求得旋转角度。

[0108] 步骤9，将各控制点的空间坐标按照求得的旋转角度进行旋转，求出旋转变换后的空间直角坐标。

[0109] 步骤10，将各控制点经旋转变换后的空间直角坐标按照新椭球参数a1、 转换为大地坐标。

[0110] 步骤11，将经过旋转变换的新椭球下各控制点的大地坐标(Bi新椭球、Li新椭球、Hi新椭球)按照工程区域制定的中央子午线、投影面高程等参数计算高斯平面直角坐标，并按照工程起算点固定坐标和固定坐标方位角进行“一点一方位”转换，求得工程独立坐标系下的坐标。

[0111] 在本实施例中还提供了一种适用施工测量控制网的工程椭球建立装置，该装置用于实现上述实施例及优选实施方式，已经进行过说明的不再赘述。如以下所使用的，术语“模块”可以实现预定功能的软件和/或硬件的组合。尽管以下实施例所描述的装置较佳地以软件来实现，但是硬件，或者软件和硬件的组合的实现也是可能并被构想的。

[0112] 本实施例提供一种适用施工测量控制网的工程椭球建立装置，如图3所示，包括：

[0113] 坐标获取模块31，用于建立参考椭球，获取工程区域的位置基准点、平面及高程控制点的大地坐标和正常高；

[0114] 新椭球建立模块32，用于基于大地坐标和正常高改变参考椭球的长半轴和偏心率，建立新椭球；

[0115] 转换模块33，用于将位置基准点、平面及高程控制点的大地坐标转换为新椭球下的大地坐标；

[0116] 倾斜角确定模块34，用于基于新椭球旋转时平面及高程控制点的大地坐标变化量的偏差确定新椭球工程区域椭球面与工程投影面之间的倾斜角；

[0117] 工程椭球建立模块35，用于基于倾斜角将平面及高程控制点旋转，并将旋转后平面及高程控制点在新椭球下的大地坐标进行转换，得到工程独立坐标系下的坐标，完成工程椭球建立。

[0118] 上述各个模块和单元的更进一步的功能描述与上述对应实施例相同，在此不再赘述。

[0119] 本发明实施例还提供一种计算机设备，具有上述图3所示的适用施工测量控制网的工程椭球建立装置。

[0120] 请参阅图4，图4是本发明可选实施例提供的一种计算机设备的结构示意图，如图4所示，该计算机设备包括：一个或多个处理器10、存储器20，以及用于连接各部件的接口，包括高速接口和低速接口。各个部件利用不同的总线互相通信连接，并且可以被安装在公共主板上或者根据需要以其它方式安装。处理器可以对在计算机设备内执行的指令进行处理，包括存储在存储器中或者存储器上以在外部输入/输出装置(诸如，耦合至接口的显示设备)上显示GUI的图形信息的指令。在一些可选的实施方式中，若需要，可以将多个处理器和/或多条总线与多个存储器和多个存储器一起使用。同样，可以连接多个计算机设备，各个设备提供部分必要的操作(例如，作为服务器阵列、一组刀片式服务器、或者多处理器系统)。图4中以一个处理器10为例。

[0121] 处理器10可以是中央处理器，网络处理器或其组合。其中，处理器10还可以进一步包括硬件芯片。上述硬件芯片可以是专用集成电路，可编程逻辑器件或其组合。上述可编程逻辑器件可以是复杂可编程逻辑器件，现场可编程逻辑门阵列，通用阵列逻辑或其任意组合。

[0122] 其中，存储器20存储有可由至少一个处理器10执行的指令，以使至少一个处理器10执行实现上述实施例示出的方法。

[0123] 存储器20可以包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作系统、至少一个功能所需要的应用程序；存储数据区可存储根据一种小程序落地页的展现的计算机设备的使用所创建的数据等。此外，存储器20可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非瞬时存储器，例如至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他非瞬时固态存储器件。在一些可选的实施方式中，存储器20可选包括相对于处理器10远程设置的存储器，这些远程存储器可以通过网络连接至该计算机设备。上述网络的实例包括但不限于互联网、企业内部网、局域网、移动通信网及其组合。

[0124] 存储器20可以包括易失性存储器，例如，随机存取存储器；存储器也可以包括非易失性存储器，例如，快闪存储器，硬盘或固态硬盘；存储器20还可以包括上述种类的存储器的组合。

[0125] 该计算机设备还包括通信接口30，用于该计算机设备与其他设备或通信网络通信。

[0126] 本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，上述根据本发明实施例的方法可在硬件、固件中实现，或者被实现为可记录在存储介质，或者被实现通过网络下载的原始存储在远程存储介质或非暂时机器可读存储介质中并将被存储在本地存储介质中的计算机代码，从而在此描述的方法可被存储在使用通用计算机、专用处理器或者可编程或专用硬件的存储介质上的这样的软件处理。其中，存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体、随机存储记忆体、快闪存储器、硬盘或固态硬盘等；进一步地，存储介质还可以包括上述种类的存储器的组合。可以理解，计算机、处理器、微处理器控制器或可编程硬件包括可存储或接收软件或计算机代码的存储组件，当软件或计算机代码被计算机、处理器或硬件访问且执行时，实现上述实施例示出的方法。

[0127] 本发明的一部分可被应用为计算机程序产品，例如计算机程序指令，当其被计算机执行时，通过该计算机的操作，可以调用或提供根据本发明的方法和/或技术方案。本领域技术人员应能理解，计算机程序指令在计算机可读介质中的存在形式包括但不限于源文件、可执行文件、安装包文件等，相应地，计算机程序指令被计算机执行的方式包括但不限于：该计算机直接执行该指令，或者该计算机编译该指令后再执行对应的编译后程序，或者该计算机读取并执行该指令，或者该计算机读取并安装该指令后再执行对应的安装后程序。在此，计算机可读介质可以是可供计算机访问的任意可用的计算机可读存储介质或通信介质。

[0128] 虽然结合附图描述了本发明的实施例，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下做出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。