徐立軍

(遼寧省水利水電勘測設計研究院,遼寧 沈陽 110006)

GPS技術在水庫施工控制網(wǎng)測量中的應用

徐立軍

(遼寧省水利水電勘測設計研究院,遼寧 沈陽 110006)

本文結合在錦凌水庫樞紐工程施工控制網(wǎng)測量中得到的C級GPS網(wǎng)測量成果，對施工控制網(wǎng)的布網(wǎng)方案、施測方法、平差計算及精度分析做了詳細的介紹，并對該控制網(wǎng)成果進行了分析。詳細論述GPS網(wǎng)的測量精度，并提出GPS定位技術用于高等級施工控制網(wǎng)測量的方法和注意事項。

觀測墩；施工控制網(wǎng)；基線解算；高程控制

錦凌水庫壩址位于小凌河流域錦州段，地理坐標為東經(jīng)120°57′～121°03′，北緯41°05′～41°08′，距錦州市區(qū)約10 km。壩址右岸位于后山屯，壩址左岸位于沙河營。作業(yè)區(qū)地形為丘陵區(qū)，灘地和林地較多，耕地較少，為中等復雜地區(qū)，土質(zhì)多為壤土，凍土深度為1.2～1.4 m。GPS定位技術具有速度快、精度高的優(yōu)點，在數(shù)據(jù)后處理過程中處理方法要求嚴謹、科學。結合GPS技術應用于錦凌水庫樞紐工程施工控制網(wǎng)測量的經(jīng)驗，提出GPS定位技術用于高等級施工控制網(wǎng)測量的注意事項。

1 選點與造標

GPS網(wǎng)點圖形結構比較靈活，但若選點不當，可能會造成衛(wèi)星信號被遮擋或受到干擾，多路徑效應發(fā)生“共振”，相位觀測中“周跳”頻繁發(fā)生等弊病，即使延長觀測時間也于事無補。故選好點位是提高GPS觀測精度、保證成果可靠性、使觀測工作能夠順利進行的重要環(huán)節(jié)。

為滿足錦凌水庫樞紐工程施工測量的需要，建造了五個觀測墩和三個水準點，且利用了一個錦州市水利局原有的標志點。建造的所有GPS點和水準點均現(xiàn)場澆筑鋼筋混凝土，選用圓柱體模板，在觀測墩上安裝強制對中基盤(四川省新都飛翔測繪工具廠生產(chǎn)的F-1A型基盤，最大對中誤差小于0.05 mm)，標石的底座和標體澆筑成了剛體。該地區(qū)的凍土極值深度為1.4 m。根據(jù)“中國凍土極值深度等值線圖”和實地的具體情況，JL2、JS1、JS3標石埋深為1.6 m，其余均挖到基巖為止。標石制作情況見圖1。

2 GPS控制網(wǎng)建立

2.1 技術要求

施工控制網(wǎng)等級：C級，平面坐標系統(tǒng)：1954年北京坐標系， 120°00′00″，高斯投影，3°分帶。

2.2 GPS控制網(wǎng)布設方案

在壩址兩端各布設一個控制點，在壩址的上游布設一個控制點，下游布設2個控制點，共5個，且每個點之間都通視，加上兩個起算點和一個校核點共8個點，點位之間最大距離為7.1 km，最小距離為0.45 km，平均距離為2.4 km。在選點的過程中，嚴格遵守《全球定位系統(tǒng)(GPS)測量規(guī)范》“7.2 點位基本要求”中的相關要求， 將華山HS(Ⅰ)及梁家窩棚LJWP(Ⅰ)聯(lián)測到網(wǎng)中，作為起算點，把蒼和山CHS(Ⅱ)聯(lián)測到網(wǎng)中，作為校核點?？刂凭W(wǎng)按邊聯(lián)式原則進行布網(wǎng)，網(wǎng)中點上至少有三條基線通過，總觀測量為必要觀測量的2.2倍，大于《工程測量規(guī)范》規(guī)定的1.5倍。平面控制網(wǎng)的布設不僅滿足本次工程測量，還為以后大壩變形觀測工作打下基礎?？刂凭W(wǎng)示意圖見圖2。

圖1 觀測墩、水準點示意圖

圖2 錦凌水庫施工控制網(wǎng)GPS網(wǎng)示意圖

2.3 施工控制網(wǎng)的外業(yè)觀測

施工控制網(wǎng)按C級精度施測，即全網(wǎng)最弱相鄰點邊長相對中誤差不大于1/12萬，約束點間的邊長相對中誤差不大于1/25萬。外業(yè)觀測采用南方靈銳S86T雙頻GPS衛(wèi)星接收機來進行，GPS觀測采用靜態(tài)相對定位方式[1]。GPS作業(yè)基本情況見表1。

表1 GPS作業(yè)基本情況表

共觀測了6個時段，JL1、JL5、JL2、JL4重復設站4次，CHS、JL3、HS、LJWP重復設站2次，觀測時段數(shù)=3，大于《全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)GPS測量規(guī)范》中對C級網(wǎng)時段數(shù)要求，且每個點的設站數(shù)至少為2次。

2.4 數(shù)據(jù)處理

2.4.1 GPS基線解算

基線解算之前，首先對外業(yè)采集數(shù)據(jù)進行全面的檢查，包括測站名、天線高輸入是否準確、衛(wèi)星信號是否異常、有效的觀測時段是否滿足等。

基線解算采用Leica GPS后處理軟件LEICA Geo Office Combined V7.0進行，選用廣播星歷，雙頻相位觀測值，GPS網(wǎng)基線結果采用雙差固定解。本控制網(wǎng)觀測共取得具有雙差固定解的基線36條。在進行基線初步檢驗過程中，剔除精度不好的基線，將剩余基線32條形成“錦凌水庫.asc”基線文件調(diào)入CosaGPS V6.0平差軟件繼續(xù)進行數(shù)據(jù)檢核及平差計算。

2.4.2 數(shù)據(jù)檢核

數(shù)據(jù)檢核在CosaGPS平差軟件中進行。

GPS相鄰點間弦長精度用下式表示：

(1)

式(1)中：σ為基線長度中誤差，mm；a為固定誤差，mm；b為比例誤差系數(shù)，mm/km；d為基線平均長度，km。

本工程中a=5 mm，b=1 mm/km，σ依據(jù)各基線的平均長度d分別計算。

(1)重復觀測邊的檢核

(2)異步觀測環(huán)檢核

本控制網(wǎng)中共有異步環(huán)8個。

GPS網(wǎng)中的異步環(huán)的坐標分量閉合差和全長閉合差應滿足下式：

(2)

式(2)中：W(x、y、z)為各坐標分量閉合差；n為閉合環(huán)邊數(shù)；σ意義同前。

由此可得出結論，本網(wǎng)所有W(x、y、z)、WS檢核項都滿足限差要求。

2.4.3 控制網(wǎng)中誤差計算

按照《工程測量規(guī)范》(GB50026—2007)規(guī)定，GPS控制網(wǎng)需要對全網(wǎng)整體的觀測精度進行評價。

施工控制網(wǎng)平均邊長：3215m計算，σ=5.9mm，計算m=1.4mm。 顯然，m ≤σ，完全滿足工程測量規(guī)范規(guī)定。

3 平差計算

3.1WGS-84坐標系三維無約束網(wǎng)平差

采用軟件CosaGPSV6.0平差軟件進行GPS網(wǎng)三維無約束平差，求出網(wǎng)中各點在WGS-84坐標系下的地方三維坐標，各基線向量改正數(shù)和精度信息。無約束平差基線分量改正數(shù)的絕對值(V△x、V△y、V△z)滿足下式：

(3)

三維無約束平差后的結果顯示：基線分量改正數(shù)絕對值與限差之差(V(△x、△y、△z)- 3σ)最大值為-1.1cm(JL1-JL2)(基線長772.1m)，限差為1.5cm滿足限差要求。

由此可推斷出本網(wǎng)其他的基線分量的改正數(shù)絕對值都可以滿足各自限差的要求。邊長相對中誤差最低值1/114.1萬，最弱點點位中誤差為2.1mm(HS)。

3.2 1954年北京坐標系二維約束平差

首先對采用的HS、LJWP兩個起算點進行檢核，即HS-LJWP基線向量邊長投影至高斯平面邊長與北京54坐標系下坐標反算邊長進行比較，兩點之間邊長相對中誤差為1/45萬，小于1/25萬，所以采用HS、LJWP作為起算點。邊長相對中誤差最低值1/108.5萬，最弱點點位中誤差為1.2mm(HS) 。

3.3 工程坐標計算

錦凌水庫壩址地區(qū)的地理坐標范圍在東經(jīng)120°57′～121°03′，北緯41°05′～41°08′。測區(qū)高程異常值53.5m，壩頂高程為66.8m，地面高程為32m，相對于120°中央子午線來說，測區(qū)內(nèi)由高斯投影引起的變形約為1/1.5萬>1/4萬，顯然由高斯投影引起的變形量較大，對壩址的施工控制極為不利。為減少此類變形的影響，滿足施工放樣的要求，經(jīng)過多重比較，將中央子午線調(diào)整至120°33′00″，測區(qū)內(nèi)由高斯投影引起的變形約為1/8萬，完全滿足施工控制的要求。

4 平面控制成果比較

采用徠卡TS30(測角精度：0.5″ ，測距精度：1mm+1ppm)測量施工控制點邊長與GPS基線邊長進行比較，來檢查施工控制網(wǎng)的可靠性。比較結果見表2。

徠卡TS30測量施工控制點平距與GPS測量施工控制點工程坐標邊長相對中誤差最低值1/41.9萬，完全滿足施工精度要求。

5 高程控制測量

高程控制采用1985國家高程基準，采用二等幾何水準的方式進行測量。施測前，對水準儀進行了i角檢驗，最大值為6.2″，最小值為3.3″(限差15″)。水準測量采用單路線往返觀測法測量，布設二個水準網(wǎng)聯(lián)測所有控制點。水準網(wǎng)平差計算采用現(xiàn)代測量控制網(wǎng)測量數(shù)據(jù)處理通用軟件包COSA-CODAPSVersion6.0。水準網(wǎng)一的每公里偶然中誤差MΔ=0.8mm，全中誤差Mw=1.7mm。水準網(wǎng)二的每公里偶然中誤差MΔ=0.9mm，全中誤差Mw=3.3mm。

表2 徠卡TS30測量邊長與GPS基線邊長比較

6 結論及建議

(1)高精度施工控制網(wǎng)的控制點應埋設具有強制歸心裝置的混凝土觀測墩，設置在地基穩(wěn)定且能長期保存的地方。

(2)GPS技術是一種建立高精度平面施工控制網(wǎng)的最佳方法，節(jié)約測量成本，提高工作效率。同時為后期大壩變形觀測提供基礎數(shù)據(jù)。

(3)施工控制網(wǎng)各項觀測結束后，應根據(jù)控制網(wǎng)測量類型進行各項限差的驗算，通過后，進行嚴密平差。

(4)測區(qū)條件復雜，存在衛(wèi)星信號受遮擋、電磁干擾等情況，可采用徠卡TS30檢查GPS網(wǎng)的可靠性。

[1] 中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局，中國國家標準化管理委員會.全球定位系統(tǒng)(GPS)測量規(guī)范：GB/T 18314—2009[S]. 北京：中國標準出版社，2009.

[2] 中華人民共和國水利部.水利水電工程測量規(guī)范：SL 197-2013[S].北京：中國水利水電出版社，2013.

The Application of GPS technology in control network measurement of the reservoir construction

XU Lijun

(LiaoningProvinceInvestigationDesignandResearchInstituteofWaterConservancyandHydropower，Shenyang110006，China)

In this paper,combined with the Jinling reservoir control network construction survey obtained in the C-class GPS network measurement results, the control network of distribution network solutions, measurement method, adjustment calculation and precision analysis made a detailed presentation, and the net results of the control were analyzed. Using the obtained results and adjusted GPS-RTK technology to do section measurements and mapping of Daling river.The measurement accuracy of GPS network is discussed in detail,and the methods and precautions of GPS positioning technology for high-grade construction control network measurement are proposed.

observation pier；construction control network；baseline solution；vertical control

徐立軍(1983-)，男，工程師，主要從事水利工程測量工作。

P228.4；TV221.1

A

2096-0506(2016)12-0037-04