董永剛

（遼寧省水利水電勘測設(shè)計研究院，遼寧沈陽 110006）

GPS控制網(wǎng)及坐標(biāo)轉(zhuǎn)換方法在水庫流域控制中的應(yīng)用

董永剛

（遼寧省水利水電勘測設(shè)計研究院，遼寧沈陽 110006）

文中資詳細(xì)探討了GPS控制測量、高程控制測量的一般技術(shù)要求，從測量精度、可靠性、經(jīng)濟(jì)性等方面選擇最優(yōu)設(shè)計方案來進(jìn)行控制測量的布設(shè)。并結(jié)合遼寧省湯河水庫控制網(wǎng)測量工程，確定了最優(yōu)的測量方案，分析了其控制測量的平面控制網(wǎng)布置型式和高程控制網(wǎng)布置型式，為同類測量工程提供有益借鑒。

GPS控制網(wǎng)；平面控制測量；高程控制測量；坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

1 概 況

控制測量是指在待測區(qū)內(nèi)，根據(jù)測量目的不同采用不同要求的精度，測定待測區(qū)域內(nèi)一系列控制點的平面位置和高程，從而建立測量控制網(wǎng)，是各項測量工作的依據(jù)。水庫流域基本控制測量需根據(jù)區(qū)域規(guī)模、原有國家大地控制網(wǎng)的情況、區(qū)域規(guī)劃需要等合理確定控制網(wǎng)的等級。其基本控制的布設(shè)應(yīng)在國家大地控制網(wǎng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行布設(shè)，應(yīng)統(tǒng)一設(shè)計、分級布設(shè)、整體實施，按精度、可靠性、經(jīng)濟(jì)性等選擇最優(yōu)設(shè)計方案?？刂茰y量分為平面控制網(wǎng)和高程控制網(wǎng)。

不同坐標(biāo)系之間坐標(biāo)轉(zhuǎn)換主要是根據(jù)同時擁有種坐標(biāo)系坐標(biāo)的大地點的情況，選擇適當(dāng)?shù)闹睾宵c，利用所選重合點的種坐標(biāo)系的坐標(biāo)，采用適當(dāng)?shù)淖鴺?biāo)轉(zhuǎn)換模型計算兩坐標(biāo)系之間的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參烽，實現(xiàn)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。

2 平面控制測量

常規(guī)的平面控制網(wǎng)的方法為三角測量法、導(dǎo)線測量法、三邊測量法以及邊角同測法。GPS測量以其觀測簡便、精度高、速度快、費用省、全天候等優(yōu)點現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于我國大地測量領(lǐng)域。

GPS平面控制網(wǎng)分為A，B，C，D，E等5級。

A級GPS網(wǎng)由衛(wèi)星定位連續(xù)運行基準(zhǔn)站構(gòu)成，用于建立國家一等大地控制網(wǎng)，進(jìn)行全球性的地球運力學(xué)研究、地殼形變測量和衛(wèi)星精密定軌測量；B級GPS測量主要用于建立國家二等大地控制網(wǎng)，建立地方和城市坐標(biāo)基準(zhǔn)框架、區(qū)域性的地球動力學(xué)研究、地殼形變測量和各種精密工程測量等；C級GPS測量有于建立三等大地控制網(wǎng)，以及區(qū)域、城市及工程測量的基本控制網(wǎng)等；D級GPS測量用于建立四等大地控制網(wǎng)；E級GPS測量用于測圖、施工等控制測量。各等級邊長和精度見表1。

表1 GPS各級別精度指標(biāo)

3 高程控制測量

測定控制點高程的工作稱為高程控制測量，高程控制網(wǎng)現(xiàn)多用水準(zhǔn)測量方法建立，按精度分為一、二、三、四等水準(zhǔn)測量。一等水準(zhǔn)測量是國家高程控制的骨干，同時也是研究地殼和地面垂直移動及有關(guān)科學(xué)研究的主要依據(jù)。二等水準(zhǔn)路線是國家高程的全面基礎(chǔ)，在一等水準(zhǔn)布設(shè)。三四等水準(zhǔn)網(wǎng)是在一、二等水準(zhǔn)網(wǎng)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步加密，根據(jù)需要在高等級水準(zhǔn)網(wǎng)內(nèi)布設(shè)成附合路線、環(huán)線或結(jié)點網(wǎng)，直接提供地形測圖和各種工程建設(shè)的高程控制點。

單獨的三等附合路線，長度不超過150 km；環(huán)線周長應(yīng)不超過200 km；單獨的四等附合路線，長度應(yīng)不超過80 km；環(huán)線周長應(yīng)不超過100 km；山地等特殊困難地區(qū)可適當(dāng)放寬，但不宜大于上述各指標(biāo)的1.5倍。

各等級每千米水準(zhǔn)測量的偶然中誤差M△和每千米水準(zhǔn)測量的全中誤差MW不得超過表2的數(shù)值。

表2 各等級每千米水準(zhǔn)測量的偶然中誤差和全中誤差mm

4 工程案例

4.1 工程概況

遼寧省湯河水庫是建筑在太子河的主要支流之一的湯河主段上，東湯河與西湯河交匯為湯河，處于群山圍繞之地，是遼陽無污染的水庫之一。湯河為外遼河之太子河的一大支流，該河由上游東、西兩支河流匯成。西支發(fā)源于吉洞峪鄉(xiāng)寒家?guī)X；東支又分為東西兩股，東股發(fā)源于河欄鎮(zhèn)樣子嶺山，西股發(fā)源于遼陽縣塔子嶺鄉(xiāng)熊洞溝和吉洞峪鄉(xiāng)宋家?guī)X山下。東西兩支于壩址前龍山腳下匯合，形成湯河干流，流經(jīng)小屯鎮(zhèn)西雙村注入太子河。流徑全程50.9 km。為滿足湯河水庫社會經(jīng)濟(jì)調(diào)查等任務(wù)的需要，現(xiàn)對其進(jìn)行控制網(wǎng)測量。

4.2 控制測量設(shè)計

4.2.1 現(xiàn)有資料

1）測區(qū)國家1∶5萬地形圖。

2）收集到渾河、太子河、大遼河C級GPS網(wǎng)測量成果，平面控制測量擬采用該控制網(wǎng)中的婁山（LS）、TH3和HJ4作為起算點。該網(wǎng)的數(shù)據(jù)成果包括1954年北京坐標(biāo)系、1980西安坐標(biāo)系、WGS84坐標(biāo)系、2000國家大地坐標(biāo)系。

3）收集到國家水準(zhǔn)點I遼本6、I遼本10在測區(qū)的上游，距測區(qū)最近距離約30 km。擬作為高程起算點。高程系統(tǒng)采用1985國家高程基準(zhǔn)。

4.2.2 控制網(wǎng)的精度選定

為湯河水庫社會經(jīng)濟(jì)調(diào)查可能采用的最大測圖比例尺為1∶500，平面控制網(wǎng)的精度要滿足比例尺測圖的要求，平面控制網(wǎng)最弱點的點位中誤差不得超過圖上±0.1 mm，即實地±5 cm，這一數(shù)值可作為平面控制網(wǎng)精度設(shè)計的依據(jù)。高程控制網(wǎng)最弱點的高程中誤差不得大于1/10等高距，等高距按0.5 m計算，即50 mm，這一數(shù)值可作為高程控制網(wǎng)的精度設(shè)計依據(jù)。

D級和E級GPS網(wǎng)相鄰點基線分量中誤差均為20 mm，相鄰點間平均距離分別為5 km和3 km，精度均滿足要求，通過經(jīng)濟(jì)性等比較，選定D級作為項目的平面控制網(wǎng)精度等級。

高程控制受附合導(dǎo)線距離的限制，選定為三等。

4.3 GPS平面控制網(wǎng)設(shè)計

平面控制測量共布設(shè)6個點，如圖1所示，控制點分別為點LS、點TH3、點HJ4和點TT1到點TT6。共分兩組進(jìn)行靜態(tài)觀測，每一組為LS、TH3、遼本6、遼本11、TT1、TT5，第二組為TT1，TT5，TT2，TT3，TT4，HJ4。TT1～TT5作為重復(fù)邊，兩組以邊連接組成控制網(wǎng)。

圖1 湯河水庫GPS控制網(wǎng)圖

高程控制測量Ⅲ等水準(zhǔn)約100 km，布設(shè)型式如圖2所示。

4.3.1 GPS網(wǎng)觀測時的基本要求

1）最少觀測衛(wèi)星數(shù)4顆；

2）采樣間隔30 s；

3）觀測模式：靜態(tài)觀測；

4）觀測衛(wèi)星截止高度角：10°；

5）坐標(biāo)和時間系統(tǒng)：WGS-84，UTC；

圖2 湯河水庫水準(zhǔn)線路圖

6）觀測時段及時長：時段數(shù)大于等于1.6個時段，每個時段長度大于等于1 h；

7）觀測設(shè)備：雙頻大地型GPS接收機；

8）觀測方案：采用同步環(huán)邊連接GPS靜態(tài)相對定位觀測模式，6臺儀器進(jìn)行觀測。

4.3.2 數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查及網(wǎng)平差

觀測結(jié)束后，采用專業(yè)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查，檢查的內(nèi)容包括：

1）觀測衛(wèi)星總數(shù)；

2）數(shù)據(jù)可利用率不小于80%；

3）L1、L2頻率的多路徑效應(yīng)影響MP1，MP2小于0.5 m。

4）GPS接收機釧的日頻穩(wěn)定性不低于10-8。

經(jīng)基線向量提取、三維無約束平差、約束平差后進(jìn)行質(zhì)量分析，精度符合規(guī)范要求。并計算出1980西安坐標(biāo)系、WGS84坐標(biāo)系、2000國家大地坐標(biāo)系共3套坐標(biāo)。

4.4 高程控制設(shè)計

布設(shè)1條三等水準(zhǔn)附合路線，以國家水準(zhǔn)點I等遼本6、I等遼本10作為起算點，聯(lián)測所有埋石點，路線總長約100 km，經(jīng)平差計算，達(dá)到限差要求，過程在此不多述。具體水準(zhǔn)線路，見圖2。

5 三維七參數(shù)轉(zhuǎn)換

由于水庫流域社會經(jīng)濟(jì)調(diào)查范圍廣、分散，多采用RTK進(jìn)行外業(yè)數(shù)據(jù)的采集，而RTK采集的高程為大地高H，我國采用的高程系統(tǒng)為正常高系統(tǒng)h（1985黃海高程系統(tǒng)），兩系統(tǒng)間存在高程異常（ξ=H-h）。為了滿足后期測繪工作的需要，對測區(qū)進(jìn)行了三維七參數(shù)的求定工作，將RTK的實測高程轉(zhuǎn)化為正常高系統(tǒng)，為外業(yè)實地數(shù)據(jù)采集創(chuàng)造有利條件。

目前使用最廣的三維七參數(shù)轉(zhuǎn)換模型為布爾沙(Bursa)模型，該模型為三維模型，在空間直角坐標(biāo)中，兩坐標(biāo)系之間存在嚴(yán)密的轉(zhuǎn)換模型，不存在模型誤差和投影變形誤差，適合于任何區(qū)域的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的步驟：

1）收集、整理轉(zhuǎn)換區(qū)域內(nèi)重合點成果（三維坐標(biāo)）；

2）分析、選取用于計算坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)的重合點；

3）確定坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)的計算方法與坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模型；

4）兩坐標(biāo)系下重合點坐標(biāo)形式的轉(zhuǎn)換；

5）根據(jù)確定的轉(zhuǎn)換方法與轉(zhuǎn)換模型計算坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)。

6 結(jié) 語

對于水庫流域的控制測量應(yīng)根據(jù)經(jīng)濟(jì)性、實用性等選擇最優(yōu)的測量方案，其平面控制測量和高程控制測量等級應(yīng)根據(jù)流域大小合理選擇，控制網(wǎng)應(yīng)按其精度要求等合理布設(shè)。本文通過湯河水庫控制網(wǎng)測量工程給出了水庫流域控制測量的方案選擇方法以及控制網(wǎng)布設(shè)的優(yōu)化設(shè)計，有利于同類測量工程的借鑒應(yīng)用。

［1］張正祿.工程測量學(xué)［M］.武漢：武漢大學(xué)出版社，2005.

［2］孔祥元，郭際明，劉宗泉．大地測量學(xué)基礎(chǔ)［M］．武漢：武漢大學(xué)出版社，2005.

［3］孫磊.現(xiàn)代測繪技術(shù)在南水北調(diào)東線濟(jì)平干渠工程中的應(yīng)用研究［D］.山東大學(xué)，2009.

［4］劉宏，楊波，戴超.GPS技術(shù)在圍海造地工程控制測量中的應(yīng)用［A］.地理信息與物聯(lián)網(wǎng)論壇暨江蘇省測繪學(xué)會2010年學(xué)術(shù)年會論文集［C］.2010.

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2016-07-22