水利工程GPS平面控制測量技術(shù)要求的確定

向垂規(guī)

(云南省紅河州水利水電勘察設(shè)計研究院，云南蒙自 661100)

1 引言

目前，GPS測量技術(shù)在水利工程測量領(lǐng)域已得到廣泛應(yīng)用，是進(jìn)行控制測量的主要方法。進(jìn)行水利工程控制測量時，涉及到GPS控制測量技術(shù)要求的規(guī)范主要有:《全球定位系統(tǒng)(GPS)測量規(guī)范》(GB/T 18314—2009)、《工程測量規(guī)范》(GB 50026—2007)、《水利水電工程測量規(guī)范》(SL 197—2013)、《水電水利工程施工測量規(guī)范》(DL/T 5173—2003)。然而，四種規(guī)范對GPS測量的技術(shù)要求及等級分類不一致，進(jìn)行水利工程控制測量的技術(shù)設(shè)計、施測、成果解算及精度評定時，測量人員由于選用過高或過低的技術(shù)要求，而導(dǎo)致控制測量成果精度過高浪費(fèi)成本，或精度過低不能滿足實(shí)際需要。本文結(jié)合中小型水利工程平面控制測量的實(shí)踐，對四種規(guī)范中GPS平面控制測量技術(shù)要求的內(nèi)容進(jìn)行了對比分析，以便在工程應(yīng)用中能選用合適的技術(shù)要求進(jìn)行數(shù)據(jù)處理及成果精度分析。

2 四種規(guī)范中GPS測量的技術(shù)要求

2.1 全球定位系統(tǒng)(GPS)測量規(guī)范［1］

《全球定位系統(tǒng)(GPS)測量規(guī)范》適用于國家和局部GPS控制網(wǎng)的設(shè)計、布設(shè)和數(shù)據(jù)處理，按精度和用途分為 A、B、C、D、E 五個等級，涉及工程測量的有 C、D、E級。其中，C級GPS測量主要用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);D級GPS測量主要用于建立四等大地控制網(wǎng);E級GPS測量主要用于測圖、施工等控制測量。布網(wǎng)時測區(qū)范圍內(nèi)點(diǎn)位應(yīng)均勻分布，相鄰點(diǎn)間最大距離不應(yīng)超過該網(wǎng)平均點(diǎn)間距的2倍，各等級GPS網(wǎng)的主要技術(shù)指標(biāo)見表1。

表1 全球定位系統(tǒng)(GPS)測量規(guī)范中各等級GPS網(wǎng)的主要技術(shù)要求

2.2 工程測量規(guī)范［2］

《工程測量規(guī)范》主要用于大、中型工程測量項(xiàng)目的控制測量，規(guī)范中GPS測量按精度分為二等、三等、四等、一級、二級五個等級。進(jìn)行中、小型工程測圖或施工GPS控制測量時可采用四等及以下等級。各等級GPS網(wǎng)的主要技術(shù)指標(biāo)見表2。

表2 工程測量規(guī)范中各等級GPS網(wǎng)的主要技術(shù)要求

2.3 水利水電工程測量規(guī)范［3］

《水利水電工程測量規(guī)范》主要針對水利水電工程測量，可用于大、中型水利工程測量項(xiàng)目的控制測量。該規(guī)范是2013年版，現(xiàn)時性最好，其中GPS測量按精度分為二等、三等、四等、五等、圖根五個等級，進(jìn)行中、小型水利工程測圖及施工控制測量時可采用四等及以下等級。布網(wǎng)時相鄰點(diǎn)最小距離不應(yīng)小于平均點(diǎn)間距的1/3，最大距離不應(yīng)大于平均點(diǎn)間距的3倍，各等級GPS網(wǎng)的主要技術(shù)指標(biāo)見表3。

表3 水利水電工程測量規(guī)范中各等級GPS網(wǎng)的主要技術(shù)要求

2.4 水電水利工程施工測量規(guī)范［4］

《水電水利工程施工測量規(guī)范》主要用于水電水利工程施工階段的GPS控制測量，按相鄰點(diǎn)的平均距離和精度分為二等、三等、四等三個等級。布網(wǎng)時相鄰點(diǎn)間最小距離可取平均距離的1/2～1/3，最大距離可取平均距離的2～3倍。對于中型水電水利工程，GPS網(wǎng)平差后，首級平面控制網(wǎng)的點(diǎn)位中誤差應(yīng)滿足±(7～10)mm，各等級GPS網(wǎng)的主要技術(shù)指標(biāo)見表4。

表4 水電水利工程施工測量規(guī)范中各等級GPS網(wǎng)的主要技術(shù)要求

3 水利工程GPS平面控制網(wǎng)平差流程

應(yīng)用GPS靜態(tài)測量建立平面控制網(wǎng)，得到基于WGS—84大地坐標(biāo)系中的基線向量，通過基線解算及引入?yún)⒄兆鴺?biāo)系的起算數(shù)據(jù)進(jìn)行網(wǎng)平差計算，可得到參照坐標(biāo)系中的平面坐標(biāo)［5］。GPS控制網(wǎng)的靜態(tài)數(shù)據(jù)處理采用南方測繪GNSS4.4數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行時，主要計算步驟包括:?工程項(xiàng)目的建立;?導(dǎo)入原始觀測數(shù)據(jù);?外業(yè)數(shù)據(jù)的檢查與修改;?基線解算及質(zhì)量檢查;?平差計算(無約束平差和約束平差計算)及精度分析與評定;?平差成果輸出。下面就涉及技術(shù)要求選擇的幾個步驟說明如下。

3.1 控制網(wǎng)等級參數(shù)的設(shè)置

建立工程項(xiàng)目時首先要進(jìn)行控制網(wǎng)的等級、坐標(biāo)系統(tǒng)的橢球參數(shù)、投影參數(shù)及項(xiàng)目名稱等項(xiàng)的設(shè)置。如下圖所示，由于該軟件控制網(wǎng)等級列表中沒有水利工程測量GPS控制網(wǎng)等級選項(xiàng)，所以在控制網(wǎng)等級設(shè)置時可根據(jù)軟件中的列表選擇其他相近的等級參數(shù)，或根據(jù)水利工程控制測量的規(guī)范要求進(jìn)行自定義設(shè)置固定誤差a、比例誤差b、最弱邊相對中誤差及平均距離。

南方測繪GNSS4.4數(shù)據(jù)處理軟件中控制網(wǎng)等級設(shè)置圖

3.2 外業(yè)觀測數(shù)據(jù)的質(zhì)量檢查

3.2.1 基線長度中誤差

基線長度中誤差是衡量相鄰點(diǎn)基線長度觀測精度的標(biāo)準(zhǔn)差，在四種規(guī)范中都用下式表示。

式中 σ——基線長度中誤差，mm;

a——固定誤差，mm;

b——比例誤差系數(shù)，mm/km;

D ——平均邊長，km。

各規(guī)范中不同等級的a、b限差值不同，實(shí)踐中a、b值一般取儀器的標(biāo)稱精度或在標(biāo)稱精度和限差值之間取值，D值取控制網(wǎng)中的平均邊長。

3.2.2 閉合環(huán)質(zhì)量檢查

閉合環(huán)包括同步環(huán)和異步環(huán)，是檢驗(yàn)基線質(zhì)量、控制網(wǎng)布網(wǎng)粗差的指標(biāo)。四種規(guī)范對閉合環(huán)的坐標(biāo)分量限差及全長閉合差限差都不相同，具體介紹如下:

在《全球定位系統(tǒng)(GPS)測量規(guī)范》中，規(guī)定異步環(huán)坐標(biāo)閉合差Ws和各坐標(biāo)分量閉合差(Wx、Wy、Wz)應(yīng)滿足公式(2)要求，同步環(huán)閉合差應(yīng)滿足公式(4)的要求。

在《水利水電工程測量規(guī)范》中，規(guī)定異步環(huán)各坐標(biāo)分量閉合差及環(huán)線全長閉合差滿足公式(2)要求，而對于同步環(huán)各坐標(biāo)分量閉合差的限差值為異步環(huán)閉合差限差值的1/2。

在《工程測量規(guī)范》中，規(guī)定異步環(huán)各坐標(biāo)分量閉合差及環(huán)線全長閉合差滿足公式(3)的要求，同步環(huán)各坐標(biāo)分量閉合差及環(huán)線全長閉合差滿足公式(5)的要求。

在《水電水利工程施工測量規(guī)范》中，規(guī)定異步環(huán)各坐標(biāo)分量閉合差及環(huán)線全長閉合差滿足公式(3)的要求，而對于同步環(huán)坐標(biāo)分量及環(huán)線全長閉合差的限差為固定值，如表5所列。

式中 n——閉合環(huán)邊數(shù)(南方GNSS數(shù)據(jù)處理軟件中閉合環(huán)均由三條基線邊組成);

σ——基線長度中誤差，mm;

表5 水電水利工程施工測量規(guī)范中同步環(huán)坐標(biāo)分量及環(huán)線全長閉合差的規(guī)定

在水利工程GPS控制測量時閉合環(huán)質(zhì)量檢查可按《水利水電工程測量規(guī)范》要求進(jìn)行，兼顧《水電水利工程施工測量規(guī)范》中同步環(huán)坐標(biāo)分量及環(huán)線全長閉合差限差的規(guī)定。

3.2.3 重復(fù)基線長度較差

重復(fù)基線的長度較差和重復(fù)基線相對誤差是衡量基線質(zhì)量的一個必要的因素，在四種規(guī)范中重復(fù)基線長度較差均應(yīng)滿足公式(6)的要求

式中 σ——基線長度中誤差，mm;

Δd——兩次觀測基線的長度較差。

3.2.4 控制網(wǎng)觀測精度評定

在《工程測量規(guī)范》中，對外業(yè)觀測數(shù)據(jù)校驗(yàn)合格后，要依據(jù)公式(7)對GPS網(wǎng)的觀測精度進(jìn)行評定，得到控制網(wǎng)的測量中誤差m值，并滿足m≤σ，而其他規(guī)范中無此要求。進(jìn)行中小型水利工程GPS控制測量時，可參照此公式進(jìn)行控制網(wǎng)觀測精度的評定。

式中 m——控制網(wǎng)的測量中誤差，mm;

N——控制網(wǎng)中異步環(huán)的個數(shù);

n——異步環(huán)的邊數(shù);

W——異步環(huán)環(huán)線全長閉合差。

3.3 平差計算

基線向量檢驗(yàn)合格后，可進(jìn)行無約束平差和約束平差。無約束平差用來評定GPS網(wǎng)的內(nèi)符合精度和粗差探測，而約束平差則能夠確定點(diǎn)在指定參照系下的坐標(biāo)。

3.3.1 無約束平差

無約束平差通常在WGS—84大地坐標(biāo)系中進(jìn)行，采用的觀測量為GPS基線向量，除了引入一個提供位置基準(zhǔn)信息的起算點(diǎn)坐標(biāo)外，不再引入其他的外部起算數(shù)據(jù)。在四種規(guī)范中，無約束平差時，基線向量的改正數(shù)絕對值 (VΔX、VΔY、VΔZ)可按《全球定位系統(tǒng)(GPS)測量規(guī)范》的規(guī)定滿足公式(8)的要求。

VΔX≤ 3σ VΔY≤ 3σ VΔZ≤ 3σ (8)

式中 σ——基線長度中誤差，mm。

3.3.2 約束平差

GPS約束平差可實(shí)現(xiàn)GPS控制網(wǎng)與用戶坐標(biāo)之間的轉(zhuǎn)換，平差時，對已知點(diǎn)坐標(biāo)、已知距離和已知方位，可以強(qiáng)制約束，也可以加權(quán)約束，平差結(jié)果輸出觀測點(diǎn)在相應(yīng)坐標(biāo)系中的三維或二維坐標(biāo)、基線向量改正數(shù)、基線邊長、方位、轉(zhuǎn)換參數(shù)及其精度信息。在四種規(guī)范中，約束平差時，基線分量的改正數(shù)與經(jīng)過粗差剔除后的無約束平差結(jié)果的同一基線相應(yīng)改正數(shù)較差的絕對值(dVΔX、dVΔY、dVΔZ)可按《全球定位系統(tǒng)(GPS)測量規(guī)范》的規(guī)定滿足公式(9)的要求。在中小型水利工程測量中，GPS控制網(wǎng)約束平差的最弱邊相對中誤差還應(yīng)滿足表3中相應(yīng)等級的規(guī)定。

dVΔX≤ 2σ dVΔY≤ 2σ dVΔZ≤ 2σ (9)

式中 σ——基線長度中誤差，mm。

4 結(jié)語

進(jìn)行水利工程GPS控制網(wǎng)的技術(shù)設(shè)計、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和精度分析時，應(yīng)根據(jù)工程規(guī)模、精度要求、項(xiàng)目所處階段正確選擇相應(yīng)等級的技術(shù)要求。

a.對于勘察設(shè)計階段的中小型水利工程的首級控制網(wǎng)，一般可按《水利水電工程測量規(guī)范》布設(shè)四等或五等GPS控制網(wǎng)。與國家高等級控制網(wǎng)聯(lián)測時，可根據(jù)聯(lián)測點(diǎn)的等級及距離遠(yuǎn)近，先布設(shè)等級較高的控制網(wǎng)，再在測區(qū)內(nèi)進(jìn)行同級擴(kuò)展、加密或越級布設(shè)。對于施工階段的GPS平面控制網(wǎng)，可布設(shè)成與勘察設(shè)計階段控制網(wǎng)有聯(lián)系的獨(dú)立網(wǎng)。

b.進(jìn)行外業(yè)數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查及控制網(wǎng)平差精度分析時，可首選《水利水電工程測量規(guī)范》中的技術(shù)要求，為滿足施工測量需要，應(yīng)兼顧《水電水利工程施工測量規(guī)范》的技術(shù)要求，如控制點(diǎn)聯(lián)測基線長度大于20km時，則采用《全球定位系統(tǒng)(GPS)測量規(guī)范》的技術(shù)要求進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

c.利用南方測繪GNSS4.4數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行靜態(tài)數(shù)據(jù)處理時，在解算前建立工程項(xiàng)目時要進(jìn)行正確的參數(shù)設(shè)置。對于有較短基線邊時，基線長度中誤差σ值計算、固定誤差a值和比例誤差b值可適當(dāng)高于標(biāo)稱精度，D的取值可用平均邊長值。■

［1］ GB/T 18314—2009全球定位系統(tǒng)(GPS)測量規(guī)范［S］．北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2009．

［2］ GB 50026—2007工程測量規(guī)范［S］．北京:中國計劃出版社，2008．

［3］ SL 197—2013水利水電工程測量規(guī)范［S］．北京:中國水利水電出版社，2013．

［4］ DL/T 5173—2003水電水利工程施工測量規(guī)范［S］．北京:中國電力出版社，2003．

［5］ 黃丁發(fā)，熊永良，周樂韜，等．GPS衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)與方法［M］．北京:科學(xué)出版社，2009．