GPS技術在水庫施工控制網測量中的應用

徐立軍

(遼寧省水利水電勘測設計研究院,遼寧 沈陽 110006)

GPS技術在水庫施工控制網測量中的應用

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測量中得到的C級GPS網測量成果，對施工控制網的布網方案、施測方法、平差計算及精度分析做了詳細的介紹，并對該控制網成果進行了分析。詳細論述GPS網的測量精度，并提出GPS定位技術用于高等級施工控制網測量的方法和注意事項。

觀測墩；施工控制網；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，在數據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測量的經驗，提出GPS定位技術用于高等級施工控制網測量的注意事項。

1 選點與造標

GPS網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“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控制網建立

2.1 技術要求

施工控制網等級：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)測到網中，作為起算點，把蒼和山CHS(Ⅱ)聯(lián)測到網中，作為校核點。控制網按邊聯(lián)式原則進行布網，網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。控制網示意圖見圖2。

圖1 觀測墩、水準點示意圖

圖2 錦凌水庫施工控制網GPS網示意圖

2.3 施工控制網的外業(yè)觀測

施工控制網按C級精度施測，即全網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=3，大于《全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)GPS測量規(guī)范》中對C級網時段數要求，且每個點的設站數至少為2次。

2.4 數據處理

2.4.1 GPS基線解算

基線解算之前，首先對外業(yè)采集數據進行全面的檢查，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網基線結果采用雙差固定解。本控制網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”基線文件調入CosaGPS V6.0平差軟件繼續(xù)進行數據檢核及平差計算。

2.4.2 數據檢核

數據檢核在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，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

本控制網中共有異步環(huán)8個。

GPS網中的異步環(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；σ意義同前。

由此可得出結論，本網所有W(x、y、z)、WS檢核項都滿足限差要求。

2.4.3 控制網中誤差計算

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

施工控制網平均邊長：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平差

采用軟件CosaGPSV6.0平差軟件進行GPS網三維無約束平差，求出網中各點在WGS-84坐標系下的地方三維坐標，各基線向量改正數和精度信息。無約束平差基線分量改正數的絕對值(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。

由此可推斷出本網其他的基線分量的改正數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，經過多重比較，將中央子午線調整至120°33′00″，測區(qū)內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，布設二個水準網聯(lián)測所有控制點。水準網平差計算采用現代測量控制網測量數據處理通用軟件包COSA-CODAPSVersion6.0。水準網一的每公里偶然中誤差MΔ=0.8mm，全中誤差Mw=1.7mm。水準網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據。

(3)施工控制網各項觀測結束后，應根據控制網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網的可靠性。

[1] 中華人民共和國國家質量監(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