淺析GPS控制網(wǎng)在遼河干流行洪能力分析中的應(yīng)用

黃紅日

（遼寧省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院遼寧沈陽110006）

淺析GPS控制網(wǎng)在遼河干流行洪能力分析中的應(yīng)用

黃紅日

（遼寧省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院遼寧沈陽110006）

本文結(jié)合在遼河干流上建立的C級(jí)控制網(wǎng)，對(duì)該平面控制網(wǎng)的點(diǎn)位布設(shè)、外業(yè)觀測、基線處理、基線檢核、平差計(jì)算及精度分析做了詳細(xì)的描述。并對(duì)該工程布設(shè)的高程控制網(wǎng)的施測方法及布設(shè)方案做了簡要介紹。利用得到的控制測量成果，采用G PS-RTK技術(shù)進(jìn)行遼河河道斷面測量，并利用南方CA SS9.0軟件繪制斷面圖，提交設(shè)計(jì)人員進(jìn)行遼河行洪能力分析。

平面控制網(wǎng)；高程控制網(wǎng)；G PS-RTK；斷面測量

1 概述

遼河屬于中國七大河流之一，在我國東北地區(qū)南部是最大河流。發(fā)源地從河北平泉縣，流經(jīng)河北省、內(nèi)蒙古自治區(qū)、吉林省、遼寧省，在遼寧盤山縣注入渤海。遼河從東、西遼河在福德店匯流后成為遼河干流，經(jīng)雙臺(tái)子河從盤山入渤海，本文建立的控制網(wǎng)處于遼河干流。

隨著遼河沿岸國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)的迅速發(fā)展，許多涉及遼河河道的工程如橋梁建設(shè)、水庫大壩建設(shè)、取沙、灘地種植等對(duì)河道水流產(chǎn)生的影響越來越嚴(yán)重，影響了河道的防洪能力,原有規(guī)劃不能完全滿足現(xiàn)有的河道管理現(xiàn)狀，因此，需對(duì)遼河現(xiàn)狀河道的行洪能力進(jìn)行重新分析。

遼寧省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院自建院以來進(jìn)行遼河流域測量時(shí)總是分段布網(wǎng)，本文所述建立的C級(jí)控制網(wǎng)上起昌圖縣福德店，下游至入海口，控制網(wǎng)網(wǎng)系長度為315km，為歷年來筆者單位測量遼河流域布設(shè)的最大型控制網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)了遼河控制網(wǎng)的統(tǒng)一，為以后遼河沿岸的建筑物施工、行洪能力分析帶來便利。

本文結(jié)合對(duì)遼河干流上建立的C級(jí)平面控制網(wǎng)、高程控制網(wǎng)得到的基礎(chǔ)測量成果，對(duì)該控制網(wǎng)成果進(jìn)行了分析。并利用得到的控制成果采用南方靈銳S86T GPS接收機(jī)分十段做七參數(shù)進(jìn)行遼河河道斷面測量，為設(shè)計(jì)人員提供基礎(chǔ)測量成果對(duì)遼河進(jìn)行行洪能力分析。

2 GPS控制網(wǎng)的建立

2.1 技術(shù)要求

本控制網(wǎng)等級(jí)為C級(jí)，坐標(biāo)系統(tǒng)采用1954年北京坐標(biāo)系，中央子午線123度。

2.2 控制點(diǎn)布設(shè)

本工程主要是對(duì)遼河上游昌圖縣福德店至下游入海口的河流段進(jìn)行行洪能力分析提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，在遼河兩岸布設(shè)控制網(wǎng)點(diǎn)，網(wǎng)點(diǎn)間距在15km～20km之間，點(diǎn)位選擇在不影響觀測精度的情況下，在遼河兩岸堤防管理所及水文站埋設(shè)控制點(diǎn)，這樣便于控制點(diǎn)永久保存。選點(diǎn)的過程中，嚴(yán)格遵守了《全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)GPS測量規(guī)范》第7章7.2“點(diǎn)位基本要求”所列條款。本控制網(wǎng)網(wǎng)系長度為315km，選用邊連式構(gòu)網(wǎng)，控制網(wǎng)點(diǎn)位布設(shè)情況詳見圖1：

圖1 遼河干流GPS控制網(wǎng)示意圖

2.3 GPS網(wǎng)觀測

GPS網(wǎng)按C級(jí)精度施測，即全網(wǎng)最弱相鄰點(diǎn)邊長相對(duì)中誤差小于1/12萬，約束點(diǎn)間的邊長相對(duì)中誤差小于1/25萬。控制網(wǎng)測量采用Leica SR530和Leica GS15及Trimble R7等10臺(tái)雙頻GPS衛(wèi)星接收機(jī)同步觀測，標(biāo)稱精度：± (5+1ppm×D)mm。GPS外業(yè)觀測采用靜態(tài)相對(duì)定位的方式。

2.4 基線處理

在進(jìn)行基線解算前，對(duì)外業(yè)采集的數(shù)據(jù)，包括測站名、天線高輸入是否正確、衛(wèi)星信號(hào)是否正常、有效觀測時(shí)段是否滿足等進(jìn)行了全面檢查，未發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤。

基線解算采用Leica GPS處理軟件LEICA LGO 7.0進(jìn)行，采用廣播星歷，雙頻相位觀測值L1、L2的雙差組合觀測量，GPS網(wǎng)的基線結(jié)果都采用雙差固定解。

2.5 基線檢核

（1）重復(fù)觀測邊的檢核

同一條基線觀測了多個(gè)時(shí)段，則可得到多個(gè)邊長結(jié)果。對(duì)于重復(fù)觀測邊任意兩個(gè)時(shí)段的成果互差，均應(yīng)小于相應(yīng)等級(jí)規(guī)定精度，即：ds≤σ＝94.8mm

本GPS網(wǎng)中重復(fù)觀測邊任意兩個(gè)時(shí)段的成果互差最大值為10mm（LH15～LH18），滿足限差要求。

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）；

符合下式：

本控制網(wǎng)中W(x、y、z)max=32.2mm，Wmax=59.4mm,均滿足限差要求。

2.6 控制網(wǎng)中誤差計(jì)算

按照《工程測量規(guī)范》規(guī)定，GPS控制網(wǎng)需要對(duì)全網(wǎng)整體的觀測精度進(jìn)行評(píng)價(jià)。

控制網(wǎng)的測量中誤差按照下式計(jì)算：

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(gè)數(shù)；

n——異步環(huán)的邊數(shù)；

W——異步環(huán)全長閉合差（mm）。

并滿足m≤σ（σ由a、b及平均邊長計(jì)算，意義同前）的要求。

按照本網(wǎng)平均邊長(16.1km)計(jì)算，σ=33.6 mm，由99個(gè)異步環(huán)按照上式計(jì)算得m=4.1mm。顯然，m≤σ,完全滿足規(guī)范的規(guī)定。

2.7 GPS網(wǎng)平差計(jì)算

2.7.1 WGS-84大地坐標(biāo)系三維無約束平差

采用GPS網(wǎng)平差處理軟件PowerADJ4.0進(jìn)行GPS網(wǎng)的三維無約束平差，求出網(wǎng)中各點(diǎn)在WGS-84坐標(biāo)系下的三維坐標(biāo)，以及各基線向量的改正數(shù)和精度信息。

在無約束平差中，基線分量的改正數(shù)絕對(duì)值（V△x、V△y、V△z）應(yīng)滿足下式:

V(△x、△y、△z)≤3σ=100.6mm

本控制網(wǎng)無約束平差中V(△x、△y、△z)最大值為34.3mm（DTZ～LH20）。

WGS84三維無約束平差精度統(tǒng)計(jì)：邊長相對(duì)中誤差最小值為1/100000萬(邊LH2～LH5),最大值為1/162萬(邊NMS～LH3)，平均邊長相對(duì)中誤差為1/50081萬。

2.7.2 北京54坐標(biāo)系二維約束平差

首先對(duì)采用的國家三角點(diǎn)的兼容性進(jìn)行了計(jì)算比較，經(jīng)比較采用大坨子（DTZ）和小后窯（JJZ）兩點(diǎn)作為起算點(diǎn)，解算出其他三角點(diǎn)的地方坐標(biāo)與其已知數(shù)據(jù)相比相差最小，即利用其兩點(diǎn)進(jìn)行地方坐標(biāo)系的二維約束平差，將GPS的觀測結(jié)果轉(zhuǎn)換到地方坐標(biāo)系。

約束平差中，基線分量改正數(shù)與剔除粗差后的無約束平差結(jié)果的同名基線相應(yīng)改正數(shù)的較差的絕對(duì)值（dV△x、dV△y、）應(yīng)滿足下式要求:

dV(△x、△y)≤2σ=67.1mm

本控制網(wǎng)約束平差中dV(△x、△y)最大值為22.6mm（DTZ～LH20）。

北京54二維約束平差精度統(tǒng)計(jì)：邊長相對(duì)中誤差最小值為1/5663萬(邊LH12～DTZ),最大值為1/327萬(邊LH21～LH22),平均邊長相對(duì)中誤差為1/2995萬。最弱點(diǎn)點(diǎn)位中誤差5.4mm（LH21）。

綜上所述，該GPS網(wǎng)的二維約束平差成果精度完全達(dá)到C級(jí)GPS網(wǎng)的精度要求。

3 高程控制測量

本工程高程控制網(wǎng)采用1985國家高程基準(zhǔn)，高程等級(jí)為三等。水準(zhǔn)測量采用單路線雙轉(zhuǎn)點(diǎn)法，利用國家水準(zhǔn)點(diǎn)Ⅰ盤海2、Ⅰ哈沈87、Ⅰ溝沈11-1、Ⅰ赤沈122作為高程控制起算點(diǎn)，布設(shè)一個(gè)水準(zhǔn)網(wǎng)，為確保網(wǎng)的整體精度，在水準(zhǔn)網(wǎng)內(nèi)又布設(shè)了14個(gè)水準(zhǔn)閉合環(huán)。水準(zhǔn)網(wǎng)的每公里偶然中誤差MΔ=0.7mm＜3mm，全中誤差Mw=4.87mm＜6mm。滿足《國家三、四等水準(zhǔn)測量規(guī)范》要求。

圖2 斷面圖示例

4 河道斷面測量及斷面圖繪制

利用得到的控制成果采用南方靈銳S86T GPS接收機(jī)分十段做七參數(shù)進(jìn)行遼河河道斷面測量，在施測過程中做好記錄手簿，并在作業(yè)前做好已知點(diǎn)檢核工作。橫斷面碎部測量以真實(shí)反映地形變化為原則，按1：1000精度施測，地面點(diǎn)間距離一般不大于30m，地形變化比較大的地方進(jìn)行加密測量，地形較平坦的點(diǎn)間距離可少稀疏些，并注明植被情況。本工程斷面測量時(shí)是冬季，遼河河道水面已結(jié)冰。河道水下測量采用打冰眼鉛垂量深的方法，水下測點(diǎn)平坦地段點(diǎn)間距不大于30m，復(fù)雜地形點(diǎn)進(jìn)行適當(dāng)加密，且不遺漏深泓點(diǎn)。本工程共測量河道斷面657km/225條，為遼河行洪能力分析提供充足的數(shù)據(jù)。斷面成果采用EXCEL辦公軟件制作，將斷面成果處理成為標(biāo)準(zhǔn)格式的“.*hdm”文件，將“.*hdm”文件導(dǎo)入CASS9.0成圖軟件，輸出斷面圖，斷面圖示例如圖2。

5 結(jié)論及建議

（1）本工程布設(shè)的C級(jí)GPS網(wǎng)完成遼河行洪能力分析測量任務(wù)，充分體現(xiàn)了GPS技術(shù)的先進(jìn)性及高效性，縮短了設(shè)計(jì)周期，降低了設(shè)計(jì)成本。

（2）本工程布設(shè)的控制網(wǎng)實(shí)現(xiàn)了遼河流域控制網(wǎng)的統(tǒng)一，點(diǎn)位選擇在堤防管理所及水文站內(nèi)便于控制點(diǎn)永久保存，并為遼河沿岸的施工帶來便利。

（3）采用GPS-RTK技術(shù)進(jìn)行斷面測量，只需要將設(shè)計(jì)部門提供的斷面基點(diǎn)坐標(biāo)輸入測量儀器手簿，即可直接根據(jù)手簿上顯示的方向和偏移量測量斷面上的地物點(diǎn)，提高了工作效率。陜西水利

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[4]工程測量規(guī)范[S].北京：中國計(jì)劃出版社，2001.

[5]全球定位系統(tǒng)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測量（RTK）技術(shù)規(guī)范[S].北京：測繪出版社，2010.

[6]國家三、四等水準(zhǔn)測量規(guī)范[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2009.

（責(zé)任編輯：暢妮）

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