北京市地下水監(jiān)測站網(wǎng)系統(tǒng)建設(shè)工程測量關(guān)鍵技術(shù)

于濤

（北京市工程地質(zhì)研究所，北京 100048）

北京市地下水環(huán)境監(jiān)測站網(wǎng)系統(tǒng)建設(shè)工程是北京市重點項目之一。北京市地下水環(huán)境監(jiān)測站網(wǎng)系統(tǒng)建設(shè)工程項目在整合現(xiàn)有部分區(qū)域264眼監(jiān)測井的基礎(chǔ)上，對水源地地區(qū)、已知污染區(qū)、地下水限采區(qū)以及山區(qū)開展專門監(jiān)測井補充建設(shè)。新建監(jiān)測井230眼，其中平原區(qū)監(jiān)測井64眼、山區(qū)監(jiān)測井30眼、污染源監(jiān)測井136眼；同時新建10處泉水監(jiān)測設(shè)施，從而對山區(qū)具有代表性的一類大泉進行流量、水質(zhì)監(jiān)測。工程建成后將形成北京地下水監(jiān)測“一張網(wǎng)”，大大提升北京地下水環(huán)境監(jiān)測能力，為污染風(fēng)險的有效管理和防范提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和技術(shù)支撐。本工程自2018年建設(shè)以來，歷時7個多月，于2019年7月完成全部測量工作，共測量井位504處，工程測量累計完成衛(wèi)星定位（GNSS）測量629點，導(dǎo)線測量103站，四等水準測量1125 km。測量成果包括各監(jiān)測井位的經(jīng)緯度坐標和北京地方坐標，以及各監(jiān)測井的水準高程。

本文以北京市地下水環(huán)境監(jiān)測站網(wǎng)系統(tǒng)建設(shè)工程項目成果為基礎(chǔ)，通過對北京市地下水監(jiān)測站網(wǎng)系統(tǒng)建設(shè)中工程測量的測量坐標系統(tǒng)及起算控制點要求、平面坐標測量、導(dǎo)線測量、高程測量等多項關(guān)鍵技術(shù)的工作內(nèi)容、技術(shù)要求、測量方法步驟、數(shù)據(jù)解算、成果分析研究等方面進行了詳細的介紹，通過新方法和常規(guī)測量手段相結(jié)合，總結(jié)了一套適用于監(jiān)測站網(wǎng)系統(tǒng)建設(shè)工程的技術(shù)，為類似的項目參考。

1 工程概況

2011年建成北京市平原區(qū)地下水環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)，共有地下水監(jiān)測井1182眼，其中區(qū)域地下水監(jiān)測井822眼，污染源專項監(jiān)測網(wǎng)（與環(huán)保部門共建）共有監(jiān)測井360眼（北京市地質(zhì)工程勘察院，2017），主要用于分層監(jiān)測地下水位、水質(zhì)狀況，實現(xiàn)了由原來的以“資源型”為主的“平面監(jiān)測”轉(zhuǎn)變?yōu)椤百Y源與環(huán)境并重型”的“立體分層監(jiān)測”。污染源監(jiān)測井重點對工業(yè)園區(qū)、工業(yè)企業(yè)、垃圾場、畜禽養(yǎng)殖場、高爾夫球場、河道和農(nóng)業(yè)再生水灌溉區(qū)等進行觀測。

2018年北京市地下水監(jiān)測站網(wǎng)系統(tǒng)建設(shè)工程擬建監(jiān)測井230眼，涉及北京市13個行政區(qū)，根據(jù)監(jiān)測目的共分為4類：山區(qū)基巖監(jiān)測井、水源地監(jiān)測井、污染區(qū)監(jiān)測井和重點污染源監(jiān)測井。監(jiān)測井的類型及分布見圖1。

圖1 北京市地下水監(jiān)測井類型統(tǒng)計圖Fig.1 statistical map of groundwater monitoring well types in Beijing

2 測量關(guān)鍵技術(shù)

北京市地下水監(jiān)測站網(wǎng)系統(tǒng)工程中測量專業(yè)的內(nèi)容包括測量坐標系統(tǒng)及起算控制點要求、平面坐標測量、導(dǎo)線測量、高程測量4項主要關(guān)鍵技術(shù)。其中，坐標系統(tǒng)的選擇是平面控制測量的重要問題，是測繪工作基礎(chǔ)；平面坐標測量技術(shù)的關(guān)鍵是采用衛(wèi)星定位（GNSS）測量和導(dǎo)線測量相結(jié)合的方式；導(dǎo)線測量技術(shù)的關(guān)鍵采用閉合導(dǎo)線的方法，根據(jù)測量平差和誤差理論，可對全部觀測數(shù)據(jù)進行整體平差，有效提供成果的精度和有效性；高程測量的關(guān)鍵是針對井位高程測量以監(jiān)測井附近北京市一、二等水準點為起算數(shù)據(jù)，通過四等水準觀測，引測至井位處。

2.1 測量坐標系統(tǒng)及起算控制點要求

1）采用的坐標系統(tǒng)

坐標系統(tǒng)的選擇是平面控制測量的重要問題。根據(jù)CJJ/T 8—2011《城市測量規(guī)范》的規(guī)定，坐標系的選擇應(yīng)與投影長度變形相對誤差不大于1/40000，這樣的長度變形，才能滿足城市測量的需要（吳云孫等，2005）。本工程測量使用的平面、高程系統(tǒng)為北京地方坐標系和北京地方高程系，其中測量成果中包括經(jīng)緯度和北京地方坐標系成果各1份。

2）起算控制點選取

經(jīng)過實地踏勘和對設(shè)計資料的分析，本工程平面坐標起算點以北小營等58個北京市AB級及C級衛(wèi)星定位（GNSS）點作為起算點。水準高程以（18）28A等116個北京一、二等水準點作為起算點。

2.2 平面坐標測量技術(shù)

2.2.1 平面坐標測量的方法

監(jiān)測井平面坐標測量采用衛(wèi)星定位（GNSS）測量和導(dǎo)線測量相結(jié)合的方式。對周邊空曠，衛(wèi)星信號無遮擋的監(jiān)測井，直接采用衛(wèi)星定位（GNSS）測量測定其井位中心坐標；對周邊遮擋嚴重，衛(wèi)星信號接收無法滿足測量要求的監(jiān)測井，在監(jiān)測井周邊空曠地區(qū)選取2個相互通視的臨時點位，采用衛(wèi)星定位（GNSS）測量測定其坐標，其后使用導(dǎo)線測量方法將監(jiān)測井井位坐標測出。

2.2.2 衛(wèi)星定位（GNSS）測量網(wǎng)形設(shè)計

目前，新一代的全球?qū)Ш较到y(tǒng)（GNSS），包括美國現(xiàn)代化GPS、俄羅斯現(xiàn)代化GLONASS系統(tǒng)（Al-Shaery et al.，2013；Cai Changsheng et al.，2015），歐盟Galileo系統(tǒng)和中國北斗系統(tǒng)（BDS），正在不斷完善。針對本項目GNSS技術(shù)，監(jiān)測井衛(wèi)星定位（GNSS）網(wǎng)應(yīng)與已有的北京市高等級GNSS點進行聯(lián)測，聯(lián)測點數(shù)不應(yīng)少于3點。以朝陽區(qū)為例，朝陽區(qū)共14處監(jiān)測井，根據(jù)相關(guān)要求選取孫河西、大望京、呂家營、南大溝和英各莊道口等5個北京市C級GNSS點作為起算控制點。此次GNSS測量最多可采用10臺GNSS接收機組建中點多邊形的圖形結(jié)構(gòu)，用邊連式的方法進行實測。北房鎮(zhèn)、大望京、官莊路口西等3個C級GNSS點固定不動，分批測量全區(qū)14個監(jiān)測井坐標。根據(jù)現(xiàn)場觀測情況，外業(yè)分為5個時段，第1時段時長為24 h，其他時段均為1 h。

2.2.3 技術(shù)要求

衛(wèi)星定位控制網(wǎng)技術(shù)指標參照D級，主要技術(shù)指標：平均邊長5 km，水平分量中誤差≤20 mm，垂直分量中誤差≤40 mm，最小相對精度1×10-3。

2.2.4 衛(wèi)星定位（GNSS）基線解算

GNSS常用的定位方式有靜態(tài)，實時動態(tài)差分，精密單點定位，實時廣域差分等方式，在長距離和短距離的靜態(tài)計算中，一般都能獲得滿意的定位成果（柴軍兵，2016；Ge et al.，2006；Chen Hua et al.，2014；Ding Wenwu et al.，2017）。本次GNSS基線向量的解算采用多站、多時段自動處理的方法進行。同一級別的GNSS網(wǎng)，根據(jù)基線長度不同，采用不同的數(shù)據(jù)處理模型。為了提高精度和可靠性，基于數(shù)據(jù)質(zhì)量情況，所有基線均采用雙差相位觀測值和雙差固定解（付晨等，2021）。

基線解算時，數(shù)據(jù)質(zhì)量太差而導(dǎo)致無法獲得合格固定解的基線被禁用。選取質(zhì)量較好的基線參與最終的GNSS網(wǎng)平差計算，精度滿足GB/T 18314—2009《全球定位系統(tǒng)（GPS）測量規(guī)范》要求。朝陽區(qū)部分基線解算精度統(tǒng)計表見表1。

表1 朝陽區(qū)基線解算精度統(tǒng)計表Tab.1 Statistical table of baseline solution accuracy in Chaoyang District

2.2.5 衛(wèi)星定位（GNSS）數(shù)據(jù)檢核

GNSS控制網(wǎng)外業(yè)觀測的全部數(shù)據(jù)經(jīng)同步環(huán)閉合差、異步環(huán)閉合差及復(fù)測基線較差3項檢核，并滿足GB/T 18314—2009《全球定位系統(tǒng)（GPS）測量規(guī)范》的各項要求。

1）同步環(huán)閉合差檢核

同步環(huán)閉合差表示的是一個同步環(huán)數(shù)據(jù)質(zhì)量的好壞，因多臺接收機同步觀測時各邊是不獨立的，在理論上其閉合差為零，但通常不為零，其大小能夠反映GNSS外業(yè)觀測質(zhì)量和基線解算質(zhì)量的可靠性。同步環(huán)各坐標分量及全長閉合差滿足下列各式要求：

式中：N為同步環(huán)中基線邊的個數(shù)；W為環(huán)閉合差（mm）；σ為標準差，即基線向量的弦長中誤差（mm）；a為固定誤差（mm）；b為比例誤差系數(shù)（1×10-6）；d為GNSS控制網(wǎng)中相鄰點間的平均距離（km）。

經(jīng)過計算，對于環(huán)閉合差不滿足要求的同步環(huán)，查看造成其不符合要求的原因，排除數(shù)據(jù)輸入錯誤，精細處理相關(guān)基線并解算，以達到精度要求。經(jīng)過精細化處理之后仍然不能達到要求的，進一步擇優(yōu)選取基線和閉合環(huán)，使最終參與平差計算的同步環(huán)閉合差均滿足上述要求。

2）異步環(huán)閉合差檢核

異步環(huán)閉合差表示的是整個GNSS網(wǎng)的外業(yè)觀測質(zhì)量和基線解算質(zhì)量的可靠性。當獨立觀測的基線向量構(gòu)成閉合圖形時，其閉合差在理論上應(yīng)為零，由于測量誤差和數(shù)據(jù)處理模型誤差等因素的影響，導(dǎo)致閉合差不為零。相對于同步環(huán)閉合差，異步環(huán)閉合差對GNSS成果質(zhì)量更為重要。

獨立基線構(gòu)成的獨立環(huán)各坐標分量及全長閉合差滿足下列各式要求：

式中，n為獨立環(huán)中基線邊的個數(shù)。

對于異步環(huán)閉合差不滿足要求的環(huán)，同樣查看造成其不符合要求的原因，排除數(shù)據(jù)輸入錯誤，精細處理相關(guān)基線并解算，以達到異步環(huán)閉合差的精度要求。經(jīng)過精細化處理之后仍然不能達到要求的，進一步擇優(yōu)選取基線，優(yōu)化異步環(huán)的構(gòu)成基線組合，使最終參與平差計算的異步環(huán)閉合差滿足上述要求。

3）復(fù)測基線較差檢核

一條基線若觀測多個時段，其有多個向量結(jié)果。各時段解向量的重復(fù)性表示基線解的內(nèi)部精度，是衡量基線解質(zhì)量的一個重要指標。復(fù)測基線長度較差滿足下式要求：

式中，n為同一邊復(fù)測的次數(shù)，通常等于2。

2.2.6 平差計算

1）三維無約束平差

在各項質(zhì)量檢核符合要求后，以所有獨立基線組成閉合圖形，以三維基線向量及其相應(yīng)方差協(xié)方差陣作為觀測信息，以1個點的WGS-84系的三維坐標作為起算依據(jù)，在WGS-84坐標系中進行三維無約束平差。第一次網(wǎng)平差往往不能完全符合要求，這時，根據(jù)軟件特性，選取合適的權(quán)，再次進行平差，以達到合格的目的。部分三維無約束平差結(jié)果可以看出（表2），本次GNSS網(wǎng)的點位精度較高，說明GNSS觀測網(wǎng)本身的內(nèi)部精度很高，GNSS觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量比較好。

表2 三維點網(wǎng)平差統(tǒng)計表Tab.2 statistics of 3D point network adjustment

2）二維無約束平差

在二維約束平差前對已知點進行可靠性檢驗，對參與約束平差的已知點進行分析和篩選，選擇正確而且精度較高的已知點進行二維約束平差，以免利用了錯誤或精度較低的已知點影響整個GNSS控制網(wǎng)的最終成果。

在北京城市坐標系中進行約束平差及精度評定，并輸出北京地方坐標系的坐標以及相關(guān)的中誤差精度信息。二維無約束平差結(jié)果可以看出（表3），本次GPS測量最大點位中誤差為3.8427 mm，符合《全球定位系統(tǒng)（GPS）測量規(guī)范》3.2.2要求。

表3 點位中誤差統(tǒng)計表Tab.3 statistical table of point mean square error

2.2.7 測量成果

在外業(yè)完成后，項目組安排專人使用北京市CORS系統(tǒng)，對監(jiān)測井測量成果進行抽檢（表4），抽檢結(jié)果均符合規(guī)范要求（北京市地質(zhì)工程勘察院，2019）。

表4 各區(qū)點位中誤差統(tǒng)計表Tab.4 statistical table of point mean square error in each area

2.3 導(dǎo)線測量技術(shù)

2.3.1 測量方法

閉合導(dǎo)線的優(yōu)化作業(yè)方法在不增加外業(yè)工作量的前提下，無需增加設(shè)備投入，解決了常規(guī)作業(yè)方法及其改進方法存在的不足，在測量作業(yè)中能有效地發(fā)現(xiàn)測量粗差，根據(jù)測量平差和誤差理論，可對全部觀測數(shù)據(jù)進行整體平差，有效提供成果的精度和有效性（向繼平，2012）。本項目對部分在井房內(nèi)的和周圍遮擋嚴重的自備井，需要在附近做2個GNSS點，結(jié)算出坐標的基礎(chǔ)上，用導(dǎo)線測量的方法把井位精確坐標測定出來。

此次測量點位優(yōu)先選取各監(jiān)測井井位中心，如遇監(jiān)測井在井房內(nèi)，無法接收衛(wèi)星信號時，可利用2 s全站儀采用雙測站投點法將監(jiān)測井井位中心投影到房頂，再進行GNSS測量（圖2）。

圖2 雙測站投點法測量示意圖Fig.2 The sketch map of the double-station survey point method

2.3.2 測量步驟

1）在監(jiān)測井井房外，距離井房100 m遠處，且與井口D點通視的位置選擇測站點A，選擇任意一點B，構(gòu)建獨立坐標系，C點為A點到井口D點，并通過D點的垂線方向上大致一點，CD的距離近似于AD；

2）在A點架設(shè)2 s全站儀，以B點定為0方向，測出A點到井口D點、C點的角度α、β及距離d1、d2，各取盤左、盤右兩次讀數(shù)平均值作為原始值，并計算出角DCA的角度γ及C點到D點的距離d3；

3）在A點以B點為0方向，以角度α和距離d1向井房屋頂放樣，取盤左盤右兩次放樣點中心為點D’；

4）在C點架設(shè)儀器，以A點為后視方向，以角度γ和距離d3向井房屋頂放樣，取盤左盤右兩次放樣點中心為點D″；

5）取D′和D″的中點為該監(jiān)測井井位中心在屋頂?shù)耐队包c。

如遇遮擋、植被覆蓋等客觀條件，監(jiān)測井附近都無法接收到衛(wèi)星信號時，將在監(jiān)測井外圍空曠地區(qū)，選取3個相互通視的臨時點位，其后使用導(dǎo)線測量方法將監(jiān)測井井位坐標測出。

2.3.3 技術(shù)要求

導(dǎo)線測量應(yīng)滿足CJJ/T 8—2011《城市測量規(guī)范》中二級導(dǎo)線測量的各項規(guī)定要求，其測量技術(shù)指標：控制網(wǎng)等級為二級，閉合環(huán)或附合導(dǎo)線長度為≤2.4 km，平均邊長為200 m，每邊測距中誤差≤15 mm，測角中誤差≤12″，全長相對閉合差為1/10000。

2.3.4 數(shù)據(jù)處理

使用平差表格進行井位坐標平差。分別將控制點坐標、各測站邊長、角度觀測數(shù)據(jù)輸入軟件，以GNSS控制點的平面坐標為已知坐標，平差解算出網(wǎng)中各精密導(dǎo)線點在城市坐標系下的平面坐標值。平差自動完成后，復(fù)核人員要對水平方向觀測值、距離觀測值、已知點坐標等平差資料的輸入數(shù)據(jù)進行復(fù)核，并對平差軟件列出的各項精度指標如方位角閉合差、最大點位誤差、最大點間誤差、最大邊長比例誤差等進行審核，確認各項輸入數(shù)據(jù)正確無誤、各項精度指標滿足相關(guān)規(guī)范要求。

2.3.5 測量成果

導(dǎo)線測量記錄采用電子記錄，保證了數(shù)據(jù)的真實性、可靠性。采用的記錄方法和各種觀測限差均滿足CJJ/T 8-2011《城市測量規(guī)范》要求。

2.4 高程測量技術(shù)

2.4.1 水準高程測量網(wǎng)形設(shè)計

三等水準網(wǎng)控制成果是城鄉(xiāng)建設(shè)，水利設(shè)施建設(shè)和抗洪救災(zāi)的重要基礎(chǔ)資料，是測繪基準體系的重要組成部分。特別是近年來，雷雨大風(fēng)等異常天氣頻繁，對城市實施建設(shè)的精度要求越來越高，三四等水準越來越受到重視（王建軍，2008）。針對本項目技術(shù)，井位高程測量以監(jiān)測井附近北京市一、二等水準點為起算數(shù)據(jù)，通過四等水準觀測，引測至井位處。水準路線采用閉合路線或者附合路線，后平差計算出每個井位的高程值。

2.4.2 技術(shù)要求

四等水準測量以監(jiān)測井附近北京市一、二等水準點為起算數(shù)據(jù)。高程值測量主要技術(shù)要求如GB/T 12898—2009《國家三、四等水準測量規(guī)范》的規(guī)定：水準測量等級為四等，每千米高差中數(shù)中誤差偶然中誤差M△=±5 mm，全中誤差Mw=±10 mm；測段路線往返測高差不符值為±20Kmm，測段路段左右路線高差不符值為±14Kmm；附合或環(huán)線閉合差平地為±20Lmm，山地為±25Lmm；檢測已測測段高差的差為±30Rmm。

2.4.3 數(shù)據(jù)處理

采用清華山維NASEW平差軟件對數(shù)據(jù)進行嚴密平差。根據(jù)統(tǒng)計各分段水準路線的閉合差情況，然后進行平差計算，根據(jù)統(tǒng)計各分段水準路線的閉合差情況，并計算最大高程中誤差、最大高差中誤差等精度指標。

本次順義區(qū)水準高程測量水準網(wǎng)中閉合差最大為16.50 mm（線路長度L=20.77 km），小于限差±4Lmm，各分段線路閉合差統(tǒng)計見表5。

表5 水準分段線路閉合差統(tǒng)計表Tab.5 Statistics of line closure error of leveling section

2.4.4 測量成果

水準測量記錄采用電子記錄，保證了數(shù)據(jù)的真實性、可靠性。采用的記錄方法和各種觀測限差均依照GB/T 12898—2009《國家三、四等水準測量規(guī)范》等規(guī)范要求執(zhí)行，作業(yè)過程中嚴格按照技術(shù)規(guī)定操作（表6）。

表6 各區(qū)水準分段線路閉合差統(tǒng)計表Tab.6 statistics of line closure error of leveling sections in each area

3 結(jié)論

1）坐標系統(tǒng)的選擇是平面控制測量的重要問題，是測繪工作基礎(chǔ)，決定了成果形式。

2）平面坐標測量采用衛(wèi)星定位（GNSS）測量和導(dǎo)線測量相結(jié)合的方式，采用衛(wèi)星定位（GNSS）測量測定其坐標，其后使用導(dǎo)線測量方法將監(jiān)測井井位坐標測出。

3）導(dǎo)線測量技術(shù)采用閉合導(dǎo)線的方法，根據(jù)測量平差和誤差理論，可對全部觀測數(shù)據(jù)進行整體平差，有效提供成果的精度和有效性。對部分在井房內(nèi)的和周圍遮擋嚴重的自備井，需要在附近做2個GNSS點，結(jié)算出坐標的基礎(chǔ)上，用導(dǎo)線測量的方法把井位精確坐標測定出來；如遇監(jiān)測井在井房內(nèi)，無法接收衛(wèi)星信號時，可利用2 s全站儀采用雙測站投點法將監(jiān)測井井位中心投影到房頂，再進行GNSS測量。

（4）高程測量針對井位高程測量以監(jiān)測井附近北京市一、二等水準點為起算數(shù)據(jù)，通過四等水準觀測，引測至井位處。水準路線采用閉合路線或者附合路線，后平差計算出每個井位的高程值。