北京市地下水監測站網系統建設工程測量關鍵技術

于濤

（北京市工程地質研究所，北京 100048）

北京市地下水環境監測站網系統建設工程是北京市重點項目之一。北京市地下水環境監測站網系統建設工程項目在整合現有部分區域264眼監測井的基礎上，對水源地地區、已知污染區、地下水限采區以及山區開展專門監測井補充建設。新建監測井230眼，其中平原區監測井64眼、山區監測井30眼、污染源監測井136眼；同時新建10處泉水監測設施，從而對山區具有代表性的一類大泉進行流量、水質監測。工程建成后將形成北京地下水監測“一張網”，大大提升北京地下水環境監測能力，為污染風險的有效管理和防范提供基礎數據和技術支撐。本工程自2018年建設以來，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星定位（GNSS）測量629點，導線測量103站，四等水準測量1125 km。測量成果包括各監測井位的經緯度坐標和北京地方坐標，以及各監測井的水準高程。

本文以北京市地下水環境監測站網系統建設工程項目成果為基礎，通過對北京市地下水監測站網系統建設中工程測量的測量坐標系統及起算控制點要求、平面坐標測量、導線測量、高程測量等多項關鍵技術的工作內容、技術要求、測量方法步驟、數據解算、成果分析研究等方面進行了詳細的介紹，通過新方法和常規測量手段相結合，總結了一套適用于監測站網系統建設工程的技術，為類似的項目參考。

1 工程概況

2011年建成北京市平原區地下水環境監測網，共有地下水監測井1182眼，其中區域地下水監測井822眼，污染源專項監測網（與環保部門共建）共有監測井360眼（北京市地質工程勘察院，2017），主要用于分層監測地下水位、水質狀況，實現了由原來的以“資源型”為主的“平面監測”轉變為“資源與環境并重型”的“立體分層監測”。污染源監測井重點對工業園區、工業企業、垃圾場、畜禽養殖場、高爾夫球場、河道和農業再生水灌溉區等進行觀測。

2018年北京市地下水監測站網系統建設工程擬建監測井230眼，涉及北京市13個行政區，根據監測目的共分為4類：山區基巖監測井、水源地監測井、污染區監測井和重點污染源監測井。監測井的類型及分布見圖1。

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

2 測量關鍵技術

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

2.1 測量坐標系統及起算控制點要求

1）采用的坐標系統

坐標系統的選擇是平面控制測量的重要問題。根據CJJ/T 8—2011《城市測量規范》的規定，坐標系的選擇應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緯度和北京地方坐標系成果各1份。

2）起算控制點選取

經過實地踏勘和對設計資料的分析，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

2.2.1 平面坐標測量的方法

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

2.2.2 衛星定位（GNSS）測量網形設計

目前，新一代的全球導航系統（GNSS），包括美國現代化GPS、俄羅斯現代化GLONASS系統（Al-Shaery et al.，2013；Cai Changsheng et al.，2015），歐盟Galileo系統和中國北斗系統（BDS），正在不斷完善。針對本項目GNSS技術，監測井衛星定位（GNSS）網應與已有的北京市高等級GNSS點進行聯測，聯測點數不應少于3點。以朝陽區為例，朝陽區共14處監測井，根據相關要求選取孫河西、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構，用邊連式的方法進行實測。北房鎮、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14個監測井坐標。根據現場觀測情況，外業分為5個時段，第1時段時長為24 h，其他時段均為1 h。

2.2.3 技術要求

衛星定位控制網技術指標參照D級，主要技術指標：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 衛星定位（GNSS）基線解算

GNSS常用的定位方式有靜態，實時動態差分，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，根據基線長度不同，采用不同的數據處理模型。為了提高精度和可靠性，基于數據質量情況，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，數據質量太差而導致無法獲得合格固定解的基線被禁用。選取質量較好的基線參與最終的GNSS網平差計算，精度滿足GB/T 18314—2009《全球定位系統（GPS）測量規范》要求。朝陽區部分基線解算精度統計表見表1。

表1 朝陽區基線解算精度統計表Tab.1 Statistical table of baseline solution accuracy in Chaoyang District

2.2.5 衛星定位（GNSS）數據檢核

GNSS控制網外業觀測的全部數據經同步環閉合差、異步環閉合差及復測基線較差3項檢核，并滿足GB/T 18314—2009《全球定位系統（GPS）測量規范》的各項要求。

1）同步環閉合差檢核

同步環閉合差表示的是一個同步環數據質量的好壞，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外業觀測質量和基線解算質量的可靠性。同步環各坐標分量及全長閉合差滿足下列各式要求：

式中：N為同步環中基線邊的個數；W為環閉合差（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（1×10-6）；d為GNSS控制網中相鄰點間的平均距離（km）。

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

2）異步環閉合差檢核

異步環閉合差表示的是整個GNSS網的外業觀測質量和基線解算質量的可靠性。當獨立觀測的基線向量構成閉合圖形時，其閉合差在理論上應為零，由于測量誤差和數據處理模型誤差等因素的影響，導致閉合差不為零。相對于同步環閉合差，異步環閉合差對GNSS成果質量更為重要。

獨立基線構成的獨立環各坐標分量及全長閉合差滿足下列各式要求：

式中，n為獨立環中基線邊的個數。

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

3）復測基線較差檢核

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

式中，n為同一邊復測的次數，通常等于2。

2.2.6 平差計算

1）三維無約束平差

在各項質量檢核符合要求后，以所有獨立基線組成閉合圖形，以三維基線向量及其相應方差協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，在WGS-84坐標系中進行三維無約束平差。第一次網平差往往不能完全符合要求，這時，根據軟件特性，選取合適的權，再次進行平差，以達到合格的目的。部分三維無約束平差結果可以看出（表2），本次GNSS網的點位精度較高，說明GNSS觀測網本身的內部精度很高，GNSS觀測數據質量比較好。

表2 三維點網平差統計表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的中誤差精度信息。二維無約束平差結果可以看出（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（GPS）測量規范》3.2.2要求。

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

2.2.7 測量成果

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

表4 各區點位中誤差統計表Tab.4 statistical table of point mean square error in each area

2.3 導線測量技術

2.3.1 測量方法

閉合導線的優化作業方法在不增加外業工作量的前提下，無需增加設備投入，解決了常規作業方法及其改進方法存在的不足，在測量作業中能有效地發現測量粗差，根據測量平差和誤差理論，可對全部觀測數據進行整體平差，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的和周圍遮擋嚴重的自備井，需要在附近做2個GNSS點，結算出坐標的基礎上，用導線測量的方法把井位精確坐標測定出來。

此次測量點位優先選取各監測井井位中心，如遇監測井在井房內，無法接收衛星信號時，可利用2 s全站儀采用雙測站投點法將監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″的中點為該監測井井位中心在屋頂的投影點。

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

2.3.3 技術要求

導線測量應滿足CJJ/T 8—2011《城市測量規范》中二級導線測量的各項規定要求，其測量技術指標：控制網等級為二級，閉合環或附合導線長度為≤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 數據處理

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、角度觀測數據輸入軟件，以GNSS控制點的平面坐標為已知坐標，平差解算出網中各精密導線點在城市坐標系下的平面坐標值。平差自動完成后，復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據進行復核，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，確認各項輸入數據正確無誤、各項精度指標滿足相關規范要求。

2.3.5 測量成果

導線測量記錄采用電子記錄，保證了數據的真實性、可靠性。采用的記錄方法和各種觀測限差均滿足CJJ/T 8-2011《城市測量規范》要求。

2.4 高程測量技術

2.4.1 水準高程測量網形設計

三等水準網控制成果是城鄉建設，水利設施建設和抗洪救災的重要基礎資料，是測繪基準體系的重要組成部分。特別是近年來，雷雨大風等異常天氣頻繁，對城市實施建設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，井位高程測量以監測井附近北京市一、二等水準點為起算數據，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 技術要求

四等水準測量以監測井附近北京市一、二等水準點為起算數據。高程值測量主要技術要求如GB/T 12898—2009《國家三、四等水準測量規范》的規定：水準測量等級為四等，每千米高差中數中誤差偶然中誤差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 數據處理

采用清華山維NASEW平差軟件對數據進行嚴密平差。根據統計各分段水準路線的閉合差情況，然后進行平差計算，根據統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。

本次順義區水準高程測量水準網中閉合差最大為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計見表5。

表5 水準分段線路閉合差統計表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，保證了數據的真實性、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、四等水準測量規范》等規范要求執行，作業過程中嚴格按照技術規定操作（表6）。

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

3 結論

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

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

3）導線測量技術采用閉合導線的方法，根據測量平差和誤差理論，可對全部觀測數據進行整體平差，有效提供成果的精度和有效性。對部分在井房內的和周圍遮擋嚴重的自備井，需要在附近做2個GNSS點，結算出坐標的基礎上，用導線測量的方法把井位精確坐標測定出來；如遇監測井在井房內，無法接收衛星信號時，可利用2 s全站儀采用雙測站投點法將監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測井附近北京市一、二等水準點為起算數據，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。