國(guó)外水電工程控制測(cè)量實(shí)踐

張進(jìn)

【摘 要】本文說明了WGS84坐標(biāo)系、IGS跟蹤站、EGM2008地球重力場(chǎng)模型在水電工程控制測(cè)量中的實(shí)踐，并通過算例的方式闡明了沒有已知控制點(diǎn)的情況下，如何解決測(cè)區(qū)控制的問題。

【關(guān)鍵詞】WGS84坐標(biāo)系；IGS跟蹤站；EGM2008；大地高；高程異常

0 概述

控制測(cè)量是工程建設(shè)測(cè)量而建立的平面控制測(cè)量和高程控制測(cè)量的總稱。它是工程建設(shè)中各項(xiàng)測(cè)量工作的基礎(chǔ)。在工程規(guī)劃設(shè)計(jì)階段，要建立地形測(cè)圖控制網(wǎng)，用來控制整個(gè)測(cè)區(qū)，保證最大比例尺測(cè)圖的需要；在施工階段，要建立施工控制網(wǎng)，以控制工程的總體布置和各建筑物軸線之間的相對(duì)位置，滿足施工放樣的需要；在經(jīng)營(yíng)管理階段，根據(jù)需要建立變形觀測(cè)控制網(wǎng)，用來控制建筑物的變形觀測(cè)，以鑒定工程質(zhì)量，保證安全運(yùn)營(yíng)，分析變形規(guī)律和進(jìn)行相應(yīng)的科學(xué)研究。由于水電工程測(cè)量本身項(xiàng)目有其交通通信不便、山高坡陡、測(cè)區(qū)狹長(zhǎng)等特殊的工況條件，再加上國(guó)外測(cè)繪與我國(guó)測(cè)量平面基準(zhǔn)、高程基準(zhǔn)均不相同，甚至沒有已知成果，因此如何在國(guó)外更合理地建立控制，較為方便、通用、可靠的提高水電測(cè)繪項(xiàng)目的質(zhì)量和效率，作者結(jié)合具體項(xiàng)目實(shí)踐對(duì)該技術(shù)進(jìn)行了部分的探討。

1 WGS84坐標(biāo)系、IGS跟蹤站、EGM2008地球重力場(chǎng)模型簡(jiǎn)介

WGS-84坐標(biāo)系（World Geodetic System-1984 Coordinate System）是一種國(guó)際上采用的地心坐標(biāo)系。坐標(biāo)原點(diǎn)為地球質(zhì)心，其地心空間直角坐標(biāo)系的Z軸指向BIH （國(guó)際時(shí)間服務(wù)機(jī)構(gòu)）1984.O定義的協(xié)議地球極（CTP）方向，X軸指向BIH 1984.0的零子午面和CTP赤道的交點(diǎn)，Y軸與Z軸、X軸垂直構(gòu)成右手坐標(biāo)系，是在地球上建立的統(tǒng)一的地心坐標(biāo)系。

IGS是國(guó)際GNSS服務(wù)組織The International GNSS Service，簡(jiǎn)稱IGS。IGS組織由衛(wèi)星跟蹤站、數(shù)據(jù)中心、分析處理中心等組成，它能夠在網(wǎng)上幾乎實(shí)時(shí)地提供高精度的GPS數(shù)據(jù)和其它數(shù)據(jù)產(chǎn)品，以滿足廣泛的科學(xué)研究及工程領(lǐng)域的需要。IGS收集、歸檔、分配足夠精度的GPS觀測(cè)數(shù)據(jù)以滿足一系列的試驗(yàn)及應(yīng)用需要。IGS利用這些數(shù)據(jù)形成一些列的數(shù)據(jù)產(chǎn)品，這些數(shù)據(jù)產(chǎn)品可以通過因特網(wǎng)獲得。值得一提的是，IGS產(chǎn)品的精度已經(jīng)足夠國(guó)際大地參考框架組織（ITRF）使用來對(duì)地球相關(guān)參數(shù)進(jìn)行改進(jìn)和延伸。

EGM2008地球重力場(chǎng)模型是由美國(guó)國(guó)家地理空間情報(bào)局（NGA）在2008年4月發(fā)布的最新一代全球重力場(chǎng)模型，用于描述和表示地球重力場(chǎng)的一類基本參數(shù)的集合，包括位系數(shù)、大地水準(zhǔn)面高、垂線偏差、重力梯度等，是對(duì)地區(qū)重力場(chǎng)的逼近或者擬合。該模型最終成果主要包括2159次的全球重力場(chǎng)模型；全球 5′ 5′，2.52.5網(wǎng)格大地水準(zhǔn)面；全球5′ 5′格網(wǎng)垂線偏差（ζ，η）。該模型采用了GRACE衛(wèi)星跟蹤數(shù)據(jù)（ITG-GRACE03S位系數(shù)信息以及相應(yīng)的協(xié)方差信息）、衛(wèi)星測(cè)高數(shù)據(jù)和地面重力數(shù)據(jù)等，該模型無論在精度還是在分辨率方面均取得了巨大進(jìn)步，采用該模型以及GPS/水準(zhǔn)數(shù)據(jù)有望獲得更高精度的區(qū)域似大地水準(zhǔn)面。

2 控制測(cè)量建立的基本方法

2.1 平面控制的建立步驟：

（1）根據(jù)測(cè)區(qū)的大小范圍在測(cè)區(qū)邊沿四周均勻的布設(shè)適當(dāng)?shù)氖准?jí)GNSS控制點(diǎn)；

（2）在整個(gè)測(cè)區(qū)內(nèi)部均勻的布設(shè)次級(jí)加密GNSS控制點(diǎn)；

（3）確定測(cè)區(qū)中央子午線（取測(cè)區(qū)平均值），確定測(cè)區(qū)邊長(zhǎng)歸化面（取測(cè)區(qū)平均高程值）；

（4）應(yīng)用多臺(tái)GNSS接收機(jī)同步聯(lián)測(cè)首級(jí)GNSS控制點(diǎn)，從網(wǎng)上下載同步時(shí)段的IGS跟蹤站數(shù)據(jù)與首級(jí)GNSS控制點(diǎn)聯(lián)合解算，求取WGS-84坐標(biāo)成果；

（5）應(yīng)用多臺(tái)GNSS接收機(jī)聯(lián)測(cè)次級(jí)加密GNSS控制點(diǎn)，同時(shí)聯(lián)測(cè)適當(dāng)?shù)氖准?jí)GNSS控制點(diǎn)，采用首級(jí)GNSS控制點(diǎn)成果進(jìn)行二維約束平差，求取加密GNSS點(diǎn)WGS-84坐標(biāo)成果；

（6）根據(jù)需要加密導(dǎo)線測(cè)量。

2.2 高程控制的建立步驟：

（1）根據(jù)GNSS解算出來的WGS84經(jīng)緯度通過EGM2008地球重力場(chǎng)模型算出各點(diǎn)高程異常值；

（2）通過GNSS解算出來的橢球高與各點(diǎn)的高程異常值計(jì)算出EGM2008地球重力場(chǎng)正常高。

EGM2008地球重力場(chǎng)模型計(jì)算正常高公式如下：

h為大地高，HEGM2008為EGM2008似大地水準(zhǔn)面高程，ζ為EGM2008似大地水準(zhǔn)面高程異常。

由此可知正常高與大地高的轉(zhuǎn)換公式為：HEGM2008=h-ζ。

3 事例

3.1 測(cè)區(qū)情況介紹

塞拉利昂位于西非，曼蓋（Mange）電站為小斯卡賽斯河干流最下游梯級(jí)，距離河口38.28km，工程建設(shè)地點(diǎn)屬北部省洛科港（Port Lock）地區(qū)，距馬可尼（Makeni）135km，距首都弗里敦154km。壩址距城鎮(zhèn)Mange約5km。采用混合式開發(fā)，初擬正常蓄水位30m，正常蓄水位以下庫(kù)容約6.3億m3，具有不完全年調(diào)節(jié)性能，壩壅水高14m，利用落差29.2m。初擬裝機(jī)容量100MW。

塞拉利昂項(xiàng)目部要求曼蓋（Mange）電站需測(cè)量1：2000地形圖、河道縱橫斷面，測(cè)區(qū)長(zhǎng)度約80km。在項(xiàng)目部?jī)H搜集到1：50000地形圖和1：2000放大地形圖，地形圖平面坐標(biāo)系統(tǒng)為WGS84系統(tǒng)，高程為塞拉利昂水準(zhǔn)面高程。為了和地形圖進(jìn)行有效的連接，必須新建一個(gè)覆蓋整個(gè)測(cè)區(qū)的控制測(cè)量系統(tǒng)。

3.2 控制測(cè)量建立的實(shí)施過程

由于測(cè)區(qū)無控制資料，以現(xiàn)場(chǎng)踏勘的實(shí)際情況布設(shè)了6個(gè)二等GNSS點(diǎn)，觀測(cè)時(shí)間為連續(xù)觀測(cè)8個(gè)小時(shí)，然后用獲取的數(shù)據(jù)與IGS跟蹤站同時(shí)間段的數(shù)據(jù)進(jìn)行聯(lián)合解算，作為平面、高程首級(jí)控制。平面坐標(biāo)系統(tǒng)為WGS84坐標(biāo)系，高斯投影，投影中央子午線西經(jīng)12°40′，控制點(diǎn)分布見圖1和圖2。

通過在網(wǎng)絡(luò)上下載IGS跟蹤站同步數(shù)據(jù)與二等GNSS觀測(cè)數(shù)據(jù)聯(lián)合解算得二等控制點(diǎn)成果，見表1。

根據(jù)項(xiàng)目設(shè)計(jì)書要求控制成果應(yīng)把邊長(zhǎng)歸化到正常高20.000m高程面上（投影面大地高為51.3m），投影中央子午線取測(cè)區(qū)平均中央子午線為西經(jīng)12°40′，經(jīng)計(jì)算GNSS點(diǎn)WGS84投影成果見表2。

用GNSS點(diǎn)的經(jīng)緯度數(shù)據(jù)，按EGM2008地球重力場(chǎng)模型解算出各點(diǎn)的高程異常，根據(jù)公式正常高=大地高-高程異常，求出各點(diǎn)的EGM2008正常高。經(jīng)計(jì)算GNSS點(diǎn)EGM2008正常高的WGS84投影成果見表3。

三等加密網(wǎng)根據(jù)測(cè)區(qū)范圍按5km左右均勻布設(shè)一對(duì)點(diǎn)組，點(diǎn)組之間相互通視，距離控制在0.5km～1.5km之間，要求每對(duì)點(diǎn)組連續(xù)觀測(cè)2個(gè)小時(shí)。三等控制點(diǎn)分布見圖2。以二等網(wǎng)MGJ1、MGJ2、MGJ3、MGJ4、MGJ5為固定點(diǎn)進(jìn)行三維約束平差。經(jīng)平差計(jì)算后三等GNSS點(diǎn)WGS84投影成果見表4。

為了方便補(bǔ)測(cè)地形圖和河道縱橫斷面，在GNSS點(diǎn)組之間又布設(shè)了附合五等導(dǎo)線和四等三角高程，在此不再贅述。

3.3 控制測(cè)量數(shù)據(jù)檢核

二等GNSS控制采用引入IGS跟蹤站數(shù)據(jù)進(jìn)行檢核，三等GNSS控制通過GNSS邊長(zhǎng)與全站儀紅外邊長(zhǎng)作比較進(jìn)行檢核。檢核數(shù)據(jù)見表5、表6。

注：極限=2（a+b×10-6），Topcon全站儀GTS-3002LN系列a=3mm，b=2ppm.

從表5得到IGS跟蹤站RABT的點(diǎn)位中誤差為2.73cm，此精度完全滿足《水利水電工程測(cè)量規(guī)范》SL197-2013》第4節(jié)表4.1.2基本平面控制最弱相鄰點(diǎn)點(diǎn)位允許中誤差不大于±10cm（按1：2000比例尺）的要求。

從表6中GNSS邊長(zhǎng)與全站儀紅外邊長(zhǎng)較差可知，地面實(shí)測(cè)的全站儀邊長(zhǎng)與GNSS邊長(zhǎng)較吻合，說明觀測(cè)成果正確、可靠。

4 結(jié)論

從事例看出國(guó)外水電工程控制測(cè)量過程的實(shí)現(xiàn)需要注意以下幾點(diǎn)：

（1）當(dāng)測(cè)區(qū)沒有已知點(diǎn)時(shí)，平面坐標(biāo)系統(tǒng)可采用WGS84高斯投影坐標(biāo)，高程系統(tǒng)可采用EGM2008地球重力場(chǎng)正常高系統(tǒng)；

（2）當(dāng)測(cè)區(qū)提供了相應(yīng)的地形圖時(shí)，應(yīng)通過EGM2008地球重力場(chǎng)正常高系統(tǒng)與地形圖高程系統(tǒng)建立連接關(guān)系，從而轉(zhuǎn)換到用戶高程系統(tǒng)上；

（3）在控制測(cè)量施測(cè)整個(gè)過程中，應(yīng)建立相應(yīng)的數(shù)據(jù)檢核條件，做到觀測(cè)成果真實(shí)、可靠。

【參考文獻(xiàn)】

[1]孔祥元，郭際明，劉宗全，編著.大地測(cè)量學(xué)基礎(chǔ)[M].武漢大學(xué)出版社，2005.12（1）。

[2]徐紹銓，張華海，楊志強(qiáng).GPS測(cè)量原理及應(yīng)用[M].武漢：武漢大學(xué)出版社，2003.

注釋：

①中華人民共和國(guó)水利部批準(zhǔn)《水利水電工程測(cè)量規(guī)范》SL197-2013，2013年09月公布[S].

[責(zé)任編輯：王楠]