GPS技術(shù)在水庫(kù)施工控制網(wǎng)測(cè)量中的應(yīng)用

徐立軍

(遼寧省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,遼寧 沈陽(yáng) 110006)

GPS技術(shù)在水庫(kù)施工控制網(wǎng)測(cè)量中的應(yīng)用

徐立軍

(遼寧省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,遼寧 沈陽(yáng) 110006)

本文結(jié)合在錦凌水庫(kù)樞紐工程施工控制網(wǎng)測(cè)量中得到的C級(jí)GPS網(wǎng)測(cè)量成果，對(duì)施工控制網(wǎng)的布網(wǎng)方案、施測(cè)方法、平差計(jì)算及精度分析做了詳細(xì)的介紹，并對(duì)該控制網(wǎng)成果進(jìn)行了分析。詳細(xì)論述GPS網(wǎng)的測(cè)量精度，并提出GPS定位技術(shù)用于高等級(jí)施工控制網(wǎng)測(cè)量的方法和注意事項(xiàng)。

觀測(cè)墩；施工控制網(wǎng)；基線解算；高程控制

錦凌水庫(kù)壩址位于小凌河流域錦州段，地理坐標(biāo)為東經(jīng)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(yíng)。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(fù)雜地區(qū)，土質(zhì)多為壤土，凍土深度為1.2～1.4 m。GPS定位技術(shù)具有速度快、精度高的優(yōu)點(diǎn)，在數(shù)據(jù)后處理過程中處理方法要求嚴(yán)謹(jǐn)、科學(xué)。結(jié)合GPS技術(shù)應(yīng)用于錦凌水庫(kù)樞紐工程施工控制網(wǎng)測(cè)量的經(jīng)驗(yàn)，提出GPS定位技術(shù)用于高等級(jí)施工控制網(wǎng)測(cè)量的注意事項(xiàng)。

1 選點(diǎn)與造標(biāo)

GPS網(wǎng)點(diǎn)圖形結(jié)構(gòu)比較靈活，但若選點(diǎn)不當(dāng)，可能會(huì)造成衛(wèi)星信號(hào)被遮擋或受到干擾，多路徑效應(yīng)發(fā)生“共振”，相位觀測(cè)中“周跳”頻繁發(fā)生等弊病，即使延長(zhǎng)觀測(cè)時(shí)間也于事無補(bǔ)。故選好點(diǎn)位是提高GPS觀測(cè)精度、保證成果可靠性、使觀測(cè)工作能夠順利進(jìn)行的重要環(huán)節(jié)。

為滿足錦凌水庫(kù)樞紐工程施工測(cè)量的需要，建造了五個(gè)觀測(cè)墩和三個(gè)水準(zhǔn)點(diǎn)，且利用了一個(gè)錦州市水利局原有的標(biāo)志點(diǎn)。建造的所有GPS點(diǎn)和水準(zhǔn)點(diǎn)均現(xiàn)場(chǎng)澆筑鋼筋混凝土，選用圓柱體模板，在觀測(cè)墩上安裝強(qiáng)制對(duì)中基盤(四川省新都飛翔測(cè)繪工具廠生產(chǎn)的F-1A型基盤，最大對(duì)中誤差小于0.05 mm)，標(biāo)石的底座和標(biāo)體澆筑成了剛體。該地區(qū)的凍土極值深度為1.4 m。根據(jù)“中國(guó)凍土極值深度等值線圖”和實(shí)地的具體情況，JL2、JS1、JS3標(biāo)石埋深為1.6 m，其余均挖到基巖為止。標(biāo)石制作情況見圖1。

2 GPS控制網(wǎng)建立

2.1 技術(shù)要求

施工控制網(wǎng)等級(jí)：C級(jí)，平面坐標(biāo)系統(tǒng)：1954年北京坐標(biāo)系， 120°00′00″，高斯投影，3°分帶。

2.2 GPS控制網(wǎng)布設(shè)方案

在壩址兩端各布設(shè)一個(gè)控制點(diǎn)，在壩址的上游布設(shè)一個(gè)控制點(diǎn)，下游布設(shè)2個(gè)控制點(diǎn)，共5個(gè)，且每個(gè)點(diǎn)之間都通視，加上兩個(gè)起算點(diǎn)和一個(gè)校核點(diǎn)共8個(gè)點(diǎn)，點(diǎn)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(diǎn)的過程中，嚴(yán)格遵守《全球定位系統(tǒng)(GPS)測(cè)量規(guī)范》“7.2 點(diǎn)位基本要求”中的相關(guān)要求， 將華山HS(Ⅰ)及梁家窩棚L(fēng)JWP(Ⅰ)聯(lián)測(cè)到網(wǎng)中，作為起算點(diǎn)，把蒼和山CHS(Ⅱ)聯(lián)測(cè)到網(wǎng)中，作為校核點(diǎn)。控制網(wǎng)按邊聯(lián)式原則進(jìn)行布網(wǎng)，網(wǎng)中點(diǎn)上至少有三條基線通過，總觀測(cè)量為必要觀測(cè)量的2.2倍，大于《工程測(cè)量規(guī)范》規(guī)定的1.5倍。平面控制網(wǎng)的布設(shè)不僅滿足本次工程測(cè)量，還為以后大壩變形觀測(cè)工作打下基礎(chǔ)?？刂凭W(wǎng)示意圖見圖2。

圖1 觀測(cè)墩、水準(zhǔn)點(diǎn)示意圖

圖2 錦凌水庫(kù)施工控制網(wǎng)GPS網(wǎng)示意圖

2.3 施工控制網(wǎng)的外業(yè)觀測(cè)

施工控制網(wǎng)按C級(jí)精度施測(cè)，即全網(wǎng)最弱相鄰點(diǎn)邊長(zhǎng)相對(duì)中誤差不大于1/12萬，約束點(diǎn)間的邊長(zhǎng)相對(duì)中誤差不大于1/25萬。外業(yè)觀測(cè)采用南方靈銳S86T雙頻GPS衛(wèi)星接收機(jī)來進(jìn)行，GPS觀測(cè)采用靜態(tài)相對(duì)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(cè)了6個(gè)時(shí)段，JL1、JL5、JL2、JL4重復(fù)設(shè)站4次，CHS、JL3、HS、LJWP重復(fù)設(shè)站2次，觀測(cè)時(shí)段數(shù)=3，大于《全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)GPS測(cè)量規(guī)范》中對(duì)C級(jí)網(wǎng)時(shí)段數(shù)要求，且每個(gè)點(diǎn)的設(shè)站數(shù)至少為2次。

2.4 數(shù)據(jù)處理

2.4.1 GPS基線解算

基線解算之前，首先對(duì)外業(yè)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行全面的檢查，包括測(cè)站名、天線高輸入是否準(zhǔn)確、衛(wèi)星信號(hào)是否異常、有效的觀測(cè)時(shí)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(jìn)行，選用廣播星歷，雙頻相位觀測(cè)值，GPS網(wǎng)基線結(jié)果采用雙差固定解。本控制網(wǎng)觀測(cè)共取得具有雙差固定解的基線36條。在進(jìn)行基線初步檢驗(yàn)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(kù).asc”基線文件調(diào)入CosaGPS V6.0平差軟件繼續(xù)進(jìn)行數(shù)據(jù)檢核及平差計(jì)算。

2.4.2 數(shù)據(jù)檢核

數(shù)據(jù)檢核在CosaGPS平差軟件中進(jìn)行。

GPS相鄰點(diǎn)間弦長(zhǎng)精度用下式表示：

(1)

式(1)中：σ為基線長(zhǎng)度中誤差，mm；a為固定誤差，mm；b為比例誤差系數(shù)，mm/km；d為基線平均長(zhǎng)度，km。

本工程中a=5 mm，b=1 mm/km，σ依據(jù)各基線的平均長(zhǎng)度d分別計(jì)算。

(1)重復(fù)觀測(cè)邊的檢核

(2)異步觀測(cè)環(huán)檢核

本控制網(wǎng)中共有異步環(huán)8個(gè)。

GPS網(wǎng)中的異步環(huán)的坐標(biāo)分量閉合差和全長(zhǎng)閉合差應(yīng)滿足下式：

(2)

式(2)中：W(x、y、z)為各坐標(biāo)分量閉合差；n為閉合環(huán)邊數(shù)；σ意義同前。

由此可得出結(jié)論，本網(wǎng)所有W(x、y、z)、WS檢核項(xiàng)都滿足限差要求。

2.4.3 控制網(wǎng)中誤差計(jì)算

按照《工程測(cè)量規(guī)范》(GB50026—2007)規(guī)定，GPS控制網(wǎng)需要對(duì)全網(wǎng)整體的觀測(cè)精度進(jìn)行評(píng)價(jià)。

施工控制網(wǎng)平均邊長(zhǎng)：3215m計(jì)算，σ=5.9mm，計(jì)算m=1.4mm。 顯然，m ≤σ，完全滿足工程測(cè)量規(guī)范規(guī)定。

3 平差計(jì)算

3.1WGS-84坐標(biāo)系三維無約束網(wǎng)平差

采用軟件CosaGPSV6.0平差軟件進(jìn)行GPS網(wǎng)三維無約束平差，求出網(wǎng)中各點(diǎn)在WGS-84坐標(biāo)系下的地方三維坐標(biāo)，各基線向量改正數(shù)和精度信息。無約束平差基線分量改正數(shù)的絕對(duì)值(V△x、V△y、V△z)滿足下式：

(3)

三維無約束平差后的結(jié)果顯示：基線分量改正數(shù)絕對(duì)值與限差之差(V(△x、△y、△z)- 3σ)最大值為-1.1cm(JL1-JL2)(基線長(zhǎng)772.1m)，限差為1.5cm滿足限差要求。

由此可推斷出本網(wǎng)其他的基線分量的改正數(shù)絕對(duì)值都可以滿足各自限差的要求。邊長(zhǎng)相對(duì)中誤差最低值1/114.1萬，最弱點(diǎn)點(diǎn)位中誤差為2.1mm(HS)。

3.2 1954年北京坐標(biāo)系二維約束平差

首先對(duì)采用的HS、LJWP兩個(gè)起算點(diǎn)進(jìn)行檢核，即HS-LJWP基線向量邊長(zhǎng)投影至高斯平面邊長(zhǎng)與北京54坐標(biāo)系下坐標(biāo)反算邊長(zhǎng)進(jìn)行比較，兩點(diǎn)之間邊長(zhǎng)相對(duì)中誤差為1/45萬，小于1/25萬，所以采用HS、LJWP作為起算點(diǎn)。邊長(zhǎng)相對(duì)中誤差最低值1/108.5萬，最弱點(diǎn)點(diǎn)位中誤差為1.2mm(HS) 。

3.3 工程坐標(biāo)計(jì)算

錦凌水庫(kù)壩址地區(qū)的地理坐標(biāo)范圍在東經(jīng)120°57′～121°03′，北緯41°05′～41°08′。測(cè)區(qū)高程異常值53.5m，壩頂高程為66.8m，地面高程為32m，相對(duì)于120°中央子午線來說，測(cè)區(qū)內(nèi)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(duì)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(jīng)過多重比較，將中央子午線調(diào)整至120°33′00″，測(cè)區(qū)內(nèi)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(cè)角精度：0.5″ ，測(cè)距精度：1mm+1ppm)測(cè)量施工控制點(diǎn)邊長(zhǎng)與GPS基線邊長(zhǎng)進(jìn)行比較，來檢查施工控制網(wǎng)的可靠性。比較結(jié)果見表2。

徠卡TS30測(cè)量施工控制點(diǎn)平距與GPS測(cè)量施工控制點(diǎn)工程坐標(biāo)邊長(zhǎng)相對(duì)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(cè)量

高程控制采用1985國(guó)家高程基準(zhǔn)，采用二等幾何水準(zhǔn)的方式進(jìn)行測(cè)量。施測(cè)前，對(duì)水準(zhǔn)儀進(jìn)行了i角檢驗(yàn)，最大值為6.2″，最小值為3.3″(限差15″)。水準(zhǔn)測(cè)量采用單路線往返觀測(cè)法測(cè)量，布設(shè)二個(gè)水準(zhǔn)網(wǎng)聯(lián)測(cè)所有控制點(diǎn)。水準(zhǔn)網(wǎng)平差計(jì)算采用現(xiàn)代測(cè)量控制網(wǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)處理通用軟件包COSA-CODAPSVersion6.0。水準(zhǔn)網(wǎng)一的每公里偶然中誤差MΔ=0.8mm，全中誤差Mw=1.7mm。水準(zhǔn)網(wǎng)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(cè)量邊長(zhǎng)與GPS基線邊長(zhǎng)比較

6 結(jié)論及建議

(1)高精度施工控制網(wǎng)的控制點(diǎn)應(yīng)埋設(shè)具有強(qiáng)制歸心裝置的混凝土觀測(cè)墩，設(shè)置在地基穩(wěn)定且能長(zhǎng)期保存的地方。

(2)GPS技術(shù)是一種建立高精度平面施工控制網(wǎng)的最佳方法，節(jié)約測(cè)量成本，提高工作效率。同時(shí)為后期大壩變形觀測(cè)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

(3)施工控制網(wǎng)各項(xiàng)觀測(cè)結(jié)束后，應(yīng)根據(jù)控制網(wǎng)測(cè)量類型進(jìn)行各項(xiàng)限差的驗(yàn)算，通過后，進(jìn)行嚴(yán)密平差。

(4)測(cè)區(qū)條件復(fù)雜，存在衛(wèi)星信號(hào)受遮擋、電磁干擾等情況，可采用徠卡TS30檢查GPS網(wǎng)的可靠性。

[1] 中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局，中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì).全球定位系統(tǒng)(GPS)測(cè)量規(guī)范：GB/T 18314—2009[S]. 北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2009.

[2] 中華人民共和國(guó)水利部.水利水電工程測(cè)量規(guī)范：SL 197-2013[S].北京：中國(guó)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(cè)量工作。

P228.4；TV221.1

A

2096-0506(2016)12-0037-04