淺談水利工程控制測量

李 寧

(新疆伊犁州水利電力勘測設(shè)計研究院，新疆 伊寧 835000)

控制測量的目的是為地面的大比例成圖、施工放樣、變型觀測和地下控制測量傳遞地面坐標(biāo)，建立整體的控制基礎(chǔ)，從而控制全局、限制測量誤差的傳遞和積累，保障測量工作的相對精度。在測區(qū)內(nèi)，按測量任務(wù)所要求的精度，測定一系列控制點(diǎn)的平面位置和高程，建立起測量控制網(wǎng)，作為各種測量的基礎(chǔ)，這種工作稱為控制測量。控制網(wǎng)具有控制全局、限制測量誤差累積的作用，是各項(xiàng)測量工作的依據(jù)。對于水利工程測量，常需布設(shè)專用控制網(wǎng)，作為施工放樣和變形觀測的依據(jù)。

1 項(xiàng)目概述

麻桿溝水庫Ⅱ庫位于伊犁河谷西部北岸的果子溝牧場東側(cè)麻桿溝之中，地理位置在東經(jīng)80°56'～81°00'，北緯 44°11'～44°20'之間，隸屬霍城縣境內(nèi)，僅能通過路況較差的鄉(xiāng)村土路到達(dá)，交通條件較差。

2 作業(yè)執(zhí)行技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

a.《工程測量規(guī)范》(GB 50026—2007)。

b.《三四等水準(zhǔn)測量規(guī)范》(GBT 12898—2009)。

c.《全球定位系統(tǒng)(GPS)測量規(guī)范》(GB/T 18314—2009)。

3 設(shè)計方案

3.1 等級及主要精度指標(biāo)

此次測量目的主要是為了建立庫區(qū)主壩址及庫區(qū)內(nèi)的施工控制網(wǎng)。平面控制工作量:布設(shè)測量E級精度的GPS點(diǎn)6個需聯(lián)測GPS等級點(diǎn)3個;平面控制工作量:施測四等水準(zhǔn)路線長度32km需聯(lián)測國家四等水準(zhǔn)點(diǎn)以上的基準(zhǔn)點(diǎn)。

3.2 已有測繪成果資料及其利用

經(jīng)收集資料及實(shí)地踏勘，發(fā)現(xiàn)在測區(qū)西部分布有1個國家一等水準(zhǔn)點(diǎn)，點(diǎn)名為五庫31，距離測區(qū)約12km左右，將其作為該項(xiàng)目高程控制(四等水準(zhǔn))測量的起算點(diǎn)。測區(qū)南部有一個GPS控制點(diǎn)(JH02)，北部有兩個GPS控制點(diǎn)(GB09、DB02)，分布比較均勻，幾何圖形強(qiáng)度及精度指標(biāo)較好。該次E級GPS網(wǎng)測量起算點(diǎn)采用這三個點(diǎn)，成果精度高、質(zhì)量可靠。

3.3 測繪儀器

使用s82雙頻GPS接收機(jī)(5mm+5ppm)進(jìn)行靜態(tài)觀測，水準(zhǔn)測量使用Sprinter 250型電子水準(zhǔn)儀觀測，并確保所使用的測量儀器在檢定有效期內(nèi)。

4 平面控制測量

4.1 GPS控制點(diǎn)的選埋及觀測

斜井及通風(fēng)井布設(shè)E級GPS控制網(wǎng)點(diǎn)，以滿足礦井建設(shè)需要。點(diǎn)位應(yīng)選在基礎(chǔ)穩(wěn)定、土質(zhì)堅實(shí)的位置，以便長期保存利用。周圍應(yīng)便于操作和安置接收機(jī)設(shè)備，并保證視野開闊，視場內(nèi)障礙物的高度角小于15°。應(yīng)遠(yuǎn)離大功率無線電發(fā)射源［如電視臺、微波站等］，其距離大于400m;遠(yuǎn)離高壓輸電線，其距離不得小于200m。附近應(yīng)避免有強(qiáng)干擾衛(wèi)星信號接收的物體，并盡量避開大面積水域和大型建筑物。GPS待定點(diǎn)具體位置由技術(shù)人員現(xiàn)場選定，每點(diǎn)均應(yīng)保證至少與一個鄰近點(diǎn)通視。

GPS作業(yè)時應(yīng)采用靜態(tài)模式(常規(guī)靜態(tài)或快速靜態(tài))觀測。觀測的基本要求如下表1所示。

測區(qū)以GB09、DB02、JH02為起算點(diǎn)，沿礦區(qū)主副

表1 E級GPS靜態(tài)相對定位測量的技術(shù)指標(biāo)

觀測時應(yīng)量取儀器高兩次，兩次讀數(shù)差不大于5mm，并記錄于觀測手簿中。

觀測點(diǎn)的標(biāo)志面中心至天線垂直距離采用特制專用測高彎尺上的白式指標(biāo)線直接讀數(shù)，讀取至1mm。每測站觀測前后應(yīng)各量取天線高一次，兩次量高之差不應(yīng)大于3mm，取平均值作為最后天線高。GPS測量作業(yè)基本技術(shù)規(guī)定應(yīng)符合《GPS規(guī)范》的要求。

4.2 E級GPS網(wǎng)外業(yè)數(shù)據(jù)采集

以GB09、DB02、JH02三個 GPS點(diǎn)作為起算點(diǎn)，在測區(qū)均勻布設(shè)6個 E級 GPS點(diǎn)，點(diǎn)名分別為 Z1、Z2、Z3、F1、F2、F3。該網(wǎng)由 58個同步環(huán)構(gòu)成，平均邊長2km。觀測采用的技術(shù)指標(biāo)包括:有效觀測衛(wèi)星總數(shù)≥4;觀測時段中任意衛(wèi)星有效觀測時間≥15min;時間段長度≥50min;位置精度衰減因子(PDOP)≤6;觀測衛(wèi)星高度角≥15°;數(shù)據(jù)采樣間隔10s。

E級GPS相關(guān)精度要求見表2。

表2 E級GPS網(wǎng)的精度要求

4.3 外業(yè)觀測遵循的操作規(guī)程

觀測人員嚴(yán)格遵守調(diào)度命令，按時段要求一個時段記錄一個“觀測文件外業(yè)手薄”;接收機(jī)在開機(jī)前和作業(yè)過程中，及時逐項(xiàng)填寫測量手簿中的記錄項(xiàng)目，基座上氣泡居中;開機(jī)后及時觀察各指示燈的變化，判斷觀測數(shù)據(jù)記錄是否正常，電量是否充足，內(nèi)存儲器是否已滿。

4.4 E級GPS網(wǎng)外業(yè)數(shù)據(jù)的處理計算及檢核

GPS網(wǎng)外業(yè)數(shù)據(jù)平差處理軟件采用GPS數(shù)據(jù)處理軟件包GPSPro Ver4.0平差軟件。為了避免選取不相互獨(dú)立的基線，造成平差結(jié)果與真實(shí)狀況不符情況的發(fā)生，此次基線解算都選取相互獨(dú)立的基線。由于E級GPS網(wǎng)由多個時段觀測組成，因此，所選取的獨(dú)立基線均構(gòu)成閉合的幾何圖形。對于基線質(zhì)量的好壞，依據(jù)RMS、RDOP、RATIO值來判定，并盡量選取邊長較短的基線向量。此次GPS網(wǎng)基線解算，首先將所有基線向量按多基線解算模式進(jìn)行基線解算，然后依據(jù)上述質(zhì)量控制指標(biāo)對所有基線向量進(jìn)行優(yōu)化(如刪除時間段，改變衛(wèi)星高度角、刪除衛(wèi)星等)，剔除不合格的基線，最后在處理合格的基線中選擇獨(dú)立基線重新用多基線解算模式處理，因此，本次GPS網(wǎng)基線解算的結(jié)果是可靠的。

4.4.1 GPS網(wǎng)無約束平差的作用

無約束平差能夠評定GPS網(wǎng)的內(nèi)部符合精度，發(fā)現(xiàn)并剔除GPS觀測值中可能存在的粗差;通過無約束平差可求得GPS網(wǎng)中各個點(diǎn)在WGS—84系下的三維空間直角坐標(biāo);為將來進(jìn)行的高程擬合，提供了經(jīng)過平差處理的大地高數(shù)據(jù)。

4.4.2 E級GPS網(wǎng)無約束平差的過程

依據(jù)設(shè)計好的GPS控制網(wǎng)形選擇好獨(dú)立基線，構(gòu)成由獨(dú)立基線組成的GPS控制網(wǎng);將獨(dú)立基線拖入網(wǎng)平差欄中;先按缺省設(shè)置運(yùn)行平差計算，經(jīng)分析，閉合環(huán)和重復(fù)基線測試全部通過，說明觀測的基線是可靠的，按照系統(tǒng)提示將先驗(yàn)單位權(quán)中誤差設(shè)置為1.85重新運(yùn)行;查看后驗(yàn)單位權(quán)中誤差，判斷觀測值的隨機(jī)誤差和先驗(yàn)方差的匹配程度，其值理論上應(yīng)為1，此次無約束平差值為0.95，最小二乘平差測試通過。

4.4.3 無約束平差的數(shù)據(jù)檢核

計算同步邊平差值的中誤差和相對中誤差，按照《全球定位系統(tǒng)(GPS)測量規(guī)范》要求，同步邊每一時段平差值的中誤差應(yīng)小于0.1m，基于平差軟件可以自動進(jìn)行該項(xiàng)測試，此次GPS網(wǎng)無約束平差，在環(huán)閉合差和重復(fù)基線測試的參數(shù)欄內(nèi)平面輸入為“e=0.05m，a=8ppm”，高程輸入為“e=0.1m，a=16ppm”，程序檢核測試通過。

4.4.4 同步環(huán)、異步環(huán)閉合差的檢核

隨著定位技術(shù)的迅速發(fā)展，GPS測量數(shù)據(jù)處理軟件的功能和自動化程度不斷增強(qiáng)和提高，此次GPS網(wǎng)無約束平差的同步環(huán)檢核由平差軟件自動完成并通過測試。在GPS外業(yè)數(shù)據(jù)處理后，依據(jù)所計算的限差對各時段構(gòu)成的同步環(huán)進(jìn)行了全面的檢驗(yàn)，其精度符合要求。

4.4.5 三維約束平差

采用GPS作業(yè)方式施測控制網(wǎng)，首先根據(jù)外業(yè)采集的數(shù)據(jù)解算出基線，利用基線組成WGS-84坐標(biāo)系統(tǒng)中的自由網(wǎng)，進(jìn)行無約束平差，在網(wǎng)本身的內(nèi)符合精度達(dá)到要求后，確定有效的觀測量，選定起算數(shù)據(jù)，使用1954年北京坐標(biāo)系81°帶的數(shù)據(jù)模型計算出尺度比、平移和旋轉(zhuǎn)參數(shù)并得到GPS網(wǎng)中未知點(diǎn)在萬分之一坐標(biāo)系中的成果。由于整個GPS網(wǎng)所用的基線均為GPS靜態(tài)解，因此可使用等權(quán)平差完成。E級GPS網(wǎng)在高斯平面上的三維約束平差后，對重復(fù)基線、環(huán)閉合差也進(jìn)行了統(tǒng)計測試，高程精度略低，但各項(xiàng)精度指標(biāo)均符合規(guī)范要求。

5 高程控制測量

高程控制點(diǎn)與平面控制點(diǎn)共用埋石標(biāo)志。水準(zhǔn)測量采用電子水準(zhǔn)儀進(jìn)行觀測，并出具有效鑒定證書。高程測量成果的概算及檢驗(yàn)高程概算中須加入水準(zhǔn)尺每米真長誤差及正常水準(zhǔn)面不平行性誤差的改正并進(jìn)行水準(zhǔn)測量路線閉合差及限差的檢查。水準(zhǔn)高程網(wǎng)采用《附閉合水準(zhǔn)路線平差程序》進(jìn)行平差計算。成果包括:路線閉合差及其限差、環(huán)線閉合差及其限差、各測段高差中誤差、各測段高差平差值及各點(diǎn)高程平差值。

高程系統(tǒng)的確定及布設(shè)方案:已知點(diǎn)與GPS點(diǎn)之間聯(lián)測全部采用四等水準(zhǔn)觀測。高程系統(tǒng)為1956黃海高程基準(zhǔn)。四等水準(zhǔn)測量觀測采用徠卡電子型水準(zhǔn)儀進(jìn)行往返觀測。使用的水準(zhǔn)儀及標(biāo)尺，觀測前均經(jīng)測繪儀器計量檢定維修站進(jìn)行全面的檢定。對使用的水準(zhǔn)儀i角每天觀測前進(jìn)行實(shí)地檢查。四等水準(zhǔn)測量每測站照準(zhǔn)標(biāo)尺的順序?yàn)??后視標(biāo)尺;?后視標(biāo)尺;?前視標(biāo)尺;?前視標(biāo)尺。水準(zhǔn)測量觀測的高差中高差較小故未進(jìn)行尺長改正。對往返測高差超限的，全部進(jìn)行返工重測，確保其高差的正確。水準(zhǔn)平差檢核:閉合差容許值

測量控制成果質(zhì)量可靠、精度優(yōu)良，完全能滿足國家四等水準(zhǔn)測量精度。

6 成果說明

平面控制測量采用8臺S82GPS接收機(jī)(標(biāo)稱精度:5mm+5ppm×D)進(jìn)行;高程控制測量采用電子水準(zhǔn)儀Sprinter 250施測。GPS基線解算及網(wǎng)平差采用隨機(jī)軟件《南方測繪GPSPro Ver4.0》進(jìn)行。

平面控制網(wǎng)中最弱點(diǎn)為“F003”，其點(diǎn)位中誤差為±0.380mm，規(guī)范限差為±10mm;四等水準(zhǔn)測量為一條支水準(zhǔn)路線;高差閉合0.0065mm，限差=±20×SQRT(L)=±81mm，每 km偶然中誤差為±4.2980mm，小于規(guī)范規(guī)定 ±5mm，符合規(guī)范要求。成果中控制點(diǎn)均為標(biāo)石頂部高程，各控制網(wǎng)點(diǎn)均為混凝土埋石。作業(yè)中所使用儀器均經(jīng)測繪質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督部門檢定合格，成果質(zhì)量滿足規(guī)范要求。■

1 孔祥元，梅是義.控制測量學(xué)(上冊)［M］.武漢:武漢大學(xué)出版社，1996.

2 華錫生，黃騰.精密工程測量技術(shù)及應(yīng)用［M］.南京:河海大學(xué)出版社，2002.