TBC和COSA_GPS GNSS數(shù)據(jù)處理軟件在延安引黃工程中的應(yīng)用

劉 凱,彭方輝

(陜西省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院測(cè)繪分院,西安 710002)

文章編號(hào)：1006—2610(2015)03—0092—05

TBC和COSA_GPS GNSS數(shù)據(jù)處理軟件在延安引黃工程中的應(yīng)用

劉 凱,彭方輝

(陜西省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院測(cè)繪分院,西安 710002)

筆者將TBC和COSA_GPS兩種數(shù)據(jù)處理軟件分別運(yùn)用在工程前期的數(shù)據(jù)處理中，并通過(guò)充分的比較論證，得出兩者相結(jié)合的處理方法，即TBC用于基線解算、處理，COSA_GPS用于后期平差。討論了COSA_GPS在精度要求較高的隧洞工程中，軟件的一點(diǎn)一方位方法建立獨(dú)立坐標(biāo)系的優(yōu)越性。論述了這2種軟件的擬合GPS高程成果在水準(zhǔn)檢核和小范圍測(cè)圖中的應(yīng)用。 關(guān)鍵詞：TBC;COSA_GPS;獨(dú)立坐標(biāo)系;高程擬合

1 概 述

1.1 工程任務(wù)

引黃工程是“十二五”期間延安市規(guī)劃建設(shè)的重大水源工程，該項(xiàng)目對(duì)于加快全市產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型和能源化工基地建設(shè)，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展，具有重大歷史意義。此引水工程始于黃河上游延川縣延水關(guān)鎮(zhèn)王家渠村，止于延安經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)。取水量近期預(yù)計(jì)達(dá)到7 196萬(wàn)m3/a，遠(yuǎn)期有望將達(dá)到1億m3/a以上，為新建Ⅲ等中型供水工程，其由五大部分組成，分別為：取水樞紐工程(2處)、泵站工程(10座，其中加壓泵站8座，取水泵站2座)、輸水管(洞)線工程181.25 km、水庫(kù)工程(2處，調(diào)蓄水庫(kù)1處，事故應(yīng)急水庫(kù)1處)和凈化水廠工程(2處)。

本次工程線路經(jīng)由地段以山地為主，地形困難、起伏較大且極其破碎，土質(zhì)都為濕陷性黃土，溝道較多，通視條件較差；加上水工建筑數(shù)量繁多，距離跨度較長(zhǎng)，測(cè)量誤差大，若采用常規(guī)方法建網(wǎng)，不僅測(cè)量精度過(guò)低，工作量大，而且測(cè)量周期太長(zhǎng)而影響施工進(jìn)度。所以平面控制測(cè)量采用了高精度GPS網(wǎng)作為首級(jí)施工控制并加密的方法。具體分為骨架網(wǎng)和加密網(wǎng)，其中骨架網(wǎng)點(diǎn)按照每10 km布設(shè)1組對(duì)點(diǎn)；加密網(wǎng)點(diǎn)149個(gè)，以500 m為間距布設(shè)，并兩兩相互通視。骨架網(wǎng)除聯(lián)測(cè)已有國(guó)家C級(jí)點(diǎn)外，為了檢驗(yàn)原有勘測(cè)設(shè)計(jì)階段GPS網(wǎng)成果點(diǎn)的穩(wěn)定性，將原有部分成果點(diǎn)(基本都已破壞)納入骨架網(wǎng)。所有網(wǎng)點(diǎn)采用國(guó)家基準(zhǔn)進(jìn)行約束，對(duì)于隧洞工程建立了獨(dú)立坐標(biāo)系，高程控制測(cè)量采用精密三等水準(zhǔn)觀測(cè)，高差成果由高程擬合結(jié)果進(jìn)行檢核。

1.2 數(shù)據(jù)處理軟件

Trimble Business Center(TBC)是Trimble的新一代后處理軟件，不僅能夠處理GNSS(包含GPS 和GLONASS)數(shù)據(jù)，還可以處理全站儀、水準(zhǔn)儀、3D 掃描儀數(shù)據(jù)，集成了功能強(qiáng)大的可視工具和建模工具，利用多種視圖全面反映數(shù)據(jù)信息，全新的處理算法保證其處理速度，并提供了靈活的處理配置方案[1]。

COSA_GPS即“GPS工程測(cè)量控制網(wǎng)通用平差軟件包”，能讀取各種GPS接收機(jī)的基線向量解算文件，進(jìn)行網(wǎng)的三維無(wú)約束平差和二維約束平差、在工程獨(dú)立坐標(biāo)系中固定一點(diǎn)一方向的平差、高程擬合等功能[2]。

2 GPS基線解算

本次工程控制網(wǎng)由骨架網(wǎng)和加密網(wǎng)構(gòu)成，骨架網(wǎng)全線共布設(shè)GPS點(diǎn)22個(gè)，其中現(xiàn)場(chǎng)澆注16個(gè)(C1…C16)，按照每10 km布設(shè)成對(duì)點(diǎn)；國(guó)家C級(jí)GPS已知點(diǎn)4個(gè)(F090、F091、F098、F012), 經(jīng)查勘

樁志穩(wěn)定，可以作為本次測(cè)量起算點(diǎn)；勘測(cè)設(shè)計(jì)階段布設(shè)的已知點(diǎn)1個(gè)(BD1，D級(jí))，楊家山隧洞已知觀測(cè)墩1個(gè)(GP1，D級(jí))，經(jīng)查勘樁志穩(wěn)定，可以作為本次測(cè)量檢核點(diǎn)。靜態(tài)觀測(cè)作業(yè)采用4臺(tái)Trimble雙頻(標(biāo)稱(chēng)精度為5×10-6mm)GPS接收機(jī)，以邊連式聯(lián)測(cè)各個(gè)樁志，全網(wǎng)共觀測(cè)12個(gè)時(shí)段，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均按《水利水電工程測(cè)量規(guī)范》[3]要求執(zhí)行，主要技術(shù)要求見(jiàn)表1。

表1 GNSS靜態(tài)測(cè)量的基本技術(shù)要求表

采用TBC數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行基線解算工作，在TBC中新建工程后導(dǎo)入Trimble R8的T01/T02文件后，按接收機(jī)和時(shí)段輸入對(duì)應(yīng)的點(diǎn)號(hào)、接收機(jī)型號(hào)、天線類(lèi)型以及量取方式和天線高等參數(shù)，確定無(wú)誤后進(jìn)行整體基線處理，處理過(guò)程中隨時(shí)檢核解的類(lèi)型是否固定，并以均方根RRMS值判斷觀測(cè)值的精度(RRMS越小代表觀測(cè)值的精度越高)。

對(duì)于部分平面或者垂直精度太差的基線選擇單基線處理，可通過(guò)在對(duì)應(yīng)基線的時(shí)段編輯器中禁用不健康的衛(wèi)星、屏蔽質(zhì)量較差的衛(wèi)星觀測(cè)值、調(diào)整觀測(cè)時(shí)間等方法處理之后保存結(jié)果完成基線處理，其結(jié)果如圖1所示，隨后在工具欄中查看基線處理以及閉合差報(bào)告。

圖1 TBC基線處理結(jié)果圖

通過(guò)報(bào)告可見(jiàn)該網(wǎng)整體精度較高，完全滿足規(guī)范要求。此外，在TBC基線解算過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，基線向量的解算成果與測(cè)站環(huán)境因素、觀測(cè)時(shí)間、時(shí)段及基線長(zhǎng)度都有著密切的關(guān)系，如9:00左右測(cè)區(qū)出現(xiàn)星況不良導(dǎo)致返測(cè)、基線過(guò)短相對(duì)誤差過(guò)大而超限等情況，通過(guò)調(diào)整觀測(cè)時(shí)間以及延長(zhǎng)觀測(cè)時(shí)間的方法使得上述情況明顯改善。

3 GPS網(wǎng)平差

為了充分利用TBC和COSA_GPS各自的優(yōu)點(diǎn)，將同時(shí)運(yùn)用這2個(gè)軟件于同一組數(shù)據(jù)的處理過(guò)程中，從而獲取更為可靠、精確的GPS數(shù)據(jù)處理結(jié)果。

3.1 TBC軟件中GPS網(wǎng)平差

在所有基線都合格以后就可以三維無(wú)約束平差，在菜單欄中依次進(jìn)行“測(cè)量”-“平差網(wǎng)”即可執(zhí)行自由網(wǎng)平差操作，平差結(jié)束后在平差網(wǎng)對(duì)話框的“結(jié)果”選項(xiàng)卡中查看本次平差結(jié)果。如果顯示“卡方檢驗(yàn)(95%)”失敗則通過(guò)將上次平差的參考因子加權(quán)后再次平差，若檢驗(yàn)通過(guò)則自由網(wǎng)平差完成。

在約束網(wǎng)平差之前需要建立對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)系統(tǒng)，本次工程采用國(guó)家80坐標(biāo)系，中央子午線為111°，在菜單欄中選擇“工具”-“坐標(biāo)系統(tǒng)管理器”建立相應(yīng)的坐標(biāo)系統(tǒng)后即可將此坐標(biāo)系加載到本次工程。在已知的4個(gè)公共點(diǎn)(BD1與GP1用于檢核)中添加當(dāng)?shù)刈鴺?biāo)后即可進(jìn)行二維約束平差，方法和上述一致,平差完后查看平差報(bào)告是否滿足限差要求，并將此結(jié)果與后續(xù)COSA_GPS成果進(jìn)行比較。

3.2 COSA_GPS中GPS網(wǎng)平差

在COSA_GPS中處理由TBC導(dǎo)出的基線數(shù)據(jù),骨架網(wǎng)共觀測(cè)了12個(gè)時(shí)段，從TBC中共導(dǎo)出12個(gè)后綴為*.asc格式的基線向量觀測(cè)文件，以此作為COSA_GPS觀測(cè)值輸入文件。軟件解算過(guò)程如下。

(1) 新建工程

新建工程界面見(jiàn)圖2，這里需要注意的是獨(dú)立基線的條數(shù)，省缺值為-1，即認(rèn)為選定的基線全部為獨(dú)立基線，則平差后的精度指標(biāo)比實(shí)際值偏高，在此輸入獨(dú)立基線的實(shí)際條數(shù)，軟件將對(duì)平差后的精度指標(biāo)進(jìn)行修正，從而與獨(dú)立基線平差結(jié)果的精度指標(biāo)基本一致[2]。其他文本框按照坐標(biāo)系統(tǒng)實(shí)際情況輸入即可。

圖2 COSA_GPS新建工程圖

(2) 讀取同步基線數(shù)據(jù)并形成獨(dú)立基線文件

COSA_GPS以基線向量解算軟件按時(shí)段導(dǎo)出的基線向量文件作為觀測(cè)值輸入數(shù)據(jù)，由此形成的獨(dú)立基線向量作為平差時(shí)的觀測(cè)值，以輸入的已知點(diǎn)坐標(biāo)作為起算基準(zhǔn)，完成控制網(wǎng)平差計(jì)算。

(3) 按照規(guī)范檢查基線、閉合環(huán)是否超限

在工具中分別生成同步環(huán)閉合差、異步環(huán)閉合差和重復(fù)基線差文件，檢查文件是否滿足限差規(guī)定[3]，其中，異步環(huán)限差如下所示。

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

式中:n為閉合環(huán)中的邊數(shù)；W為環(huán)線全長(zhǎng)閉合差，mm。

同步環(huán)各坐標(biāo)分量閉合差的限差值為異步環(huán)閉合差限差的1/2。從生成的異步環(huán)文件可見(jiàn)，異步環(huán)閉合差的坐標(biāo)分量平均值保持在1 cm左右，對(duì)于某些長(zhǎng)度較短的基線，盡管相對(duì)閉合差略大但仍符合要求。

(4) 三維無(wú)約束平差

在WGS-84空間直角坐標(biāo)系中進(jìn)行三維向量網(wǎng)平差，從而驗(yàn)證基線向量解算結(jié)果的內(nèi)符合精度。在平差之前首先輸入一個(gè)三維已知點(diǎn)，平差之后得到各點(diǎn)的GPS大地高和二維基線向量，其中，GPS大地高可用于后續(xù)的高程擬合，二維基線向量作為二維約束平差的觀測(cè)值。

(5) 二維約束平差

設(shè)置中更改橢球類(lèi)型，輸入和TBC中相同的國(guó)家C級(jí)網(wǎng)高斯坐標(biāo)成果進(jìn)行二維約束平差。結(jié)果主要的精度指標(biāo)為：

1) 邊長(zhǎng)精度。邊長(zhǎng)中誤差0.9～3.5 mm，平均值2.4 mm，相對(duì)中誤差3.26×10-6～3.12×10-7，平均相對(duì)誤差0.40×10-6，最弱邊邊長(zhǎng)中誤差2 mm。

2) 點(diǎn)位精度。點(diǎn)位中誤差0～5.4 mm，平均值4.3 mm，其中X坐標(biāo)中誤差的平均值為3.2 mm，Y坐標(biāo)中誤差的平均值為2.9 mm，最弱點(diǎn)的點(diǎn)位中誤差僅為5.4 mm。

此平差精度較好，完全可以滿足施工控制的需求。

3.3 TBC和COSA_GPS平差結(jié)果分析

由基于相同基準(zhǔn)的二維約束平差得出，TBC和COSA_GPS兩種軟件的處理結(jié)果較為一致，無(wú)顯著差異，在縱坐標(biāo)(x)平均相差0.7 mm，最大坐標(biāo)差為1.5 mm，在橫坐標(biāo)(y)平均相差0.9 mm，最大坐標(biāo)差為2.9 mm，此差異小于水利水電施工測(cè)量規(guī)范要求的點(diǎn)位誤差(如特高精度水電站施工控制網(wǎng)規(guī)定最弱點(diǎn)精度為5 mm，平均點(diǎn)位精度3 mm)，可見(jiàn)這2個(gè)軟件的二維約束平差結(jié)果沒(méi)有本質(zhì)的區(qū)別且外部符合精度較高。

與TBC的平差結(jié)果文件相比，COSA_GPS的輸出成果內(nèi)容全，且同步環(huán)閉合差、異步環(huán)閉合差和重復(fù)基線差結(jié)果文件能夠兼容Excel的CSV格式，方便用戶進(jìn)行閉合差和重復(fù)基線差的統(tǒng)計(jì)分析[4,5]；加之平差結(jié)果文件中包括了基線向量殘差、可靠性，平差后方位角、邊長(zhǎng)及精度，最弱邊以及相鄰點(diǎn)坐標(biāo)分量及其相對(duì)中誤差等結(jié)果，可以作為最終的成果資料提供給甲方，故在本次應(yīng)用中采用TBC處理基線并導(dǎo)出合格的基線數(shù)據(jù)，利用COSA_GPS進(jìn)行平差得到最終成果并提供資料。

4 獨(dú)立坐標(biāo)系的建立及高程擬合

4.1 建立獨(dú)立坐標(biāo)系

引黃工程沿線有姚家山、新舍古、盧草梁、文安驛、薛家溝和曹家園則等隧洞，隧洞總長(zhǎng)度達(dá)25.017 km，平均長(zhǎng)度都在1 km以上，根據(jù)《水利水電工程測(cè)量規(guī)范》[3]要求，對(duì)于水利樞紐地區(qū)及重要工程建筑物地區(qū)，當(dāng)測(cè)區(qū)內(nèi)投影長(zhǎng)度變形值不大于5 cm/km，均應(yīng)采用國(guó)家坐標(biāo)系統(tǒng)，按統(tǒng)一的高斯投影3°分帶；對(duì)于投影長(zhǎng)度變形值大于5 cm/km時(shí)，可采用一個(gè)國(guó)家大地點(diǎn)的坐標(biāo)和該點(diǎn)至另一大地點(diǎn)的方位角作為起始數(shù)據(jù)的獨(dú)立坐標(biāo)系統(tǒng)。采用國(guó)家80國(guó)家坐標(biāo)系時(shí)，姚家山隧洞投影變形為5.84 cm/km，新舍古隧洞投影變形為5.9 cm/km。如果按照此坐標(biāo)成果進(jìn)行貫通，則會(huì)造成橫向貫通誤差偏大。故工程采用2套坐標(biāo)系統(tǒng)：針對(duì)隧洞工程必須使用獨(dú)立坐標(biāo)系統(tǒng)，其他施工項(xiàng)目使用國(guó)家坐標(biāo)系統(tǒng)。

這里主要采用COSA_GPS中的一點(diǎn)一方位方法建立獨(dú)立坐標(biāo)系，該過(guò)程首先將三維GPS基線向量投影至工程橢球(在設(shè)置中將橢球類(lèi)型改為80)，此時(shí)工程橢球球心和扁率與80參考橢球相同，但長(zhǎng)半軸要考慮引水工程的平均高程面的海拔高度以及大地水準(zhǔn)面與80橢球的差距[6]；然后根據(jù)設(shè)置的中央子午線投影到高斯平面上再轉(zhuǎn)化至工程獨(dú)立坐標(biāo)系。如圖3的對(duì)話框所示，固定點(diǎn)信息有點(diǎn)名、高斯平面坐標(biāo)和正常高、大地坐標(biāo)、投影面正常高。對(duì)于獨(dú)立網(wǎng)來(lái)說(shuō)，已知點(diǎn)、已知方位最好是選在網(wǎng)的重心附近，這里已知點(diǎn)選擇處于測(cè)區(qū)中心C8點(diǎn)的國(guó)家高斯平面坐標(biāo)，使得平差成果掛靠在國(guó)家坐標(biāo)系下，固定方位角為該點(diǎn)至另一已知點(diǎn)的方向。投影至高斯平面的中央子午線取110°01′09″(固定點(diǎn)附近)，投影面正常高取900(測(cè)區(qū)平均高程面)。實(shí)踐證明，通過(guò)這種方法建立的獨(dú)立坐標(biāo)系的各項(xiàng)綜合變形都遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于上限，滿足了隧洞工程對(duì)基準(zhǔn)的要求。

圖3 COSA_GPS中獨(dú)立坐標(biāo)系的建立圖

4.2 TBC與COSA_GPS在高程擬合中的差異

本次工程沿線的二等水準(zhǔn)路線共計(jì)146 km，且已知水準(zhǔn)點(diǎn)間相距較遠(yuǎn)，為保證觀測(cè)質(zhì)量和數(shù)據(jù)的可靠性，防止外業(yè)成果出現(xiàn)錯(cuò)誤，采取擬合GPS高程的方法對(duì)聯(lián)測(cè)對(duì)點(diǎn)之間的高差進(jìn)行檢核；同時(shí)，為了滿足施工過(guò)程中線路整改和工程棄渣場(chǎng)等測(cè)圖的需求(比例尺：1∶1000)，對(duì)水準(zhǔn)難以到達(dá)的地段考慮采用擬合高程成果作為點(diǎn)校正的起始數(shù)據(jù)。

TBC中采用EGM96大地水準(zhǔn)面模型；在COSA_GPS中的擬合方法選擇平面擬合，擬合模型為：N=f(B,L)=f1+f2·B+f3·L。在此只試驗(yàn)選擇整網(wǎng)中的一段(C5-C8、D33-D52)，得到最后結(jié)果對(duì)比如圖4所示。

從圖4可以看出，利用COSA_GPS和TBC軟件的不同模型在此次工程中整體效果差異較小，最大相差3.6 mm。2種結(jié)果的最大誤差都位于D36和D50處，其原因主要是這2個(gè)點(diǎn)的高程沒(méi)有和它附近的已知高程點(diǎn)保持同樣的變化趨勢(shì)，例如，D36的高程值遠(yuǎn)大于它左右的已知高程點(diǎn)。同時(shí)，運(yùn)用高程擬合所得結(jié)果和已知水準(zhǔn)高程在10 km范圍內(nèi)最大只有2.4 cm(COSA_GPS)的差異；而COSA_GPS和TBC擬合結(jié)果平均誤差分別為4.2 mm與4.8 mm，標(biāo)準(zhǔn)差分別為8.9 mm與8.1 mm，所以在小范圍內(nèi)高程擬合精度可以滿足規(guī)范中測(cè)圖比例尺對(duì)高程的要求。

圖4 COSA_GPS和TBC高程擬合對(duì)比圖

5 結(jié) 語(yǔ)

在水利水電施工控制網(wǎng)的布設(shè)中，上述過(guò)程都是經(jīng)常會(huì)碰到的，本文所討論的軟件使用方法以及得出的結(jié)論具有較高的探索和實(shí)際參考價(jià)值，主要包括以下幾個(gè)方面。

(1) COSA_GPS和TBC在國(guó)家坐標(biāo)系下的二維約束平差結(jié)果沒(méi)有本質(zhì)上的區(qū)別，故成果都可作為最終資料交付施工單位使用，但實(shí)際運(yùn)用中，由于COSA_GPS的成果的可讀性強(qiáng)，便于理解，故在工程運(yùn)用中我們采取以TBC軟件用于基線解算和處理，COSA_GPS用于平差計(jì)算。

(2) 在隧洞、橋梁及大壩等對(duì)相對(duì)精度較高的控制網(wǎng)，應(yīng)該使控制點(diǎn)成果的投影長(zhǎng)度變形值滿足一定上限，同時(shí)，固定工程網(wǎng)中的某一特定方向的方位角，例如隧洞控制網(wǎng)的隧洞軸線方向、大壩控制網(wǎng)的壩軸線方向等。為此，可使用一點(diǎn)一方位的方法建立獨(dú)立坐標(biāo)系。

(3) 本工程地勢(shì)復(fù)雜，測(cè)區(qū)內(nèi)多為山區(qū)地帶，水準(zhǔn)測(cè)量進(jìn)度緩慢而已知水準(zhǔn)點(diǎn)之間距離較遠(yuǎn)，實(shí)驗(yàn)中COSA_GPS和TBC不同的高程擬合模型所得結(jié)果差異不大，故兩者的高程擬合成果都可對(duì)每天水準(zhǔn)測(cè)段高差成果進(jìn)行檢核，同時(shí)驗(yàn)證了擬合成果也滿足了范圍內(nèi)的測(cè)圖需求。

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Application of Data Processing Software of TBC and COSA_GPS GNSS in Yan'an Yellow River Diversion Project

LIU Kai, PENG Fang-hui

(Shaanxi Province Institute of Water Resources and Electric Power Investigation and Design,Survey & Mapping Branch, Xi'an 710002,China)

Both data Processing Software of TBC and COSA_GPS GNSS are applied in the data process of the early engineering stage. Furthermore, the processing method by combination of two software is derived from sufficient comparison and demonstration. Namely, TBC is applied for baseline calculation and processing, COSA_GPS for adjustment at late stage. In the paper, superiority of independent coordinate system established by one-point one-azimuth method of the software of COSA_GPS applied in tunneling with high precision requirement are studied. Application of the fitted GPS elevation by the two software in level verification and small-scope mapping are demonstrated.

TBC; COSA_GPS; independent coordinate system; elevation fitting

2014-09-19

劉凱(1988- ),男,陜西省榆林市人,助理工程師,從事“3S”技術(shù)集成研究與開(kāi)發(fā).

TP319

A

10.3969/j.issn.1006-2610.2015.03.026