水利工程GPS平面控制測量技術要求的確定

向垂規

(云南省紅河州水利水電勘察設計研究院，云南蒙自 661100)

1 引言

目前，GPS測量技術在水利工程測量領域已得到廣泛應用，是進行控制測量的主要方法。進行水利工程控制測量時，涉及到GPS控制測量技術要求的規范主要有:《全球定位系統(GPS)測量規范》(GB/T 18314—2009)、《工程測量規范》(GB 50026—2007)、《水利水電工程測量規范》(SL 197—2013)、《水電水利工程施工測量規范》(DL/T 5173—2003)。然而，四種規范對GPS測量的技術要求及等級分類不一致，進行水利工程控制測量的技術設計、施測、成果解算及精度評定時，測量人員由于選用過高或過低的技術要求，而導致控制測量成果精度過高浪費成本，或精度過低不能滿足實際需要。本文結合中小型水利工程平面控制測量的實踐，對四種規范中GPS平面控制測量技術要求的內容進行了對比分析，以便在工程應用中能選用合適的技術要求進行數據處理及成果精度分析。

2 四種規范中GPS測量的技術要求

2.1 全球定位系統(GPS)測量規范［1］

《全球定位系統(GPS)測量規范》適用于國家和局部GPS控制網的設計、布設和數據處理，按精度和用途分為 A、B、C、D、E 五個等級，涉及工程測量的有 C、D、E級。其中，C級GPS測量主要用于建立三等大地控制網，以及區域、城市及工程測量的基本控制網;D級GPS測量主要用于建立四等大地控制網;E級GPS測量主要用于測圖、施工等控制測量。布網時測區范圍內點位應均勻分布，相鄰點間最大距離不應超過該網平均點間距的2倍，各等級GPS網的主要技術指標見表1。

表1 全球定位系統(GPS)測量規范中各等級GPS網的主要技術要求

2.2 工程測量規范［2］

《工程測量規范》主要用于大、中型工程測量項目的控制測量，規范中GPS測量按精度分為二等、三等、四等、一級、二級五個等級。進行中、小型工程測圖或施工GPS控制測量時可采用四等及以下等級。各等級GPS網的主要技術指標見表2。

表2 工程測量規范中各等級GPS網的主要技術要求

2.3 水利水電工程測量規范［3］

《水利水電工程測量規范》主要針對水利水電工程測量，可用于大、中型水利工程測量項目的控制測量。該規范是2013年版，現時性最好，其中GPS測量按精度分為二等、三等、四等、五等、圖根五個等級，進行中、小型水利工程測圖及施工控制測量時可采用四等及以下等級。布網時相鄰點最小距離不應小于平均點間距的1/3，最大距離不應大于平均點間距的3倍，各等級GPS網的主要技術指標見表3。

表3 水利水電工程測量規范中各等級GPS網的主要技術要求

2.4 水電水利工程施工測量規范［4］

《水電水利工程施工測量規范》主要用于水電水利工程施工階段的GPS控制測量，按相鄰點的平均距離和精度分為二等、三等、四等三個等級。布網時相鄰點間最小距離可取平均距離的1/2～1/3，最大距離可取平均距離的2～3倍。對于中型水電水利工程，GPS網平差后，首級平面控制網的點位中誤差應滿足±(7～10)mm，各等級GPS網的主要技術指標見表4。

表4 水電水利工程施工測量規范中各等級GPS網的主要技術要求

3 水利工程GPS平面控制網平差流程

應用GPS靜態測量建立平面控制網，得到基于WGS—84大地坐標系中的基線向量，通過基線解算及引入參照坐標系的起算數據進行網平差計算，可得到參照坐標系中的平面坐標［5］。GPS控制網的靜態數據處理采用南方測繪GNSS4.4數據處理軟件進行時，主要計算步驟包括:?工程項目的建立;?導入原始觀測數據;?外業數據的檢查與修改;?基線解算及質量檢查;?平差計算(無約束平差和約束平差計算)及精度分析與評定;?平差成果輸出。下面就涉及技術要求選擇的幾個步驟說明如下。

3.1 控制網等級參數的設置

建立工程項目時首先要進行控制網的等級、坐標系統的橢球參數、投影參數及項目名稱等項的設置。如下圖所示，由于該軟件控制網等級列表中沒有水利工程測量GPS控制網等級選項，所以在控制網等級設置時可根據軟件中的列表選擇其他相近的等級參數，或根據水利工程控制測量的規范要求進行自定義設置固定誤差a、比例誤差b、最弱邊相對中誤差及平均距離。

南方測繪GNSS4.4數據處理軟件中控制網等級設置圖

3.2 外業觀測數據的質量檢查

3.2.1 基線長度中誤差

基線長度中誤差是衡量相鄰點基線長度觀測精度的標準差，在四種規范中都用下式表示。

式中 σ——基線長度中誤差，mm;

a——固定誤差，mm;

b——比例誤差系數，mm/km;

D ——平均邊長，km。

各規范中不同等級的a、b限差值不同，實踐中a、b值一般取儀器的標稱精度或在標稱精度和限差值之間取值，D值取控制網中的平均邊長。

3.2.2 閉合環質量檢查

閉合環包括同步環和異步環，是檢驗基線質量、控制網布網粗差的指標。四種規范對閉合環的坐標分量限差及全長閉合差限差都不相同，具體介紹如下:

在《全球定位系統(GPS)測量規范》中，規定異步環坐標閉合差Ws和各坐標分量閉合差(Wx、Wy、Wz)應滿足公式(2)要求，同步環閉合差應滿足公式(4)的要求。

在《水利水電工程測量規范》中，規定異步環各坐標分量閉合差及環線全長閉合差滿足公式(2)要求，而對于同步環各坐標分量閉合差的限差值為異步環閉合差限差值的1/2。

在《工程測量規范》中，規定異步環各坐標分量閉合差及環線全長閉合差滿足公式(3)的要求，同步環各坐標分量閉合差及環線全長閉合差滿足公式(5)的要求。

在《水電水利工程施工測量規范》中，規定異步環各坐標分量閉合差及環線全長閉合差滿足公式(3)的要求，而對于同步環坐標分量及環線全長閉合差的限差為固定值，如表5所列。

式中 n——閉合環邊數(南方GNSS數據處理軟件中閉合環均由三條基線邊組成);

σ——基線長度中誤差，mm;

表5 水電水利工程施工測量規范中同步環坐標分量及環線全長閉合差的規定

在水利工程GPS控制測量時閉合環質量檢查可按《水利水電工程測量規范》要求進行，兼顧《水電水利工程施工測量規范》中同步環坐標分量及環線全長閉合差限差的規定。

3.2.3 重復基線長度較差

重復基線的長度較差和重復基線相對誤差是衡量基線質量的一個必要的因素，在四種規范中重復基線長度較差均應滿足公式(6)的要求

式中 σ——基線長度中誤差，mm;

Δd——兩次觀測基線的長度較差。

3.2.4 控制網觀測精度評定

在《工程測量規范》中，對外業觀測數據校驗合格后，要依據公式(7)對GPS網的觀測精度進行評定，得到控制網的測量中誤差m值，并滿足m≤σ，而其他規范中無此要求。進行中小型水利工程GPS控制測量時，可參照此公式進行控制網觀測精度的評定。

式中 m——控制網的測量中誤差，mm;

N——控制網中異步環的個數;

n——異步環的邊數;

W——異步環環線全長閉合差。

3.3 平差計算

基線向量檢驗合格后，可進行無約束平差和約束平差。無約束平差用來評定GPS網的內符合精度和粗差探測，而約束平差則能夠確定點在指定參照系下的坐標。

3.3.1 無約束平差

無約束平差通常在WGS—84大地坐標系中進行，采用的觀測量為GPS基線向量，除了引入一個提供位置基準信息的起算點坐標外，不再引入其他的外部起算數據。在四種規范中，無約束平差時，基線向量的改正數絕對值 (VΔX、VΔY、VΔZ)可按《全球定位系統(GPS)測量規范》的規定滿足公式(8)的要求。

VΔX≤ 3σ VΔY≤ 3σ VΔZ≤ 3σ (8)

式中 σ——基線長度中誤差，mm。

3.3.2 約束平差

GPS約束平差可實現GPS控制網與用戶坐標之間的轉換，平差時，對已知點坐標、已知距離和已知方位，可以強制約束，也可以加權約束，平差結果輸出觀測點在相應坐標系中的三維或二維坐標、基線向量改正數、基線邊長、方位、轉換參數及其精度信息。在四種規范中，約束平差時，基線分量的改正數與經過粗差剔除后的無約束平差結果的同一基線相應改正數較差的絕對值(dVΔX、dVΔY、dVΔZ)可按《全球定位系統(GPS)測量規范》的規定滿足公式(9)的要求。在中小型水利工程測量中，GPS控制網約束平差的最弱邊相對中誤差還應滿足表3中相應等級的規定。

dVΔX≤ 2σ dVΔY≤ 2σ dVΔZ≤ 2σ (9)

式中 σ——基線長度中誤差，mm。

4 結語

進行水利工程GPS控制網的技術設計、數據采集、數據處理和精度分析時，應根據工程規模、精度要求、項目所處階段正確選擇相應等級的技術要求。

a.對于勘察設計階段的中小型水利工程的首級控制網，一般可按《水利水電工程測量規范》布設四等或五等GPS控制網。與國家高等級控制網聯測時，可根據聯測點的等級及距離遠近，先布設等級較高的控制網，再在測區內進行同級擴展、加密或越級布設。對于施工階段的GPS平面控制網，可布設成與勘察設計階段控制網有聯系的獨立網。

b.進行外業數據質量檢查及控制網平差精度分析時，可首選《水利水電工程測量規范》中的技術要求，為滿足施工測量需要，應兼顧《水電水利工程施工測量規范》的技術要求，如控制點聯測基線長度大于20km時，則采用《全球定位系統(GPS)測量規范》的技術要求進行數據處理。

c.利用南方測繪GNSS4.4數據處理軟件進行靜態數據處理時，在解算前建立工程項目時要進行正確的參數設置。對于有較短基線邊時，基線長度中誤差σ值計算、固定誤差a值和比例誤差b值可適當高于標稱精度，D的取值可用平均邊長值。■

［1］ GB/T 18314—2009全球定位系統(GPS)測量規范［S］．北京:中國標準出版社，2009．

［2］ GB 50026—2007工程測量規范［S］．北京:中國計劃出版社，2008．

［3］ SL 197—2013水利水電工程測量規范［S］．北京:中國水利水電出版社，2013．

［4］ DL/T 5173—2003水電水利工程施工測量規范［S］．北京:中國電力出版社，2003．

［5］ 黃丁發，熊永良，周樂韜，等．GPS衛星導航定位技術與方法［M］．北京:科學出版社，2009．