塞拉利昂塞瓦河賓康格三級水電站地形測圖控制實(shí)施技術(shù)

2016-12-21 09:19:16張榮斗

水電站設(shè)計 2016年4期

張進(jìn)，張榮斗

(四川中水成勘院測繪工程有限責(zé)任公司，四川成都 610072)

張進(jìn)，張榮斗

(四川中水成勘院測繪工程有限責(zé)任公司，四川成都 610072)

由于水電工程測量項目有其交通通信不便、山高坡陡、測區(qū)狹長等特殊的工況條件，再加上國外測繪與我國測量平面基準(zhǔn)、高程基準(zhǔn)均不相同，甚至沒有已知控制點(diǎn)成果。因此，如何在國外水電工程中更合理地建立地形測圖控制，較為方便、通用、可靠的提高水電測繪項目的質(zhì)量和效率，作者結(jié)合具體項目實(shí)踐對該技術(shù)進(jìn)行了探討。

WGS84坐標(biāo)系；IGS跟蹤站；EGM2008；賓康格三級水電站；

1 概述

塞拉利昂位于西非，賓康格三級(BenkongorⅢ)電站位于塞瓦河(sewa River)上游賓康格(Benkongor)瀑布河段，距河口約255 km，工程建設(shè)地點(diǎn)屬東部省凱內(nèi)馬(Kenema)地區(qū)，距凱內(nèi)馬135 km，距首都弗里敦277 km。壩址距塞瓦河公路橋約7 km，公路只能到達(dá)工程區(qū)附近。

塞拉利昂項目部要求賓康格三級(BenkongorⅢ)電站需測量1∶2 000地形圖、河道縱橫斷面、鉆孔放樣等項目，測區(qū)長度約4 km。在項目部僅搜集到1∶50 000地形圖和1∶2 000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，必須新建一個覆蓋整個測區(qū)的地形測圖控制測量系統(tǒng)。

由于作業(yè)過程會涉及到WGS84坐標(biāo)系、IGS跟蹤站、EGM2008地球重力場模型等名詞。因此，下面簡單的對它們進(jìn)行了介紹。

2 WGS84坐標(biāo)系、IGS跟蹤站、EGM2008地球重力場模型簡介

WGS-84坐標(biāo)系(World Geodetic System—1984 Coordinate System)是一種國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 (國際時間服務(wù)機(jī)構(gòu))1984.0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是國際GNSS服務(wù)組織The International GNSS Service，簡稱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觀測數(shù)據(jù)以滿足一系列的試驗及應(yīng)用需要。IGS利用這些數(shù)據(jù)形成一系列的數(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)足夠國際大地參考框架組織(ITRF)使用來對地球相關(guān)參數(shù)進(jìn)行改進(jìn)和延伸。

EGM2008地球重力場模型是由美國國家地理空間情報局(NGA)在2008年4月發(fā)布的最新一代全球重力場模型，用于描述和表示地球重力場的一類基本參數(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，是對地區(qū)重力場的逼近或者擬合。該模型最終成果主要包括2 159次的全球重力場模型；全球 5′×5′、2.5′×2.5′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。

3 地形測圖控制實(shí)施技術(shù)的基本方法

3.1 平面控制實(shí)施技術(shù)的步驟

(1)根據(jù)測區(qū)的大小范圍在測區(qū)邊沿四周均勻的布設(shè)適當(dāng)?shù)氖准塆NSS控制點(diǎn)；

(2)在整個測區(qū)內(nèi)部均勻的布設(shè)次級加密GNSS控制點(diǎn)；

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

(4)應(yīng)用多臺GNSS接收機(jī)同步聯(lián)測首級GNSS控制點(diǎn)，從網(wǎng)上下載同步時段的IGS跟蹤站數(shù)據(jù)與首級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GNSS接收機(jī)聯(lián)測次級加密GNSS控制點(diǎn)，同時聯(lián)測適當(dāng)?shù)氖准塆NSS控制點(diǎn)，采用首級GNSS控制點(diǎn)成果進(jìn)行三維約束平差，求取加密GNSS點(diǎn)WGS-84坐標(biāo)成果；

(6)根據(jù)需要加密導(dǎo)線測量。

3.2 高程控制實(shí)施技術(shù)的步驟

(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)的高程異常值計算出EGM2008地球重力場正常高。

EGM2008地球重力場模型計算正常高公式如下：

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。

4 地形測圖控制實(shí)施技術(shù)過程

4.1 地形測圖控制實(shí)施技術(shù)的實(shí)施過程

賓康格三級水電站測區(qū)沒有提供控制資料，以現(xiàn)場踏勘的實(shí)際情況布設(shè)了4個二等GNSS點(diǎn)，連續(xù)觀測8小時，然后用獲取的數(shù)據(jù)與IGS跟蹤站同時間段的數(shù)據(jù)進(jìn)行聯(lián)合解算，作為平面、高程首級控制。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)11°17′，控制點(diǎn)分布見圖1、2。

圖1 GNSS網(wǎng)形圖圖2 控制點(diǎn)在Google Earth上(斜線區(qū)域為測區(qū)范圍)

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

根據(jù)測區(qū)地形起伏情況，取測區(qū)平均高程值把控制成果邊長歸化到正常高240.000 m高程面上(投影面大地高為272.050 m)，投影中央子午線取測區(qū)平均中央子午線為西經(jīng)11°17′，經(jīng)計算GNSS點(diǎn)WGS84投影成果見表2。

表1 賓康格三級水電站二等GNSS點(diǎn)地心坐標(biāo)、大地坐標(biāo)成果

表2 GNSS點(diǎn)11°17′中央子午線、投影面240 m大地高高斯投影成果

用GNSS點(diǎn)的經(jīng)緯度數(shù)據(jù)，按EGM2008地球重力場模型解算出各點(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)計算GNSS點(diǎn)EGM2008正常高的WGS84投影成果見表3。