南水北調東線魯北段建筑物變形觀測網建設

張運保，任澤儉，楊文緒

（1.南水北調東線山東干線有限責任公司，山東 濟南 250109；2.山東揚華地理信息有限公司，山東 濟南 250000）

南水北調東線一期工程山東段主體工程于2013年底完工，目前處于工程運行初期。山東段設計上缺乏全線統一的高精度控制網，各設計單元沒有高精度基準點或者基準點點位選擇離建筑物太近，導致工作基點無法校核，不能按安全監測相關技術要求開展安全監測工作，需要對南水北調山東段重點建筑物變形觀測網進行土工建設和初始值觀測。

1 項目建設主要內容

1.1 土建部分

涉及1座水庫工程、13座渠道建筑物工程變形觀測網的完善和建設。主要包括：平面高程基準網建設，包括選點、埋石、整飾；工作基網建設，包括工作基點的建設、改造及監測點的改造。

1.2 初始值觀測部分

GNSS控制測量：15個B級GNSS基準點觀測、平差計算，54個C級GNSS工作基準點觀測、平差計算。

水準測量：15個基準點、共235.2km一等水準路線觀測、平差計算，54個工作基點、共33km一等水準路線觀測、平差計算。

2 初始值觀測

2.1 平面觀測已有資料分析

山東省連續運行GNSS基準站（SDCORS）在山東范圍內共建設104站，2010年通過國家驗收，精度為±0.5mm，等級為A級。國內IGS永久站：佘山、房山、泰山、武漢、西安等，精度屬于國家A級控制點。上述SDCORS站、IGS永久站，等級高、穩定性強且部分為基巖點，經綜合分析：本項目平面基準網計劃采用基于山東省連續運行GNSS基準站（SDCORS）和IGS永久站的GNSS點觀測模式進行測量，將SDCORS站點：平陰（基巖）、柳埠（基巖）、聊城、臨清、夏津、武城、章丘、莘縣、高唐等點約10～15座CORS站與國家IGS站佘山（基巖）、房山（基巖）、泰山（基巖）、武漢（基巖）、西安（基巖）等作為起算數據。平面工作基網計劃采用GNSS點觀測模式，以本項目基準網中的基準點作為起算數據，SDCORS站參與聯測；監測網計劃采用直接在基準點、工作基點上施測觀測點或者以部分工作基點作為起算數據，設置臨時測站施測觀測點。

2.2 高程觀測已有資料分析

能夠搜集到的高程資料有：1）國家現代測繪基準一期工程資料（2016年成果，尚未公開發布）；2）山東省測繪基準體系優化升級成果（2014年成果，2017年發布，以下簡稱優化升級成果）；3）2006年華東、華中區域似大地水準面精化成果。經查涉及魯北段的一等水準路線有Ⅰ邯兗線、Ⅰ石濟線，為國家現代測繪基準一期工程所測，2016年完成，通過國家驗收，可以使用。但距離測區較遠，于山東省地理信息中心無法搜集到公開發布的成果資料，難以利用。測區附近有Ⅱ德禹線、Ⅱ臨聊線、Ⅱ莘聊線、Ⅱ德臨線、等優化升級成果53點，經實地踏勘有40個保存完好可以使用，該成果為山東省地理信息中心現有的最新成果，擬選擇部分點作為本次高程測量的起算點使用。搜集到大地水準面精化二等水準點64個、三等水準點34個，可選擇部分標石保存完好的水準點作為水準測量的沿途水準點使用。

2.3 精度控制

基準點按GNSSB級靜態觀測，工作基點采用GNSSC級靜態觀測，高程觀測按一等水準測量方法觀測。

2.4 水準線路設計

項目基準點、工作基點均按一等水準精度觀測，為提高觀測的精度，應增加多余觀測，同時避免出現支水準路線的情況。布設該樣式水準路線，沿途水準點密度不足時，利用沿途其它等級水準點、GNSS點。

2.5 數據處理

2.5.1 參考依據

1）2000 國家大地坐標系；2）ITRF2014 參考框架、2018.832參考歷元；3）采用1985國家高程基準；4）正常重力橢球采用CGCS2000參考橢球；5）坐標系統采用2000國家大地坐標系。

2.5.2 技術指標控制

1）B級GNSS點相鄰點基線水平分量中誤差不低于±5mm；2）B級GNSS點相鄰點基線垂直分量中誤差不低于±10mm；3）一等水準測量每千米偶然中誤差不應超過±0.45mm；4）一等水準測量每千米全中誤差不應超過±1.0mm。

2.5.3 數據處理工藝流程

采用高性能數據存儲和處理服務器，高精度數據處理軟件，確保數據處理工作正常、高效進行及處理結果的準確性和可靠性。

2.5.4 GNSS數據平差方案

GNSS數據處理采用美國麻省理工學院的GAMIT/GLOBK軟件10.60版本。

2.5.4.1 三維無約束平差

為檢查GNSS觀測是否含有粗差及系統誤差，考察和評定GNSS網的內部精度和基線向量觀測精度，在2000國家大地坐標系下，約束所選取周邊國家基準站，對B級GNSS網做三維無約束平差。

2.5.4.2 基線向量改正數檢驗

三維無約束平差，基線分量的改正數絕對值（VΔN、VΔE、VΔU）應滿足以下公式的要求：

其中：σ為B級GNSS網基線測量中誤差。

2.5.4.3 平差原則

1）2000國家大地坐標系成果平差方案。在2000國家大地坐標系下，約束本項目所選取的LNDD、LNHL、BJFS、HELY、HAHB、HAQS、AHAQ、TAIN、JSLY、SDRC共10個國家基準站，做三維約束平差，獲得本項目B級GNSS點2000國家大地坐標系坐標。

2）ITRF14參考框架、2018.832參考歷元成果平差方案。首先，在ITRF14參考框架、2018.832參考 歷 元 下 ， 約 束 CHUM、IRKJ、YSSK、LHAZ、WUHN、SHAO、IISC、PIMO、CHAN、BJFS10 個 GPS連續運行站，做三維約束平差，獲得本項目所選取10個國家站ITRF14參考框架、2018.832參考歷元下坐標。其次，在ITRF14參考框架、2018.832參考歷元下，約束本項目所選取的LNDD、LNHL、BJFS、HELY、HAHB、HAQS、AHAQ、TAIN、JSLY、SDRC共10個國家基準站，做三維約束平差，獲得本項目B級GNSS點ITRF14參考框架、2018.832參考歷元下坐標。

2.5.5 一等水準網數據平差方案

一等水準網數據處理采用自然資源部大地測量數據處理中心自主開發的“精密水準測量數據處理軟件”。

2.5.5.1 平差模型

1）誤差方程式：

V＝BX－L

式中：V改正數矩陣；B系數矩陣；X未知數矩陣；L常數項矩陣。

2）法方程式矩陣：

BT＝PBX－BTPL=0

式中：P為觀測值權矩陣。

3）線性方程組的解算及校驗：

解算：

a：結點高程計算 X＝（BTPB）-1BTPL

b：測線改正數計算V＝BX-L

校驗：

4）權的確定：

P＝C/N

式中：C為一選定常數；N為一條水準路線測站總數。

5）精度估計：

式中：r為多余觀測量個數。

式中：Qii為第i個結點的協因數。

2.5.5.2 平差方法

一等水準網平差采用間接平差法，以加過標尺長度改正、正常水準面不平行改正、重力異常改正、固體潮改正、海潮負荷改正后的往返測高差中數為元素、待定結點高程為未知數，按路線測站數定權進行結點平差。當結點高程及路線高差平差改正量計算完成后，采用附合路線平差的方法推求其他各水準點的高程。

3 結語

項目建設歷時1年，新建基準點16處，工作基點52處，觀測點改造140處，開展了相應觀測及數據處理工作，完成了重點建筑物變形觀測網建設工作，為南水北調東線魯北段工程變形觀測和工程的安全運行打下了堅實的基礎，也為類似線型工程變形觀測網建設提供了較好的經驗。