不同地形情況下GPS 控制網布設方式及觀測調度方式的研究

王海濤，趙彤彬

（陜西水環境工程勘測設計研究院,陜西 西安 710018）

1 前言

GPS 測量技術已成為測繪項目生產的主導技術,同時也是因為該項技術的應用,作業效率比常規測量方法提高數倍,測繪成果精度比之前提高數倍,成果出錯率比以前大有下降。為了更好的將GPS 技術應用于生產中,更加充分的發揮GPS技術的優越性,結合之前項目經驗,針對不同類型項目進行GPS 控制網布設方式及觀測調度方式的研究。

2 GPS 控制網圖設計

GPS 控制網圖形設計時,由于無需考慮控制點之間的相互通視,無需考慮控制點之間的高差變化,所以控制網圖的形式非常的靈活。GPS 控制網圖的形式主要取決于控制網的等級,投入的經費、時間和人力,以及準備采用的接收機數量和標稱精度等情況。

依據規范要求并結合日常作業習慣,可以將GPS 控制網的圖形總結為四種形式：即點連式、邊連式、網連式和邊點混合式。當然在實際工作中,可能因為起算點、地形、距離、交通路線等條件限制,在一個大的控制網中形成分級布設,按照邊點混合連接,或部分邊連式配合部分點連式,來提高控制網的精度和外業觀測效率。

工程控制網一般相對較為簡單,控制點數量不會太多,控制網的布設形式可分為三種。第一種為控制點位集中形。即控制網所涉及的控制點點位集中在一個區域、這個控制網一般適用于小型的獨立工程。第二種為控制點位分區域集中形。即控制網所涉及的控制點點位分別集中在幾個區域,每個區域距離相對較遠,這種控制網適用于多區域共同進行的工程。第三種為控制點位呈線狀形。即控制網所涉及的控制點點位沿某條線路分布,整體呈線狀,這種控制網一般應用于引水管線工程。

2.1 不同類型項目控制網的布設

本文主要從引水工程、水庫工程、中小河流治理工程、水生態水景觀綜合治理工程、庫區泥沙淤積測驗斷面維護及重建工程等項目的GPS 測量任務來論述實際工作中的控制網布設。

（1）在很多項目實施的工程中,工期的要求都是非常緊張的,我們也可以把控制網布設和其他碎部測量統籌的結合起來進行開展工作。例如引水管線工程,一般在首級控制網布設完成后,測區內控制點的數量就能滿足地形圖、縱橫斷面等測量內容的需要,我們可以根據成果需要的輕重緩急,先開展急需成果的測量工作,最后進行控制網加密工作,這樣一來既滿足了工期的需要,又保證了工作的有序進行。

某縣骨干供水工程項目初步設計測量項目在施測過程中就采用分級布設控制網的措施。該項目屬于引水工程,線路長度約44.1 km,測區內高差約210 m,工程沿線經過溝壑20 余處,溝深約70 m～90 m,按照測量技術要求地形圖為急需成果資料,結合項目戰線長、跨度大、工期緊、任務急的特點,控制測量采用分級控制的方法,先施測四等首級控制,點位密度滿足地形圖測量需要,待地形圖工作完成后,再在四等網基礎上進行五等加密控制測量。首級控制網布設：在測區沿工程布設方向每4 km～5 km 埋設1 個控制樁志,并兼顧在出水口、蓄水池、較大溝壑兩端各布設1 個樁志,共埋設14 個樁志,采用6 臺GPS 接收機按四等精度要求進行靜態觀測,以測區附近的3 個國家已知點為起算點,按邊連式布網,整個控制網共17 個點位,共觀測4 個時段,每個時段觀測時間為60 min。控制網形式見圖1。

圖1 首級控制網示意圖

該首級控制網共組成同步環80 個,異步環42 個,最弱邊相對中誤差為1/1459481,最弱點位中誤差為0.003 m；加密控制網是結合工程本身情況和首級控制網布設情況,按照每2 km 布設一組樁志,共埋設33 個樁志。因3 個國家已知點距離測區比較近且使用方便,加密控制網約束點與首級控制網相同,另外從首級網中選取4 個點聯測作為檢核,控制網形式見圖2。

圖2 加密控制網示意圖

加密控制網采用6 臺GPS 接收機進行觀測,共觀測10個時段,每個時段觀測時間不少于45 min,約束平差最弱邊相對中誤差為1/202192,最弱點位中誤差為0.003 m,各項限差均符合《水利水電工程測量規范》（SL 197-2013）要求。

加密控制平差完成后與4 個檢核點比較結果見表1。

表1 同點位兩次平差結果檢核統計表

依據《水利水電工程測量規范》（SL 197-2013）中基本平面控制最弱相鄰點位允許中誤差為圖上±5 cm 的要求,均滿足規范要求,由此可見該方法是可行的。

（2）水庫工程控制網形狀相對規則,控制面積相對較小,屬于點位集中在一個區域的網形,但是水庫工程控制等級要求相對較高,一般首級控制要滿足四等GPS 精度要求。因為水庫工程多修建在山高溝深地形起伏較大的地區,布設控制網時在滿足基本原則的同時,還應考慮所布設的控制點能夠滿足并方便水準測量或三角高程測量的要求。

（3）中小河流治理工程、水生態水景觀綜合治理工程控制網形狀相對規則,屬于點位集中在一個或分布在幾個區域的網形,特別是中小河流工程,一個項目經常分好幾段組成,有的距離較近,如3 km～5 km,有的距離較遠,在布設這樣的控制網時,應該根據測區附近起算點的分布情況以及實際交通情況進行布設網形。一般情況下盡量布設一個大網,方便調度,方便觀測,也有利于數據處理和平差,但是在各段工程相聚較遠時,在控制點分布能滿足要求時,為了降低外業操作難度,減少外業觀測過程中路途時間的耽擱,建議分段布設控制網。

（4）庫區泥沙淤積測驗斷面維護及重建工程控制網的點位成線狀分布,控制點數量多,此類控制網在布設時應充分考慮測區沿線的國家起算點,使起算點均勻的分布于控制網附近,另外還需考慮已知點獲取高精度起算數據進行長時段觀測的網形布設。某庫區淤積斷面設施測量項目,全網共306 點,其中起算點6 個,采用6 臺高精度GPS 按同步環方法、E 級GPS 網精度聯測,共計測設95 個同步環,每個同步環1個時段,每個時段60 分鐘。為了獲得高精度的起算數據,該網用4 臺GPS 分4 個同步環聯測4 個國家高等級控制點,每個時段觀測4 h。

2.2 起算點分布不均勻時GPS 控制網的布設

工程控制網需要聯測高等級控制點,并進行約束平差。用于控制網的已知點至少應達到3 個,也可以聯測多個已知點作為檢核。已知點應較均勻地布設在測區或測區的周圍,盡可能形成等邊三角形,已知點的分布應避免成線狀,其點間距離應大于工程控制網中所布設的點與點之間的最大距離,這樣可保證控制網不發生扭曲,保證整個控制網點精度的統一。

但是,隨著國民經濟的發展,城鎮化的不斷建設,國家高等級控制點缺失嚴重,常常出現高等級控制點不夠用的現象,大部分工程的控制網起算點都是要跑很遠才能促夠,何談控制點的均勻分布、形成等邊三角形等要求,面對這樣的現實情況,我們只有通過盡可能布設合理的控制網形來減少起算點分布不均勻帶來的精度影響。

以某水庫工程可行性研究測量項目為例子進行探討研究。該工程項目的3 個起算點距離測區直線距離均在20 km以上,起算點全部位于測區東側,且幾乎構成直線型,具體位置分布見圖3～圖5。

圖3 控制網方案一

圖4 控制網方案二

圖5 控制網方案三

圖3～圖5 中最右邊一排三個點位控制網起算點,從圖3、圖4 中更能直觀地看到其分布的不科學性。圖3 和圖4 的網形圖形強度較弱,控制網形沒有閉合,容易發生扭曲,難以保證整個控制網點精度的統一,圖5 的網形在實際條件的限制下,盡可能地提高控制網圖形強度,相對圖3 和圖4 該控制網形是比較合理的,按照圖5 全網共11 點,采用5 臺GPS 接收機,共觀測4 個時段,平均觀測時段數為1.8,全網共組成同步環40 個,異步環60 個,最弱邊相對中誤差為1/668885,最弱點位中誤差為0.0064 m。

3 GPS 靜態觀測的調度方式

1）靜態觀測的調度工作應結合觀測時采用接收機的數量、車輛配備情況、各點位交通情況、觀測時段長度情況等統籌安排,合理科學的編制GPS 靜態觀測調度表,調度表的內容應具體到人、具體到時間點、具體到點位、具體到測站。

2）對于個別通訊有困難的的點位,應提前約定時間,盡量安排充裕的時間,以保證有效觀測時間能夠滿足要求。

3）在觀測調度過程中,偶爾會出現不可預測的突發情況,調度者應提前做好應急預案,熟知控制網形,以備關鍵時能夠合理的調整網形。

4 結語

GPS 控制網布設在實際工作中非常的靈活,在滿足布網基本原則的同時,可根據實際條件和測區具體情況進行布設,合理的控制網圖形能增強圖形強度,減少精度損失,保證控制網精度統一,同時還能降低內業數據處理的難度。

GPS 測量調度工作更是靈活多變的,但是每個項目都有其具體的特點,調度計劃應因地制宜,科學合理的調度可以減少路途耽擱,提高作業效率,達到事半功倍。