湘桂運河技術性課題研究階段控制測量實施探討

文章從起算點概況、控制網布網形式、數據采集、數據處理與精度檢驗等方面，詳細介紹了湘桂運河技術性課題研究階段控制測量實施情況，以期為長距離帶狀項目高精度平面控制測量和高程控制測量的實施提供參考和借鑒。

控制測量；基線解算；網平差；水準測量

U612.1+3A642094

作者簡介：

薛武申（1981—），高級工程師，主要從事測量專業生產和技術管理工作。

0" 引言

湘桂運河是國家規劃“四縱四橫兩網”高等級航道網中縱向“漢-湘-桂”通道的南段組成部分，打通湘桂運河通道，對縮短湖南等地區貨物至廣西沿海的水運里程及降低運送時間成本，具有重要的意義。

本文通過湘桂運河技術性課題研究階段控制測量實施案例，重點對測量控制網的起算點概況、布網形式、數據采集、數據處理和精度檢驗等步驟進行了詳細闡述。

1" 項目概況

1.1" 測區概述

湘桂運河是連接長江水系與珠江水系的水系連通工程，自長江的城陵磯起，溯湘江而上，沿瀟水上至兩江口入永明河，在江永縣附近的白令崗起經過人工河跨越分水嶺，經恭城河至平樂縣入桂江，后經桂江從平樂縣至梧州進西江航運干線，全長約1 262 km，其中湖南省境內長約934 km，廣西壯族自治區境內長約328 km。線路方案共有5個，分別為東1線、東2線、新東2線、東3線和東2-東3線連接線。

根據項目課題研究需要，需對推薦方案東1線廣西段（省界（龍虎關）經恭城河至平樂縣）區域進行測量，全長約90 km，測圖比例尺為1∶2 000。故需布設測量控制網，作為地形圖測量的依據。

1.2" 控制測量目的

控制測量的目的是建立準確、可靠、統一的測量基準，對控制全局，限制測量誤差累積具有重要作用。提供可靠的控制測量成果，是保證地形圖測量精度的前提，亦是后續勘察、征拆調查、規劃設計與建設順利開展的重要保障。

2" 控制測量實施

控制測量的實質是測量控制點的平面位置和高程，測定控制點的平面位置工作，稱為平面控制測量，測定控制點的高程工作，稱為高程控制測量。需遵循的原則是：從整體到局部，先控制后碎部，平面控制網與高程控制網一般分別單獨布設，也可以布設成三維控制網［1］。

此外，還應綜合考慮項目實際如起算點距離、聯測方式、點位密度、成果精度及經費節約等因素。

2.1" 起算點概況

平面控制起算點按GPS-D級，共有“X001、X002、X003、X004、X005”5點，主要通過聯測廣西GXCORS基準站點，由廣西壯族自治區自然資源信息中心負責解算并提供，精度滿足平面坐標的起算點。高程控制起算點由廣西壯族自治區自然資源檔案博物館處申領，主要有“Ⅰ荔梧10-1、Ⅰ荔梧9-1、Ⅱ全二57、Ⅱ全二54、Ⅱ全二47、Ⅲ平道11”共6點，均勻分布且能覆蓋測區，滿足高程起算點的要求。經現場踏勘，均保存完好。

2.2" 控制網網型布設

控制網的網型設計，是保證控制網精度的基礎。控制點位置通常考慮網型強度、點位均勻和引測方案等因素，在天地影像圖上進行預布設（見圖1）。埋設時到實地確認選定點位位置，主要原則如下：（1）易于安裝設備、視野開闊；（2）目標顯著，視場周圍15°以上無障礙物；（3）遠離大功率無線電發射源，其距離≥200 m，遠離高壓輸電線，其距離≥50 m；（4）交通方便，有利于其他觀測手段擴展與聯測的地方；（5）基礎穩固，便于保存［2］。標心采用不銹鋼釘，點面規格為300 mm×300 mm［3］。首級GPS-D級點布設間距約為12 km，次級GPS-E級點在GPS-D級點基礎上進行加密，平均點間距約為2.5 km。

高程控制點與平面點共用標石，不單獨埋設高程控制點。

2.3" 平面控制測量

GPS衛星定位具有高精度、高效率和低成本的優點［4］。通過同步觀測相同GPS衛星來確定多條基線向量，利用這些觀測量的不同結合（求差）進行相對定位，可有效消除或減弱相關誤差（如衛星鈡差、衛星星歷誤差、電離層延遲、對流層延遲等）的影響，故可提高相對位置的精度，從而使這種方法成為精密測量定位中主要的工作方法［5］。

平面控制測量采用GPS靜態模式，同步環間采用邊連式。

湘桂運河技術性課題研究階段控制測量實施探討/薛武申，鄧華貴

2.3.1" 外業數據采集

外業觀測采用5臺南方銀河1雙頻接收機進行，觀測時段數≥1.6；D級點觀測時段長度≥2 h（參照廣西壯族自治區自然資源信息中心解算相關要求）；E級點觀測時段長度≥40 min；衛星高度角≥15°，有效觀測衛星數≥4；數據采樣間隔10 s；天線安置的對中誤差≤2 mm；兩次丈量天線高度差≤3 mm［6］。

2.3.2" GPS-D級網數據處理

GPS-D級點X001、X002、X003、X004、X005與GXCORS系統基準站JZ18、JZ85、JZ88、JZ92、JZ95和J102的同步觀測數據組成GPS控制網，采用TBC V5.0進行數據處理，COSAGPS V6.0進行平差解算，平面精度準確可靠，最終提供GPS-D級點平差成果。在此不作詳述。

2.3.3" GPS-E級網數據處理與精度檢驗

2.3.3.1" 基線解算

GPS-E級網基線處理采用南方GNSS數據處理軟件V4.05。數據處理前對觀測數據文件進行檢查，輸入各測站的實際天線高，并禁止觀測數據質量較差的時段參與解算。合格標準為外業數據剔除率應＜10%；復測基線長度較差σ≤22σ；相鄰點間基線向量的弦長中誤差應按式（1）計算：

σ=±a2+（b·D）2（1）

式中：

σ——基線向量的弦長中誤差（mm）；

a——接收機標稱精度固定誤差（mm）；

b——接收機標稱精度比例誤差系數（mm/km）；

D——相鄰點間基線長度（km）。

靜態基線解算前對采樣間隔、高度截止角，參考衛星對流層電離層改正模型的標準氣象元素進行常規設置，方差比設置＞3，中誤差＜0.04，在此設置下進行基線解算。初步解算結束后，對部分不合格的基線調整參數后進行重新處理直至合格，由于多余觀測較多，對部分難以調整合格的基線可以直接剔除（剔除基線后最簡閉合環仍為3條），其余基線精度指標均在規范要求的限差范圍內。本項目重復基線總數為25條，剔除了3條不合格基線，其余22條基線均滿足限差要求。其中，重復基線較差最大值見表1。

異步環是保證控制網可靠性的重要指標，本項目共有39個異步環，各坐標分量閉合差統計情況見表2。

其中，閉合差最大的環為交X039-X030-X029，環平均邊長為5.29 km，WX=-23 mm，WY=-32 mm，WZ=-18 mm，限差為38 mm，滿足規范要求。異步環相對誤差最大的環為X040-X030-X029，環平均邊長為3.87 km，相對誤差為5.55 ppm，滿足要求。

2.3.3.2" GPS網平差

首先在WGS-84坐標系中進行三維自由網平差，通過三維自由網平差可發現觀測中的粗差并消除其影響。另外，可檢驗和評估控制網的內部精度。三維自由網無約束平差后，基線分量改正數絕對值見表3，均滿足限差要求。

其中，基線分量改正數最大的基線為X027-X005，基線長7.1 km，基線分量改正數VΔX=11.44 mm，VΔY=-22.7 mm，VΔZ=-8 mm，限差為26 mm。

約束平差前對D級GPS點進行內部符合性檢驗，選取X001、X003、X005作為約束點，X004、X002作為檢核點，平差后的值與已知點值進行比對，X004：dx=+1.2 cm，dy=-1.8 cm；X002：dx=+1.2 cm，dy=-0.2 cm。

最后，將所有已知點進行強制約束平差，平差后相鄰點基線水平分量中誤差平均為2.0 mm，最大為16.4 mm（規范要求相鄰點基線水平分量中誤差應≤20 mm），基線相對中誤差最大為1/149 093，約束平差后各基線相對中誤差精度統計見表4。

約束后GPS-E級點平面精度統計見表5。

由表5可知，約束平差后各未知E級點的平均點位中誤差為6.1 mm，最弱點“X038”點位中誤差為10.1 mm（限差為50 mm）。

2.4" 高程控制測量

高程基準采用1985國家高程基準。高程控制測量按四等（或三等）水準測量的方式作業。水準測量是高程測量中最常用、最精密的測量［7］。

沿測區布設一條四等水準路線，沿線控制點聯測國家高等級水準點。經現場踏勘，根據點位分布的情況，平樂縣城至沙子鎮沿線起算點分布不滿足四等水準觀測要求，故本段引測1條三等水準線路，起算點為Ⅰ荔梧10-1和Ⅰ荔梧9-1，水準結點為X002，引測的三等水準成果X002作為本工程四等水準的起算點。

2.4.1" 數據采集

數據采集使用徠卡數字水準儀，它是以傳統光學水準儀為基礎，應用現代電子技術和微型傳感器等先進工藝發展起來的，融合電子技術、圖像處理技術、計算機技術于一體，能夠進行幾何水準測量的數據采集與處理的儀器。它利用數字圖像處理技術，人工完成照準和調焦之后，把由條紋標尺進入望遠鏡的條碼分劃影像，成像在光電傳感器，即線陣CCD器件上，利用圖像處理技術在相對較短的時間內完成包括條碼尺的讀數、數據記錄、計算和處理［8］。

測量前按規范要求對Ⅰ角進行檢測，當檢測標準＜20″后投入使用。外業觀測采用中絲法，三等水準測量按“后前前后”的順序觀測，最大視線長度為75 m，前后視距差＜3 m，前后視距累積差＜6 m，間歇前后高差之差＜3 mm；四等水準測量按“后后前前”的順序觀測，最大視線長度為100 m，前后視距差＜5 m，前后視距累積差＜10 m，間歇前后高差之差＜5 mm。

使用的水準儀經法定檢定機構檢校，并在有效期內使用。本次引測2段三等閉合水準路線，6段四等附合水準線路，均為常規水準路線無跨河，共聯測6個已知等級控制點，聯測40個未知平面控制點。部分水準線路圖見圖2。

2.4.2" 數據處理

閉合差是判斷水準測量外業觀測成果質量的主要依據，本項目8段水準路線閉合差均在限差要求內，詳見表6。最終將閉合差按照測段距離定權進行高程改正，得到未知點高程。

2.4.3" 精度檢驗

水準測量中每公里高差全中誤差是衡量觀測精度的一項重要指標。本次三等水準路線全長53.4 km，計算得水準線路每公里高差全中誤差為3.56 mm，小于±6 mm；四等水準線路全長190.5 km，水準線路每公里高差全中誤差為8.14 mm，小于±10 mm，滿足規范要求。

2.5" 應用成效評價

上述通過對平面控制測量和高程控制測量的實施進行介紹，重點闡述起算點分布及網形布設的合理性，介紹了平面、高程控制測量的實施流程、技術要點和精度評定方式，各項指標均符合相關規范的要求，解決了湘桂運河技術性課題研究階段地形圖測量對控制點可靠精度的需求，保障了項目前期調查研究、勘察設計等各項工作的有序開展。

3" 結語

測量控制網作為工程項目的起算基準，是確保測量精度，保證測繪成果質量的基礎。本次湘桂運河技術性課題研究階段控制測量的成功實施，為今后類似項目的測量控制提供了成功的借鑒參考。

［1］羅杰林.控制測量在地形測繪中的重要性分析［J］.內蒙古煤炭經濟，2021（20）：178-180.

［2］刑建國.GPS控制測量外業實施及數據處理方法［J］.煤炭與化工，2022，45（5）：71-74，78.

［3］JTS 131-2012，水運工程測量規范［S］.

［4］李國波，方廣杰.GPS測量控制網網形的優化設計［J］.湘潭師范學院學報（自然科學版），2004，26（3）：12-14.

［5］權君娟，李新寧.GPS靜態作業在控制測量中的應用探討［J］.新疆有色金屬，2020，43（2）：25-28.

［6］GB/T 18314-2009，全球定位系統（GPS）測量規范［S］.

［7］聶發懿，王" 艷.武漢軌道交通水準測量精度的影響因素及控制［J］.價值工程，2020，39（2）：266-267.

［8］拜劍虹，任朝暉.DiNi03電子水準儀在高程控制測量中的應用［J］.寧夏工程技術，2018，17（1）：49-52.

20240408