基于UTM投影技術(shù)的蘇丹上阿特巴拉綜合樞紐工程施工測量技術(shù)探討

文 多 祥

(中國水利水電第七工程局有限公司，四川 成都 610081)

1 概 述

在水電工程施工測量中，衛(wèi)星定位測量技術(shù)與全站儀三角測量技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)日益融合。如何解決全站儀使用UTM坐標(biāo)？基于高斯投影的加密三角網(wǎng)起算數(shù)據(jù)如何獲取？如何實(shí)現(xiàn)倉號(hào)測量數(shù)據(jù)快速處理以及如何使用GPS RTK進(jìn)行水電工程大體積復(fù)雜結(jié)構(gòu)開挖放樣？筆者通過在蘇丹上阿特巴拉綜合樞紐工程中的具體實(shí)踐，對其進(jìn)行了有益的探討。

蘇丹上阿特巴拉水利樞紐工程距蘇丹首都公路里程460 km，工程所在地地勢平緩，6至9月為雨季，其他月份干旱少雨。該項(xiàng)目主要為灌溉，兼顧發(fā)電，總裝機(jī)容量為135 MW。

2 針對UTM投影問題采取的解決方案

2.1 全站儀如何使用UTM坐標(biāo)

本工程坐標(biāo)系統(tǒng)采用通用橫軸墨卡托投影(簡稱UTM投影)。UTM投影中央子午線長度比為0.999 6，對稱于中央子午線±1°40′(約180 km)處的兩條割線，無長度變形。施工區(qū)首級GPS控制網(wǎng)以及GPS RTK測量采用UTM投影，而使用全站儀放樣時(shí)，發(fā)現(xiàn)對任意兩UTM坐標(biāo)點(diǎn)測量的實(shí)際距離和坐標(biāo)反算距離并不相等。如何解決這個(gè)問題？通常采用的方法是確定測區(qū)的比例因子，在全站儀中輸入比例縮放因子進(jìn)行距離縮放后，全站儀將會(huì)計(jì)算出正確的UTM坐標(biāo)。

確定測區(qū)比例因子(長度比)的方法有公式法和現(xiàn)場測定法兩種。

(1)公式法是根據(jù)當(dāng)?shù)氐慕?jīng)緯度計(jì)算其長度比u：

cos4B(5-4tg2B)]

式中m0為中央子午線處的長度比，為0.999 6；L為經(jīng)度，以弧度為單位，化為秒；B為緯度；ρ″=206 264.81″，η2=e′2cos2B，e′為第二偏心率。

(2)現(xiàn)場測定法。通過選取測區(qū)中的幾組控制點(diǎn)，用高精度全站儀如TS30精確測定控制點(diǎn)之間的平距與控制點(diǎn)UTM坐標(biāo)反算距離之間的比值。在上阿特巴拉工程中，通過多組數(shù)據(jù)求均值后，確定的比例因子為1.000 75。

2.2 加密高精度三角控制網(wǎng)起算數(shù)據(jù)的計(jì)算方法

為保證混凝土澆筑區(qū)域有足夠的高精度控制點(diǎn)，要求在廠房布設(shè)加密三角控制網(wǎng)。首級網(wǎng)為UTM投影，加密網(wǎng)采用高斯投影并投影到廠房平均高程面500 m。

考慮到將UTM坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成高斯坐標(biāo)，其計(jì)算較為復(fù)雜。在本工程中采用了一種簡單確定加密三角網(wǎng)起算數(shù)據(jù)的方法。

高斯投影、UTM投影均屬于等角投影，即投影后形狀保持不變?；谶@種保角投影思想，我們選取廠房區(qū)域中心點(diǎn)O，其設(shè)計(jì)坐標(biāo)為(Y 814 889.2147，X 1 576 374.2208)，取首級網(wǎng)CA13、CA15兩點(diǎn)作為廠房加密網(wǎng)的起算點(diǎn)。以O(shè)點(diǎn)為起點(diǎn)，分別計(jì)算CA15、CA13的方位角和平距，將平距縮小到1.000 75后再按原方位角計(jì)算對應(yīng)點(diǎn)的坐標(biāo)，其結(jié)果見表1。

表1 起算點(diǎn)在UTM投影下的坐標(biāo)值和高斯投影下的坐標(biāo)值表

3 倉面測量數(shù)據(jù)內(nèi)業(yè)快速處理方法

廠房加密三角網(wǎng)以改算后的CA13、CA15作為起算數(shù)據(jù)，組網(wǎng)觀測、平差后用于廠房混凝土澆筑階段的施工放樣。

為了驗(yàn)證兩種坐標(biāo)系統(tǒng)下的坐標(biāo)和高程偏差，在廠房區(qū)邊緣處地面上任選一點(diǎn)P，分別用一臺(tái)流動(dòng)GPS接收機(jī)和一臺(tái)TCR802型全站儀以兩套坐標(biāo)系統(tǒng)測量其三維坐標(biāo)。從表2結(jié)果看，兩套坐標(biāo)系統(tǒng)測量結(jié)果具有顯著的一致性。

表2 幾種測量方法下同一實(shí)測點(diǎn)的坐標(biāo)和高程表

在蘇丹上阿特巴拉工程為代表的非洲地區(qū)從事水電工程項(xiàng)目，涉及測量驗(yàn)收程序復(fù)雜、精度要求高，所有驗(yàn)收測量均為現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)，內(nèi)業(yè)計(jì)算成果偏差。由于驗(yàn)倉測量成果是開倉前非常重要的一環(huán)，因此，在外業(yè)完成后，內(nèi)業(yè)處理測量數(shù)據(jù)要求盡可能快速 。

為了快速完成測量成果處理并及時(shí)將其報(bào)送給相關(guān)單位，除了事先必要的準(zhǔn)備外，還需要使用專用測量程序。針對該工程相關(guān)檢查項(xiàng)目偏差要求，基于VB.NET開發(fā)了自動(dòng)處理倉號(hào)驗(yàn)收測量數(shù)據(jù)的程序，筆者將其計(jì)算思想和基本算法作以下具體分析。

外業(yè)數(shù)據(jù)文件包括日志文件和坐標(biāo)文件，程序要求能自動(dòng)對日志文件中的信息進(jìn)行必要的添加和刪除、對日志文件使用控制點(diǎn)信息進(jìn)行檢查以及測量成果粗差探測。坐標(biāo)文件含有模板點(diǎn)、鋼筋點(diǎn)、止水點(diǎn)和埋管點(diǎn)等三維坐標(biāo)，在通過野外編碼或內(nèi)業(yè)對各點(diǎn)類型屬性進(jìn)行編輯后，每個(gè)點(diǎn)對應(yīng)不同類型(圖1)。

在程序自動(dòng)處理模塊中包括模板偏差計(jì)算、鋼筋偏差計(jì)算、止水偏差計(jì)算、埋管偏差計(jì)算等各功能小模塊，在其自動(dòng)處理完畢將偏差成果輸出到EXCEL表格文件中或打印輸出。在Auto CAD設(shè)計(jì)倉面圖中，將各功能小模塊的設(shè)計(jì)線設(shè)為不同的圖層。其中設(shè)計(jì)線分為直線LINE和多個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)(轉(zhuǎn)折點(diǎn)為大于或等于2)的多義線POLYLINE，設(shè)計(jì)面為斜面以直線LINE表示，并將設(shè)計(jì)線底部高程和坡比輸入到直線起點(diǎn)Z值和端點(diǎn)Z值中。在需要考慮設(shè)計(jì)線偏距的情況下(如鋼筋保護(hù)層)，將其偏距輸入到多義線的標(biāo)高值中。

圖1 混凝土倉號(hào)偏差自動(dòng)處理程序界面圖

各種偏差計(jì)算功能模塊程序計(jì)算方法如下：

(1)模板點(diǎn)偏差計(jì)算：分別計(jì)算任意一點(diǎn)距離各設(shè)計(jì)邊線的距離D，距離最短的設(shè)計(jì)邊為正確的設(shè)計(jì)邊。計(jì)算點(diǎn)到直線的距離一般采用施工坐標(biāo)轉(zhuǎn)換公式：

D= -1 × (實(shí)測點(diǎn)X值 -設(shè)計(jì)線起點(diǎn)X值)×sin(設(shè)計(jì)線方位角) + (實(shí)測點(diǎn)Y值 -設(shè)計(jì)線起點(diǎn)Y值)× cos(設(shè)計(jì)線方位角)

如果設(shè)計(jì)面為斜面，需根據(jù)設(shè)計(jì)面底部高程和坡比，計(jì)算出實(shí)測高程點(diǎn)對應(yīng)設(shè)計(jì)距離D設(shè)與實(shí)測點(diǎn)至設(shè)計(jì)線距離D測之差ΔD，并將ΔD轉(zhuǎn)化為垂直于斜面的偏差ΔD垂，其公式為：

ΔD垂=ΔD×cosATAN(坡比)

(2)鋼筋點(diǎn)偏差計(jì)算：如果鋼筋保護(hù)層厚度只有一種，則只需在程序配置項(xiàng)中預(yù)置好即可；如果有多種，則需分別在鋼筋層的設(shè)計(jì)線中輸入對應(yīng)保護(hù)層厚度。鋼筋點(diǎn)偏差計(jì)算方法同模板點(diǎn)。

(3)止水點(diǎn)偏差計(jì)算：止水需要計(jì)算各止水點(diǎn)高程偏差，直接用實(shí)測高程減去配置項(xiàng)中的止水設(shè)計(jì)高程即可。如果倉面中存在多種止水高程，需在配置項(xiàng)中預(yù)置多個(gè)高程設(shè)計(jì)值，程序?qū)⒆詣?dòng)查找合適的設(shè)計(jì)高程。

(4)埋管點(diǎn)偏差計(jì)算：埋管分為直管和斜管。首先將埋管的設(shè)計(jì)底部坐標(biāo)和頂部坐標(biāo)保存在埋管設(shè)計(jì)坐標(biāo)文件中，然后對實(shí)測坐標(biāo)文件中每個(gè)實(shí)測點(diǎn)查找相對應(yīng)的設(shè)計(jì)點(diǎn)。每一個(gè)實(shí)測坐標(biāo)點(diǎn)遍歷所有設(shè)計(jì)坐標(biāo)點(diǎn)，計(jì)算實(shí)測點(diǎn)高程對應(yīng)的設(shè)計(jì)坐標(biāo)，并將其與實(shí)測坐標(biāo)進(jìn)行比較。如果偏差在閥值允許范圍內(nèi)，認(rèn)為其就是該實(shí)測點(diǎn)對應(yīng)的設(shè)計(jì)點(diǎn)。偏差計(jì)算完畢，將該設(shè)計(jì)點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)記，下次遍歷時(shí)，不再對該設(shè)計(jì)點(diǎn)進(jìn)行比較。

該程序需要在計(jì)算前將倉面設(shè)計(jì)線和相關(guān)配置參數(shù)設(shè)置好，當(dāng)外業(yè)數(shù)據(jù)獲取后，可以在最短時(shí)間內(nèi)獲得所需的測量結(jié)果，從而提高了測量的外業(yè)數(shù)據(jù)處理工作效率。

4 如何運(yùn)用GPS RTK測量方法在大型水電站中進(jìn)行復(fù)雜結(jié)構(gòu)的開挖放樣

由于測區(qū)地處平原，地勢平緩，采用GPS測量作為施工測量的主要手段，對于提高工作效率、減 少人力資源投入具有重要意義。靜態(tài)GPS用于高精度首級施工控制網(wǎng)布設(shè)，而動(dòng)態(tài)GPS則應(yīng)用于除廠房和溢流壩區(qū)混凝土填筑放樣之外的其他各種測量過程中。筆者以在該工程中使用的徠卡Leica 1230GG型GPS為例，介紹了GPS RTK在大體積開挖中的放樣方法。

4.1 內(nèi)業(yè)放樣數(shù)據(jù)的獲取

從電腦中將CAD設(shè)計(jì)文件中的相關(guān)坐標(biāo)點(diǎn)(例如開口點(diǎn)、坡腳點(diǎn)、圓心點(diǎn)、設(shè)計(jì)線轉(zhuǎn)折點(diǎn)等特征點(diǎn))采集后存入GPS內(nèi)存卡中。如果是設(shè)計(jì)面為變坡或其他不規(guī)則的過渡段斜面，需要按一定密度沿設(shè)計(jì)面的高程線進(jìn)行坐標(biāo)采集。常用的采集方法一般采用專業(yè)測量軟件(如南方CASS系統(tǒng))進(jìn)行。

4.2 基站的架設(shè)

架設(shè)基站的控制點(diǎn)一般應(yīng)選在離測區(qū)較近、地勢較高的位置。電臺(tái)有低頻信號(hào)輸出口和高頻信號(hào)輸出口，正常狀態(tài)應(yīng)選擇低頻信號(hào)開關(guān)。但如果處于高差較大、GPS衛(wèi)星信號(hào)較弱或沒有衛(wèi)星信號(hào)的小范圍區(qū)域，則以高頻信號(hào)輸出。需要注意的是應(yīng)盡量少使用高頻信號(hào)，因?yàn)殚L時(shí)間使用高頻信號(hào)可能會(huì)燒毀電臺(tái)。

4.3 流動(dòng)站的放樣

Leica 1230GG動(dòng)態(tài)標(biāo)稱精度：水平精度為10 mm+1 ppm ,垂直精度為20 mm+1 ppm。水電工程開挖輪廓點(diǎn)點(diǎn)位限差要求(精度要求較高的基礎(chǔ)輪廓點(diǎn)和預(yù)裂孔位)：平面50 mm,高程50 mm，參見《水利水電測量規(guī)范》 DL/T 2003,儀器精度完全可以滿足工程需要。

流動(dòng)站放樣方法常采用參考線放樣和極坐標(biāo)放樣。對于直線型邊坡，直接采用參考線放樣，輸入?yún)⒖季€兩端點(diǎn)，GPS控制器顯示任意點(diǎn)相對于參考線縱橫兩方向的偏距；對于圓弧段，需輸入圓心坐標(biāo)點(diǎn)號(hào)，根據(jù)距圓心距離和實(shí)測高程進(jìn)行放樣；對于漸變段等不規(guī)則的過渡區(qū)，只需逐點(diǎn)放樣事先在設(shè)計(jì)圖上采集的各點(diǎn)坐標(biāo)，并用放樣后的實(shí)際高程與設(shè)計(jì)高程計(jì)算高程方向的超欠挖。從用全站儀對建基面進(jìn)行驗(yàn)收的結(jié)果看，采用GPS RTK對于大體積復(fù)雜結(jié)構(gòu)開挖，其質(zhì)量是能夠得到保證的。

在水電工程高邊坡開挖過程中，如果基站與流動(dòng)站垂角過大，GPS接收機(jī)可能會(huì)沒有信號(hào)或信號(hào)微弱而導(dǎo)致獲得錯(cuò)誤的結(jié)果。對于存在可能出現(xiàn)的情況，一般采取的辦法是將基站架設(shè)到所測區(qū)域?qū)Π痘虿捎萌緝x進(jìn)行測量。

5 結(jié) 語

由于GPS測量、全站儀測量在水電工程中的結(jié)合越來越緊密，因此，在運(yùn)用新技術(shù)的同時(shí)，也帶來了一些新問題。筆者對蘇丹上阿特巴拉水電工程施工測量中存在的技術(shù)難點(diǎn)、重點(diǎn)問題給出了解決方法。通過采用這些方法，在保證施工質(zhì)量的同時(shí)，大大提高了工作效率。

作者簡介:

文多祥(1975-)，男，四川射洪人，工程師，從事水電工程施工測量及技術(shù)管理工作.