觀音閣水庫(kù)控制網(wǎng)的布設(shè)與實(shí)施

董永剛

（遼寧省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，遼寧沈陽(yáng)110006）

觀音閣水庫(kù)控制網(wǎng)的布設(shè)與實(shí)施

董永剛

（遼寧省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，遼寧沈陽(yáng)110006）

文章結(jié)合遼寧省觀音閣水庫(kù)輸水工程，探討了水庫(kù)首級(jí)控制網(wǎng)的最優(yōu)布設(shè)方案 。通過(guò)控制網(wǎng)的建立與實(shí)施，介紹了庫(kù)區(qū)高等級(jí)控制網(wǎng)的建立方法和步驟，為大型水庫(kù)工程高精度控制網(wǎng)的施測(cè)提供了參考。

GPS；平差處理；高精度控制網(wǎng)

1 概況

隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，GPS技術(shù)已經(jīng)廣泛的應(yīng)用于我國(guó)各個(gè)領(lǐng)域之中，其主要有以下顯著特點(diǎn)：測(cè)站之間無(wú)需通視、定位精度高、提供三維坐標(biāo)、可全天候作業(yè)。GPS技術(shù)在水利工程中的應(yīng)用是一項(xiàng)重大的技術(shù)改革，在水庫(kù)高等級(jí)施工控制網(wǎng)施測(cè)中得到了廣泛應(yīng)用。

觀音閣水庫(kù)位于遼東半島東部（遼寧省）本溪滿族自治縣縣城以東，屬太子河干流，最大庫(kù)容量21.68億 m3，控制流域面積為2795 km2，是一座以防洪、供水為主，兼有灌溉、發(fā)電、養(yǎng)魚等綜合利用的大（Ⅰ）型水利樞紐工程。

為滿足工程需要，根據(jù)《水利水電工程測(cè)量規(guī)范》，工程平面控制以C級(jí)GPS網(wǎng)為首級(jí)控制網(wǎng)，坐標(biāo)系統(tǒng)采用1954年北京坐標(biāo)系及WGS84坐標(biāo)系；高程控制借助于Leica DNA03數(shù)字水準(zhǔn)儀采用三等水準(zhǔn)，測(cè)區(qū)中央子午線123°。

2 平面控制網(wǎng)的建立

2.1 布網(wǎng)方案

庫(kù)區(qū)平面控制網(wǎng)的布設(shè)采用C級(jí)GPS網(wǎng)，以國(guó)家三角點(diǎn)作為起算點(diǎn)，布網(wǎng)方式采用邊連式，每個(gè)網(wǎng)點(diǎn)都至少有三條基線連接。高程控制測(cè)量則采用已知的Ⅱ等GY03、GJK2作為起算點(diǎn)進(jìn)行三等水準(zhǔn)測(cè)量。觀音閣水庫(kù)平面控制網(wǎng)的布設(shè)如圖1所示。

圖1 觀音閣水庫(kù)平面控制網(wǎng)布設(shè)圖

2.2 選點(diǎn)與埋石

各點(diǎn)位均在庫(kù)區(qū)最高洪水位淹沒(méi)線以外，點(diǎn)位的基礎(chǔ)堅(jiān)實(shí)穩(wěn)固，易于長(zhǎng)期保存，并有利于安全作業(yè)。所有控制點(diǎn)均埋設(shè)現(xiàn)場(chǎng)澆筑鋼筋混凝土標(biāo)石，埋設(shè)深度均不小于凍土層以下0.1 m，位于標(biāo)石頂部的不銹鋼半球頂十字中心即為標(biāo)心。

3 GPS網(wǎng)觀測(cè)

GPS網(wǎng)測(cè)量采用6臺(tái)南方S86 T GPS雙頻接收機(jī)同時(shí)進(jìn)行靜態(tài)作業(yè)。外業(yè)觀測(cè)采用靜態(tài)相對(duì)定位的方式，保證同步觀測(cè)的正確進(jìn)行，做好外業(yè)觀測(cè)記錄，嚴(yán)格按照GPS作業(yè)的基礎(chǔ)技術(shù)要求采集數(shù)據(jù)?？刂凭W(wǎng)采用邊連接的作業(yè)方式，每站觀測(cè)時(shí)段長(zhǎng)均為120 min，觀測(cè)時(shí)段數(shù)為2，采樣間隔均為15 S，GPS作業(yè)的基本技術(shù)要求見表1。

表1 GPS作業(yè)的基本技術(shù)要求

4 數(shù)據(jù)處理

4.1 基線解算

在解算基線之前，首先對(duì)外業(yè)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行全面檢查。計(jì)算時(shí)采用廣播星歷，雙頻相位觀測(cè)值L1、L2的雙差組合觀測(cè)量，GPS網(wǎng)的基線結(jié)果采用雙差固定解，采用科傻數(shù)據(jù)處理軟件CosaGPS V5.21進(jìn)行基線解算，剔除了精度較差的基線35條，共解算有效基線167條。

4.2 基線質(zhì)量檢核

控制網(wǎng)共解算基線167條，最短邊DXCZGG1為2.565 km，最長(zhǎng)邊GG8-GG3為26.253 km，實(shí)測(cè)平均邊長(zhǎng)為11.84 km。

GPS相鄰點(diǎn)間弦長(zhǎng)精度用下式表示：

式中：在GPS中，σ基線向量的弦長(zhǎng)中誤差，mm；a接收機(jī)標(biāo)稱精度中的固定誤差，為5 mm；b接收機(jī)標(biāo)稱精度中的比例誤差系數(shù)，為1mm/km；d網(wǎng)中相鄰點(diǎn)間的平均距離，km。

按式（1）計(jì)算，得出該首級(jí)控制網(wǎng)的基線精度為12.9 mm。

1）重復(fù)基線的檢核

2）異步環(huán)閉合差的檢核

異步環(huán)各坐標(biāo)分量閉合差及環(huán)線全長(zhǎng)閉合差，均應(yīng)滿足下式的要求：

表2 二維約束平差精度表

式中：n是異步環(huán)中基線邊的個(gè)數(shù)；W是異步環(huán)環(huán)線全長(zhǎng)閉合差；σ的意義與前述相同。控制網(wǎng)中共有51個(gè)異步環(huán)。根據(jù)環(huán)閉合差報(bào)告結(jié)果分析：W（x，y，z）的最大值為：-33.4 mm，限差（為76.4mm。的最大值為：42.4 mm，限差（為183.6 mm，顯然，完全滿足限差要求。由此可以得出結(jié)論，該網(wǎng)所有的W（x，y，z），WS檢核項(xiàng)都可以滿足限差要求。

4.3 GPS網(wǎng)精度評(píng)定

按照GB 50026—2007《工程測(cè)量規(guī)范》規(guī)定，GPS控制網(wǎng)需要對(duì)全網(wǎng)整體的觀測(cè)精度進(jìn)行評(píng)價(jià)。GPS控制網(wǎng)的測(cè)量中誤差，按下式計(jì)算：

式中：m是控制網(wǎng)的測(cè)量中誤差，mm；N是控制網(wǎng)中異步環(huán)的個(gè)數(shù)；n是異步環(huán)的邊數(shù)；W是異步環(huán)環(huán)線全長(zhǎng)閉合差，mm。平面控制網(wǎng)共有6個(gè)異步環(huán)，測(cè)量中誤差m=4.6 mm，按照平均邊長(zhǎng)（11.84 km）計(jì)算σ=12.0 mm。顯然，m≤σ，滿足《工程測(cè)量規(guī)范》的要求。

4.4 GPS網(wǎng)平差計(jì)算

計(jì)算軟件采用Leica GPS接收機(jī)的隨機(jī)解算軟件LEICA Geo Office Combined 7.0及GPS網(wǎng)平差軟件CosaGPS V5.21,分以下兩步進(jìn)行。

1）WGS-84大地坐標(biāo)系三維無(wú)約束平差。三維無(wú)約束平差是以GG1控制點(diǎn)的WGS-84坐標(biāo)作為無(wú)約束平差起算數(shù)據(jù)進(jìn)行GPS網(wǎng)的三維無(wú)約束平差，求出網(wǎng)中各點(diǎn)在WGS-84坐標(biāo)系下的三維坐標(biāo)、各基線向量及其改正數(shù)和其精度信息。本控制網(wǎng)無(wú)約束平差后結(jié)果顯示：基線分量改正數(shù)的絕對(duì)值與限差之差的最大值為-2.67 cm，限差為6.10 cm，滿足限差要求。三維無(wú)約束網(wǎng)平差后，邊長(zhǎng)相對(duì)精度最低值為1/1 640 000，最弱點(diǎn)點(diǎn)位中誤差為5.1 mm。

2）1954年北京坐標(biāo)系二維約束平差。首先利用國(guó)家三角點(diǎn)進(jìn)行兼容性檢驗(yàn)，經(jīng)過(guò)計(jì)算，所采用兩個(gè)國(guó)家三角點(diǎn)均達(dá)到1/25萬(wàn)的要求。然后利用兩國(guó)家三角點(diǎn)進(jìn)行全網(wǎng)的二維約束平差，求得網(wǎng)中各點(diǎn)在1954年北京坐標(biāo)系下的坐標(biāo)。約束平差后，邊長(zhǎng)相對(duì)精度最低為1/1 915 000。平差后誤差橢圓最大的點(diǎn)相對(duì)起算點(diǎn)的誤差橢圓參數(shù)為E= 3.2 mm，F(xiàn)=2.7 mm。 GPS網(wǎng)平差精度見表3。

表3 二維約束平差精度表

5 高程控制測(cè)量

5.1 高程控制測(cè)量

布設(shè)三等水準(zhǔn)網(wǎng)，聯(lián)測(cè)所有埋石點(diǎn)，水準(zhǔn)路線總長(zhǎng)190 km。起算數(shù)據(jù)采用已有成果中的Ⅱ等水準(zhǔn)點(diǎn)GY03，GJK2作為起算點(diǎn)，利用武漢大學(xué)科傻地面控制測(cè)量數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)CosaV3.1進(jìn)行平差計(jì)算。5.2精度評(píng)定

每公里水準(zhǔn)測(cè)量的偶然中誤差M△按下式計(jì)算：

式中：M△為高差偶然中誤差，mm；△為水準(zhǔn)路線測(cè)段往返（或左右路線）高差不符值，mm；n為往返測(cè)（或左右路線）的水準(zhǔn)路線測(cè)段數(shù)；R為測(cè)段長(zhǎng)度，km。經(jīng)過(guò)平差計(jì)算，每公里水準(zhǔn)測(cè)量的偶然中誤差M△=0.79 mm，滿足規(guī)范精度要求。

6 結(jié)語(yǔ)

文章對(duì)觀音閣水庫(kù)的首級(jí)控制網(wǎng)提出了采用GPS平面網(wǎng)和水準(zhǔn)網(wǎng)相結(jié)合的方案，對(duì)方案各階段進(jìn)行了最優(yōu)規(guī)劃和設(shè)計(jì)。觀音閣水庫(kù)高精度首級(jí)GPS控制網(wǎng)的成功布設(shè)，為在山地庫(kù)區(qū)布設(shè)施工控制網(wǎng)提供了良好的范例。針對(duì)水庫(kù)大范圍控制網(wǎng)的建立特總結(jié)幾條結(jié)論意見如下：

1）由于水利行業(yè)的特性，在水庫(kù)庫(kù)區(qū)應(yīng)用GPS建立高等級(jí)控制網(wǎng)是必要的、可行的。觀音閣水庫(kù)輸水工程是采用GPS相對(duì)定位技術(shù)建立高等級(jí)首級(jí)控制網(wǎng)的成功嘗試，該GPS網(wǎng)方案設(shè)計(jì)合理，觀測(cè)數(shù)據(jù)可靠，數(shù)據(jù)解算合理，證明了GPS技術(shù)在庫(kù)區(qū)大范圍內(nèi)建立高精度控制網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)高效性。

2）控制網(wǎng)中的已知起算點(diǎn)，可以采用GPS靈活的進(jìn)行兼容性檢測(cè)并引測(cè)到控制網(wǎng)中。

3）觀測(cè)數(shù)據(jù)處理過(guò)程中，要禁用觀測(cè)質(zhì)量差，觀測(cè)時(shí)間短的衛(wèi)星；為了達(dá)到設(shè)計(jì)精度，需要先剔除精度較差的基線，才能進(jìn)行基線解算、網(wǎng)平差計(jì)算。

4）在對(duì)基線質(zhì)量及網(wǎng)的精度進(jìn)行評(píng)定之后，才能進(jìn)行網(wǎng)的平差計(jì)算，先是WGS-84大地坐標(biāo)系三維無(wú)約束平差，然后引入國(guó)家三角點(diǎn)進(jìn)行BJ54坐標(biāo)系二維約束平差。

觀音閣水庫(kù)高精度首級(jí)GPS控制網(wǎng)的成功布設(shè)，為在山地庫(kù)區(qū)布設(shè)施工控制網(wǎng)提供了良好的范例。［參考文獻(xiàn)］

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2016-05-26