董永剛

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

GPS控制網(wǎng)及坐標(biāo)轉(zhuǎn)換方法在水庫流域控制中的應(yīng)用

董永剛

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

文中資詳細(xì)探討了GPS控制測(cè)量、高程控制測(cè)量的一般技術(shù)要求，從測(cè)量精度、可靠性、經(jīng)濟(jì)性等方面選擇最優(yōu)設(shè)計(jì)方案來進(jìn)行控制測(cè)量的布設(shè)。并結(jié)合遼寧省湯河水庫控制網(wǎng)測(cè)量工程，確定了最優(yōu)的測(cè)量方案，分析了其控制測(cè)量的平面控制網(wǎng)布置型式和高程控制網(wǎng)布置型式，為同類測(cè)量工程提供有益借鑒。

GPS控制網(wǎng)；平面控制測(cè)量；高程控制測(cè)量；坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

1 概 況

控制測(cè)量是指在待測(cè)區(qū)內(nèi)，根據(jù)測(cè)量目的不同采用不同要求的精度，測(cè)定待測(cè)區(qū)域內(nèi)一系列控制點(diǎn)的平面位置和高程，從而建立測(cè)量控制網(wǎng)，是各項(xiàng)測(cè)量工作的依據(jù)。水庫流域基本控制測(cè)量需根據(jù)區(qū)域規(guī)模、原有國(guó)家大地控制網(wǎng)的情況、區(qū)域規(guī)劃需要等合理確定控制網(wǎng)的等級(jí)。其基本控制的布設(shè)應(yīng)在國(guó)家大地控制網(wǎng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行布設(shè)，應(yīng)統(tǒng)一設(shè)計(jì)、分級(jí)布設(shè)、整體實(shí)施，按精度、可靠性、經(jīng)濟(jì)性等選擇最優(yōu)設(shè)計(jì)方案?？刂茰y(cè)量分為平面控制網(wǎng)和高程控制網(wǎng)。

不同坐標(biāo)系之間坐標(biāo)轉(zhuǎn)換主要是根據(jù)同時(shí)擁有種坐標(biāo)系坐標(biāo)的大地點(diǎn)的情況，選擇適當(dāng)?shù)闹睾宵c(diǎn)，利用所選重合點(diǎn)的種坐標(biāo)系的坐標(biāo)，采用適當(dāng)?shù)淖鴺?biāo)轉(zhuǎn)換模型計(jì)算兩坐標(biāo)系之間的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參烽，實(shí)現(xiàn)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。

2 平面控制測(cè)量

常規(guī)的平面控制網(wǎng)的方法為三角測(cè)量法、導(dǎo)線測(cè)量法、三邊測(cè)量法以及邊角同測(cè)法。GPS測(cè)量以其觀測(cè)簡(jiǎn)便、精度高、速度快、費(fèi)用省、全天候等優(yōu)點(diǎn)現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于我國(guó)大地測(cè)量領(lǐng)域。

GPS平面控制網(wǎng)分為A，B，C，D，E等5級(jí)。

A級(jí)GPS網(wǎng)由衛(wèi)星定位連續(xù)運(yùn)行基準(zhǔn)站構(gòu)成，用于建立國(guó)家一等大地控制網(wǎng)，進(jìn)行全球性的地球運(yùn)力學(xué)研究、地殼形變測(cè)量和衛(wèi)星精密定軌測(cè)量；B級(jí)GPS測(cè)量主要用于建立國(guó)家二等大地控制網(wǎng)，建立地方和城市坐標(biāo)基準(zhǔn)框架、區(qū)域性的地球動(dòng)力學(xué)研究、地殼形變測(cè)量和各種精密工程測(cè)量等；C級(jí)GPS測(cè)量有于建立三等大地控制網(wǎng)，以及區(qū)域、城市及工程測(cè)量的基本控制網(wǎng)等；D級(jí)GPS測(cè)量用于建立四等大地控制網(wǎng)；E級(jí)GPS測(cè)量用于測(cè)圖、施工等控制測(cè)量。各等級(jí)邊長(zhǎng)和精度見表1。

表1 GPS各級(jí)別精度指標(biāo)

3 高程控制測(cè)量

測(cè)定控制點(diǎn)高程的工作稱為高程控制測(cè)量，高程控制網(wǎng)現(xiàn)多用水準(zhǔn)測(cè)量方法建立，按精度分為一、二、三、四等水準(zhǔn)測(cè)量。一等水準(zhǔn)測(cè)量是國(guó)家高程控制的骨干，同時(shí)也是研究地殼和地面垂直移動(dòng)及有關(guān)科學(xué)研究的主要依據(jù)。二等水準(zhǔn)路線是國(guó)家高程的全面基礎(chǔ)，在一等水準(zhǔn)布設(shè)。三四等水準(zhǔn)網(wǎng)是在一、二等水準(zhǔn)網(wǎng)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步加密，根據(jù)需要在高等級(jí)水準(zhǔn)網(wǎng)內(nèi)布設(shè)成附合路線、環(huán)線或結(jié)點(diǎn)網(wǎng)，直接提供地形測(cè)圖和各種工程建設(shè)的高程控制點(diǎn)。

單獨(dú)的三等附合路線，長(zhǎng)度不超過150 km；環(huán)線周長(zhǎng)應(yīng)不超過200 km；單獨(dú)的四等附合路線，長(zhǎng)度應(yīng)不超過80 km；環(huán)線周長(zhǎng)應(yīng)不超過100 km；山地等特殊困難地區(qū)可適當(dāng)放寬，但不宜大于上述各指標(biāo)的1.5倍。

各等級(jí)每千米水準(zhǔn)測(cè)量的偶然中誤差M△和每千米水準(zhǔn)測(cè)量的全中誤差MW不得超過表2的數(shù)值。

表2 各等級(jí)每千米水準(zhǔn)測(cè)量的偶然中誤差和全中誤差mm

4 工程案例

4.1 工程概況

遼寧省湯河水庫是建筑在太子河的主要支流之一的湯河主段上，東湯河與西湯河交匯為湯河，處于群山圍繞之地，是遼陽無污染的水庫之一。湯河為外遼河之太子河的一大支流，該河由上游東、西兩支河流匯成。西支發(fā)源于吉洞峪鄉(xiāng)寒家?guī)X；東支又分為東西兩股，東股發(fā)源于河欄鎮(zhèn)樣子嶺山，西股發(fā)源于遼陽縣塔子嶺鄉(xiāng)熊洞溝和吉洞峪鄉(xiāng)宋家?guī)X山下。東西兩支于壩址前龍山腳下匯合，形成湯河干流，流經(jīng)小屯鎮(zhèn)西雙村注入太子河。流徑全程50.9 km。為滿足湯河水庫社會(huì)經(jīng)濟(jì)調(diào)查等任務(wù)的需要，現(xiàn)對(duì)其進(jìn)行控制網(wǎng)測(cè)量。

4.2 控制測(cè)量設(shè)計(jì)

4.2.1 現(xiàn)有資料

1）測(cè)區(qū)國(guó)家1∶5萬地形圖。

2）收集到渾河、太子河、大遼河C級(jí)GPS網(wǎng)測(cè)量成果，平面控制測(cè)量擬采用該控制網(wǎng)中的婁山（LS）、TH3和HJ4作為起算點(diǎn)。該網(wǎng)的數(shù)據(jù)成果包括1954年北京坐標(biāo)系、1980西安坐標(biāo)系、WGS84坐標(biāo)系、2000國(guó)家大地坐標(biāo)系。

3）收集到國(guó)家水準(zhǔn)點(diǎn)I遼本6、I遼本10在測(cè)區(qū)的上游，距測(cè)區(qū)最近距離約30 km。擬作為高程起算點(diǎn)。高程系統(tǒng)采用1985國(guó)家高程基準(zhǔn)。

4.2.2 控制網(wǎng)的精度選定

為湯河水庫社會(huì)經(jīng)濟(jì)調(diào)查可能采用的最大測(cè)圖比例尺為1∶500，平面控制網(wǎng)的精度要滿足比例尺測(cè)圖的要求，平面控制網(wǎng)最弱點(diǎn)的點(diǎn)位中誤差不得超過圖上±0.1 mm，即實(shí)地±5 cm，這一數(shù)值可作為平面控制網(wǎng)精度設(shè)計(jì)的依據(jù)。高程控制網(wǎng)最弱點(diǎn)的高程中誤差不得大于1/10等高距，等高距按0.5 m計(jì)算，即50 mm，這一數(shù)值可作為高程控制網(wǎng)的精度設(shè)計(jì)依據(jù)。

D級(jí)和E級(jí)GPS網(wǎng)相鄰點(diǎn)基線分量中誤差均為20 mm，相鄰點(diǎn)間平均距離分別為5 km和3 km，精度均滿足要求，通過經(jīng)濟(jì)性等比較，選定D級(jí)作為項(xiàng)目的平面控制網(wǎng)精度等級(jí)。

高程控制受附合導(dǎo)線距離的限制，選定為三等。

4.3 GPS平面控制網(wǎng)設(shè)計(jì)

平面控制測(cè)量共布設(shè)6個(gè)點(diǎn)，如圖1所示，控制點(diǎn)分別為點(diǎn)LS、點(diǎn)TH3、點(diǎn)HJ4和點(diǎn)TT1到點(diǎn)TT6。共分兩組進(jìn)行靜態(tài)觀測(cè)，每一組為L(zhǎng)S、TH3、遼本6、遼本11、TT1、TT5，第二組為TT1，TT5，TT2，TT3，TT4，HJ4。TT1～TT5作為重復(fù)邊，兩組以邊連接組成控制網(wǎng)。

圖1 湯河水庫GPS控制網(wǎng)圖

高程控制測(cè)量Ⅲ等水準(zhǔn)約100 km，布設(shè)型式如圖2所示。

4.3.1 GPS網(wǎng)觀測(cè)時(shí)的基本要求

1）最少觀測(cè)衛(wèi)星數(shù)4顆；

2）采樣間隔30 s；

3）觀測(cè)模式：靜態(tài)觀測(cè)；

4）觀測(cè)衛(wèi)星截止高度角：10°；

5）坐標(biāo)和時(shí)間系統(tǒng)：WGS-84，UTC；

圖2 湯河水庫水準(zhǔn)線路圖

6）觀測(cè)時(shí)段及時(shí)長(zhǎng)：時(shí)段數(shù)大于等于1.6個(gè)時(shí)段，每個(gè)時(shí)段長(zhǎng)度大于等于1 h；

7）觀測(cè)設(shè)備：雙頻大地型GPS接收機(jī)；

8）觀測(cè)方案：采用同步環(huán)邊連接GPS靜態(tài)相對(duì)定位觀測(cè)模式，6臺(tái)儀器進(jìn)行觀測(cè)。

4.3.2 數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查及網(wǎng)平差

觀測(cè)結(jié)束后，采用專業(yè)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查，檢查的內(nèi)容包括：

1）觀測(cè)衛(wèi)星總數(shù)；

2）數(shù)據(jù)可利用率不小于80%；

3）L1、L2頻率的多路徑效應(yīng)影響MP1，MP2小于0.5 m。

4）GPS接收機(jī)釧的日頻穩(wěn)定性不低于10-8。

經(jīng)基線向量提取、三維無約束平差、約束平差后進(jìn)行質(zhì)量分析，精度符合規(guī)范要求。并計(jì)算出1980西安坐標(biāo)系、WGS84坐標(biāo)系、2000國(guó)家大地坐標(biāo)系共3套坐標(biāo)。

4.4 高程控制設(shè)計(jì)

布設(shè)1條三等水準(zhǔn)附合路線，以國(guó)家水準(zhǔn)點(diǎn)I等遼本6、I等遼本10作為起算點(diǎn)，聯(lián)測(cè)所有埋石點(diǎn)，路線總長(zhǎng)約100 km，經(jīng)平差計(jì)算，達(dá)到限差要求，過程在此不多述。具體水準(zhǔn)線路，見圖2。

5 三維七參數(shù)轉(zhuǎn)換

由于水庫流域社會(huì)經(jīng)濟(jì)調(diào)查范圍廣、分散，多采用RTK進(jìn)行外業(yè)數(shù)據(jù)的采集，而RTK采集的高程為大地高H，我國(guó)采用的高程系統(tǒng)為正常高系統(tǒng)h（1985黃海高程系統(tǒng)），兩系統(tǒng)間存在高程異常（ξ=H-h）。為了滿足后期測(cè)繪工作的需要，對(duì)測(cè)區(qū)進(jìn)行了三維七參數(shù)的求定工作，將RTK的實(shí)測(cè)高程轉(zhuǎn)化為正常高系統(tǒng)，為外業(yè)實(shí)地?cái)?shù)據(jù)采集創(chuàng)造有利條件。

目前使用最廣的三維七參數(shù)轉(zhuǎn)換模型為布爾沙(Bursa)模型，該模型為三維模型，在空間直角坐標(biāo)中，兩坐標(biāo)系之間存在嚴(yán)密的轉(zhuǎn)換模型，不存在模型誤差和投影變形誤差，適合于任何區(qū)域的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的步驟：

1）收集、整理轉(zhuǎn)換區(qū)域內(nèi)重合點(diǎn)成果（三維坐標(biāo)）；

2）分析、選取用于計(jì)算坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)的重合點(diǎn)；

3）確定坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)的計(jì)算方法與坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模型；

4）兩坐標(biāo)系下重合點(diǎn)坐標(biāo)形式的轉(zhuǎn)換；

5）根據(jù)確定的轉(zhuǎn)換方法與轉(zhuǎn)換模型計(jì)算坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)。

6 結(jié) 語

對(duì)于水庫流域的控制測(cè)量應(yīng)根據(jù)經(jīng)濟(jì)性、實(shí)用性等選擇最優(yōu)的測(cè)量方案，其平面控制測(cè)量和高程控制測(cè)量等級(jí)應(yīng)根據(jù)流域大小合理選擇，控制網(wǎng)應(yīng)按其精度要求等合理布設(shè)。本文通過湯河水庫控制網(wǎng)測(cè)量工程給出了水庫流域控制測(cè)量的方案選擇方法以及控制網(wǎng)布設(shè)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，有利于同類測(cè)量工程的借鑒應(yīng)用。

［1］張正祿.工程測(cè)量學(xué)［M］.武漢：武漢大學(xué)出版社，2005.

［2］孔祥元，郭際明，劉宗泉．大地測(cè)量學(xué)基礎(chǔ)［M］．武漢：武漢大學(xué)出版社，2005.

［3］孫磊.現(xiàn)代測(cè)繪技術(shù)在南水北調(diào)東線濟(jì)平干渠工程中的應(yīng)用研究［D］.山東大學(xué)，2009.

［4］劉宏，楊波，戴超.GPS技術(shù)在圍海造地工程控制測(cè)量中的應(yīng)用［A］.地理信息與物聯(lián)網(wǎng)論壇暨江蘇省測(cè)繪學(xué)會(huì)2010年學(xué)術(shù)年會(huì)論文集［C］.2010.

［5］SL 197—2013，水利水電工程測(cè)量規(guī)范［S］.

［6］遼寧省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院.遼寧省湯河水庫控制網(wǎng)測(cè)量技術(shù)報(bào)告［R］.2014.

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2016-07-22