GPS網(wǎng)與邊角網(wǎng)的數據處理成果比較與分析論文
摘 要：本文以李家河水庫樞紐區平面施工控制網(wǎng)的建立與復測為例，敘述了平面施工控制測量建網(wǎng)采用邊角網(wǎng)、復測采用GPS網(wǎng)的不同觀(guān)測方案，通過(guò)實(shí)例對比統計分析，得出有益的建議，對類(lèi)似水電工程樞紐測量可作一定參考作用。
關(guān)鍵詞：樞紐施工控制 ，GPS與邊角網(wǎng) ， 成果比較， 分析應用
1.概況
西安市輞川河引水李家河水庫工程的主要任務(wù)是以西安市城東區城鎮供水為主，兼有發(fā)電。該工程由水庫樞紐和輸水工程兩大部分組成，水庫樞紐主要由大壩、施工導流洞、引水發(fā)電洞及電站廠(chǎng)區等組成。大壩壩型為碾壓混凝土拱壩，最大壩高98.50m；導流洞布置于左岸，導流洞長(cháng)361.5m；引水發(fā)電洞布置于左岸，為下游供水和發(fā)電引水共用，洞身長(cháng)957m，發(fā)電洞出口銜接電站廠(chǎng)區。 壩址處河谷深切呈“V”字型，河道狹窄，河床寬度僅15～30m；兩岸山坡陡峻，荊棘叢生、植被茂密、通行及通視條件較差。
該工程樞紐區施工控制網(wǎng)為2009年3月采用TCA2003按邊角網(wǎng)觀(guān)測方案建立，壩基開(kāi)挖削坡到位之后，又于2011年7月采用Trimble GPS-R8按GPS觀(guān)測方案進(jìn)行了復測。
2.施工控制網(wǎng)坐標系統和投影面的確定
大壩頂高程884.00m，最大壩高98.50m。為了解決投影變形和施工方便，同時(shí)保持與前期設計圖基準的聯(lián)系和統一，坐標系統采用掛靠在1954年北京坐標系統下的獨立坐標系統，樞紐區平面控制將邊長(cháng)投影到840m高程面。
3.邊角網(wǎng)的建立
3.1平面控制布網(wǎng)選點(diǎn)
根據樞紐區工程施工總體平面布置圖，結合實(shí)地地形先在1：2000圖面上設計，然后到施工現場(chǎng)按照施工區域的情況，會(huì )同設計、地質(zhì)人員現場(chǎng)實(shí)地選點(diǎn)。經(jīng)現場(chǎng)反復的比選，選定如右圖示的網(wǎng)形作為施工基本平面控制網(wǎng)。
首級網(wǎng)點(diǎn)編號為：Ⅲ01～Ⅲ10。其中Ⅲ01、Ⅲ02、Ⅲ05、Ⅲ06主要用于壩體施工測量；Ⅲ03、Ⅲ04、Ⅲ10主要用于導流洞和發(fā)電洞進(jìn)口施工測量；Ⅲ06、Ⅲ07用于導流洞出口施工測量； Ⅲ07、Ⅲ08、Ⅲ09主要用于引水發(fā)電洞出口及電站廠(chǎng)區施工測量。
平面控制網(wǎng)中共有20條邊，最大邊長(cháng)639.05m，最短邊長(cháng)164.07m，平均邊長(cháng)356.16m。雖然規范規定兩點(diǎn)間高度角不宜大于10°，大于10°的占到46.2%，且最大為25°51′35″。
3.2精度估算
網(wǎng)中起始點(diǎn)Ⅲ01，起始方向Ⅲ01－Ⅲ05，取測角中誤差±1.8″，測距中誤差1mm+1ppm· D（D 取350m）。在1：2000地形圖上選設網(wǎng)形，確定點(diǎn)位并量取各待定平面控制點(diǎn)的概略坐標，采用《工程測量控制網(wǎng)微機平差系統 NASEW》軟件進(jìn)行模擬計算和優(yōu)化設計。精度估算結果：最大點(diǎn)位中誤差±2.18 mm，最大點(diǎn)間中誤差±1.85 mm ，最大邊長(cháng)比例誤差1/301200；內可靠性R最大值6.2，外可靠性R′最大值4.63，可靠性分析說(shuō)明， 內外可靠性一般。由于點(diǎn)位調整困難，因此，外業(yè)觀(guān)測時(shí)提高儀器等級，增加水平角測回數，以保證精度。
3.3邊角網(wǎng)測量
(1)觀(guān)測。采用Leica TC2003全站儀，按邊角組合網(wǎng)進(jìn)行觀(guān)測。作業(yè)前將儀器工具送計量部門(mén)進(jìn)行了檢定。水平角觀(guān)測采用方向觀(guān)測法。水平角觀(guān)測測回數9個(gè)，垂直角往返各四個(gè)測回，邊長(cháng)往返測距各兩個(gè)測回，儀器鏡站兩端同時(shí)進(jìn)行氣象要素測定。測距讀數取中數，經(jīng)儀器加乘常數、氣象數據改正之后計算斜距、往（或返）測觀(guān)測高差。
�。�2）外業(yè)觀(guān)測成果驗算及數據處理。利用斜距、往返測高差中數及相應的儀器高、棱鏡高分別計算往（或返）測水平距離，往返測水平距離≤2（1mm+1ppm·D），符合規范要求之后將往返水平距離取中數，作為實(shí)測水平距離。外業(yè)觀(guān)測成果驗算如下表1。
�。�3）數據處理。外業(yè)驗算均符合規范要求后，采用《工程測量控制網(wǎng)微機平差系統 NASEW》軟件，以Ⅲ01為坐標起算點(diǎn)（Ⅲ01～Ⅲ05為起算方位），按邊角網(wǎng)進(jìn)行數據處理。
4.復測方案及數據處理
4.1復測方案
采用我院新購置的4臺Trimble GPS-R8按三等GPS及邊角組合網(wǎng)方案進(jìn)行觀(guān)測；觀(guān)測網(wǎng)見(jiàn)圖二所示。
4.2 GPS觀(guān)測
GPS控制網(wǎng)數據采集采用了4臺天寶 R8雙頻GPS 接收機，儀器精度滿(mǎn)足要求，各項性能檢定合格。外業(yè)觀(guān)測采用靜態(tài)測量方式sh雙時(shí)段觀(guān)測，全部采用邊聯(lián)接的方式構網(wǎng)，滿(mǎn)足衛星的高度角不低于15度、觀(guān)測時(shí)有效衛星的數量不少于5顆、每一時(shí)段的觀(guān)測時(shí)間不少于90分鐘和PDOP 值不大于6 等外業(yè)觀(guān)測技術(shù)要求。
4.3 邊角網(wǎng)觀(guān)測
使用Leica TCA2003全站儀按三等精度觀(guān)測。水平角采用方向法觀(guān)測6測回，天頂距觀(guān)測采用中絲法對向觀(guān)測各4測回，斜距觀(guān)測往返各2測回。測站、鏡站觀(guān)測前后各測量一次氣溫、氣壓，最小讀值分別至0.2℃、50Pa，并取中值。斜改平計算時(shí)加入氣象、加常數、乘常數改正。
4.4 GPS數據處理
4.4.1 GPS網(wǎng)基線(xiàn)向量解算采用Trimble Geomatics office軟件；平差采用GPS工程測量網(wǎng)通用平差軟件包（Cosa GPS V5.20）。
4.4.2基線(xiàn)及同步環(huán)、異步環(huán)各坐標分量閉合差等外業(yè)觀(guān)測質(zhì)量的檢核。樞紐區GPS控制網(wǎng)由41條基線(xiàn)組成，其中重復觀(guān)測基線(xiàn)17條；隧洞GPS網(wǎng)由52條基線(xiàn)組成，其中重復觀(guān)測基線(xiàn)22條。GPS網(wǎng)同步環(huán)閉合差、異步環(huán)閉合差、重復邊較差的檢驗統計。
從以上的三項檢核可知，本次觀(guān)測的所有基線(xiàn)均滿(mǎn)足三等GPS網(wǎng)外業(yè)觀(guān)測的精度要求。
4.4.3 GPS網(wǎng)平差與精度分析。在WGS-84坐標系統下對樞紐區控制網(wǎng)進(jìn)行三維無(wú)約束平差，平差后各網(wǎng)點(diǎn)的縱、橫向中誤差均較小，表明測量數據無(wú)粗差。由于多余觀(guān)測量較多，計算出的三維基線(xiàn)向量?jì)炔靠煽啃跃捣謩e達0.8和0.85，表明GPS 控制網(wǎng)具有較好的內部符合精度。
二維網(wǎng)約束平差采用了一點(diǎn)一方位的工程獨立網(wǎng)形式，并且以一條地面實(shí)測邊（投影至840米高程面）作為尺度約束，減小了由于投影而引起的誤差，使控制網(wǎng)成果更好的滿(mǎn)足施工精度要求。
從GPS網(wǎng)中的點(diǎn)位精度看，各點(diǎn)的點(diǎn)位中誤差均較小。除個(gè)別短邊外，全網(wǎng)各邊的方位角中誤差大部分小于±1.5""。邊長(cháng)的距離相對中誤差大部分小于1/20萬(wàn)，優(yōu)于規定的1/15萬(wàn)。
4.5 邊角網(wǎng)外業(yè)觀(guān)測成果驗算及數據處理
邊角網(wǎng)共觀(guān)測了3個(gè)三角形，最大三角形閉合差-1.6″，允許±7″；以GPS獨立網(wǎng)Ⅲ01、Ⅲ06為坐標起算點(diǎn)按邊角網(wǎng)進(jìn)行平差。平差后最大點(diǎn)位中誤差±2.9mm，允許±10mm；最大點(diǎn)間誤差2.90mm，允許±10mm。邊長(cháng)相對中誤差除一條短邊外，均優(yōu)于1/15萬(wàn)。
5.GPS與邊角網(wǎng)成果對比分析
5.1 GPS與邊角網(wǎng)數據處理后的坐標成果對比分析。根據2009年邊角網(wǎng)及2011年GPS網(wǎng)復測坐標，計算二者較差如下表5。
GPS與邊角網(wǎng)數據處理后的坐標成果對比計算統計表 表5
5.2 控制點(diǎn)的穩定性分析。根據兩期數據處理后的點(diǎn)位中誤差m1、m2來(lái)評定控制點(diǎn)的穩定性，控制點(diǎn)坐標的較差值△S小于2m△=2時(shí)，認為該點(diǎn)為穩定點(diǎn)，否則為不穩定點(diǎn)。
由上表可以看出，Ⅲ07、Ⅲ08點(diǎn)不穩定、明顯發(fā)生位移；經(jīng)現場(chǎng)查勘這兩點(diǎn)周邊施工過(guò)程中近距離開(kāi)挖，通過(guò)數據對比及現場(chǎng)受施工大開(kāi)挖影響而引起位移的分析是相一致的。
6.結論與建議
�。�1）該項目施工控制網(wǎng)復測采用GPS觀(guān)測方案，通過(guò)與首期觀(guān)測采用邊角網(wǎng)的結果分析及驗證，在峽谷地域的水利水電樞紐工程施工平面控制網(wǎng)采用GPS觀(guān)測方案，可以滿(mǎn)足三等控制測量的精度。
�。�2）水利水電樞紐工程施工控制網(wǎng)在基礎、邊坡開(kāi)挖等施工因素影響后，可能引起部分點(diǎn)位位移，因此，施工過(guò)程中及時(shí)復測控制網(wǎng)是十分必要的。
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