王志武

(河南省煤田地質(zhì)局一隊 河南新鄭 451100)

河南省新密煤田某詳查區(qū)平面控制測量方法

王志武

(河南省煤田地質(zhì)局一隊 河南新鄭 451100)

為了滿足大比例尺測圖和煤田地質(zhì)勘探工程測量的需要,本文討論了在煤田地質(zhì)詳查區(qū)建立控制點的精度要求,根據(jù)該精度要求和相關(guān)規(guī)范建立了控制網(wǎng),平差和精度評定表明GPS定位是建立煤田地質(zhì)詳查區(qū)平面控制網(wǎng)的最優(yōu)方法之一,同時指出了 GPS測量應(yīng)注意的問題,得出了有益的結(jié)論。

煤田地質(zhì) 控制測量 GPS

1 引言

某詳查區(qū)位于河南省新鄭市、長葛市和尉氏縣三個縣市的交界處,地理坐標(biāo)為東徑113°42′24″～113°52′50″,北緯34°19′04″～34°22′45″。京廣鐵路、京珠高速公路在區(qū)內(nèi)南北穿過,107國道和鄭(州)—平(頂山)—南(陽)省道在測區(qū)西部南北經(jīng)過,登杞地方鐵路在測區(qū)北部東西向擦邊而過。鄭州國際機場在測區(qū)北部約23公里處,交通十分方便,進出測區(qū)方便快捷。本區(qū)屬暖溫帶大陸性干旱性季風(fēng)氣候,年均氣溫15.7℃,凍土期為每年的12月至次年的3月份,凍結(jié)深度10～15cm,積雪最大厚度20cm。區(qū)內(nèi)有雙洎河呈南東流向穿過,總體地勢西高東低,比較平坦,平均海拔標(biāo)高110m。

本區(qū)平面控制測量的任務(wù)是完成E級 GPS點25個(其中包括5個已知點),埋設(shè)標(biāo)石16座,利用舊點 4個,控制面積 100km2;施測四等水準(zhǔn)97.6km,四等水準(zhǔn)點3個(其中埋設(shè)新點兩座,利用舊點1個),E級GPS點聯(lián)測四等水準(zhǔn)15點。

2 煤田地質(zhì)詳查對平面控制測量精度的要求

煤田地質(zhì)詳查工程的測量工作主要是進行地表工程位置的布設(shè)和測定,這些工程位置的定位放樣,其相關(guān)位置誤差和它對鄰近已知點的位置誤差,一般工程不超過±20cm,主要工程不超過±10cm。如果按一般工程±20cm考慮,則工程位置點 P1的相對點位中誤差和它對鄰近已知點 P2的相對點位中誤差為

P1或 P2的點位中誤差應(yīng)為:

如果工程位置是在最低一級基本控制點上進行,一般多采用經(jīng)緯儀或全站儀極坐標(biāo)法,將工程位置的設(shè)計坐標(biāo)放到實地,或測定地面工程位置的坐標(biāo),這樣其工程位置的總誤差,一般是由起始誤差和測量本身誤差所組成,按照誤差累積定律,則有:

式中:m控——最低一級基本控制點的點位中誤差;

m放——工程位置點的放樣中誤差(一般工程要求為±5cm,主要工程要求為±2.5cm)。

對于主要工程要求更高一些,應(yīng)按工程位置放樣點 P1,P2的相對點位允許±10cm考慮,由上述關(guān)系式同理可得:

根據(jù)以上論證和分析,勘探區(qū)的一般工程施工放樣和定線定位所需的控制精度,應(yīng)以最低一級控制點的點位中誤差不超過 ±5cm(相對誤差 1/ 20000)的精度指標(biāo)較為適合,這樣,其相鄰點間的相對點位中誤差為7.07cm.這個精度對一般勘探區(qū)各階段的測量工作都能滿足。對于重要的工程施工放樣和定線定位所需的控制精度,應(yīng)以最低一級基本控制點的點位中誤差不超過±2.5cm(相對誤差1/ 40000)的精度指標(biāo)較為適合。這樣,其相鄰點間對點位中誤差為±3.54cm。

3 已有成果、成圖資料

3.1 已有地形圖

區(qū)內(nèi)的地形圖有以下3種,均系1954年北京坐標(biāo)系和1956年黃海高程系,作為本次控制網(wǎng)設(shè)計、選點等施工使用。

(1)1971年總參測繪局出版的1/2.5萬地形圖;

(2)河南煤田地質(zhì)局制印廠1988年編繪的1/萬地形圖;

(3)河南煤田地質(zhì)局物測隊1978年航測法所成的1/5千地形圖。

3.2 已有平面控制點

(1)本區(qū)所用一、二等三角點系國家測繪總局所作,執(zhí)行規(guī)范為《一、二、三、四等三角測量細則》。

(2)三、四等三角網(wǎng)由原河南煤田地質(zhì)局大地測量組,總參大地三隊相繼于1958～1959年所作。分南、北部兩次施測,作業(yè)中分別依據(jù)原地質(zhì)部制定的規(guī)范和國家測繪總局制定的三角測量細則進行,北部三等網(wǎng)測角中誤差為±0.79″,平差后方向中誤差為0.66″,最弱邊相對誤差(未考慮起算邊)為 1/ 214500。南部三等網(wǎng)測角中誤差為±1.13″平差后為±1.52″,最弱邊相對誤差為(未考慮起始邊)為1/86000。四等點均構(gòu)成網(wǎng)或典型圖形,平差計算采用條件分組平差,進行嚴(yán)密平差,各項限差均符合規(guī)范要求。1963年原國家測繪總局一分局將該區(qū)三等觀測資料收集并參與統(tǒng)一平差,1965年出版正式成果,部分四等點經(jīng)總參測繪局重新觀測計算,于1965年一同出版。

4 作業(yè)依據(jù)與平面控制測量布網(wǎng)方案

4.1 作業(yè)依據(jù)

(1)《全球定位系統(tǒng)測量規(guī)范》,GB/T 18314-2001;

(2)《煤炭資源勘探工程測量規(guī)程》,1987;

(3)《測繪產(chǎn)品檢查驗收規(guī)定》,CH1002-95;

(4)《本測區(qū)技術(shù)設(shè)計書》。

4.2 坐標(biāo)系選擇及長度測量投影變形值估算

采用1954年北京坐標(biāo)系,三度分帶,高斯正形投影,帶號為“38”,中央子午線114°。

(1)1000m地表長度投影到參考橢球面上的變形:

上式中:測區(qū)大地水準(zhǔn)面與參考橢球面差距 hm= 39m;測區(qū)平均曲率半經(jīng)R≈6370445m;測區(qū)平均高程 H=105m。

(2)參考橢球面上1000m長度歸算到高斯平面上的變形:

△Y為測區(qū)測站點到中央子午線的垂直距離(橫坐標(biāo)自然值)。

(3)投影變形值:

依式(3)～(5)估算,測區(qū)東、西投影變形值見表1。

表1計算數(shù)據(jù)說明,本測區(qū)地表長度投影變形值符合規(guī)范規(guī)定的(±2.5cm)的要求。

表1 測區(qū)東、西投影變形值

4.3 平面控制布網(wǎng)方案

如圖1所示,根據(jù)勘探設(shè)計對控制網(wǎng)的要求,選用E級GPS控制網(wǎng)。共選定了20個GPS點,GPS控制網(wǎng)平均邊長為4.5km(勘探區(qū)內(nèi)平均邊長則為1.9km)。且每個點都有1～2個通視方向,便于常規(guī)測量觀測時利用。

圖1 平面控制布網(wǎng)方案

4.4 控制網(wǎng)選點、埋石

(1)選點

在野外進行實地選點時,均依據(jù)設(shè)計布網(wǎng)方案選定GPS點位,力求點位均勻分布。同時考慮點位的穩(wěn)固性,便于長期保存和利用。根據(jù) GPS測量的自身特點,避免對 GPS信號產(chǎn)生多路徑誤差的影響,點位周圍比較開闊,沒有大型建筑物及反射物體,同時遠離大功率無線電發(fā)射源。點名與村名一致,便于尋找,與舊點重合者,其點名不變。

(2)埋石

埋設(shè)預(yù)制混凝土普通標(biāo)石,頂面刻制“GPS、E、2005”等字樣,中心標(biāo)志用φ14×300mm鋼筋,下端制成“L”形,上端制成弧狀,中心鉆一個 φ2×5mm小孔,標(biāo)石埋置時,各層標(biāo)石的標(biāo)志中心在同一垂線上,其偏差不大于2mm進行分層夯實,使其穩(wěn)固,并及時作了登記和委托保管書。

5 控制網(wǎng)觀測實施

5.1 外業(yè)觀測技術(shù)要求

(1)使用的儀器和精度:本次使用4臺中海達GPS接收機,其中兩臺為 HD-5800N型雙頻接收機,兩臺為 HD-8200E型單頻接收機。其儀器標(biāo)稱精度均為:平面精度,±(5mm+1ppm×D);垂直精度,±(10mm+2ppm×D)。

(2)GPS外業(yè)觀測技術(shù)指標(biāo)(見表2)

表2 GPS外業(yè)觀測技術(shù)指標(biāo)

5.2 外業(yè)觀測的措施

在外業(yè)觀測中,衛(wèi)星接收很穩(wěn)定,一般能接收6～7顆衛(wèi)星信號,最少能接收6顆,最多時能收到8顆衛(wèi)星信號。

E級GPS網(wǎng)外業(yè)觀測采取由東向西邊連接方式。測前已對光學(xué)對點器進行校正,作業(yè)中精密對中,其對中誤差小于3mm。測站上天線架設(shè)高度距地表面大于0.5m,儀器高測前測后各量一次,互差不大于3mm,取中數(shù)為最終儀器高,記入記錄表中。

測區(qū)內(nèi)原有6m尋常鋼標(biāo)一座(小樓黃),櫓柱是角鋼,對信號影響不大,天線放置在標(biāo)石中心觀測。

吳崗和吳莊兩已知點,附近有樹,對其進行了修剪,減弱或消除了對GPS信號的影響。吳莊已知點已被圍在村莊內(nèi),但附近是低矮的平房,且離點較遠,都在10m以外,對GPS信號影響較小。

由于整網(wǎng)平均邊長較短,外業(yè)數(shù)據(jù)采集時間在較遠的已知點吳崗、小樓黃為120分鐘,其余點為60分鐘。

為了評估外業(yè)觀測成果質(zhì)量,確保外業(yè)成果的真實可靠,當(dāng)天的數(shù)據(jù)都進行了處理和檢核。從解算后基線質(zhì)量看,精度較好。

E級GPS網(wǎng)主要條件特征如表3所示。

w表3 控制網(wǎng)主要條件特征

6 GPS網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)差與數(shù)據(jù)檢驗

6.1 GPS網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)差

本測區(qū)施測的E級GPS網(wǎng)平均邊長4.5km,因此E級GPS網(wǎng)相鄰點間基線長度精度,即標(biāo)準(zhǔn)差為:

式中:固定誤差 a=10mm;比例誤差 b=20ppm;d為平均邊長。

6.2 GPS網(wǎng)數(shù)據(jù)檢驗

(1)同步環(huán)檢驗:由于每個時段有4臺 GPS接收機進行同步觀測,共檢驗33個同步環(huán)。對組成GPS網(wǎng)的基線向量所在的同步環(huán)進行了檢驗,坐標(biāo)增量最大閉合差(絕對值)分別為△X=0.010m;△Y=0.014m;△Z=0.013m。見附件“E級GPS控制網(wǎng)平差報告”。

規(guī)范規(guī)定三邊同步環(huán)坐標(biāo)增量閉合差為:

式中:n—閉合環(huán)邊數(shù),σ—標(biāo)準(zhǔn)差。

因為n=3,所以WX=WY=WZ=31mm,W=54mm

根據(jù)統(tǒng)計結(jié)果知,同步環(huán)閉合差都小于限差,且絕大部分在限差1/3以內(nèi),充分證明外業(yè)儀器性能穩(wěn)定,采集的數(shù)據(jù)質(zhì)量可靠。

(2)異步環(huán)檢驗:該網(wǎng)中共檢驗25個異步環(huán),異步環(huán)能較好的反映出 GPS網(wǎng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)強度。異步環(huán)坐標(biāo)增量最大閉合差之絕對值分別為 △X= 0.009m;△Y=0.016m;△Z=0.009m。

依規(guī)范的公式估算,異步環(huán)坐標(biāo)增量閉合差允許值為:

式中:n—閉合環(huán)邊數(shù),σ—標(biāo)準(zhǔn)差。

當(dāng) n分別為3、4條時,閉合差允許值分別是: 0.468m、0.540m。

根據(jù)統(tǒng)計結(jié)果知,全網(wǎng)異步環(huán)坐標(biāo)增量閉合差不超過允許值的1/3,進一步證明 GPS外業(yè)數(shù)據(jù)采集質(zhì)量是準(zhǔn)確的。

(3)重復(fù)邊觀測質(zhì)量的檢驗:為檢驗外業(yè)觀測條件和作業(yè)質(zhì)量,對網(wǎng)中重復(fù)觀測邊進行檢驗,見表4。

表4 重復(fù)邊觀測質(zhì)量的檢驗結(jié)果

7 結(jié)論

通過E級GPS網(wǎng)三維無約束平差(WGS-84系中)表明,GPS網(wǎng)內(nèi)符合精度最低為1/20萬,最弱點位中誤差為11.4mm。通過二維約束平差(54北京坐標(biāo)系)各控制點精度很高,優(yōu)于規(guī)范要求。河南省某煤田地質(zhì)詳查區(qū)平面控制測量還證明了以下結(jié)論:

采用GPS技術(shù)進行高等級控制網(wǎng)的測量具有高精度、全天候、高效率、多功能、操作簡便等優(yōu)點。

GPS技術(shù)用于煤田地質(zhì)詳查區(qū)控制測量在資金和時間上有明顯優(yōu)勢。用較短的作業(yè)時間達到了預(yù)期的目的。為保證按時完成其他測繪工程打下了堅實的基礎(chǔ)。

2009年11月18日)