張 進(jìn)，張榮斗

(四川中水成勘院測(cè)繪工程有限責(zé)任公司，四川 成都 610072)

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塞拉利昂塞瓦河賓康格三級(jí)水電站地形測(cè)圖控制實(shí)施技術(shù)

張 進(jìn)，張榮斗

(四川中水成勘院測(cè)繪工程有限責(zé)任公司，四川 成都 610072)

由于水電工程測(cè)量項(xiàng)目有其交通通信不便、山高坡陡、測(cè)區(qū)狹長(zhǎng)等特殊的工況條件， 再加上國(guó)外測(cè)繪與我國(guó)測(cè)量平面基準(zhǔn)、高程基準(zhǔn)均不相同，甚至沒(méi)有已知控制點(diǎn)成果。因此，如何在國(guó)外水電工程中更合理地建立地形測(cè)圖控制，較為方便、通用、可靠的提高水電測(cè)繪項(xiàng)目的質(zhì)量和效率，作者結(jié)合具體項(xiàng)目實(shí)踐對(duì)該技術(shù)進(jìn)行了探討。

WGS84坐標(biāo)系；IGS跟蹤站；EGM2008；賓康格三級(jí)水電站；

1 概 述

塞拉利昂位于西非，賓康格三級(jí)(BenkongorⅢ)電站位于塞瓦河(sewa River)上游賓康格(Benkongor)瀑布河段，距河口約255 km，工程建設(shè)地點(diǎn)屬東部省凱內(nèi)馬(Kenema)地區(qū)，距凱內(nèi)馬135 km，距首都弗里敦277 km。壩址距塞瓦河公路橋約7 km，公路只能到達(dá)工程區(qū)附近。

塞拉利昂項(xiàng)目部要求賓康格三級(jí)(BenkongorⅢ)電站需測(cè)量1∶2 000地形圖、河道縱橫斷面、鉆孔放樣等項(xiàng)目，測(cè)區(qū)長(zhǎng)度約4 km。在項(xiàng)目部?jī)H搜集到1∶50 000地形圖和1∶2 000放大地形圖，地形圖平面坐標(biāo)系統(tǒng)為WGS84系統(tǒng)，高程為塞拉利昂水準(zhǔn)面高程。為了和地形圖進(jìn)行有效的連接，必須新建一個(gè)覆蓋整個(gè)測(cè)區(qū)的地形測(cè)圖控制測(cè)量系統(tǒng)。

由于作業(yè)過(guò)程會(huì)涉及到WGS84坐標(biāo)系、IGS跟蹤站、EGM2008地球重力場(chǎng)模型等名詞。因此，下面簡(jiǎn)單的對(duì)它們進(jìn)行了介紹。

2 WGS84坐標(biāo)系、IGS跟蹤站、EGM2008地球重力場(chǎng)模型簡(jiǎn)介

WGS-84坐標(biāo)系(World Geodetic System—1984 Coordinate System)是一種國(guó)際上采用的地心坐標(biāo)系。坐標(biāo)原點(diǎn)為地球質(zhì)心，其地心空間直角坐標(biāo)系的Z軸指向BIH (國(guó)際時(shí)間服務(wù)機(jī)構(gòu))1984.0定義的協(xié)議地球極(CTP)方向，X軸指向BIH 1984.0的零子午面和CTP赤道的交點(diǎn)，Y軸與Z軸、X軸垂直構(gòu)成右手坐標(biāo)系，是在地球上建立的統(tǒng)一的地心坐標(biāo)系。

IGS是國(guó)際GNSS服務(wù)組織The International GNSS Service，簡(jiǎn)稱(chēng)IGS。IGS組織由衛(wèi)星跟蹤站、數(shù)據(jù)中心、分析處理中心等組成，它能夠在網(wǎng)上幾乎實(shí)時(shí)地提供高精度的GPS數(shù)據(jù)和其它數(shù)據(jù)產(chǎn)品，以滿(mǎn)足廣泛的科學(xué)研究及工程領(lǐng)域的需要。IGS收集、歸檔、分配足夠精度的GPS觀測(cè)數(shù)據(jù)以滿(mǎn)足一系列的試驗(yàn)及應(yīng)用需要。IGS利用這些數(shù)據(jù)形成一系列的數(shù)據(jù)產(chǎn)品，這些數(shù)據(jù)產(chǎn)品可以通過(guò)因特網(wǎng)獲得。值得一提的是，IGS產(chǎn)品的精度已經(jīng)足夠國(guó)際大地參考框架組織(ITRF)使用來(lái)對(duì)地球相關(guān)參數(shù)進(jìn)行改進(jìn)和延伸。

EGM2008地球重力場(chǎng)模型是由美國(guó)國(guó)家地理空間情報(bào)局(NGA)在2008年4月發(fā)布的最新一代全球重力場(chǎng)模型，用于描述和表示地球重力場(chǎng)的一類(lèi)基本參數(shù)的集合，包括位系數(shù)、大地水準(zhǔn)面高、垂線(xiàn)偏差、重力梯度等，是對(duì)地區(qū)重力場(chǎng)的逼近或者擬合。該模型最終成果主要包括2 159次的全球重力場(chǎng)模型；全球 5′×5′、2.5′×2.5′網(wǎng)格大地水準(zhǔn)面；全球5′×5′格網(wǎng)垂線(xiàn)偏差(ζ，η)。該模型采用了GRACE衛(wèi)星跟蹤數(shù)據(jù)(ITG-GRACE03S位系數(shù)信息以及相應(yīng)的協(xié)方差信息)、衛(wèi)星測(cè)高數(shù)據(jù)和地面重力數(shù)據(jù)等,該模型無(wú)論在精度還是在分辨率方面均取得了巨大進(jìn)步,采用該模型以及GPS/水準(zhǔn)數(shù)據(jù)有望獲得更高精度的區(qū)域似大地水準(zhǔn)面。

3 地形測(cè)圖控制實(shí)施技術(shù)的基本方法

3.1 平面控制實(shí)施技術(shù)的步驟

(1)根據(jù)測(cè)區(qū)的大小范圍在測(cè)區(qū)邊沿四周均勻的布設(shè)適當(dāng)?shù)氖准?jí)GNSS控制點(diǎn)；

(2)在整個(gè)測(cè)區(qū)內(nèi)部均勻的布設(shè)次級(jí)加密GNSS控制點(diǎn)；

(3)確定測(cè)區(qū)中央子午線(xiàn)(取測(cè)區(qū)平均值)，確定測(cè)區(qū)邊長(zhǎng)歸化面(取測(cè)區(qū)平均高程值)；

(4)應(yīng)用多臺(tái)GNSS接收機(jī)同步聯(lián)測(cè)首級(jí)GNSS控制點(diǎn)，從網(wǎng)上下載同步時(shí)段的IGS跟蹤站數(shù)據(jù)與首級(jí)GNSS控制點(diǎn)聯(lián)合解算，求取WGS-84坐標(biāo)成果；

(5)應(yīng)用多臺(tái)GNSS接收機(jī)聯(lián)測(cè)次級(jí)加密GNSS控制點(diǎn)，同時(shí)聯(lián)測(cè)適當(dāng)?shù)氖准?jí)GNSS控制點(diǎn)，采用首級(jí)GNSS控制點(diǎn)成果進(jìn)行三維約束平差，求取加密GNSS點(diǎn)WGS-84坐標(biāo)成果；

(6)根據(jù)需要加密導(dǎo)線(xiàn)測(cè)量。

3.2 高程控制實(shí)施技術(shù)的步驟

(1)根據(jù)GNSS解算出來(lái)的WGS84經(jīng)緯度通過(guò)EGM2008地球重力場(chǎng)模型算出各點(diǎn)高程異常值；

(2)通過(guò)GNSS解算出來(lái)的橢球高與各點(diǎn)的高程異常值計(jì)算出EGM2008地球重力場(chǎng)正常高。

EGM2008地球重力場(chǎng)模型計(jì)算正常高公式如下：

h為大地高；HEGM2008為EGM2008似大地水準(zhǔn)面高程；ζ為EGM2008似大地水準(zhǔn)面高程異常。

由此可知正常高與大地高的轉(zhuǎn)換公式為：HEGM2008=h-ζ。

4 地形測(cè)圖控制實(shí)施技術(shù)過(guò)程

4.1 地形測(cè)圖控制實(shí)施技術(shù)的實(shí)施過(guò)程

賓康格三級(jí)水電站測(cè)區(qū)沒(méi)有提供控制資料，以現(xiàn)場(chǎng)踏勘的實(shí)際情況布設(shè)了4個(gè)二等GNSS點(diǎn)，連續(xù)觀測(cè)8小時(shí)，然后用獲取的數(shù)據(jù)與IGS跟蹤站同時(shí)間段的數(shù)據(jù)進(jìn)行聯(lián)合解算，作為平面、高程首級(jí)控制。平面坐標(biāo)系統(tǒng)為WGS84坐標(biāo)系，高斯投影，投影中央子午線(xiàn)西經(jīng)11°17′，控制點(diǎn)分布見(jiàn)圖1、2。

圖1 GNSS網(wǎng)形圖 圖2 控制點(diǎn)在Google Earth上(斜線(xiàn)區(qū)域?yàn)闇y(cè)區(qū)范圍)

通過(guò)在網(wǎng)絡(luò)上下載IGS跟蹤站同步數(shù)據(jù)與二等GNSS觀測(cè)數(shù)據(jù)聯(lián)合解算得二等控制點(diǎn)成果，見(jiàn)表1。

根據(jù)測(cè)區(qū)地形起伏情況，取測(cè)區(qū)平均高程值把控制成果邊長(zhǎng)歸化到正常高240.000 m高程面上(投影面大地高為272.050 m)，投影中央子午線(xiàn)取測(cè)區(qū)平均中央子午線(xiàn)為西經(jīng)11°17′，經(jīng)計(jì)算GNSS點(diǎn)WGS84投影成果見(jiàn)表2。

表1 賓康格三級(jí)水電站二等GNSS點(diǎn)地心坐標(biāo)、大地坐標(biāo)成果

表2 GNSS點(diǎn)11°17′中央子午線(xiàn)、投影面240 m大地高高斯投影成果

用GNSS點(diǎn)的經(jīng)緯度數(shù)據(jù)，按EGM2008地球重力場(chǎng)模型解算出各點(diǎn)的高程異常，根據(jù)公式正常高=大地高-高程異常，求出各點(diǎn)的EGM2008正常高。經(jīng)計(jì)算GNSS點(diǎn)EGM2008正常高的WGS84投影成果見(jiàn)表3。

表3 賓康格三級(jí)水電站二等GNSS點(diǎn)成果

由于測(cè)區(qū)范圍較小未進(jìn)行次等級(jí)加密網(wǎng)布設(shè)，為了方便補(bǔ)測(cè)地形圖和河道縱橫斷面、鉆孔放樣等項(xiàng)目，在GNSS點(diǎn)組之間布設(shè)了附合五等導(dǎo)線(xiàn)和四等三角高程，在此不再贅述。

4.2 地形測(cè)圖控制實(shí)施技術(shù)測(cè)量數(shù)據(jù)檢核

二等GNSS控制采用引入IGS跟蹤站數(shù)據(jù)進(jìn)行檢核，同時(shí)通過(guò)GNSS邊長(zhǎng)與全站儀紅外邊長(zhǎng)作比較進(jìn)行檢核。檢核數(shù)據(jù)見(jiàn)表4、5。

表4 二等GNSS點(diǎn)地心坐標(biāo)精度

表5 GNSS邊長(zhǎng)與全站儀紅外邊長(zhǎng)比較

從表4得到IGS跟蹤站RABT的點(diǎn)位中誤差為1.77 cm，此精度完全滿(mǎn)足《水利水電工程測(cè)量規(guī)范》(SL 197-97)中表2.1.1基本平面控制最弱相鄰點(diǎn)點(diǎn)位允許中誤差不大于±10 cm(按1∶2 000比例尺)的要求。

從表5中GNSS邊長(zhǎng)與全站儀紅外邊長(zhǎng)較差可知，地面實(shí)測(cè)的全站儀邊長(zhǎng)與GNSS邊長(zhǎng)較吻合，說(shuō)明觀測(cè)成果正確、可靠。

5 結(jié) 語(yǔ)

從塞拉利昂塞瓦河賓康格三級(jí)水電站地形測(cè)圖控制實(shí)施技術(shù)的實(shí)施過(guò)程來(lái)看，實(shí)施過(guò)程需要注意以下幾點(diǎn)：

(1)當(dāng)測(cè)區(qū)沒(méi)有已知控制點(diǎn)時(shí)，平面坐標(biāo)系統(tǒng)可采用WGS84高斯投影坐標(biāo)，高程系統(tǒng)可采用EGM2008地球重力場(chǎng)正常高系統(tǒng)。

(2)當(dāng)測(cè)區(qū)提供了相應(yīng)的地形圖時(shí)，應(yīng)通過(guò)EGM2008地球重力場(chǎng)正常高系統(tǒng)與地形圖高程系統(tǒng)建立連接關(guān)系，從而轉(zhuǎn)換到用戶(hù)高程系統(tǒng)上。

(3)在控制測(cè)量施測(cè)整個(gè)過(guò)程中，應(yīng)建立相應(yīng)的數(shù)據(jù)檢核條件，做到觀測(cè)成果真實(shí)、可靠。

[1] 孔祥元,郭際明,劉宗全編著.大地測(cè)量學(xué)基礎(chǔ)[M].武漢大學(xué)出版社,2005(12).

[2] 徐紹銓,張華海,楊志強(qiáng).GPS測(cè)量原理及應(yīng)用[M].武漢：武漢大學(xué)出版社，2003.

[3] 中華人民共和國(guó)水利部.《水利水電工程測(cè)量規(guī)范》SL 197-97[S].1997(08).

2015-10-09

張進(jìn)(1972-)，男，四川成都人，高級(jí)工程師，從事工程測(cè)繪技術(shù)與管理工作。

P258

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1003-9805(2016)04-0089-03