張宇

（陜西水環(huán)境工程勘測設(shè)計研究院，陜西西安710018）

渭河下游GPS控制網(wǎng)的建立及其在淤積斷面測量中的應(yīng)用

張宇

（陜西水環(huán)境工程勘測設(shè)計研究院，陜西西安710018）

渭河下游GPS控制網(wǎng)是渭河下游重要的淤積測驗設(shè)施，近年來，渭河下游原有GPS控制點受到嚴(yán)重破壞，給渭河下游測量工作帶來了較大困難。本文結(jié)合渭河下游D級GPS控制網(wǎng)重建項目，較細(xì)致的闡述了GPS控制網(wǎng)的布設(shè)和測量方法，以及GPS控制網(wǎng)在河道淤積斷面測量中的應(yīng)用，為類似項目提供了借鑒經(jīng)驗。

GPS控制網(wǎng)，淤積測驗，GPS-RTK技術(shù)

1 概述

渭河，古稱渭水，發(fā)源于甘肅省渭源縣鳥鼠山，流經(jīng)甘肅、陜西兩省匯入黃河，是黃河最大的支流。渭河流域面積134766 km2，陜西境內(nèi)面積33784 km2。渭河下游從咸陽至潼關(guān)吊橋全長208 km，本文所建立的控制網(wǎng)正處于這一區(qū)域。

近年來，隨著渭河全線整治工程的陸續(xù)實施，渭河下游原有GPS控制點受到嚴(yán)重破壞，給淤積斷面測量及相關(guān)工作帶來嚴(yán)重的困難。

為保障渭河下游淤積斷面測量及相關(guān)工作的正常開展，陜西水環(huán)境工程勘測設(shè)計研究院于2016年對渭河下游GPS控制網(wǎng)進(jìn)行了重建，為渭河下游的淤積斷面測量帶來了便利。

本文將詳細(xì)說明渭河下游D級GPS控制網(wǎng)的建立過程，對控制網(wǎng)成果進(jìn)行分析。并介紹如何利用該控制網(wǎng)成果進(jìn)行渭河下游淤積斷面測量。

2 GPS控制網(wǎng)的建立

2.1 測區(qū)概況

工程概略位置為東經(jīng)108°45'~110°18'，北緯34°21'~34°42'，上起渭河咸陽水文站，下至潼關(guān)入黃口，涵蓋渭河淤積測驗斷面51條，涉及咸陽、西安、渭南三市。

2.2 平面系統(tǒng)與高程系統(tǒng)

本控制網(wǎng)等級為D級，分別采用了三套平面系統(tǒng)：2000國家大地坐標(biāo)系、1980西安坐標(biāo)系和三角山獨(dú)立坐標(biāo)系。

高程等級為三等，分別采用了1985國家高程基準(zhǔn)、1956黃海高程系統(tǒng)和大沽高程系統(tǒng)。

本文僅以2000國家大地坐標(biāo)系、1985國家高程基準(zhǔn)為例，說明GPS控制網(wǎng)的建立過程。

2.3 控制點布設(shè)

在每條淤積測驗斷面線附近的左右大堤臨（背）水堤肩上埋設(shè)GPS樁志1對。GPS樁志相鄰平均間距2~4 km，相鄰點最小距離不小于平均間距的1/3，最大距離不大于平均間距的3倍，且盡量保證通視[1]。斷面間距較小的測驗斷面，每兩條斷面共用1對GPS控制點。此次，共布設(shè)GPS控制標(biāo)石174個。

2.4 外業(yè)觀測

渭河下游GPS控制網(wǎng)平面測量采用天寶R8、R6和5700等6臺GPS接收機(jī)按D級精度施測，采用邊連式組網(wǎng)，連測國家高等級起算點0031（敷水）、1347（豁口）、1345（雙照鎮(zhèn)），1339（渭南）、1336（碨峪鄉(xiāng)）?？刂凭W(wǎng)示意圖詳見圖1。

圖1渭河下游GPS控制網(wǎng)示意圖

2.5 數(shù)據(jù)處理

渭河下游GPS控制網(wǎng)主要為渭河下游淤積斷面測量提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，故控制網(wǎng)相關(guān)技術(shù)規(guī)定嚴(yán)格遵守《水利水電工程測量規(guī)范》（SL197-2013）。

采用天寶TBC軟件進(jìn)行基線解算，采用科傻GPS測量數(shù)據(jù)處理通用軟件包進(jìn)行平差處理和坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。

（1）基線處理

解算前，對外業(yè)全部資料進(jìn)行檢查和驗收，重點包括成果是否符合規(guī)范要求，觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量分析是否合理等。

基線處理時，采用廣播星歷；觀測值均加入對流層延遲修正，對流層延遲修正模型中的氣象元素采用標(biāo)準(zhǔn)氣象元素；基線解算按同步觀測時段為單位進(jìn)行；采用雙差固定解。

（2）質(zhì)量檢驗

①重復(fù)基線檢核

GPS網(wǎng)基線處理結(jié)果，重復(fù)基線測量的差值ds應(yīng)滿足公式（1）、（2）的規(guī)定：

式中：σ為相應(yīng)基線長度中誤差，mm；a為相應(yīng)等級控制網(wǎng)的固定誤差，mm；b為相應(yīng)等級控制網(wǎng)的比例誤差系數(shù)，mm/km；D為平均邊長，km。

《水利水電工程測量規(guī)范》（SL197-2013）D級GPS測量控制網(wǎng)，a=10 mm，b=10 mm，取平均邊長為3 km，σ=31.6 mm，ds≤89.4 mm。

本次GPS控制網(wǎng)重復(fù)基線共141條，dsmax=22.3750 mm，dsmin=0.1625 mm，均滿足限差要求。

②環(huán)線全長閉合差

異步環(huán)各坐標(biāo)分量閉合差WX、WY、WZ及環(huán)線全長閉合差W應(yīng)滿足公式（3）的規(guī)定：

式中：n為閉合環(huán)中的邊數(shù)；W為環(huán)線全長閉合差，單位為mm。

經(jīng)計算，W≤284.4 mm。本控制網(wǎng)閉合環(huán)437個，Wmax= 133.01 mm，Wmin=0.32 mm，滿足限差要求。

2.6 網(wǎng)平差計算

①無約束平差

基線向量檢核符合要求后進(jìn)行無約束平差，并提供各觀測點在2000國家大地坐標(biāo)系中的三維坐標(biāo)、各基線向量三個坐標(biāo)差觀測值的改正數(shù)、基線長度、基線方位及相關(guān)的精度信息。

無約束平差的基線向量改正數(shù)絕對值（VΔX、VΔY、VΔZ），不應(yīng)超過相應(yīng)等級的基線長度允許中誤差的3倍。即：

經(jīng)計算，VΔX=VΔY=VΔZ≤94.8 mm。無約束平差結(jié)果，VΔXmax=3.71 mm，VΔYmax=9.64 mm，VΔZmax=5.89 mm，滿足限差要求。

無約束平差邊長相對中誤差最小為1/9305000，邊長相對中誤差最大為1/277000。

②GPS網(wǎng)約束平差

利用無約束平差后的觀測量，在2000國家大地坐標(biāo)系下進(jìn)行二維約束平差。經(jīng)過對起算點的兼容性及正確性分析，以國家級控制點0031（敷水）、1347（豁口）、1345（雙照鎮(zhèn)），1339（渭南）、1336（碨峪鄉(xiāng)）為起算數(shù)據(jù)進(jìn)行二維約束平差，獲得中央子午線為東經(jīng)111°的6°分帶19帶2000國家大地坐標(biāo)系的平面坐標(biāo)。

將6°帶2000國家大地坐標(biāo)系成果采用科傻GPS數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)軟件進(jìn)行換帶計算，可以獲得中央子午線為東經(jīng)108°的3°分帶第36帶2000國家大地坐標(biāo)系的平面坐標(biāo)成果。

約束平差中，基線向量改正數(shù)與剔除粗差后的無約束平差結(jié)果的同一基線，相應(yīng)改正數(shù)較差的絕對值（dVΔx、dVΔy），應(yīng)滿足公式（5）的要求[2]。

經(jīng)計算，dVΔx=dVΔy≤63.2 mm。約束平差結(jié)果，dVΔxmax= 2.63 mm，dVΔymax=2 mm，滿足限差要求。

約束平差邊長相對中誤差最小為1/6950000，邊長相對中誤差最大為1/207000。

3 高程控制測量

根據(jù)測區(qū)實際情況，在測區(qū)布設(shè)環(huán)線水準(zhǔn)網(wǎng)，按三等水準(zhǔn)測量要求聯(lián)測各GPS控制點。以1339、Ⅰ豁靈26基上、Ⅰ西鄭19、Ⅰ蒲渭13-1、Ⅰ永樂環(huán)19基上、1347為高程控制起算點。

本次三等水準(zhǔn)測量共施測199個測段，共863.6公里，經(jīng)統(tǒng)計測段往返測較差在1/3限差以內(nèi)的有150個測段，占總數(shù)的75.4%；較差在1/3～2/3的測段有42測段，占總數(shù)的21.1%；大于2/3的測段有7個測段，占總數(shù)的3.5%。

計算所得每公里水準(zhǔn)測量偶然中誤差M△＝±1.88 mm（小于3.0 mm），每公里水準(zhǔn)測量全中誤差MW＝±3.87 mm（小于6.0 mm），滿足《國家三、四等水準(zhǔn)測量規(guī)范》要求。

4 渭河GPS控制網(wǎng)在淤積斷面測量中的應(yīng)用

淤積斷面測量是在河道上布設(shè)的固定斷面上進(jìn)行陸地和水下地形測量。傳統(tǒng)淤積斷面測量采用全站儀測量，需要在斷面線上布設(shè)大量的斷面觀測樁，耗資較大，精度低，且觀測樁的保存也給淤積測驗單位帶來了一定的困難。

渭河下游GPS控制網(wǎng)的重建，使得GPS-RTK技術(shù)在渭河下游淤積斷面測量中的應(yīng)用成為了可能，為淤積斷面測量帶來了極大便利。

GPS-RTK測量的基本思想是：在基準(zhǔn)站上安置一臺GPS接收機(jī)，對所有可見的GPS衛(wèi)星進(jìn)行連續(xù)的跟蹤觀測，同時將觀測數(shù)據(jù)利用無線電傳輸設(shè)備實時地傳送給用戶觀測站。在用戶觀測站上利用GPS接收機(jī)在對GPS衛(wèi)星信號進(jìn)行接收觀測的同時，也通過無線電接收設(shè)備接收基準(zhǔn)站傳輸過來的觀測數(shù)據(jù)。然后根據(jù)相對定位的原理，實時地計算并顯示用戶觀測站的三維坐標(biāo)和高程。

GPS-RTK技術(shù)具有精確導(dǎo)航、放線及測量功能，可以直接將測量人員導(dǎo)航至斷面線上并測量出地形碎部點的三維坐標(biāo)和高程。通過GPS導(dǎo)航功能，可以將測船精確導(dǎo)航到斷面位置，并實時測量水面坐標(biāo)，再配合測深工具，可以精確測量出水面測量點的水深，從而得到河底高程。

使用GPS-RTK技術(shù)進(jìn)行淤積斷面測量提高了淤積測量工作效率，降低了一線測驗職工的勞動強(qiáng)度，減少了淤積斷面設(shè)施的建設(shè)量，對于淤積測量工作來說，具有良好的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。

2016年渭河下游汛后淤積測量中，基于新建的渭河下游GPS控制網(wǎng)使用GPS-RTK技術(shù)進(jìn)行了汛后淤積測量，極大的方便了測驗人員的測量工作，保證了渭河淤積測驗工作順利完成，為研究三門峽庫區(qū)河道沖淤變化提供了真實、實時的第一手資料。

5 結(jié)論及建議

（1）渭河下游D級GPS控制網(wǎng)的精度滿足規(guī)范要求，點位布設(shè)便于淤積斷面測量及沿河施工，具有較強(qiáng)的實用性。

（2）基于渭河下游GPS控制網(wǎng)成果，采用GPS-RTK方法進(jìn)行渭河淤積斷面測量，能夠極大的提高淤積測量工作效率，降低了一線測驗職工的勞動強(qiáng)度，減少淤積斷面設(shè)施的建設(shè)量，具有良好的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。

[1]SL 197－2013，水利水電工程測量規(guī)范[S].

[2]GB/T 18314－2009，全球定位系統(tǒng)（GPS）測量規(guī)范[S].

P228.4

B

1673-9000（2017）03-0092-02

2017-04-21

張宇（1984-），男，陜西渭南人，工程師，主要從事工程測量工作。