陳楓

(珠海市測(cè)繪院，廣東 珠海 519015)

雞啼門(mén)特大橋GPS跨河水準(zhǔn)測(cè)量應(yīng)用實(shí)踐及結(jié)果分析

陳楓*

(珠海市測(cè)繪院，廣東 珠海 519015)

相比于傳統(tǒng)的跨河水準(zhǔn)測(cè)量，GPS水準(zhǔn)測(cè)量為跨河水準(zhǔn)測(cè)量提供了新的途徑。本文以雞啼門(mén)特大橋跨河水準(zhǔn)測(cè)量應(yīng)用為例，介紹了GPS跨河水準(zhǔn)測(cè)量方法原理，闡述了方法實(shí)施步驟包括高程控制網(wǎng)點(diǎn)布設(shè)、GPS測(cè)量與數(shù)據(jù)處理、同岸水準(zhǔn)測(cè)量與數(shù)據(jù)處理、跨河段正常高差計(jì)算。利用珠海市海陸統(tǒng)一似大地水準(zhǔn)面精化成果對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了比對(duì)分析，計(jì)算得出跨河段正常高差較差為 3.9 mm，計(jì)算結(jié)果滿足規(guī)范要求。

GPS跨河水準(zhǔn)測(cè)量方法；高程異常變化率；似大地水準(zhǔn)面精化方法；跨河段正常高差；結(jié)果分析

1 引 言

雞啼門(mén)特大橋位于廣東省珠海市斗門(mén)區(qū)，跨越雞啼門(mén)水道(黃楊河)。該橋設(shè)計(jì)橋?qū)挒?38 m，設(shè)置雙向6車道，橋梁主橋長(zhǎng) 1 210 m，引橋長(zhǎng) 368 m，接線道路長(zhǎng) 2 272 m。為了確保工程施工的質(zhì)量和橋梁合龍的要求，在大橋兩岸建立統(tǒng)一的三等高程控制網(wǎng)。由于河兩岸無(wú)保存完好可供起算的國(guó)家一、二等水準(zhǔn)點(diǎn)，現(xiàn)采用跨河水準(zhǔn)測(cè)量方法以獲取兩岸的高差，完成兩岸統(tǒng)一高程控制網(wǎng)的建立。傳統(tǒng)的幾何光學(xué)跨河水準(zhǔn)測(cè)量方法受點(diǎn)位條件和天氣氣候影響顯著，且觀測(cè)時(shí)間長(zhǎng)、作業(yè)強(qiáng)度大。GPS跨河水準(zhǔn)測(cè)量方法具有高精度的三維定位功能，無(wú)跨河點(diǎn)間通視要求，操作簡(jiǎn)單且全天候作業(yè)。為此，本文采用GPS跨河水準(zhǔn)測(cè)量方法實(shí)施，并將跨河段正常高差計(jì)算結(jié)果與珠海市海陸統(tǒng)一似大地水準(zhǔn)面精化成果進(jìn)行比對(duì)分析。

2 GPS跨河水準(zhǔn)測(cè)量方法

我國(guó)的高程系統(tǒng)是以似大地水準(zhǔn)面為起算面的正常高程系統(tǒng)，其高程為正常高(h)；GPS測(cè)得的高程是在WGS-84坐標(biāo)系下的以WGS-84橢球?yàn)槠鹚忝娴拇蟮馗?H)；似大地水準(zhǔn)面與參考橢球面的垂直距離稱為高程異常(ε)(如圖1所示)。則有高程異常計(jì)算公式：ε=H-h。

考慮到本工程兩岸地勢(shì)平坦，地形起伏較小，最大高差約為 3 m情況，采用了如下的計(jì)算方法：通過(guò)GPS觀測(cè)方法獲得各點(diǎn)間的大地高差，用幾何水準(zhǔn)測(cè)量方法獲同岸控制點(diǎn)間正常高差，由高程異常計(jì)算公式及點(diǎn)間GPS測(cè)得平距計(jì)算出非跨河點(diǎn)與同岸跨河點(diǎn)的高程異常變化率。利用GPS高程擬合模型求解跨河點(diǎn)間的高程異常差，進(jìn)而求跨河段正常高差，完成高程傳遞。具體計(jì)算如下：

圖1 參考橢球面與似大地水準(zhǔn)面示意圖

αAB=(△HGAB-△HγAB)/SAB

(1)

式中：αAB——AB方向的高程異常變化率(m/)；

SAB——A、B點(diǎn)間的平距()；

△HGAB——A、B點(diǎn)間的大地高差(m)；

△HγAB——A、B點(diǎn)間的正常高差(m)。

(2)

△Hγ=△HG-△ε

(3)

S——跨河點(diǎn)間的平距()；

△ε——跨河點(diǎn)間高程異常差(m)；

△HG——跨河點(diǎn)間的大地高差(m)；

△Hγ——跨河點(diǎn)間的正常高差(m)。

由式(2)、式(3)計(jì)算即可求得跨河點(diǎn)間的正常高差。

3 跨河段正常高差計(jì)算

3.1 高程控制網(wǎng)點(diǎn)布設(shè)

經(jīng)實(shí)地踏勘，測(cè)區(qū)周邊無(wú)保存完好的國(guó)家一、二等水準(zhǔn)點(diǎn)。在測(cè)區(qū)范圍內(nèi)的2013年珠海市陸海統(tǒng)一似大地水準(zhǔn)面精化項(xiàng)目所做二等水準(zhǔn)點(diǎn)320034經(jīng)檢測(cè)完好，選為本次的起算依據(jù)。依據(jù)《國(guó)家一、二等水準(zhǔn)測(cè)量規(guī)范》并考慮測(cè)區(qū)地形條件，高程控制網(wǎng)點(diǎn)布設(shè)如圖2所示。JTM01、JTM04為跨河點(diǎn)。其中，非跨河點(diǎn)JTM02、JTM03、JTM05、JTM06偏離跨河方向軸線的垂直距離最大值為 56 m，各段垂直距離最大互差值為 7 m，滿足規(guī)范要求。

圖2 GPS跨河水準(zhǔn)點(diǎn)位示意圖

3.2 GPS測(cè)量與數(shù)據(jù)處理

GPS測(cè)量獲取點(diǎn)間的大地高差和距離。GPS測(cè)量采用4臺(tái)雙頻天寶同型號(hào)GPS接收機(jī)按規(guī)范進(jìn)行觀測(cè)，技術(shù)要求如表1所示。JTM01和JTM04兩跨河點(diǎn)為重復(fù)觀測(cè)點(diǎn)，每個(gè)同步環(huán)觀測(cè)4個(gè)時(shí)段，每個(gè)時(shí)段記錄時(shí)間為 120 min，儀高測(cè)量分別在記錄開(kāi)始時(shí)測(cè)量并記錄3次，測(cè)段結(jié)束前再測(cè)量3次，測(cè)前測(cè)后兩次儀高互差不大于 1 mm。數(shù)據(jù)采集過(guò)程中為了減小電磁波對(duì)衛(wèi)星信號(hào)的干擾，在接收機(jī)天線 10 m內(nèi)規(guī)定了不使用手機(jī)上網(wǎng)或通話和不使用對(duì)講機(jī)。

GPS觀測(cè)數(shù)據(jù)內(nèi)業(yè)處理使用中海達(dá)GPS數(shù)據(jù)處理軟件HGO數(shù)據(jù)處理(V1.0.12)進(jìn)行基線解算。以跨河點(diǎn)JTM01為起算點(diǎn)進(jìn)行三維無(wú)約束平差。平差后，最弱基線(JTM05→JTM06)相對(duì)精度 1∶25 917，最大點(diǎn)位中誤差 3.4 mm，大地高最大中誤差 2.9 mm，跨河段(JTM01→JTM04)大地高差為 -0.783 4 m，平距 1.442 km，測(cè)量精度符合要求。

GPS跨河水準(zhǔn)技術(shù)要求 表1

3.3 同岸水準(zhǔn)測(cè)量與數(shù)據(jù)處理

同岸水準(zhǔn)測(cè)量使用在檢定有效期內(nèi)的徠卡DSZ1型電子水準(zhǔn)儀。每天測(cè)前進(jìn)行i角檢校，尺臺(tái)質(zhì)量為 1 kg(觀測(cè)路線均為硬化路面)，采用中絲讀數(shù)法，視距長(zhǎng)度小于 75 m，按后前前后順序進(jìn)行往返觀測(cè)。水準(zhǔn)儀帶自動(dòng)存儲(chǔ)功能不需手動(dòng)記錄，外業(yè)完成后，直接導(dǎo)出觀測(cè)數(shù)據(jù)并做初步整理后即可導(dǎo)入平差軟件進(jìn)行平差計(jì)算。用三等水準(zhǔn)方法施測(cè)320034-JTM01，JTM01-JTM02-JTM03-JTM01，JTM04-JTM05-JTM06-JTM04三條閉合水準(zhǔn)路線。

三等水準(zhǔn)測(cè)量采用清華山維nasew2000平差程序進(jìn)行平差計(jì)算。平差后，線路最大閉合差 5.0 mm，最小閉合差 1.0 mm，每千米偶然中誤差 0.2 mm，測(cè)量精度符合要求。

3.4 跨河段正常高差計(jì)算

4 似大地水準(zhǔn)面精化模型與GPS水準(zhǔn)測(cè)量方法結(jié)果比較

珠海市陸海統(tǒng)一似大地水準(zhǔn)面是我國(guó)首個(gè)城市陸海統(tǒng)一的優(yōu)于 1 cm精度的似大地水準(zhǔn)面模型，是利用25個(gè)高精度全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)水準(zhǔn)資料與重力似大地水準(zhǔn)面進(jìn)行了獨(dú)立比較，其精度為 0.012 m；然后采用球冠諧方法，將重力似大地水準(zhǔn)面與25個(gè)全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)水準(zhǔn)數(shù)據(jù)聯(lián)合建立的似大地水準(zhǔn)面模型，其精度為 0.008 m；最后利用15個(gè)全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)水準(zhǔn)點(diǎn)對(duì)似大地水準(zhǔn)面模型進(jìn)行了外部檢核，精度為 0.010 m。

似大地水準(zhǔn)面高差計(jì)算 表3

計(jì)算得到似大地水準(zhǔn)面與GPS測(cè)量?jī)煞N方法求得跨河段的高差較差為 3.9 mm，小于規(guī)范要求限差 7.2 mm。通過(guò)以上比對(duì)分析可認(rèn)為，本次GPS跨河水準(zhǔn)測(cè)量成果滿足二等水準(zhǔn)要求。

5 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)本文的應(yīng)用實(shí)踐表明，對(duì)于海拔較低，水系較多，似大地水準(zhǔn)面較平滑，尤其是高等級(jí)高程起算點(diǎn)不足或沒(méi)有的地區(qū)，用GPS跨河水準(zhǔn)方法建立統(tǒng)一的跨河高程控制網(wǎng)非常高效適用。本項(xiàng)目GPS跨河水準(zhǔn)測(cè)量按二等水準(zhǔn)精度完成測(cè)量和跨河段正常高差結(jié)果計(jì)算，利用珠海市陸海統(tǒng)一似大地水準(zhǔn)面精化成果對(duì)計(jì)算結(jié)果精度檢核較差符合規(guī)范要求，測(cè)量成果滿足工程項(xiàng)目的需要。

[1] GB/T 12897-2006. 國(guó)家一、二等水準(zhǔn)測(cè)量規(guī)范[S].

[2] GB/T 12898-2009. 國(guó)家三、四等水準(zhǔn)測(cè)量規(guī)范[S].

[3] 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，2010.

[4] 伍鑫. 珠海市陸海統(tǒng)一高精度高程網(wǎng)的建設(shè)與實(shí)現(xiàn)[J]. 城市勘測(cè)，2016(3)：105～107.

[5] 熊偉，吳迪軍，李劍坤. GPS在橋梁跨河水準(zhǔn)測(cè)量中的應(yīng)用研究[J]. 測(cè)繪科學(xué)，2012，37(2)：100～102.

[6] 謝華. 高精度GPS跨河水準(zhǔn)測(cè)量法在錢(qián)江隧道高程控制網(wǎng)中的應(yīng)用[J]. 鐵道勘測(cè)，2012(3)：11～13.

[7] 李銘石，佟洞. GPS在雙山島跨河水準(zhǔn)測(cè)量中的應(yīng)用[J]. 現(xiàn)代測(cè)繪，2015，38(5)：50～52.

[8] 李世良. GPS跨河水準(zhǔn)在大橋工程中的應(yīng)用研究[J]. 地理空間信息，2009，7(2)：65～67.

Practical Application and Result Analysis of JITIMEN Gate Bridge River-crossing Leveling Utilizing GPS

Chen Feng

(Zhuhai Surveying and Mapping Institute，Zhuhai 519015，China)

Compared to the traditional river-crossing leveling，GPS provides a new method for river-crossing leveling. In this paper，river-crossing leveling of JITIMEN gate bridge is exemplary used. The principle of river-crossing leveling utilizing GPS is introduced，the implementation steps are elaborated，including： the layout of height control network，GPS data processing，leveling at the same shore，computation of the normal height difference of cross reach. A comparative analysis is carried out，the marine and terrestrial quasi geoid refinement result of Zhuhai is used as the reference. The normal height difference of the cross reachcompared to the reference is 3.9 mm，which satisfies the requirement of the specification.

GPS river-crossing leveling method；height anomaly rate；quasi geoid refinement method；normal height difference of cross reach；result analysis

1672-8262(2017)04-65-03

P228，P224.1

B

2017—02—20

陳楓(1984—)，男，工程師，注冊(cè)測(cè)繪師，主要從事城市測(cè)量工作。

國(guó)家測(cè)繪地理信息局測(cè)繪地理信息公益性行業(yè)科研專項(xiàng)項(xiàng)目(201512001)