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        青島地鐵1號線高精度三維空間基準建立

        2019-01-04 00:45:18胡玉祥李勇尹相寶陳鵬孟慶年
        城市勘測 2018年6期
        關鍵詞:高精度控制點號線

        胡玉祥,李勇,尹相寶,陳鵬,孟慶年

        (1.青島市勘察測繪研究院,山東 青島 266032; 2.青島市西海岸基礎地理信息中心有限公司,山東 青島 266000)

        1 引 言

        青島地鐵1號線全長 59.9 km,海域段長度約 3.5 km,需建設海底隧道,隧道位于膠州灣灣口,連接黃島區(qū)的薛家島和青島市主城區(qū)的團島。建立高精度的三維空間基準對1號線過海段順利貫通以及與整條線路的有效銜接意義重大。

        高精度空間基準包括平面和高程兩部分,平面基準分兩級布設,即一等衛(wèi)星定位控制網(wǎng)和二等精密導線網(wǎng);高程基準按國家二等水準施測,膠州灣隧道南北側(cè)線路分別從國家一等水準點開始引測,通過已有的膠州灣隧道將黃島、青島市區(qū)的水準線路進行聯(lián)測,并對原先的高程控制點進行檢核。一等衛(wèi)星定位控制網(wǎng)最弱點點位中誤差為 4.1 mm,最弱邊相對中誤差為 1/582 000;二等精密導線網(wǎng)驗后測角中誤差為1.66″,最弱點點位中誤差為 2.3 mm,最弱邊相對中誤差為 1/139 000;高程控制網(wǎng)每千米水準測量偶然中誤差為 0.13 mm,每千米水準測量全中誤差為 1.13 mm。高精度空間基準的建立在地鐵土建施工、鋪軌、設備安裝以及運營階段都起到了不可估量的作用。

        2 平面基準的建立

        2.1 基準選取

        青島地鐵1號線工程最東端距離120°中央子午線 37.1 km,高斯投影最大變形值為:

        本工程測區(qū)平均高程異常為8.8 m,線路平均高程每千米的高程歸化值為:

        =-0.2mm

        滿足不大于5 mm/km的變形要求。

        高斯投影變形和高程歸化影響最大處位于膠州灣隧道,該處距離120°中央子午線 25.85 km,設計軌頂大地高為 -63.89 m,每千米邊長改正值為:

        滿足不大于2.5 cm/km的變形要求。

        平面基準采用中央子午線120°,3度分帶,40帶,投影面高程 0 m,1980西安坐標系參考橢球,建立青島城市坐標系下的平面控制網(wǎng)。

        2.2 一等衛(wèi)星定位控制網(wǎng)

        青島市從2006年起連續(xù)運行基準站系統(tǒng)(QDCORS),是青島市乃至山東省建立的第一個高標準、高精度、多功能的GPS綜合服務系統(tǒng),是維持青島市坐標系統(tǒng)的重要手段。QDCORS與IGS跟蹤站和青島城市坐標系最高等級的控制點均進行了統(tǒng)一聯(lián)測,各點兼容性良好,各站點既具有青島城市坐標系的坐標,又具有高精度的WGS-84坐標系的坐標,利用基準站點作為平面控制網(wǎng)的起算點,可同時提供地心坐標系和城市坐標系的起算數(shù)據(jù),還可保證各期控制網(wǎng)的起算數(shù)據(jù)的一致性和穩(wěn)定性。

        從算法角度講,GPS靜態(tài)數(shù)據(jù)處理流程分為數(shù)據(jù)傳輸、格式轉(zhuǎn)換、基線解算和網(wǎng)平差四個階段(如圖1所示)。數(shù)據(jù)傳輸主要利用配套的隨機軟件,以下主要敘述格式轉(zhuǎn)換、基線解算和網(wǎng)平差的相關知識。

        圖1 GPS靜態(tài)數(shù)據(jù)處理流程

        2.3 二等精密導線網(wǎng)

        精密導線采用導線網(wǎng)整體嚴密平差,角度閉合差和測角中誤差要符合規(guī)范要求;對于地鐵線路等長距離邊長測量,測距邊還要進行高程歸化和投影改化。

        (1)附合精密導線或精密導線環(huán)的角度閉合差:

        (1)

        (2)測角中誤差按下式計算;

        (2)

        (3)測距邊的高程歸化和投影改化

        歸化到城市軌道交通線路測區(qū)平均高程面上測距邊長度:

        (3)

        測距邊在高斯投影面上的長度,按下式計算:

        (4)

        3 高程基準的建立

        高程控制網(wǎng)采用1985國家高程基準,地鐵一等水準網(wǎng)按國家二等水準進行施測,水準網(wǎng)根據(jù)工程沿線路布設成結(jié)點網(wǎng),與交叉線路之間保證有一個以上重合點,主要檢核每千米水準測量偶然中誤差和全中誤差。

        (1)每千米水準測量偶然中誤差計算

        (5)

        (2)每千米水準測量全中誤差計算

        (6)

        4 地鐵1號線空間基準建立及分析

        青島地鐵1號線穿越黃島區(qū)、市南區(qū)、市北區(qū)、李滄區(qū)、城陽區(qū),南北跨度大,地質(zhì)情況復雜。經(jīng)過現(xiàn)場踏勘,綜合利用已有的控制資料和地形圖資料,結(jié)合QDCORS站址分布,選取7個CORS站作為起算基準,聯(lián)測城市高等級控制點3個、重合膠州灣大橋控制點1個、膠州灣隧道控制點7個、M3線控制點5個,保證起算基準的統(tǒng)一和整條線路的整體性,聯(lián)測的部分已有控制點可以作為檢核。

        考慮1號線總體規(guī)劃以及與其他線路的有效銜接,布設1號線三維空間基準如圖2所示:

        (1)骨架網(wǎng)建立

        如圖3所示,選取均勻分布的6個控制點與QDCORS站點骨架網(wǎng)進行長時間的連續(xù)觀測,骨架網(wǎng)采用GAMIT解算,下載同時期的IGS跟蹤站SP3精密星歷,結(jié)合大氣折射、對流層和電離層模型進行時域和空域變化分析。

        (2)GNSS靜態(tài)網(wǎng)建立及分析

        如表1~表3所示,一等衛(wèi)星定位控制網(wǎng)采用邊連接方式,外業(yè)觀測共39時段,平均重復設站數(shù)為2.7;最弱點點位中誤差為 4.1 mm,最弱邊相對中誤差為1/582000。

        二維平差結(jié)果參數(shù) 表1

        圖2 1號線控制網(wǎng)圖圖3骨架網(wǎng)圖

        二維約束平差最弱點點位及其精度 表2

        二維約束平差最弱邊及其精度 表3

        (3)精密導線網(wǎng)建立及分析

        如表4~表6所示,二等精密導線網(wǎng)驗后測角中誤差為1.66″,最弱點點位中誤差為 2.3 mm,最弱邊相對中誤差為 1/139 000。

        二等精密導線網(wǎng)平差總體信息 表4

        最弱點及其精度統(tǒng)計如表5所示:

        最弱邊及其精度統(tǒng)計如表6所示:

        最弱點及其精度 表5

        (4)高程控制網(wǎng)建立及分析

        高程控制網(wǎng)往返測精度統(tǒng)計如表7所示。

        高程控制網(wǎng)往返測精度統(tǒng)計表 表7

        (4)與國內(nèi)同類項目對比

        與同類項目指標對比 表8

        從表8中看出,各項指標均優(yōu)于國內(nèi)同類項目,高精度三維空間基準的建立對地鐵1號線的順利實施及后續(xù)的運營管理意義重大。

        5 結(jié) 論

        青島地鐵1號線控制基準采用連續(xù)運行衛(wèi)星基準站系統(tǒng)建立地鐵1號線高精度衛(wèi)星定位控制網(wǎng),建立高精度空間坐標參考框架,求取精確坐標參數(shù);在解算高精度GPS控制網(wǎng)中,采用世界上精度最高的Gamit基線解算軟件,并提出了分別定權(quán)分配誤差的數(shù)據(jù)處理方法,解決了Gamit與LGO解算基線精度相差1萬倍而難以保證全線基準精度統(tǒng)一的難題;穿越膠州灣公路隧道將青島、黃島控制點聯(lián)測,并起算于國家水準原點網(wǎng)等高等級控制點,確保全線高程基準統(tǒng)一。與全國同類項目相比,青島地鐵1號線高精度空間基準各項精度指標均占優(yōu),在地鐵1號線土建施工、鋪軌、設備安裝以及運營階段都起到了重要的作用。

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