李秉乾,邸國輝,褚成鳳,郭際明,萬年鋒
(1.湖北省水利水電規(guī)劃勘測設(shè)計院,湖北 武漢 430064;2.武漢大學(xué)測繪學(xué)院,湖北 武漢 430079)
鄂北地區(qū)水資源配置工程是為解決鄂北地區(qū)干旱缺水問題的一項大型水資源配置工程,由于工程建設(shè)周期較長,施工區(qū)域條件復(fù)雜,GNSS 控制網(wǎng)容易發(fā)生點位移動,需要定期復(fù)測控制點,以判斷其是否穩(wěn)定。
常用的控制點單點穩(wěn)定性分析方法有坐標(biāo)較差法、距離較差法、統(tǒng)計檢驗法、變形誤差橢圓法[1]。在已有的方法中,沒有考慮同一個控制點坐標(biāo)分量的協(xié)方差以及不同控制點之間的協(xié)方差[2-7]。本文在三維無約束平差的基礎(chǔ)上,顧及控制點坐標(biāo)分量間方差和協(xié)方差進行分析計算,進而對控制點進行穩(wěn)定性分析。
GNSS 網(wǎng)的約束平差中所采用的觀測量為GNSS基線向量,同時引入了會使GNSS 網(wǎng)的尺度和方位發(fā)生變化的外部起算數(shù)據(jù)。引入邊長、方向或兩個及兩個以上的起算點坐標(biāo),可能會使GNSS 控制網(wǎng)的尺度或方位發(fā)生變化。GNSS 網(wǎng)的約束平差常被用于實現(xiàn)GNSS 控制網(wǎng)由基線解算時所用的特定參考系的轉(zhuǎn)換。
固定一點一方向平差,即在二維投影面上,引入一個起算點的坐標(biāo)和一條基線的方位角,進行約束平差。采用兩期觀測的同名基線求差,根據(jù)相對中誤差最小準則,確定平差基準。GNSS 三維基線向量在WGS-84 坐標(biāo)系下經(jīng)三維無約束平差后,將GNSS 點的三維坐標(biāo)投影到工程橢球所對應(yīng)高斯平面上。設(shè)地面固定點在獨立坐標(biāo)系下的平面坐標(biāo)為(x0′ ,y0′),此點對應(yīng)高斯投影后的平面坐標(biāo)為(x0,y0),特定方向方位角為α0′1,其對應(yīng)由高斯投影后平面坐標(biāo)反算的方位角為α01,那么各GNSS 點在獨立坐標(biāo)系下的平面坐標(biāo)為:
式中,xi′、yi′為GNSS 點在獨立坐標(biāo)系中的平面坐標(biāo);xi、yi為三維無約束平差后轉(zhuǎn)換得到的工程橢球所對應(yīng)高斯平面直角坐標(biāo)。上式即為工程GNSS 網(wǎng)固定一點一方向平差的函數(shù)模型。
由協(xié)方差傳播定律可知,將WGS84 空間直角坐標(biāo)系下的GNSS 三維基線向量協(xié)方差陣的隨機信息傳遞到工程獨立平面坐標(biāo)系的過程如下:
1)經(jīng)三維無約束平差后,將GNSS 三維基線向量的協(xié)方差矩陣DΔXΔYΔZ轉(zhuǎn)化為大地坐標(biāo)的協(xié)方差矩陣DBLH;
2)經(jīng)高斯正算得到各GNSS 點在工程橢球所對應(yīng)的高斯平面坐標(biāo),大地坐標(biāo)的協(xié)方差矩陣DBLH也轉(zhuǎn)化為高斯平面坐標(biāo)的協(xié)方差矩陣Dxy;
3)高斯平面坐標(biāo)向工程獨立坐標(biāo)轉(zhuǎn)換,得到工程獨立坐標(biāo)系下坐標(biāo)的協(xié)方差矩陣Dxy′ ;
4)工程獨立坐標(biāo)系下,坐標(biāo)的協(xié)方差矩陣Dxy′ 轉(zhuǎn)換為獨立坐標(biāo)系下二維基線向量的協(xié)方差矩陣DΔ′xΔy。
綜上,獨立平面坐標(biāo)系下二維基線向量的協(xié)方差的獲得過程即為:DΔXΔYΔZ→ DBLH→ Dxy→ Dx′y→ DΔ′xΔy,則有:
式中,Ra、RG、R 分別為大地坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、高斯投影、平面坐標(biāo)轉(zhuǎn)換對應(yīng)的參數(shù)矩陣。在獨立坐標(biāo)系下,GNSS 二維基線向量參與最小二乘平差,其隨機模型DΔxΔ′y′也同時按照協(xié)方差傳播定律來進行變換,并由此可對GNSS網(wǎng)一點一方向平差結(jié)果的精度進行評定。
對于某一平差網(wǎng)中的2 個控制點A、B,假設(shè)A點是穩(wěn)定點,B 點為待定點,兩期邊長觀測值之差:,ΔSAB的中誤差為:實際測量中常以儀器標(biāo)稱精度mD為中誤差,即:mD=a+b×S,其中a 為固定誤差,b 為比例誤差,S為基線長度。
該方法適用于控制點單點穩(wěn)定性分析。
對于某一平差網(wǎng)中的2 個控制點A、B,其坐標(biāo)分別為(XA,YA)和(XB,YB),這2 個控制點之間的方差協(xié)方差矩陣為:
此處控制點的協(xié)方差矩陣由COSAGPS 定制版軟件輸出,具體實現(xiàn)如下:
用戶自定義輸入點對信息文件:
文件名稱:項目名.GNSS2dPointPairInFile1
文件結(jié)構(gòu):每行輸入一對點,以空格分隔。
進行固定一點一方向平差,得到輸入點對應(yīng)的兩個點的坐標(biāo)的方差-協(xié)方差輸出結(jié)果文件:
文件名稱:項目名.GNSS2dPointPairCovOutFile1
文件結(jié)構(gòu):一對點的名稱占一行,后續(xù)4 行是這2 點對應(yīng)的4×4 的方差協(xié)方差矩陣(單位:mm)。
控制點A、B 之間的距離如下:
對函數(shù)式求全微分得:
將微分關(guān)系式寫成矩陣形式:dSAB=KdL
其中,
應(yīng)用協(xié)方差傳播律,即可求得:
當(dāng)A 為固定一點一方向平差中的固定點時,與A 相關(guān)的方差協(xié)方差均為零,此時上式可化簡為:
式中,σXYBB為控制點B 的X、Y 坐標(biāo)分量之間的協(xié)方差。
對于GNSS 控制網(wǎng)中的兩個同名控制點A、B,其第一期觀測平差后坐標(biāo)為和,這2 個控制點之間的方差協(xié)方差矩陣為:
因此有第一期觀測得到的AB 邊的方差:
式中,
第二期觀測得到AB 邊的方差:
式中,
兩期觀測的邊長觀測值之差:
鄂北地區(qū)水資源配置工程的某段帶狀控制網(wǎng),長度約16 km,建網(wǎng)于2015 年12 月間觀測了67 個控制點;2016 年復(fù)測了65 個控制點,其中58 個控制點是建網(wǎng)時觀測的控制點,7 個控制點為新增觀測點。
對于控制點在平面方向上的穩(wěn)定性,此處利用整個廣水段的58 個同名控制點進行研究。采用兩期觀測的同名基線求差,根據(jù)相對中誤差最小準則,以3 550 點作為固定點,基線3 550-129 的方向作為固定方向,對GNSS 衛(wèi)星觀測的基線數(shù)據(jù)進行固定一點一方向平差,得到2016 年觀測控制點的坐標(biāo)和2015 年建網(wǎng)觀測坐標(biāo)。
計算兩期基線之差,分別采用同時顧及方差和協(xié)方差的全協(xié)方差陣法、只考慮方差的距離較差法和經(jīng)典的距離較差法對控制點的點位位移作穩(wěn)定性分析,經(jīng)典的距離較差法的基線中誤差為5 mm+1 ppm,不同距離較差法的△S 中誤差見圖1,距離較差法的穩(wěn)定性分析結(jié)果見表1。
圖1 不同距離較差法的△S 中誤差分布圖
表1 距離較差法的穩(wěn)定性分析結(jié)果
基于全協(xié)方差新方法和不考慮協(xié)方差的方法計算得到的△S 中誤差相差不多,不穩(wěn)定點均為2 383、131、134 和3 556。用經(jīng)典的距離較差法與基于全協(xié)方差新方法得到的△S 中誤差相差90%,不穩(wěn)定點僅有3 556。
本文對鄂北地區(qū)水資源配置工程的某段帶狀控制網(wǎng)兩期觀測的GNSS 數(shù)據(jù)進行解算,并利用COSAGPS軟件進行固定一點一方向平差,根據(jù)兩期平差結(jié)果對同名控制點的穩(wěn)定性進行分析,結(jié)果表明控制網(wǎng)中控制點2383、131、134 和3556 不穩(wěn)定,其他點穩(wěn)定。
針對基于協(xié)方差陣、不考慮協(xié)方差的距離較差法與經(jīng)典方法對比,發(fā)現(xiàn)前2 種方法得到的中誤差、限差相差不大,但均明顯小于經(jīng)典方法,基于全協(xié)方差陣的距離較差法可以減小將不穩(wěn)定點誤判為穩(wěn)定點的可能性。