王曉東,王 波,2,付培義
(1.安徽理工大學(xué) 空間信息與測(cè)繪工程學(xué)院,安徽 淮南 232001;2.南京信息工程大學(xué),江蘇 南京 210044;3.太原理工大學(xué),山西 太原 030024)
國際上如德國、法國、日本等在內(nèi)的國家對(duì)礦區(qū)投影精度要求其長度變形控制在內(nèi)。多數(shù)國家采用高斯投影按照這一投影長度變形標(biāo)準(zhǔn),沿礦區(qū)走向建立多個(gè)獨(dú)立坐標(biāo)系統(tǒng)[1-2]。各個(gè)投影帶所建立的獨(dú)立坐標(biāo)系統(tǒng)東西走向控制范圍均不超過其國家規(guī)定,如遇到高程變化較大的地區(qū)控制范圍會(huì)更小,不同的坐標(biāo)系統(tǒng)的相鄰換帶問題也很麻煩。
通過電磁波測(cè)距儀所測(cè)得兩點(diǎn)間空間直線的長度歸算到參考橢球面上,歸算為兩點(diǎn)間的大地線長度[3-5]。如圖1,經(jīng)過推導(dǎo)可得公式:
進(jìn)一步計(jì)算可簡化為:
將地球面上的大地線長度S改化為高斯投影平面上投影曲線兩端點(diǎn)間的弦長D,稱為距離改正。D與S的差異,就是距離改正數(shù)△S[6-7],公式表達(dá)為:
式中,R為測(cè)區(qū)中點(diǎn)的平均曲率半徑,ym為三角網(wǎng)邊長兩端點(diǎn)的橫坐標(biāo)平均值。對(duì)于一等邊長的歸算完全可滿足要求,對(duì)于二等邊長的歸算可略去項(xiàng),對(duì)于三四等邊長的歸算又可略去Δy2項(xiàng)。
根據(jù)上式的推導(dǎo)公式分析,地面長度歸算至高斯平面后引起的長度綜合變形為[8]:
帶入值簡化為:
由式(5)分析得出相對(duì)變形的影響因素有y與H,將長度變形的容許值設(shè)代入式(5)中得:
以H為縱坐標(biāo),y為橫坐標(biāo),式(6)繪制成如圖1。
圖1 長度變形與高程和橫坐標(biāo)的關(guān)系
圖2為沙曲煤礦地面GPS E級(jí)網(wǎng)綜合變形觀測(cè),井下平均高程Hm=432.052m。我們選擇測(cè)區(qū)地形起伏較大,且經(jīng)過了跨帶的點(diǎn)進(jìn)行選取計(jì)算,因?yàn)檫@些點(diǎn)所在的地區(qū)通常會(huì)有較大的長度變形,這樣選取可使我們的設(shè)計(jì)成果更具代表性,計(jì)算結(jié)果如表1(以下數(shù)據(jù)列表由于篇幅受限,只截取部分點(diǎn)位)所示。
圖2 沙曲煤礦礦山控制網(wǎng)略圖
由于在現(xiàn)行坐標(biāo)系下,綜合變形的區(qū)間在4cm/km~10cm/km。造成此因素原因:(1)水平距離的取值不適合當(dāng)前的測(cè)區(qū)控制。(2)礦區(qū)的高程起伏較大,不利于對(duì)其控制。所以在進(jìn)行獨(dú)立坐標(biāo)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)必須同時(shí)考慮選擇測(cè)區(qū)合適的平均高程面和中央子午線位置才能達(dá)到限制長度變形的目的。程序設(shè)計(jì)(如圖3)。
圖3 程序設(shè)計(jì)
1.5.1 綜合變形計(jì)算原理
綜合變形計(jì)算原理在本章第一節(jié)中已詳細(xì)闡述,導(dǎo)出的原理公式如(4),即:
1.5.2 軟件運(yùn)行環(huán)境與編程流程
運(yùn)行環(huán)境:Windows操作系統(tǒng)中VB6.0開發(fā)軟件。
(1)選平均高程面作投影面,通過測(cè)區(qū)中心的子午線作為中央子午線,按高斯計(jì)算平面直角坐標(biāo)系[9-10]。
如圖4所示,設(shè)地面點(diǎn)平均高程為Hm,抵償面高程至原橢球面高程為:
圖4 設(shè)計(jì)圖
圖5 抵償高程面程序框圖
式中,H、N的單位為m。最后得:
所以選擇的投影面高程為Hm=432.052m,L0=110°59′10″進(jìn)行坐標(biāo)系的設(shè)計(jì)。
由以上的設(shè)計(jì)原理可得到如表2結(jié)果。
根據(jù)列表可以看出:根據(jù)綜合變形分析,這種設(shè)計(jì)使得綜合變形的數(shù)值最低,長度變形最小。所以,我們選擇“任意投影帶”“平均高程面為投影面”來建立獨(dú)立坐標(biāo)系,如表1,表2所示。
表1 數(shù)據(jù)列表
表2 數(shù)據(jù)列表
(1)抵償高程面確定后,地面點(diǎn)在獨(dú)立坐標(biāo)系中的坐標(biāo)(xD、yD)與國家統(tǒng)一坐標(biāo)系坐標(biāo)(x、y)之間的換算關(guān)系按如下方法計(jì)算[11]:
抵償面位置確定后,選擇其中一個(gè)國家大地點(diǎn)作為“原點(diǎn)”,保持它的國家統(tǒng)一坐標(biāo)(x0、y0)不變,將其他大地點(diǎn)坐標(biāo)(x、y)換算到抵償高程面相應(yīng)坐標(biāo)系中:
(2)軟件運(yùn)行環(huán)境與編程流程。
a.軟件運(yùn)行環(huán)境:Windows系統(tǒng),VB6.0開發(fā)程序
b.編程流程:首先我們應(yīng)該確定平均高程值,之后我們要確定原點(diǎn)坐標(biāo),最后根據(jù)式(11)進(jìn)行計(jì)算。
(3)數(shù)據(jù)結(jié)果見表3。
表3 數(shù)據(jù)列表
本設(shè)計(jì)的獨(dú)立坐標(biāo)系統(tǒng)基本符合了現(xiàn)行所規(guī)定的規(guī)范,根據(jù)結(jié)果數(shù)據(jù)有效控制了綜合變形,本次設(shè)計(jì)只是將測(cè)區(qū)周邊的數(shù)據(jù)加以驗(yàn)證,沒有具體細(xì)化測(cè)區(qū)內(nèi)部的數(shù)據(jù),但并不會(huì)影響此次的設(shè)計(jì)結(jié)果。在進(jìn)行編程計(jì)算方面也并沒有展示任意投影帶的程序,所得到的數(shù)據(jù)是經(jīng)過專業(yè)軟件處理,所以可靠性方面不會(huì)有大的出入。