李 佳

（綏中縣水利事務(wù)服務(wù)中心，遼寧 綏中 125200）

大風(fēng)口水庫位于遼寧省綏中縣狗河流域中游，距離綏中縣約35km，控制面積377km2，最大庫容為0.8×108m3，主要承擔(dān)著供水、防洪和農(nóng)業(yè)灌溉等功能。測區(qū)地勢險峻，通往道路高差陡變，崎嶇不平，并覆蓋比較密集的森林灌木，屬于三類地形難測區(qū)。本次測量工作主要包括水文斷面測量、測繪1:500壩址地形圖和1:2000庫區(qū)地形圖、建立壩址及庫區(qū)控制測量等工作，為工程規(guī)劃設(shè)計提供數(shù)據(jù)支持。

1 GPS靜態(tài)測量控制網(wǎng)布設(shè)

1.1 起算數(shù)據(jù)校核

根據(jù)設(shè)計部門和項目業(yè)主的有關(guān)要求，本次利用國家統(tǒng)一坐標(biāo)系統(tǒng)進(jìn)行測量分析。通過校對以及資料查詢，找到兩個國家級的三角點(diǎn)距離測區(qū)6k、8km，經(jīng)現(xiàn)場查看已被破壞無法使用。結(jié)合設(shè)計研究院提供的資料確定距離大風(fēng)口水庫16km處有3個四等水準(zhǔn)點(diǎn)和6個GPS控制點(diǎn)，本次GPS控制網(wǎng)的起算點(diǎn)選擇HN02和HN08兩個控制點(diǎn)，這兩點(diǎn)能夠相互通視。為檢驗邊長相對精度和兩點(diǎn)坐標(biāo)，在HN02和HN08上利用全站儀(2ppm*D+2mm，Topcon)進(jìn)行三角高程對向測量，斜距和豎直角分別測量4個測回取平均值。然后計算地面平局和兩點(diǎn)高差，在高斯平面上投影橢球面平距歸算值，將已知高程、坐標(biāo)的計算結(jié)果與高斯平面上兩點(diǎn)的距離和高差進(jìn)行比較，結(jié)果顯示高差較差為7mm，距離較差16mm。因此，布設(shè)四等GPS控制網(wǎng)的已知點(diǎn)可以選擇相對位置精度滿足要求的這兩點(diǎn)。

1.2 三角高程路線布設(shè)

考慮到已知點(diǎn)精度滿足要求且本次測量成果可以應(yīng)用于后期施工，故按四等要求進(jìn)行本次GPS的觀測設(shè)計。采用在線三維影像和萬分之一地形圖，在圖上按照GPS點(diǎn)位要求布設(shè)控制網(wǎng)，兼顧交通條件進(jìn)一步提升觀測效率[1-2]。本次測量工作選用4臺雙頻GPS接收機(jī)，布設(shè)邊連式GPS網(wǎng)。因起算點(diǎn)位于網(wǎng)的一端不符合條件，為有效降低橫縱向誤差，觀測過程中不僅要以連接式方式從起始邊緣推進(jìn)，還要每隔一對GPS點(diǎn)實(shí)施10個時段的觀測，技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 GPS控制網(wǎng)技術(shù)參數(shù)

重復(fù)級線數(shù)占獨(dú)立基線數(shù)的比例和計算出來的GPS網(wǎng)形總體可靠性均符合《水利水電工程測量規(guī)范》有關(guān)規(guī)定。依據(jù)設(shè)計時段和路線觀測GPS控制網(wǎng)，其技術(shù)參數(shù)見表2。

表2 GPS網(wǎng)管測的技術(shù)要求

本次主要利用電磁波三角高程法進(jìn)行高程控制測量，采用兩臺全站儀(2ppm*D+2mm，2″)施測。起點(diǎn)取周邊HY01水準(zhǔn)點(diǎn)，從起點(diǎn)選擇左右不同的兩條路線開始測量，最后在GPSE點(diǎn)形成閉合高程路線，如圖1所示，其中虛線代表控制網(wǎng)布設(shè)路線。

圖1 三角高程路線圖

為了降低高差受大氣遮光和地球曲率的影響，應(yīng)在較短時間內(nèi)利用對向觀測的方式完成測量，測量過程中必須測定氣壓與溫度，將測量數(shù)據(jù)輸入儀器設(shè)備后，氣象改正測量邊長[3]。結(jié)合經(jīng)驗確定兩差改正系數(shù)K為0.12，結(jié)合地形條件合理控制邊長，施測路線盡可能選擇沿線平緩的道路。

2 測量精度實(shí)證分析

2.1 基線解算精度

一般地，數(shù)據(jù)處理主要有網(wǎng)的平差和基線解算兩部分，并且只有在數(shù)據(jù)處理后才能反映整個網(wǎng)的精度和數(shù)據(jù)觀測的質(zhì)量[4]。網(wǎng)的邊長平均值取3km，利用隨機(jī)軟件解算GPS測量的基線，利用Poweradj4.0軟件進(jìn)行控制網(wǎng)平差處理。每天完成GPS觀測以后，利用計算機(jī)進(jìn)行觀測數(shù)據(jù)的基線處理。數(shù)據(jù)處理過程中可以檢查基線是否含有粗差以及是否存在觀測效果不好的時段，并計算出異步環(huán)、同步環(huán)的閉合差以及重復(fù)基線是否超限。通過以上計算可以將含粗差的基線剔除，并重新觀測誤差較小的基線，基線處理時若存在觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量不好的時段則需要重新觀測。

對于重復(fù)基線較差規(guī)范有明確的規(guī)定[5]，其較差符合規(guī)范規(guī)定時則表明基線解算和觀測合格，否則至少有一個時段的解算和觀測存在問題，該條件下可以按照異步環(huán)或同步環(huán)閉合差進(jìn)行檢查，限差及其較差大小分布如表3所示。

表3 重復(fù)基線限差及其較差分布

GPS控制網(wǎng)共有46個異步環(huán)和54個同步環(huán)，其中三邊同步環(huán)42個、四邊同步環(huán)12個。理論上，對同一組衛(wèi)星進(jìn)行同步觀測時，對存在內(nèi)在聯(lián)系的同步基線其閉合差應(yīng)為0，然而由于基線解算模型不同以及受各種因素的影響，實(shí)際上的閉合差并不等于0，而是一個精度參數(shù)[6]。因此，可以利用下式計算環(huán)線閉合差及同步環(huán)分量，即：

對于42個三邊同步環(huán)，各坐標(biāo)分量的最大、最小閉合差為0.55mm和4.00mm，限差6.21mm。環(huán)線的最大閉合差為7.56mm，相應(yīng)的限差10.60mm。

異步環(huán)的檢驗相對于同步環(huán)閉合差檢驗更能反映基線向量存在的誤差，更加真實(shí)地表征GPS控制網(wǎng)觀測質(zhì)量，這是一個反映基線質(zhì)量的非同步觀測絕對指標(biāo)[7]。異步環(huán)閉合差達(dá)到規(guī)范要求時則GPS觀測質(zhì)量較好，可以利用下式計算環(huán)線閉合差及異步環(huán)分量，即：

控制網(wǎng)的異步環(huán)各坐標(biāo)分量最大、最小閉合差及其概率分布如表4所示。結(jié)果顯示，異步環(huán)最大、最小閉合差為59.83mm和11.27mm，限差62.30mm。

表4 異步環(huán)坐標(biāo)分量最大、最小閉合差及其限差

結(jié)果表明，GPS控制網(wǎng)的各項指標(biāo)均處于規(guī)范規(guī)定的限差之內(nèi)且基線解算正確、質(zhì)量可靠。

2.2 控制網(wǎng)平差精度

以Poweradj4.0軟件可以識別的“*·asc”格式對解算合格的基線進(jìn)行轉(zhuǎn)換處理，轉(zhuǎn)換完成后再進(jìn)行平差計算。按照約束平差順序進(jìn)行處理，利用WGS-84坐標(biāo)無約束平差處理GPS控制網(wǎng)，通過平差處理能夠檢查基線粗差情況，觀測值取相應(yīng)的方差協(xié)方差矩陣及其三維基線向量，起算數(shù)據(jù)為固定點(diǎn)的三維坐標(biāo)，并對基線向量協(xié)方差因子進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，計算在空間坐標(biāo)系中的點(diǎn)位精度以及三維基線的相對和絕對誤差[8-9]。計算結(jié)果可以反映內(nèi)部精度情況，這是絕對精度指標(biāo)，統(tǒng)計改正數(shù)的三維基線各分量如表5所示。

表5 改正數(shù)的三維基線向量 單位cm

經(jīng)計算，V△X、V△Y、V△Z的限差為5.402cm，在空間直角坐標(biāo)系中平差計算的最弱點(diǎn)位為GPSH，中誤差±1.05cm，其中X、Y、Z方向上分別 為±0.52cm、±0.71cm、±0.55cm；TC01點(diǎn) 位的誤差最小為±0.44cm，其中X、Y、Z方向上分別為±0.20cm、±0.28cm、±0.24cm。

結(jié)果顯示，GPS控制網(wǎng)具有較高精度，所有基線均不存在明顯的粗差，協(xié)方差矩陣具有較為合理的比例匹配關(guān)系。在北京54坐標(biāo)系下固定HN02、HN07點(diǎn)，通過三維約束平差計算確定X、Y、Z方向上基線改正數(shù)最大值依次為-3.mm、-1.6mm、-4.0mm。統(tǒng)計整理改正數(shù)較差各分量絕對值，如表6所示。

表6 改正數(shù)較差絕對值 單位cm

規(guī)范規(guī)定的較差限值為36.03，故表6中的各分量改正數(shù)較差絕對值均未超出規(guī)范要求的范圍。

起算數(shù)據(jù)取HN02和HN07兩個控制點(diǎn)，將GPS控制網(wǎng)和三維無約束平差后的觀測量強(qiáng)制性約束到背景54坐標(biāo)系，在約束過程中控制網(wǎng)會出現(xiàn)一定的扭曲和變形，這是由于在方位和和尺度上兩個不同的坐標(biāo)系統(tǒng)并不一致，二維約束平差精度如表7所示。

表7 二維約束平差精度 單位cm

距離中誤差和邊長相對中誤差的最大值分別為0.56和1/76508，結(jié)果表明四等控制網(wǎng)精度要求與GPS控制網(wǎng)精度完全能夠匹配。

2.3 全站儀高程測量精度

嚴(yán)格按照規(guī)范要求進(jìn)行全站儀晚交高程外業(yè)測量，實(shí)際測量過程中分左右兩條線路同步進(jìn)行。所有對向觀測中的最大和最小較差值。然后用測站的平均高程面換算改平后的對向觀測斜距，往返測邊長最大、最小較差值如表8所示。

表8 對象觀測高差、平距較差 單位cm

對高差中數(shù)偶然中誤差M△(每千米)利用對向觀測高差進(jìn)行計算，計算公式為：

式中：S、d、n代表對向觀測的距離及其高差不符值、測邊個數(shù)。每千米高空中數(shù)中誤差按《水利水電工程測量規(guī)范》應(yīng)≥±10mm，考慮到已經(jīng)利用大地水準(zhǔn)面改正了測段高差的不平行度，按四等水準(zhǔn)精度要求閉合環(huán)線的高差閉合差允許值fh允為±122.96mm，其實(shí)際計算值fh為±36.80mm，因此三角高程測量能夠達(dá)到設(shè)計精度要求。在計算GPS控制網(wǎng)其他店的平差時，將各點(diǎn)高程輸入軟件，結(jié)合地形改正條件，采用曲面擬合法依次計算各點(diǎn)高程，經(jīng)檢驗擬合得到的高程經(jīng)復(fù)核四等水準(zhǔn)精度要求[10]。

3 結(jié) 論

大風(fēng)口水庫的高程測量方法及GPS控制網(wǎng)布設(shè)合理，計算和觀測成果具有較高精度，控制網(wǎng)的高程與平面精度復(fù)核四等水準(zhǔn)精度要求，符合工程設(shè)計要求。因此，對于建立山區(qū)水利工程控制網(wǎng)GPS靜態(tài)測量是一種行之有效的方法。為進(jìn)一步提高網(wǎng)點(diǎn)精度和控制網(wǎng)可靠度，選點(diǎn)布網(wǎng)觀測時必須嚴(yán)格按照規(guī)范要求進(jìn)行，重復(fù)基線和多余觀測數(shù)量應(yīng)符合10%、30%的要求。此外，本次山區(qū)高程測量作業(yè)，也證明了四等水準(zhǔn)可以完全由全站儀測距三角高程替代。實(shí)際測量過程中，將對向觀測的距離作為控制重點(diǎn)，要最大限度地減小對向高差測量時間，從而降低高差受大氣折光的影響。