河南省新密煤田某詳查區(qū)平面控制測(cè)量方法

王志武

(河南省煤田地質(zhì)局一隊(duì) 河南新鄭 451100)

河南省新密煤田某詳查區(qū)平面控制測(cè)量方法

王志武

(河南省煤田地質(zhì)局一隊(duì) 河南新鄭 451100)

為了滿足大比例尺測(cè)圖和煤田地質(zhì)勘探工程測(cè)量的需要,本文討論了在煤田地質(zhì)詳查區(qū)建立控制點(diǎn)的精度要求,根據(jù)該精度要求和相關(guān)規(guī)范建立了控制網(wǎng),平差和精度評(píng)定表明GPS定位是建立煤田地質(zhì)詳查區(qū)平面控制網(wǎng)的最優(yōu)方法之一,同時(shí)指出了 GPS測(cè)量應(yīng)注意的問題,得出了有益的結(jié)論。

煤田地質(zhì) 控制測(cè)量 GPS

1 引言

某詳查區(qū)位于河南省新鄭市、長(zhǎng)葛市和尉氏縣三個(gè)縣市的交界處,地理坐標(biāo)為東徑113°42′24″～113°52′50″,北緯34°19′04″～34°22′45″。京廣鐵路、京珠高速公路在區(qū)內(nèi)南北穿過,107國(guó)道和鄭(州)—平(頂山)—南(陽(yáng))省道在測(cè)區(qū)西部南北經(jīng)過,登杞地方鐵路在測(cè)區(qū)北部東西向擦邊而過。鄭州國(guó)際機(jī)場(chǎng)在測(cè)區(qū)北部約23公里處,交通十分方便,進(jìn)出測(cè)區(qū)方便快捷。本區(qū)屬暖溫帶大陸性干旱性季風(fēng)氣候,年均氣溫15.7℃,凍土期為每年的12月至次年的3月份,凍結(jié)深度10～15cm,積雪最大厚度20cm。區(qū)內(nèi)有雙洎河呈南東流向穿過,總體地勢(shì)西高東低,比較平坦,平均海拔標(biāo)高110m。

本區(qū)平面控制測(cè)量的任務(wù)是完成E級(jí) GPS點(diǎn)25個(gè)(其中包括5個(gè)已知點(diǎn)),埋設(shè)標(biāo)石16座,利用舊點(diǎn) 4個(gè),控制面積 100km2;施測(cè)四等水準(zhǔn)97.6km,四等水準(zhǔn)點(diǎn)3個(gè)(其中埋設(shè)新點(diǎn)兩座,利用舊點(diǎn)1個(gè)),E級(jí)GPS點(diǎn)聯(lián)測(cè)四等水準(zhǔn)15點(diǎn)。

2 煤田地質(zhì)詳查對(duì)平面控制測(cè)量精度的要求

煤田地質(zhì)詳查工程的測(cè)量工作主要是進(jìn)行地表工程位置的布設(shè)和測(cè)定,這些工程位置的定位放樣,其相關(guān)位置誤差和它對(duì)鄰近已知點(diǎn)的位置誤差,一般工程不超過±20cm,主要工程不超過±10cm。如果按一般工程±20cm考慮,則工程位置點(diǎn) P1的相對(duì)點(diǎn)位中誤差和它對(duì)鄰近已知點(diǎn) P2的相對(duì)點(diǎn)位中誤差為

P1或 P2的點(diǎn)位中誤差應(yīng)為:

如果工程位置是在最低一級(jí)基本控制點(diǎn)上進(jìn)行,一般多采用經(jīng)緯儀或全站儀極坐標(biāo)法,將工程位置的設(shè)計(jì)坐標(biāo)放到實(shí)地,或測(cè)定地面工程位置的坐標(biāo),這樣其工程位置的總誤差,一般是由起始誤差和測(cè)量本身誤差所組成,按照誤差累積定律,則有:

式中:m控——最低一級(jí)基本控制點(diǎn)的點(diǎn)位中誤差;

m放——工程位置點(diǎn)的放樣中誤差(一般工程要求為±5cm,主要工程要求為±2.5cm)。

對(duì)于主要工程要求更高一些,應(yīng)按工程位置放樣點(diǎn) P1,P2的相對(duì)點(diǎn)位允許±10cm考慮,由上述關(guān)系式同理可得:

根據(jù)以上論證和分析,勘探區(qū)的一般工程施工放樣和定線定位所需的控制精度,應(yīng)以最低一級(jí)控制點(diǎn)的點(diǎn)位中誤差不超過 ±5cm(相對(duì)誤差 1/ 20000)的精度指標(biāo)較為適合,這樣,其相鄰點(diǎn)間的相對(duì)點(diǎn)位中誤差為7.07cm.這個(gè)精度對(duì)一般勘探區(qū)各階段的測(cè)量工作都能滿足。對(duì)于重要的工程施工放樣和定線定位所需的控制精度,應(yīng)以最低一級(jí)基本控制點(diǎn)的點(diǎn)位中誤差不超過±2.5cm(相對(duì)誤差1/ 40000)的精度指標(biāo)較為適合。這樣,其相鄰點(diǎn)間對(duì)點(diǎn)位中誤差為±3.54cm。

3 已有成果、成圖資料

3.1 已有地形圖

區(qū)內(nèi)的地形圖有以下3種,均系1954年北京坐標(biāo)系和1956年黃海高程系,作為本次控制網(wǎng)設(shè)計(jì)、選點(diǎn)等施工使用。

(1)1971年總參測(cè)繪局出版的1/2.5萬地形圖;

(2)河南煤田地質(zhì)局制印廠1988年編繪的1/萬地形圖;

(3)河南煤田地質(zhì)局物測(cè)隊(duì)1978年航測(cè)法所成的1/5千地形圖。

3.2 已有平面控制點(diǎn)

(1)本區(qū)所用一、二等三角點(diǎn)系國(guó)家測(cè)繪總局所作,執(zhí)行規(guī)范為《一、二、三、四等三角測(cè)量細(xì)則》。

(2)三、四等三角網(wǎng)由原河南煤田地質(zhì)局大地測(cè)量組,總參大地三隊(duì)相繼于1958～1959年所作。分南、北部?jī)纱问y(cè),作業(yè)中分別依據(jù)原地質(zhì)部制定的規(guī)范和國(guó)家測(cè)繪總局制定的三角測(cè)量細(xì)則進(jìn)行,北部三等網(wǎng)測(cè)角中誤差為±0.79″,平差后方向中誤差為0.66″,最弱邊相對(duì)誤差(未考慮起算邊)為 1/ 214500。南部三等網(wǎng)測(cè)角中誤差為±1.13″平差后為±1.52″,最弱邊相對(duì)誤差為(未考慮起始邊)為1/86000。四等點(diǎn)均構(gòu)成網(wǎng)或典型圖形,平差計(jì)算采用條件分組平差,進(jìn)行嚴(yán)密平差,各項(xiàng)限差均符合規(guī)范要求。1963年原國(guó)家測(cè)繪總局一分局將該區(qū)三等觀測(cè)資料收集并參與統(tǒng)一平差,1965年出版正式成果,部分四等點(diǎn)經(jīng)總參測(cè)繪局重新觀測(cè)計(jì)算,于1965年一同出版。

4 作業(yè)依據(jù)與平面控制測(cè)量布網(wǎng)方案

4.1 作業(yè)依據(jù)

(1)《全球定位系統(tǒng)測(cè)量規(guī)范》,GB/T 18314-2001;

(2)《煤炭資源勘探工程測(cè)量規(guī)程》,1987;

(3)《測(cè)繪產(chǎn)品檢查驗(yàn)收規(guī)定》,CH1002-95;

(4)《本測(cè)區(qū)技術(shù)設(shè)計(jì)書》。

4.2 坐標(biāo)系選擇及長(zhǎng)度測(cè)量投影變形值估算

采用1954年北京坐標(biāo)系,三度分帶,高斯正形投影,帶號(hào)為“38”,中央子午線114°。

(1)1000m地表長(zhǎng)度投影到參考橢球面上的變形:

上式中:測(cè)區(qū)大地水準(zhǔn)面與參考橢球面差距 hm= 39m;測(cè)區(qū)平均曲率半經(jīng)R≈6370445m;測(cè)區(qū)平均高程 H=105m。

(2)參考橢球面上1000m長(zhǎng)度歸算到高斯平面上的變形:

△Y為測(cè)區(qū)測(cè)站點(diǎn)到中央子午線的垂直距離(橫坐標(biāo)自然值)。

(3)投影變形值:

依式(3)～(5)估算,測(cè)區(qū)東、西投影變形值見表1。

表1計(jì)算數(shù)據(jù)說明,本測(cè)區(qū)地表長(zhǎng)度投影變形值符合規(guī)范規(guī)定的(±2.5cm)的要求。

表1 測(cè)區(qū)東、西投影變形值

4.3 平面控制布網(wǎng)方案

如圖1所示,根據(jù)勘探設(shè)計(jì)對(duì)控制網(wǎng)的要求,選用E級(jí)GPS控制網(wǎng)。共選定了20個(gè)GPS點(diǎn),GPS控制網(wǎng)平均邊長(zhǎng)為4.5km(勘探區(qū)內(nèi)平均邊長(zhǎng)則為1.9km)。且每個(gè)點(diǎn)都有1～2個(gè)通視方向,便于常規(guī)測(cè)量觀測(cè)時(shí)利用。

圖1 平面控制布網(wǎng)方案

4.4 控制網(wǎng)選點(diǎn)、埋石

(1)選點(diǎn)

在野外進(jìn)行實(shí)地選點(diǎn)時(shí),均依據(jù)設(shè)計(jì)布網(wǎng)方案選定GPS點(diǎn)位,力求點(diǎn)位均勻分布。同時(shí)考慮點(diǎn)位的穩(wěn)固性,便于長(zhǎng)期保存和利用。根據(jù) GPS測(cè)量的自身特點(diǎn),避免對(duì) GPS信號(hào)產(chǎn)生多路徑誤差的影響,點(diǎn)位周圍比較開闊,沒有大型建筑物及反射物體,同時(shí)遠(yuǎn)離大功率無線電發(fā)射源。點(diǎn)名與村名一致,便于尋找,與舊點(diǎn)重合者,其點(diǎn)名不變。

(2)埋石

埋設(shè)預(yù)制混凝土普通標(biāo)石,頂面刻制“GPS、E、2005”等字樣,中心標(biāo)志用φ14×300mm鋼筋,下端制成“L”形,上端制成弧狀,中心鉆一個(gè) φ2×5mm小孔,標(biāo)石埋置時(shí),各層標(biāo)石的標(biāo)志中心在同一垂線上,其偏差不大于2mm進(jìn)行分層夯實(shí),使其穩(wěn)固,并及時(shí)作了登記和委托保管書。

5 控制網(wǎng)觀測(cè)實(shí)施

5.1 外業(yè)觀測(cè)技術(shù)要求

(1)使用的儀器和精度:本次使用4臺(tái)中海達(dá)GPS接收機(jī),其中兩臺(tái)為 HD-5800N型雙頻接收機(jī),兩臺(tái)為 HD-8200E型單頻接收機(jī)。其儀器標(biāo)稱精度均為:平面精度,±(5mm+1ppm×D);垂直精度,±(10mm+2ppm×D)。

(2)GPS外業(yè)觀測(cè)技術(shù)指標(biāo)(見表2)

表2 GPS外業(yè)觀測(cè)技術(shù)指標(biāo)

5.2 外業(yè)觀測(cè)的措施

在外業(yè)觀測(cè)中,衛(wèi)星接收很穩(wěn)定,一般能接收6～7顆衛(wèi)星信號(hào),最少能接收6顆,最多時(shí)能收到8顆衛(wèi)星信號(hào)。

E級(jí)GPS網(wǎng)外業(yè)觀測(cè)采取由東向西邊連接方式。測(cè)前已對(duì)光學(xué)對(duì)點(diǎn)器進(jìn)行校正,作業(yè)中精密對(duì)中,其對(duì)中誤差小于3mm。測(cè)站上天線架設(shè)高度距地表面大于0.5m,儀器高測(cè)前測(cè)后各量一次,互差不大于3mm,取中數(shù)為最終儀器高,記入記錄表中。

測(cè)區(qū)內(nèi)原有6m尋常鋼標(biāo)一座(小樓黃),櫓柱是角鋼,對(duì)信號(hào)影響不大,天線放置在標(biāo)石中心觀測(cè)。

吳崗和吳莊兩已知點(diǎn),附近有樹,對(duì)其進(jìn)行了修剪,減弱或消除了對(duì)GPS信號(hào)的影響。吳莊已知點(diǎn)已被圍在村莊內(nèi),但附近是低矮的平房,且離點(diǎn)較遠(yuǎn),都在10m以外,對(duì)GPS信號(hào)影響較小。

由于整網(wǎng)平均邊長(zhǎng)較短,外業(yè)數(shù)據(jù)采集時(shí)間在較遠(yuǎn)的已知點(diǎn)吳崗、小樓黃為120分鐘,其余點(diǎn)為60分鐘。

為了評(píng)估外業(yè)觀測(cè)成果質(zhì)量,確保外業(yè)成果的真實(shí)可靠,當(dāng)天的數(shù)據(jù)都進(jìn)行了處理和檢核。從解算后基線質(zhì)量看,精度較好。

E級(jí)GPS網(wǎng)主要條件特征如表3所示。

w表3 控制網(wǎng)主要條件特征

6 GPS網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)差與數(shù)據(jù)檢驗(yàn)

6.1 GPS網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)差

本測(cè)區(qū)施測(cè)的E級(jí)GPS網(wǎng)平均邊長(zhǎng)4.5km,因此E級(jí)GPS網(wǎng)相鄰點(diǎn)間基線長(zhǎng)度精度,即標(biāo)準(zhǔn)差為:

式中:固定誤差 a=10mm;比例誤差 b=20ppm;d為平均邊長(zhǎng)。

6.2 GPS網(wǎng)數(shù)據(jù)檢驗(yàn)

(1)同步環(huán)檢驗(yàn):由于每個(gè)時(shí)段有4臺(tái) GPS接收機(jī)進(jìn)行同步觀測(cè),共檢驗(yàn)33個(gè)同步環(huán)。對(duì)組成GPS網(wǎng)的基線向量所在的同步環(huán)進(jìn)行了檢驗(yàn),坐標(biāo)增量最大閉合差(絕對(duì)值)分別為△X=0.010m;△Y=0.014m;△Z=0.013m。見附件“E級(jí)GPS控制網(wǎng)平差報(bào)告”。

規(guī)范規(guī)定三邊同步環(huán)坐標(biāo)增量閉合差為:

式中:n—閉合環(huán)邊數(shù),σ—標(biāo)準(zhǔn)差。

因?yàn)閚=3,所以WX=WY=WZ=31mm,W=54mm

根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果知,同步環(huán)閉合差都小于限差,且絕大部分在限差1/3以內(nèi),充分證明外業(yè)儀器性能穩(wěn)定,采集的數(shù)據(jù)質(zhì)量可靠。

(2)異步環(huán)檢驗(yàn):該網(wǎng)中共檢驗(yàn)25個(gè)異步環(huán),異步環(huán)能較好的反映出 GPS網(wǎng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。異步環(huán)坐標(biāo)增量最大閉合差之絕對(duì)值分別為 △X= 0.009m;△Y=0.016m;△Z=0.009m。

依規(guī)范的公式估算,異步環(huán)坐標(biāo)增量閉合差允許值為:

式中:n—閉合環(huán)邊數(shù),σ—標(biāo)準(zhǔn)差。

當(dāng) n分別為3、4條時(shí),閉合差允許值分別是: 0.468m、0.540m。

根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果知,全網(wǎng)異步環(huán)坐標(biāo)增量閉合差不超過允許值的1/3,進(jìn)一步證明 GPS外業(yè)數(shù)據(jù)采集質(zhì)量是準(zhǔn)確的。

(3)重復(fù)邊觀測(cè)質(zhì)量的檢驗(yàn):為檢驗(yàn)外業(yè)觀測(cè)條件和作業(yè)質(zhì)量,對(duì)網(wǎng)中重復(fù)觀測(cè)邊進(jìn)行檢驗(yàn),見表4。

表4 重復(fù)邊觀測(cè)質(zhì)量的檢驗(yàn)結(jié)果

7 結(jié)論

通過E級(jí)GPS網(wǎng)三維無約束平差(WGS-84系中)表明,GPS網(wǎng)內(nèi)符合精度最低為1/20萬,最弱點(diǎn)位中誤差為11.4mm。通過二維約束平差(54北京坐標(biāo)系)各控制點(diǎn)精度很高,優(yōu)于規(guī)范要求。河南省某煤田地質(zhì)詳查區(qū)平面控制測(cè)量還證明了以下結(jié)論:

采用GPS技術(shù)進(jìn)行高等級(jí)控制網(wǎng)的測(cè)量具有高精度、全天候、高效率、多功能、操作簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)。

GPS技術(shù)用于煤田地質(zhì)詳查區(qū)控制測(cè)量在資金和時(shí)間上有明顯優(yōu)勢(shì)。用較短的作業(yè)時(shí)間達(dá)到了預(yù)期的目的。為保證按時(shí)完成其他測(cè)繪工程打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

2009年11月18日)