水利工程測量工程中坐標(biāo)轉(zhuǎn)換法的應(yīng)用淺談

潘 偉

(新疆水利水電勘測設(shè)計研究院測繪工程院，新疆 昌吉 831100)

水利工程測量工程中坐標(biāo)轉(zhuǎn)換法的應(yīng)用淺談

潘 偉

(新疆水利水電勘測設(shè)計研究院測繪工程院，新疆 昌吉 831100)

水利測量技術(shù)在水利工程實(shí)施上，起到十分主要的作用，故工程建造能持續(xù)進(jìn)展，簡易測量法顯得愈加重要。本文概括水利工程中目前所用的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換法，以此對所出現(xiàn)狀況提出改進(jìn)措施，利于日后研究。

水利測量 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換 施工坐標(biāo) 應(yīng)用

一、前言

水利工程受不同環(huán)境及水文地形的作用，其類型較為龐雜。而現(xiàn)實(shí)中進(jìn)行其測量放線時，特別是施工前，建設(shè)部門需將其把控點(diǎn)的大地坐標(biāo)呈報給施工部門，設(shè)計部門必須將重點(diǎn)范圍軸線內(nèi)的大地坐標(biāo)標(biāo)明于施工圖紙內(nèi)。雖較易經(jīng)把控點(diǎn)進(jìn)行軸線內(nèi)點(diǎn)位的測放，可點(diǎn)位后進(jìn)行細(xì)分測放則不易，需依軸線上點(diǎn)同細(xì)分點(diǎn)間的方位角和距離，進(jìn)一步測算出細(xì)分點(diǎn)坐標(biāo)方能測放。故測量建筑物時，依細(xì)分尺寸點(diǎn)同其軸線垂直或平行特點(diǎn)，借助大地坐標(biāo)系與工程軸線間關(guān)聯(lián)，使其轉(zhuǎn)變?yōu)槭┕ぷ鴺?biāo)系，只用在施工與測量上，如此解決全部問題.

二、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的幾種方法

（一）經(jīng)典方法

赫爾墨特三維轉(zhuǎn)換法不僅全面應(yīng)用于水利測量，且在數(shù)學(xué)領(lǐng)域里也是轉(zhuǎn)換測量中十分嚴(yán)謹(jǐn)?shù)姆椒?，故為?jīng)典法（Classical）。而相較WGS84 體系原點(diǎn)，其當(dāng)?shù)夭糠肿鴺?biāo)系會出現(xiàn)三個參數(shù)的偏離（DX，DY，DZ），且是平行移動的。因當(dāng)?shù)夭糠肿鴺?biāo)系里三個坐標(biāo)軸沒有平行于WGS84體系軸，故要實(shí)現(xiàn)平行必須各自轉(zhuǎn)動一個不大角度值，由此產(chǎn)生出三個定向坐標(biāo)Z。此外，還需考量兩個差別大小的橢球，與WGS84 體系比較，出現(xiàn)在某個當(dāng)?shù)刈鴺?biāo)系的m尺度因子。依如上辦法構(gòu)建出的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模式參數(shù)ωY，ωX，ω，因擁有參數(shù)七個，故叫七參數(shù)法。此法不論范圍大小，僅需有效規(guī)劃公共點(diǎn)，嚴(yán)密測量出當(dāng)?shù)刈鴺?biāo)都適用，因其特點(diǎn)是GPS 測量可維持其計算的精密性。

（二）插值法

經(jīng)某種有效平均的形式，并通過彈性形變，在當(dāng)?shù)馗窬W(wǎng)坐標(biāo)體系內(nèi)加入工程測量結(jié)果，當(dāng)?shù)伢w系格網(wǎng)取決于格網(wǎng)坐標(biāo)，即點(diǎn)位平面的傳入，各自解決高程轉(zhuǎn)化中的平面點(diǎn)位，即代表此測量點(diǎn)并非已知高程點(diǎn)，轉(zhuǎn)換平面點(diǎn)位時也不會受當(dāng)?shù)馗叱唐x影響。相較于3D轉(zhuǎn)換法，此法在某些方面較有優(yōu)勢，例如計算轉(zhuǎn)化參數(shù)時，能于無當(dāng)?shù)氐貓D投影或橢球信息里進(jìn)行，且可互相單獨(dú)轉(zhuǎn)換高程及平面點(diǎn)位，即代表高程資料可不包含在當(dāng)?shù)刈鴺?biāo)內(nèi)，并能于不同點(diǎn)里得到。此法更傾向變形測量值，進(jìn)而順應(yīng)當(dāng)?shù)馗窬W(wǎng)現(xiàn)有測量值，有利有弊，由于相較已存在的格網(wǎng)，GPS 坐標(biāo)有較佳的總體均勻特點(diǎn)，雖其精度會減少，如果想在已擁有的當(dāng)?shù)刈鴺?biāo)體系里加入GPS 觀察值，勢必是首選。

（三）分片平滑插值方法

此法結(jié)合如上兩轉(zhuǎn)化法，且平面點(diǎn)位使用第一種辦法，而高程則使用第二種轉(zhuǎn)化法。運(yùn)用此法時必須把握住WGS84 同格網(wǎng)坐標(biāo)內(nèi)最少四個點(diǎn)，因能計算殘差，若計算參數(shù)轉(zhuǎn)換時僅用公共點(diǎn) 3個同樣可以。同時還需了解已有地圖投影種類，投影在地圖內(nèi)的，所用當(dāng)?shù)貦E球與參數(shù)及坐標(biāo)。正因此法同插值法類似，令轉(zhuǎn)換劃分出兩范圍，單獨(dú)區(qū)分平面同高程點(diǎn)位，故兩者轉(zhuǎn)化點(diǎn)不必是相同的一點(diǎn)。因運(yùn)用3D經(jīng)典轉(zhuǎn)換法進(jìn)行轉(zhuǎn)換平面點(diǎn)位，雖轉(zhuǎn)化范圍大于插值法，可用范圍卻受高程轉(zhuǎn)化準(zhǔn)確值影響，下面是具體的實(shí)施過程：

1. 二維經(jīng)典轉(zhuǎn)化參數(shù)的明確.

2. 主要公共點(diǎn)核算.

3. WGS84點(diǎn)借助地圖投影.

4. 高程插值樣式建構(gòu).

5. WGS84與當(dāng)?shù)貦E球間平移參數(shù)的演算.

當(dāng)?shù)刈鴺?biāo)體系面對平整或較平整的區(qū)域時，能得到較優(yōu)的高程準(zhǔn)確度。故較易構(gòu)建出某個高程轉(zhuǎn)化樣式，且在大范疇內(nèi)精度較佳。之中涵蓋愈多高程點(diǎn)，則愈好轉(zhuǎn)換高程。若面對的范圍，其大地水準(zhǔn)面有較大起伏，希望高程轉(zhuǎn)換較佳，則必須大量縮減轉(zhuǎn)換區(qū)域。而不會影響到起伏沒有規(guī)則的對點(diǎn)位的轉(zhuǎn)化。

（四）一步法

此法分別轉(zhuǎn)換出高程同點(diǎn)位，進(jìn)行轉(zhuǎn)換平面點(diǎn)位時，需先投影地心坐標(biāo)WGS84，使其投射在暫時墨卡托橫軸里，接著變換尺度、平移與轉(zhuǎn)動，讓其同實(shí)際投影計算一致。由于轉(zhuǎn)化平面點(diǎn)位時運(yùn)用高程轉(zhuǎn)換法，勿需對當(dāng)?shù)刈鴺?biāo)體系的參照橢球與地圖投影種類進(jìn)行知曉，分別轉(zhuǎn)化高程與平面點(diǎn)位，故平面點(diǎn)位不會受高程偏離影響，因其高程一維擬合，故此法較為簡便。若無當(dāng)?shù)馗叱绦畔⒒虿蝗?，依然能轉(zhuǎn)換平面點(diǎn)位。且平面點(diǎn)位與高程兩者已知點(diǎn)可不同一，借助此法可在僅有某個公共點(diǎn)時，轉(zhuǎn)換高程與坐標(biāo)。

三、施工坐標(biāo)在各項水利工程中的應(yīng)用

雖水利工程已全面應(yīng)用了施工坐標(biāo)，可面對各建筑物時，特別是在其同一把控點(diǎn)的施工坐標(biāo)里，存有不同施工坐標(biāo)，必須分別應(yīng)用。進(jìn)行大壩施工時，對其坐標(biāo)系的構(gòu)建必由大壩軸線作為其坐標(biāo)軸，以此起始點(diǎn)作施工坐標(biāo)地心，按此方向作施工坐標(biāo)標(biāo)的。測放時，測站及后視把控點(diǎn)必須輸入施工坐標(biāo)，即由此坐標(biāo)系推算而出，并用全站儀E、Z、N三個顯示測量值，分別指向此點(diǎn)距壩軸線的差距與高程及樁號。進(jìn)行壩軸線測放，只需將E值定為0，變動N值的移動棱鏡即可；若距壩軸線四米點(diǎn)測放時只需將4作為E值即可。而遇壩面收坡應(yīng)隨Z值變化E值，先得理論E值，依設(shè)計邊坡所測Z值而得，接著比較所測E值，依棱鏡左右變動而變，若兩個E值一樣則能尋到收坡準(zhǔn)確之位。此法的距離是依不變高程調(diào)節(jié)而來，較適用于填筑壩體邊坡的把控；按理論Z值與所測E值，即設(shè)計邊坡與全站儀所得，相較于所測Z值，棱鏡上下移動調(diào)節(jié)Z值，使兩個Z值一樣，即能尋到收坡的準(zhǔn)確之位。此法較適用把控高程壩體上砌石。施工時遇到明渠，因其拐點(diǎn)不少，要想施工坐標(biāo)系能完好構(gòu)建則不易，故可借助鄰近不同拐點(diǎn)，各自構(gòu)建起施工坐標(biāo)系。構(gòu)建過程中坐標(biāo)原點(diǎn)能以某個J1拐點(diǎn)表示，其方向則以明渠向前鄰近J2拐點(diǎn)表示。進(jìn)行不同點(diǎn)測量時，N值由全站儀得出，其代表J1點(diǎn)與所測點(diǎn)間的差距，此樁號的演算能在曲線J1與J2元素上，并結(jié)合進(jìn)J1點(diǎn)樁號而得，直線段內(nèi)E值所處長度為明渠線的中心長度，進(jìn)行測放必先將N值核算出，即處于測放斷面內(nèi)，N值的測定利用棱鏡前后變動而得，接著固定N值，棱鏡左右變動，得到橫斷面，即所測樁號內(nèi)；固定0為E值，棱鏡變動能分別測出N值與Z 值，由此得到渠道縱斷面。依圖紙內(nèi)明渠寬度、設(shè)計高程與邊坡，借助實(shí)際測量Z得出E值，此理論值組合進(jìn)實(shí)測E值，便可輕松尋到開口。

四、結(jié)語

若測站點(diǎn)以測區(qū)內(nèi)為準(zhǔn)，特別是其高級別把控點(diǎn)，借用全站儀進(jìn)行遠(yuǎn)距的一次性測量，由此取得施工需要的所有斷面圖，能減小工作量。借用全站儀結(jié)合進(jìn)較小計算器，依此法可對現(xiàn)場數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄測量，保證準(zhǔn)確率。而工程驗(yàn)收及結(jié)算時，可借助計算器性能即編程，結(jié)合人工程序，任意轉(zhuǎn)換所測坐標(biāo)。

[1]孫承岳，張仰保. 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換在水利工程施工測量中的應(yīng)用[J]. 城市建設(shè)理論研究，2013，（22）.

[2]國家技術(shù)監(jiān)督局.1 ∶500 、1 ∶1 000、1 ∶2 000 地形圖航空攝影測量內(nèi)業(yè)規(guī)范[S].北京∶中國標(biāo)準(zhǔn)出版社, 1998

[3]國家技術(shù)監(jiān)督局.1∶5 000 、1 ∶10 000 地形圖航空攝影測量內(nèi)業(yè)規(guī)范[S].北京∶中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,1993

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1007-6344（2015）03-0235-01