渭河下游GPS控制網(wǎng)的建立及其在淤積斷面測量中的應用

張宇

（陜西水環(huán)境工程勘測設計研究院，陜西西安710018）

渭河下游GPS控制網(wǎng)的建立及其在淤積斷面測量中的應用

張宇

（陜西水環(huán)境工程勘測設計研究院，陜西西安710018）

渭河下游GPS控制網(wǎng)是渭河下游重要的淤積測驗設施，近年來，渭河下游原有GPS控制點受到嚴重破壞，給渭河下游測量工作帶來了較大困難。本文結(jié)合渭河下游D級GPS控制網(wǎng)重建項目，較細致的闡述了GPS控制網(wǎng)的布設和測量方法，以及GPS控制網(wǎng)在河道淤積斷面測量中的應用，為類似項目提供了借鑒經(jīng)驗。

GPS控制網(wǎng)，淤積測驗，GPS-RTK技術(shù)

1 概述

渭河，古稱渭水，發(fā)源于甘肅省渭源縣鳥鼠山，流經(jīng)甘肅、陜西兩省匯入黃河，是黃河最大的支流。渭河流域面積134766 km2，陜西境內(nèi)面積33784 km2。渭河下游從咸陽至潼關(guān)吊橋全長208 km，本文所建立的控制網(wǎng)正處于這一區(qū)域。

近年來，隨著渭河全線整治工程的陸續(xù)實施，渭河下游原有GPS控制點受到嚴重破壞，給淤積斷面測量及相關(guān)工作帶來嚴重的困難。

為保障渭河下游淤積斷面測量及相關(guān)工作的正常開展，陜西水環(huán)境工程勘測設計研究院于2016年對渭河下游GPS控制網(wǎng)進行了重建，為渭河下游的淤積斷面測量帶來了便利。

本文將詳細說明渭河下游D級GPS控制網(wǎng)的建立過程，對控制網(wǎng)成果進行分析。并介紹如何利用該控制網(wǎng)成果進行渭河下游淤積斷面測量。

2 GPS控制網(wǎng)的建立

2.1 測區(qū)概況

工程概略位置為東經(jīng)108°45'~110°18'，北緯34°21'~34°42'，上起渭河咸陽水文站，下至潼關(guān)入黃口，涵蓋渭河淤積測驗斷面51條，涉及咸陽、西安、渭南三市。

2.2 平面系統(tǒng)與高程系統(tǒng)

本控制網(wǎng)等級為D級，分別采用了三套平面系統(tǒng)：2000國家大地坐標系、1980西安坐標系和三角山獨立坐標系。

高程等級為三等，分別采用了1985國家高程基準、1956黃海高程系統(tǒng)和大沽高程系統(tǒng)。

本文僅以2000國家大地坐標系、1985國家高程基準為例，說明GPS控制網(wǎng)的建立過程。

2.3 控制點布設

在每條淤積測驗斷面線附近的左右大堤臨（背）水堤肩上埋設GPS樁志1對。GPS樁志相鄰平均間距2~4 km，相鄰點最小距離不小于平均間距的1/3，最大距離不大于平均間距的3倍，且盡量保證通視[1]。斷面間距較小的測驗斷面，每兩條斷面共用1對GPS控制點。此次，共布設GPS控制標石174個。

2.4 外業(yè)觀測

渭河下游GPS控制網(wǎng)平面測量采用天寶R8、R6和5700等6臺GPS接收機按D級精度施測，采用邊連式組網(wǎng)，連測國家高等級起算點0031（敷水）、1347（豁口）、1345（雙照鎮(zhèn)），1339（渭南）、1336（碨峪鄉(xiāng)）。控制網(wǎng)示意圖詳見圖1。

圖1渭河下游GPS控制網(wǎng)示意圖

2.5 數(shù)據(jù)處理

渭河下游GPS控制網(wǎng)主要為渭河下游淤積斷面測量提供基礎數(shù)據(jù)，故控制網(wǎng)相關(guān)技術(shù)規(guī)定嚴格遵守《水利水電工程測量規(guī)范》（SL197-2013）。

采用天寶TBC軟件進行基線解算，采用科傻GPS測量數(shù)據(jù)處理通用軟件包進行平差處理和坐標轉(zhuǎn)換。

（1）基線處理

解算前，對外業(yè)全部資料進行檢查和驗收，重點包括成果是否符合規(guī)范要求，觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量分析是否合理等。

基線處理時，采用廣播星歷；觀測值均加入對流層延遲修正，對流層延遲修正模型中的氣象元素采用標準氣象元素；基線解算按同步觀測時段為單位進行；采用雙差固定解。

（2）質(zhì)量檢驗

①重復基線檢核

GPS網(wǎng)基線處理結(jié)果，重復基線測量的差值ds應滿足公式（1）、（2）的規(guī)定：

式中：σ為相應基線長度中誤差，mm；a為相應等級控制網(wǎng)的固定誤差，mm；b為相應等級控制網(wǎng)的比例誤差系數(shù)，mm/km；D為平均邊長，km。

《水利水電工程測量規(guī)范》（SL197-2013）D級GPS測量控制網(wǎng)，a=10 mm，b=10 mm，取平均邊長為3 km，σ=31.6 mm，ds≤89.4 mm。

本次GPS控制網(wǎng)重復基線共141條，dsmax=22.3750 mm，dsmin=0.1625 mm，均滿足限差要求。

②環(huán)線全長閉合差

異步環(huán)各坐標分量閉合差WX、WY、WZ及環(huán)線全長閉合差W應滿足公式（3）的規(guī)定：

式中：n為閉合環(huán)中的邊數(shù)；W為環(huán)線全長閉合差，單位為mm。

經(jīng)計算，W≤284.4 mm。本控制網(wǎng)閉合環(huán)437個，Wmax= 133.01 mm，Wmin=0.32 mm，滿足限差要求。

2.6 網(wǎng)平差計算

①無約束平差

基線向量檢核符合要求后進行無約束平差，并提供各觀測點在2000國家大地坐標系中的三維坐標、各基線向量三個坐標差觀測值的改正數(shù)、基線長度、基線方位及相關(guān)的精度信息。

無約束平差的基線向量改正數(shù)絕對值（VΔX、VΔY、VΔZ），不應超過相應等級的基線長度允許中誤差的3倍。即：

經(jīng)計算，VΔX=VΔY=VΔZ≤94.8 mm。無約束平差結(jié)果，VΔXmax=3.71 mm，VΔYmax=9.64 mm，VΔZmax=5.89 mm，滿足限差要求。

無約束平差邊長相對中誤差最小為1/9305000，邊長相對中誤差最大為1/277000。

②GPS網(wǎng)約束平差

利用無約束平差后的觀測量，在2000國家大地坐標系下進行二維約束平差。經(jīng)過對起算點的兼容性及正確性分析，以國家級控制點0031（敷水）、1347（豁口）、1345（雙照鎮(zhèn)），1339（渭南）、1336（碨峪鄉(xiāng)）為起算數(shù)據(jù)進行二維約束平差，獲得中央子午線為東經(jīng)111°的6°分帶19帶2000國家大地坐標系的平面坐標。

將6°帶2000國家大地坐標系成果采用科傻GPS數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)軟件進行換帶計算，可以獲得中央子午線為東經(jīng)108°的3°分帶第36帶2000國家大地坐標系的平面坐標成果。

約束平差中，基線向量改正數(shù)與剔除粗差后的無約束平差結(jié)果的同一基線，相應改正數(shù)較差的絕對值（dVΔx、dVΔy），應滿足公式（5）的要求[2]。

經(jīng)計算，dVΔx=dVΔy≤63.2 mm。約束平差結(jié)果，dVΔxmax= 2.63 mm，dVΔymax=2 mm，滿足限差要求。

約束平差邊長相對中誤差最小為1/6950000，邊長相對中誤差最大為1/207000。

3 高程控制測量

根據(jù)測區(qū)實際情況，在測區(qū)布設環(huán)線水準網(wǎng)，按三等水準測量要求聯(lián)測各GPS控制點。以1339、Ⅰ豁靈26基上、Ⅰ西鄭19、Ⅰ蒲渭13-1、Ⅰ永樂環(huán)19基上、1347為高程控制起算點。

本次三等水準測量共施測199個測段，共863.6公里，經(jīng)統(tǒng)計測段往返測較差在1/3限差以內(nèi)的有150個測段，占總數(shù)的75.4%；較差在1/3～2/3的測段有42測段，占總數(shù)的21.1%；大于2/3的測段有7個測段，占總數(shù)的3.5%。

計算所得每公里水準測量偶然中誤差M△＝±1.88 mm（小于3.0 mm），每公里水準測量全中誤差MW＝±3.87 mm（小于6.0 mm），滿足《國家三、四等水準測量規(guī)范》要求。

4 渭河GPS控制網(wǎng)在淤積斷面測量中的應用

淤積斷面測量是在河道上布設的固定斷面上進行陸地和水下地形測量。傳統(tǒng)淤積斷面測量采用全站儀測量，需要在斷面線上布設大量的斷面觀測樁，耗資較大，精度低，且觀測樁的保存也給淤積測驗單位帶來了一定的困難。

渭河下游GPS控制網(wǎng)的重建，使得GPS-RTK技術(shù)在渭河下游淤積斷面測量中的應用成為了可能，為淤積斷面測量帶來了極大便利。

GPS-RTK測量的基本思想是：在基準站上安置一臺GPS接收機，對所有可見的GPS衛(wèi)星進行連續(xù)的跟蹤觀測，同時將觀測數(shù)據(jù)利用無線電傳輸設備實時地傳送給用戶觀測站。在用戶觀測站上利用GPS接收機在對GPS衛(wèi)星信號進行接收觀測的同時，也通過無線電接收設備接收基準站傳輸過來的觀測數(shù)據(jù)。然后根據(jù)相對定位的原理，實時地計算并顯示用戶觀測站的三維坐標和高程。

GPS-RTK技術(shù)具有精確導航、放線及測量功能，可以直接將測量人員導航至斷面線上并測量出地形碎部點的三維坐標和高程。通過GPS導航功能，可以將測船精確導航到斷面位置，并實時測量水面坐標，再配合測深工具，可以精確測量出水面測量點的水深，從而得到河底高程。

使用GPS-RTK技術(shù)進行淤積斷面測量提高了淤積測量工作效率，降低了一線測驗職工的勞動強度，減少了淤積斷面設施的建設量，對于淤積測量工作來說，具有良好的社會效益和經(jīng)濟效益。

2016年渭河下游汛后淤積測量中，基于新建的渭河下游GPS控制網(wǎng)使用GPS-RTK技術(shù)進行了汛后淤積測量，極大的方便了測驗人員的測量工作，保證了渭河淤積測驗工作順利完成，為研究三門峽庫區(qū)河道沖淤變化提供了真實、實時的第一手資料。

5 結(jié)論及建議

（1）渭河下游D級GPS控制網(wǎng)的精度滿足規(guī)范要求，點位布設便于淤積斷面測量及沿河施工，具有較強的實用性。

（2）基于渭河下游GPS控制網(wǎng)成果，采用GPS-RTK方法進行渭河淤積斷面測量，能夠極大的提高淤積測量工作效率，降低了一線測驗職工的勞動強度，減少淤積斷面設施的建設量，具有良好的社會效益和經(jīng)濟效益。

[1]SL 197－2013，水利水電工程測量規(guī)范[S].

[2]GB/T 18314－2009，全球定位系統(tǒng)（GPS）測量規(guī)范[S].

P228.4

B

1673-9000（2017）03-0092-02

2017-04-21

張宇（1984-），男，陜西渭南人，工程師，主要從事工程測量工作。