基于河北省CORS網(wǎng)的高層建筑軸線投測質量研究

任鎮(zhèn)生 李志鵬 何曉晨

(1.石家莊鐵道大學，河北 石家莊 050043; 2.河北省建筑科學研究院，河北 石家莊 050022)

1 項目背景、國內(nèi)外現(xiàn)狀及意義

1.1 研究背景

隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，為了提高土地利用率、增強城市集約化管理等需求，高層、超高層建筑如雨后春筍層出不窮。

GPS是當今控制測量的主要方法之一,已成功應用于工程測量、工程變形測量等相關領域。近年來GPS接收機的體積逐漸變小、重量逐漸變輕及導航衛(wèi)星精準度的不斷提高,RTK技術的發(fā)展和CORS的全國覆蓋，相關軟硬件的發(fā)展給GPS用于各種工程測量提供了有利的條件。實踐證明,在簡化操作、提高精度、縮短測量時間方面,GPS測量的優(yōu)勢更加明顯。GPS測量技術以定位速度快，可以減少工程基本控制網(wǎng)點密度等特點在交通、水利等工程測量中有廣泛應用。

希望GPS技術在高層建筑主軸線交點放樣和軸線投測上能夠較好的應用。

1.2 國內(nèi)外現(xiàn)狀

由于GPS定位技術的優(yōu)越性，觀測受環(huán)境影響較小，相對定位精度可以達到10-7～10-8次方，在測繪領域得到廣泛應用。近年來國家大力推行CORS定位系統(tǒng)，將衛(wèi)星定位推向新的高潮。國內(nèi)已有學者作了一些該方面的研究工作，如開發(fā)CORS在線坐標轉換服務軟件，定制測區(qū)的CORS轉換參數(shù)，建立高精度坐標轉換格網(wǎng)模型等。在高層建筑工程GPS定位控制上也有一些學者做了相關研究工作。國內(nèi)研究由于各類工程較多因此相對于國外更加活躍一些。

1.3 意義

WGS84與CGCS2000均為地心坐標系，1954北京坐標系和1980西安坐標系均屬于參心坐標系?！皡⑿摹奔磪⒖紮E球的中心，地心坐標系則是以地球質量為中心。兩者各有自己的優(yōu)點：參心坐標系和某一區(qū)域的大地水準面最接近，成圖方便；而地心坐標系所選用的是與整個大地水準面最接近，適合描述空間位置和運動。由于工作中存在多個坐標系，必然使得點位在不同的坐標系統(tǒng)中的坐標不同，導致測繪成果應用受限，因此必須要坐標轉換。工程實踐中對控制網(wǎng)的精度要求很高，研究坐標轉換精度在實踐工程中具有重要意義。

大部分工程中采用的是任意坐標系,該坐標系將城市的平均高程面選為基準面,坐標定向為當?shù)氐恼狈较颉＿@樣形成的坐標系使投影形變?yōu)樽钚?。要想利用GPS進行工程測量，必須將獲得的WGS-84坐標轉換為當?shù)刈鴺?這就需要確定坐標變換參數(shù)和進行坐標變換。因此在若干已知原坐標系的點上進行重合觀測,用布爾莎7參數(shù)模型通過平差計算求定坐標變換參數(shù)。坐標經(jīng)過平移、旋轉、尺度縮放等變換才能應用于相應的工程中。

目前高層建筑的軸線投測方法主要有以下幾種:

第一，錘球鉛直投測法。該方法使用時間已經(jīng)很長，由于精度較低，易受外部影響，在高層或超高層建筑中極其不便，所以使用較少。

第二，經(jīng)緯儀斜向投測法。經(jīng)緯儀斜向投測法要求控制點遠離建筑物，城市內(nèi)的施工場地由于范圍小，樓層之間影響較大，且經(jīng)緯儀對于溫度有一定要求，所以使用不多。

第三，激光垂準儀法及經(jīng)緯天頂儀、天底儀豎向投測法。這些方法精度高，施測方便，是目前高層建筑施工中常用的方法。但這些方法要求在樓板上留設空洞，且須保持通視孔暢通，隨著建筑物高度增加，由于外界條件的影響會增大測量難度。

第四，GPS測量技術。GPS定位精度高、速度快、施測方法簡單、受外界條件影響較小，可以實時提供任一點的坐標，是建筑施工的理想測量方法。

將GPS測量得到的坐標值轉換為地方獨立坐標值，轉換參數(shù)的精度是關鍵，坐標轉換的精度除受坐標轉換的數(shù)學模型和進行重合觀測的公共點坐標精度和公共點的數(shù)量影響外,還和公共點的幾何圖形結構有關。所以,在具體操作中應有足夠數(shù)量和足夠精度的公共點，同時應考慮其幾何圖形，另還應注意起算點的匹配問題等。不同的計算軟件有不同的算法，導致不同的計算質量,進而導致不同的轉換參數(shù)質量。

目前石家莊的房建施工單位現(xiàn)狀是由于缺乏測繪專業(yè)技術人員、相關成果數(shù)據(jù)和軟件，主要利用CORS網(wǎng)和GPS接收機，河北省測繪資料檔案館CORS中心給定的轉換參數(shù)，獲取CGCS2000坐標，然后利用工程獨立坐標點，通過點校正，解算轉換參數(shù)，直接在工程中使用，并沒有研究轉化質量。也很少有施工單位能自主進行較高精度的坐標轉換。不同的情況下比較點的放樣質量也會不同，不同地區(qū)例如海拔不同的地區(qū)的影響，以及橢球面法線與鉛垂線角度對建筑物垂直度的影響問題，涉及的相關計算是很復雜的。很多因素都會導致點位放樣質量的不同，使CORS放樣結果不能滿足規(guī)范的垂直度等要求。因此，設計常見高層住宅(約23層，高度70 m左右)用CORS直接放樣和傳統(tǒng)的全站儀、激光垂準儀放樣和軸線投測在石家莊地區(qū)的對比實驗，總結規(guī)律，形成CORS在高層建筑工程中的主軸線交點和軸線投測工法，對高層建筑測量是非常有實用意義的。

2 項目實施內(nèi)容及過程

由于問題復雜，難于分析和精度計算推導，所以為了檢測此項技術是否能夠滿足應用,設計基于石家莊的房建施工單位現(xiàn)狀的測量對比試驗如下：

在石家莊地區(qū)找一棟主體完工的在建高層(約23層，高度70 m左右)，分別在12層約35 m處和頂層約70 m處設計安裝腳手架搭設的懸挑支架，保證懸挑支架的剛度和與建筑連接的穩(wěn)固。在懸挑支架下方地面上做一個點位，在懸挑支架上安置透明的激光標靶板用來標明點位位置。

測量方案一：采用高精度激光鉛垂儀豎向投點，在35 m處和70 m處懸挑支架的激光標靶處留下光斑，標明了點位投測位置，作為與其他方案的比對基準。

測量方案二：用全站儀(中緯ZT80按照DB11T 446—2015建筑施工測量技術規(guī)程做二級邊角網(wǎng))和水準儀(S3作三等水準)在地面圍繞建筑物做一個3個～4個點的控制網(wǎng)，場地較平坦，控制點間距300 m左右，做獨立坐標系獲取控制點獨立坐標系坐標，用GPS接收機(南方RTK系列S82)利用CORS網(wǎng)測這些控制點的CGCS2000坐標。試驗點獨立坐標系坐標用全站儀測出，利用GPS作點校正后(即用隨機軟件7參數(shù)模型平差解算轉換參數(shù))進行地面試驗點點位放樣，比較放樣點的位置。然后在35 m處和70 m處利用GPS進行地面試驗點X,Y坐標放樣，在懸挑支架處標明點位，見圖1，圖2。

比較測量方案的點位放樣結果，總結規(guī)律，得出結論，編寫工法。

連續(xù)運行衛(wèi)星定位參考站網(wǎng)(CORS)能提供實時差分信息服務，還能提供后差分解算等其他服務。河北CORS系統(tǒng)采用虛擬參考站(VRS)技術。VRS技術模式是一種雙向通信模式，流動站用戶需要將包含自己坐標的信息，發(fā)送至CORS數(shù)據(jù)中心，數(shù)據(jù)中心根據(jù)概略坐標計算出差分改正信息發(fā)送給用戶，用戶利用修正概略值得到厘米級的精確坐標。

將一個點在一個三維坐標系中轉換到另一個三維坐標系中常見的三維轉換模型有武測模型、布爾莎模型，此外還有范式模型、莫洛金斯基模型和維斯模型等，以上模型都是七參數(shù)模型，七個參數(shù)分別是三個坐標平移量、三個坐標軸的旋轉角和一個尺度參數(shù)，七參數(shù)的模型很多但都可以明確的解析關系進行相互換算，因此實質上是等價的。其中布爾莎(Buras)模型三維空間的直角坐標的轉換模型，沒有投影變形和模型誤差，最為廣泛的應用，任何區(qū)域的坐標轉換都可使用。七參數(shù)轉換模型如下：

其中，(ΔX,ΔY,ΔZ)為平移參數(shù);(α，β，γ)為旋轉角參數(shù)；K為尺度參數(shù)。

根據(jù)DB11/T 446—2015建筑施工測量技術規(guī)程，軸線豎向投測允許誤差見表1。

表1 軸線豎向投測允許誤差表

外廓主軸線長度L(m)放線允許誤差見表2。

表2 外廓主軸線長度L(m)放線允許誤差

點位放樣采用多次放樣求平均位置的方式獲取放樣點位置，按方案二放樣的點位滿足軸線投測垂直度要求，距離方案一點位均在10 mm以內(nèi)。由此得出結論，河北省CORS系統(tǒng)和轉換參數(shù)結算軟件滿足點位放樣和投測需求。

3 結語

RTK技術可以快速、準確、實時、自動提供某一建網(wǎng)地區(qū)的高精度三維坐標和時間信息,是一個城市地區(qū)實現(xiàn)現(xiàn)代化管理的重要組成部分。日漸成熟的虛擬參考站(VRS)已成為最流行的一種技術,其應用面廣，可以滿足不同行業(yè)用戶對精密定位、快速和實時定位的需求。隨著CORS服務中心的服務不斷升級，由中心整合數(shù)據(jù)解算的轉換參數(shù)質量會更好，點位放樣和軸線投測會更好。

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