南水北調(diào)東線魯北段建筑物變形觀測網(wǎng)建設(shè)

張運(yùn)保，任澤儉，楊文緒

（1.南水北調(diào)東線山東干線有限責(zé)任公司，山東 濟(jì)南 250109；2.山東揚(yáng)華地理信息有限公司，山東 濟(jì)南 250000）

南水北調(diào)東線一期工程山東段主體工程于2013年底完工，目前處于工程運(yùn)行初期。山東段設(shè)計(jì)上缺乏全線統(tǒng)一的高精度控制網(wǎng)，各設(shè)計(jì)單元沒有高精度基準(zhǔn)點(diǎn)或者基準(zhǔn)點(diǎn)點(diǎn)位選擇離建筑物太近，導(dǎo)致工作基點(diǎn)無法校核，不能按安全監(jiān)測相關(guān)技術(shù)要求開展安全監(jiān)測工作，需要對(duì)南水北調(diào)山東段重點(diǎn)建筑物變形觀測網(wǎng)進(jìn)行土工建設(shè)和初始值觀測。

1 項(xiàng)目建設(shè)主要內(nèi)容

1.1 土建部分

涉及1座水庫工程、13座渠道建筑物工程變形觀測網(wǎng)的完善和建設(shè)。主要包括：平面高程基準(zhǔn)網(wǎng)建設(shè)，包括選點(diǎn)、埋石、整飾；工作基網(wǎng)建設(shè)，包括工作基點(diǎn)的建設(shè)、改造及監(jiān)測點(diǎn)的改造。

1.2 初始值觀測部分

GNSS控制測量：15個(gè)B級(jí)GNSS基準(zhǔn)點(diǎn)觀測、平差計(jì)算，54個(gè)C級(jí)GNSS工作基準(zhǔn)點(diǎn)觀測、平差計(jì)算。

水準(zhǔn)測量：15個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)、共235.2km一等水準(zhǔn)路線觀測、平差計(jì)算，54個(gè)工作基點(diǎn)、共33km一等水準(zhǔn)路線觀測、平差計(jì)算。

2 初始值觀測

2.1 平面觀測已有資料分析

山東省連續(xù)運(yùn)行GNSS基準(zhǔn)站（SDCORS）在山東范圍內(nèi)共建設(shè)104站，2010年通過國家驗(yàn)收，精度為±0.5mm，等級(jí)為A級(jí)。國內(nèi)IGS永久站：佘山、房山、泰山、武漢、西安等，精度屬于國家A級(jí)控制點(diǎn)。上述SDCORS站、IGS永久站，等級(jí)高、穩(wěn)定性強(qiáng)且部分為基巖點(diǎn)，經(jīng)綜合分析：本項(xiàng)目平面基準(zhǔn)網(wǎng)計(jì)劃采用基于山東省連續(xù)運(yùn)行GNSS基準(zhǔn)站（SDCORS）和IGS永久站的GNSS點(diǎn)觀測模式進(jìn)行測量，將SDCORS站點(diǎn)：平陰（基巖）、柳埠（基巖）、聊城、臨清、夏津、武城、章丘、莘縣、高唐等點(diǎn)約10～15座CORS站與國家IGS站佘山（基巖）、房山（基巖）、泰山（基巖）、武漢（基巖）、西安（基巖）等作為起算數(shù)據(jù)。平面工作基網(wǎng)計(jì)劃采用GNSS點(diǎn)觀測模式，以本項(xiàng)目基準(zhǔn)網(wǎng)中的基準(zhǔn)點(diǎn)作為起算數(shù)據(jù)，SDCORS站參與聯(lián)測；監(jiān)測網(wǎng)計(jì)劃采用直接在基準(zhǔn)點(diǎn)、工作基點(diǎn)上施測觀測點(diǎn)或者以部分工作基點(diǎn)作為起算數(shù)據(jù)，設(shè)置臨時(shí)測站施測觀測點(diǎn)。

2.2 高程觀測已有資料分析

能夠搜集到的高程資料有：1）國家現(xiàn)代測繪基準(zhǔn)一期工程資料（2016年成果，尚未公開發(fā)布）；2）山東省測繪基準(zhǔn)體系優(yōu)化升級(jí)成果（2014年成果，2017年發(fā)布，以下簡稱優(yōu)化升級(jí)成果）；3）2006年華東、華中區(qū)域似大地水準(zhǔn)面精化成果。經(jīng)查涉及魯北段的一等水準(zhǔn)路線有Ⅰ邯兗線、Ⅰ石濟(jì)線，為國家現(xiàn)代測繪基準(zhǔn)一期工程所測，2016年完成，通過國家驗(yàn)收，可以使用。但距離測區(qū)較遠(yuǎn)，于山東省地理信息中心無法搜集到公開發(fā)布的成果資料，難以利用。測區(qū)附近有Ⅱ德禹線、Ⅱ臨聊線、Ⅱ莘聊線、Ⅱ德臨線、等優(yōu)化升級(jí)成果53點(diǎn)，經(jīng)實(shí)地踏勘有40個(gè)保存完好可以使用，該成果為山東省地理信息中心現(xiàn)有的最新成果，擬選擇部分點(diǎn)作為本次高程測量的起算點(diǎn)使用。搜集到大地水準(zhǔn)面精化二等水準(zhǔn)點(diǎn)64個(gè)、三等水準(zhǔn)點(diǎn)34個(gè)，可選擇部分標(biāo)石保存完好的水準(zhǔn)點(diǎn)作為水準(zhǔn)測量的沿途水準(zhǔn)點(diǎn)使用。

2.3 精度控制

基準(zhǔn)點(diǎn)按GNSSB級(jí)靜態(tài)觀測，工作基點(diǎn)采用GNSSC級(jí)靜態(tài)觀測，高程觀測按一等水準(zhǔn)測量方法觀測。

2.4 水準(zhǔn)線路設(shè)計(jì)

項(xiàng)目基準(zhǔn)點(diǎn)、工作基點(diǎn)均按一等水準(zhǔn)精度觀測，為提高觀測的精度，應(yīng)增加多余觀測，同時(shí)避免出現(xiàn)支水準(zhǔn)路線的情況。布設(shè)該樣式水準(zhǔn)路線，沿途水準(zhǔn)點(diǎn)密度不足時(shí)，利用沿途其它等級(jí)水準(zhǔn)點(diǎn)、GNSS點(diǎn)。

2.5 數(shù)據(jù)處理

2.5.1 參考依據(jù)

1）2000 國家大地坐標(biāo)系；2）ITRF2014 參考框架、2018.832參考?xì)v元；3）采用1985國家高程基準(zhǔn)；4）正常重力橢球采用CGCS2000參考橢球；5）坐標(biāo)系統(tǒng)采用2000國家大地坐標(biāo)系。

2.5.2 技術(shù)指標(biāo)控制

1）B級(jí)GNSS點(diǎn)相鄰點(diǎn)基線水平分量中誤差不低于±5mm；2）B級(jí)GNSS點(diǎn)相鄰點(diǎn)基線垂直分量中誤差不低于±10mm；3）一等水準(zhǔn)測量每千米偶然中誤差不應(yīng)超過±0.45mm；4）一等水準(zhǔn)測量每千米全中誤差不應(yīng)超過±1.0mm。

2.5.3 數(shù)據(jù)處理工藝流程

采用高性能數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和處理服務(wù)器，高精度數(shù)據(jù)處理軟件，確保數(shù)據(jù)處理工作正常、高效進(jìn)行及處理結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。

2.5.4 GNSS數(shù)據(jù)平差方案

GNSS數(shù)據(jù)處理采用美國麻省理工學(xué)院的GAMIT/GLOBK軟件10.60版本。

2.5.4.1 三維無約束平差

為檢查GNSS觀測是否含有粗差及系統(tǒng)誤差，考察和評(píng)定GNSS網(wǎng)的內(nèi)部精度和基線向量觀測精度，在2000國家大地坐標(biāo)系下，約束所選取周邊國家基準(zhǔn)站，對(duì)B級(jí)GNSS網(wǎng)做三維無約束平差。

2.5.4.2 基線向量改正數(shù)檢驗(yàn)

三維無約束平差，基線分量的改正數(shù)絕對(duì)值（VΔN、VΔE、VΔU）應(yīng)滿足以下公式的要求：

其中：σ為B級(jí)GNSS網(wǎng)基線測量中誤差。

2.5.4.3 平差原則

1）2000國家大地坐標(biāo)系成果平差方案。在2000國家大地坐標(biāo)系下，約束本項(xiàng)目所選取的LNDD、LNHL、BJFS、HELY、HAHB、HAQS、AHAQ、TAIN、JSLY、SDRC共10個(gè)國家基準(zhǔn)站，做三維約束平差，獲得本項(xiàng)目B級(jí)GNSS點(diǎn)2000國家大地坐標(biāo)系坐標(biāo)。

2）ITRF14參考框架、2018.832參考?xì)v元成果平差方案。首先，在ITRF14參考框架、2018.832參考 歷 元 下 ， 約 束 CHUM、IRKJ、YSSK、LHAZ、WUHN、SHAO、IISC、PIMO、CHAN、BJFS10 個(gè) GPS連續(xù)運(yùn)行站，做三維約束平差，獲得本項(xiàng)目所選取10個(gè)國家站ITRF14參考框架、2018.832參考?xì)v元下坐標(biāo)。其次，在ITRF14參考框架、2018.832參考?xì)v元下，約束本項(xiàng)目所選取的LNDD、LNHL、BJFS、HELY、HAHB、HAQS、AHAQ、TAIN、JSLY、SDRC共10個(gè)國家基準(zhǔn)站，做三維約束平差，獲得本項(xiàng)目B級(jí)GNSS點(diǎn)ITRF14參考框架、2018.832參考?xì)v元下坐標(biāo)。

2.5.5 一等水準(zhǔn)網(wǎng)數(shù)據(jù)平差方案

一等水準(zhǔn)網(wǎng)數(shù)據(jù)處理采用自然資源部大地測量數(shù)據(jù)處理中心自主開發(fā)的“精密水準(zhǔn)測量數(shù)據(jù)處理軟件”。

2.5.5.1 平差模型

1）誤差方程式：

V＝BX－L

式中：V改正數(shù)矩陣；B系數(shù)矩陣；X未知數(shù)矩陣；L常數(shù)項(xiàng)矩陣。

2）法方程式矩陣：

BT＝PBX－BTPL=0

式中：P為觀測值權(quán)矩陣。

3）線性方程組的解算及校驗(yàn)：

解算：

a：結(jié)點(diǎn)高程計(jì)算 X＝（BTPB）-1BTPL

b：測線改正數(shù)計(jì)算V＝BX-L

校驗(yàn)：

4）權(quán)的確定：

P＝C/N

式中：C為一選定常數(shù)；N為一條水準(zhǔn)路線測站總數(shù)。

5）精度估計(jì)：

式中：r為多余觀測量個(gè)數(shù)。

式中：Qii為第i個(gè)結(jié)點(diǎn)的協(xié)因數(shù)。

2.5.5.2 平差方法

一等水準(zhǔn)網(wǎng)平差采用間接平差法，以加過標(biāo)尺長度改正、正常水準(zhǔn)面不平行改正、重力異常改正、固體潮改正、海潮負(fù)荷改正后的往返測高差中數(shù)為元素、待定結(jié)點(diǎn)高程為未知數(shù)，按路線測站數(shù)定權(quán)進(jìn)行結(jié)點(diǎn)平差。當(dāng)結(jié)點(diǎn)高程及路線高差平差改正量計(jì)算完成后，采用附合路線平差的方法推求其他各水準(zhǔn)點(diǎn)的高程。

3 結(jié)語

項(xiàng)目建設(shè)歷時(shí)1年，新建基準(zhǔn)點(diǎn)16處，工作基點(diǎn)52處，觀測點(diǎn)改造140處，開展了相應(yīng)觀測及數(shù)據(jù)處理工作，完成了重點(diǎn)建筑物變形觀測網(wǎng)建設(shè)工作，為南水北調(diào)東線魯北段工程變形觀測和工程的安全運(yùn)行打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，也為類似線型工程變形觀測網(wǎng)建設(shè)提供了較好的經(jīng)驗(yàn)。