三峽樞紐河段CGCS2000坐標系測量控制網布設方法研究

徐云航

摘 要：對于三峽樞紐河段的航道測繪來說，更高效率、更高精度、更高統一性的CGCS2000坐標系，是加強測繪基礎數據的安全性、提升地理信息數據表達的準確性和提高測繪成果互通的共享性的重要基礎。本文從三峽樞紐河段航道測繪工作實際情況出發(fā)，探討了三峽樞紐河段航道測量控制網目前存在的問題，研究了三峽—葛洲壩兩壩間航道、樞紐航道、庫區(qū)航道的CGCS2000坐標系測量控制網布設條件及方法。

關鍵詞：三峽樞紐河段;CGCS2000;控制網;測繪

中圖分類號：TV6? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號：1006—7973（2021）10-0139-05

1引言

隨著社會的進步，國防建設、社會發(fā)展、科學研究等對國家大地坐標系提出了新的需求，迫切需要國家提供高精度、地心、動態(tài)、實用、統一的大地坐標系作為各項國防社會經濟活動的基礎性保障。采用CGCS2000坐標系，有利于采用現代化的空間測繪技術，對坐標系進行維護和快速更新，測定高精度大地控制點的三維坐標，提高測繪測圖工作效率。

對于三峽樞紐河段的航道測繪來說，更高效率、更高精度、更高統一性的CGCS2000坐標系，是整個長航系統，乃至整個交通系統層面，加強測繪基礎數據的安全性、提升地理信息數據表達的準確性和提高測繪成果互通的共享性的重要基礎。因此，在推進CGCS2000坐標系建設工作的過程中，進行三峽樞紐河段CGCS2000坐標系測量控制網布設方法研究十分必要。

2 三峽樞紐河段航道測繪工作概述

自2008年以來，三峽樞紐河段三峽水庫175米蓄水及三峽—葛洲壩兩壩聯合運行、葛洲壩大江下游河勢調整工程完建，河段內三峽大壩上游、三峽—葛洲壩兩壩間和葛洲壩下游三段水域內的水下地形、水流流速、河流比降、波浪等通航條件，與三峽大壩圍堰發(fā)電前相比較存在一些較明顯的變化。另外，兩壩間部分河段如石牌彎道、偏腦、喜灘和水田角等灘險，河段內航寬較窄、岸線蜿蜒、水勢湍急、流態(tài)紊亂，具有山區(qū)天然河道的特性。

近年來，通過三峽樞紐河段的船舶越來越多，長江水運行業(yè)蓬勃發(fā)展的趨勢和創(chuàng)建三峽樞紐河段一流水運通道、保障船舶航行安全的客觀要求，對三峽樞紐河段的航道維護管理工作提出了較高的要求。

為了積累原型觀測基礎資料，進一步做好航道科研分析，促進三峽樞紐河段的通航事業(yè)發(fā)展，提高航道維護管理水平，三峽樞紐河段每年根據年度航道養(yǎng)護計劃，安排實施葛洲壩樞紐大江航道水下地形觀測、葛洲壩樞紐三江航道水下地形觀測、三峽船閘引航道水下地形觀測、三峽升船機引航道道水下地形觀測，同時根據實際工作需要安排實施航道水文觀測、長河段水下地形觀測等測繪工作。

3 三峽樞紐河段測量控制網現狀

3.1 航道測量控制網概述

航道測量控制網由地面上一系列點（稱測量控制點）構成，控制點之間由邊長、方向、高差或GNSS基線等觀測量連接并構成網型，點的空間位置可通過已知點的坐標及點之間的連接按一定方法計算得到。

航道測量控制網大體分為平面控制網和高程控制網。航道測量控制網主要應用于航道測繪、水位站水尺矯正等航道基礎信息采集工作當中，高精度的測量控制網對于采集信息的準確性有較大影響。同時在航道工程中，測量控制網同樣能夠為工程提供平面坐標和高程基準，對于工程質量的控制有著重要作用。

3.2 三峽樞紐河段航道測繪坐標系應用情況

目前三峽樞紐河段航道測繪成果使用的坐標系統有北京54坐標系、WGS-84坐標系、葛洲壩大壩坐標系和三峽大壩坐標系。主要應用情況為：

（1）葛洲壩樞紐航道測繪項目采用葛洲壩大壩坐標系;

（2）三峽樞紐航道測繪項目采用三峽大壩壩軸坐標系;

（3）轄區(qū)三峽、葛洲壩樞紐樞紐航道以外航道測繪項目采用北京1954年坐標系;

（4）基層辦事處進行航標維護時所用測量儀器采用WGS-84坐標系。

4三峽樞紐河段CGCS2000坐標系控制網布設方法研究

4.1 控制網布設要求

4.1.1 精度要求

依據全球定位系統測量規(guī)范，控制網按照精度分為A、B、C、D、E五級，控制網的精度指標以網中相鄰點之間的距離誤差來表示，其具體形式為：

根據長江三峽通航管理局數字航道升級改造項目規(guī)劃對于三峽樞紐河段C級控制網布設的相關信息，該規(guī)劃控制網屬于首級控制網，依照C級控制網測量技術規(guī)范要求。由于部分規(guī)劃控制點位置距離航道水線較遠，且相互之間距離相隔5～15km，因此需要進行次級控制網的加密，來滿足實際航道測繪的作業(yè)需求。

在布設次級控制網時，應按照D級控制網測量技術規(guī)范要求，充分利用已有完整控制點位置，與C級控制網聯測得到CGCS2000坐標系和高程的數據。

4.1.2 選點要求

在控制網選點時，應沿航道左右兩岸布設，點位不能離航道邊線太遠也不能離航道邊線太近，離航道邊線太遠時航道測量作業(yè)不方便，離航道邊線太近時，會受到水位上漲影響沖蝕控制點基礎。因此控制點選擇應在航道邊線附近，非陡峭地形，易于進行水準聯測，且靠近航標處，后期便于維護。

同時，也應統籌考慮在控制網測量時使用的儀器，若使用全站儀，則要保證所有控制點之間，相鄰2點必須要具備通視條件，且相鄰網點間距離適中，不宜超過2km;若使用北斗GNSS測量儀器，則要視野要開闊，周圍不能有遮擋。

4.2兩壩間航道CGCS2000坐標系控制網布設方法分析

4.2.1 兩壩間航道控制網布設條件

受兩壩間航道彎曲和岸線凹凸程度較大影響，控制點間會存在測量通視盲區(qū)，同時兩壩間航道大多處于石林山壁之間，位置平坦處較少，因此不宜使用全站儀進行控制網的布設，北斗GNSS測量儀器較適合兩壩間環(huán)境。

三峽樞紐河段兩壩間航段北斗衛(wèi)星信號測試結果顯示，兩壩間區(qū)域內北斗衛(wèi)星信號數量均大于單測站至少4顆衛(wèi)星的信號需求，并且接收到的衛(wèi)星信號較強，滿足北斗GNSS測量儀器在控制網布設中的使用環(huán)境。

4.2.2 兩壩間航道控制網布設原則

受兩壩間地理環(huán)境影響，在控制網選點時可遵循以下原則：

（1）充分利用原有保存較好的控制點位置;

（2）選擇距離航道邊線較近的地點，方便進行航道測量作業(yè);

（3）選擇最高通航水位以上基礎穩(wěn)固的地點;

（4）應選擇在交通便利、上點方便、靠近航標的地點，便于后期的使用和維護;

（5）避免障礙物遮擋，遠離電磁波反射強烈的地形、地物。

4.2.3 兩壩間航道CGCS2000坐標系控制網測量方法

4.2.3.1 坐標系測量方法

使用北斗GNSS測量儀器進行控制網的坐標系測量，至少需要3個已知坐標控制點和1個待測坐標控制點進行靜態(tài)聯測。對于加密的D級航道控制網，可以根據長江三峽通航管理局已建的C級CGCS2000坐標系控制網進行靜態(tài)聯測，而C級控制網的測量，可以根據宜昌市國土部門布設的C級或更高等級的CGCS2000坐標系控制點靜態(tài)聯測得到。

北斗GNSS測量的基本原理，是根據高速運動的北斗衛(wèi)星瞬間位置作為已知的起算數據，采用空間距離后方交會的方法，確定待測點的位置。假設t時刻在地面待測點上安置北斗GNSS接收機，可以測定北斗衛(wèi)星信號到達接收機的時間，再加上接收機所接收到的衛(wèi)星星歷等其它數據可以確定并解出以下四個方程式：

在得到待定控制點的相對位置后，根據已知控制點上靜態(tài)測量的相對位置及已知CGCS2000坐標系坐標，平差解算后就能夠得到待定控制點的CGCS2000坐標系坐標。

4.2.3.2 高程測量方法

在兩壩間航道控制網的布設過程當中，控制點的選擇基本都在航道左右岸靠近航道的地方，并且會利用原有保存較好的已知高程控制點。因此，在進行控制網的高程聯測時，可使用符合水準路線的水準測量方式，利用航標艇或航道測量船運送測量人員到達現場，使用水準儀進行控制網的水準測量。

4.3 三峽壩上庫區(qū)航道CGCS2000坐標系控制網布設方法分析

4.3.1 三峽壩上庫區(qū)航道控制網布設條件

三峽壩上庫區(qū)航道彎曲程度較小，航道較寬，但岸線仍呈“S”狀連續(xù)密集小波浪型，再加上左右兩岸支汊河口較多，因此同岸側通視條件受影響程度較大，使用全站儀進行控制網的布設具有很大難度，對控制網的密度要求較高，宜使用北斗GNSS測量儀器進行控制網的布設。

三峽樞紐河段三峽壩上庫區(qū)航段北斗衛(wèi)星信號測試結果顯示，三峽壩上庫區(qū)內北斗衛(wèi)星信號數量均大于單測站至少4顆衛(wèi)星的信號需求，并且接收到的衛(wèi)星信號較強，滿足北斗GNSS測量儀器在控制網布設中的使用環(huán)境。

4.3.2 三峽壩上庫區(qū)航道控制網布設原則

受三峽壩上庫區(qū)地理環(huán)境影響，在控制網選點時可遵循以下原則：

（1）充分利用原有保存較好的控制點位置;

（2）選擇距離航道邊線較近的地點，方便進行航道測量作業(yè);

（3）選擇吳淞高程在175.0m以上基礎穩(wěn)固的地點;

（4）應選擇在交通便利、上點方便、靠近航標的地點，便于后期的使用和維護;

（5）避免障礙物遮擋，遠離電磁波反射強烈的地形、地物。

4.3.3 三峽壩上庫區(qū)航道CGCS2000坐標系控制網測量方法

4.3.3.1 坐標系測量方法

由于三峽壩上庫區(qū)航道同岸側通視效果較差，航道較寬，因此宜使用北斗GNSS測量儀器進行控制網的坐標系測量。測量方法同兩壩間航道控制網測量方法一致，與3個已知控制點或高等級控制點進行靜態(tài)聯測，經過聯合平差得到待定控制點的CGCS2000坐標系坐標。

4.3.3.2 高程測量方法

在三峽壩上庫區(qū)航道控制網的布設過程當中，控制點的選擇基本都在航道左右岸靠近航道的地方，同時充分利用原有保存較好的已知高程控制點。三峽壩上庫區(qū)航道兩岸集鎮(zhèn)較多，公路條件較好，因此，在進行三峽壩上庫區(qū)航道控制網的高程聯測時，可使用符合水準路線的水準測量方式，利用汽車運送測量人員到達現場，測量距離公路較遠的控制點時，可用航標艇或航道測量船運送測量人員到達現場，使用水準儀進行控制網的水準測量。

4.4 樞紐航道CGCS2000坐標系控制網布設方法分析

4.4.1 樞紐航道控制網布設條件

葛洲壩樞紐航道和三峽樞紐航道上下游具有渠化航道條件，視野開闊，控制點布設基礎布設條件較好。可以使用全站儀符合導線測量側方法進行控制網的布設，同時，因為視野開闊，也可以使用北斗GNSS測量儀器進行控制網的布設。

由于樞紐航道的壩上壩下高差較大，葛洲壩樞紐上下游高差在20m以上，三峽樞紐航道上下游高差在110m以上，因此，在控制點的高程測量當中，會出現因為控制點間高程較大，在水準測量作業(yè)中測站較多帶來累計誤差，若樞紐航道控制網布設密度較大，則成本會進一步增大，因此在控制網的布設過程中宜使用“三角高程”法進行布網的優(yōu)化。

4.4.2 樞紐航道控制網布設原則

受樞紐航道地型影響，在控制網選點時可遵循以下原則：

（1）充分利用原有保存較好的控制點位置;

（2）選擇距離航道邊線較近的地點，方便進行航道測量作業(yè);

（3）配置1～2處距離較近的壩上壩下控制點;

（4）應選擇在交通便利、上點方便、靠近航標的地點，便于后期的使用和維護;

（5）避免障礙物遮擋，遠離電磁波反射強烈的地形、地物。

4.4.3 樞紐航道CGCS2000坐標系控制網測量方法

4.4.3.1 坐標系測量方法

在使用全站儀符合導線測量方法進行控制網的坐標測量時，需要4個已知CGCS2000坐標控制點進行觀測，從2個已知控制點出發(fā)，測出中間若干待定點，最后再到另外2個已知控制點，形成一個折線。在設站時應選擇地基穩(wěn)固的地點，相鄰兩點之間必須通視良好，各點與前、后相鄰點之間的距離盡量等長，在每測站中要嚴格對中整置儀器。

在設計好符合導線路線后，對導線上各點依次進行測回法角度測量和邊長測量，將所得數據結合已知點坐標，通過坐標正算得到待定點的坐標，最后通過導線閉合差限差范圍來檢查所得數據。

若使用北斗GNSS測量儀器進行控制網的坐標系測量，測量方法同兩壩間航道控制網測量方法一致，與3個已知控制點或高等級控制點進行靜態(tài)聯測，經過聯合平差得到待定控制點的CGCS2000坐標系坐標。

4.4.3.2 高程測量方法

對于布設在樞紐航道上游和下游的控制點，因其良好的地面基礎條件、交通條件，可使用符合水準路線的水準測量方式進行高程聯測。對于樞紐航道上游和下游的高程聯測，可在樞紐船閘上合適位置處布設1處控制點，在船閘下游合適距離處布設1處控制點，兩處控制點間使用“三角高程”法進行高程測量。

三角高程測量時通過測定測站A與待定點B之間的豎直角α、平距D或斜距S，計算出兩點之間高差進而求得B點高程的方法。這種方法比水準測量靈活、方便。受地形條件限制少且效率高，主要受大氣折光影響較嚴重。因此，三角高程測量能夠滿足樞紐航道上下游高差較大的測量條件。

5結語

在三峽樞紐河段CGCS2000坐標系測量控制網布設方法研究過程當中，需要充分利用已有高等級控制點進行CGCS2000坐標系的轉化，在已有控制點的基礎上，選擇合理的高程測量方式，統籌布設控制網，則能將控制網布設得效率提高，減小測量成本。

參考文獻：

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