不同地形情況下GPS 控制網(wǎng)布設(shè)方式及觀測(cè)調(diào)度方式的研究

王海濤，趙彤彬

（陜西水環(huán)境工程勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,陜西 西安 710018）

1 前言

GPS 測(cè)量技術(shù)已成為測(cè)繪項(xiàng)目生產(chǎn)的主導(dǎo)技術(shù),同時(shí)也是因?yàn)樵擁?xiàng)技術(shù)的應(yīng)用,作業(yè)效率比常規(guī)測(cè)量方法提高數(shù)倍,測(cè)繪成果精度比之前提高數(shù)倍,成果出錯(cuò)率比以前大有下降。為了更好的將GPS 技術(shù)應(yīng)用于生產(chǎn)中,更加充分的發(fā)揮GPS技術(shù)的優(yōu)越性,結(jié)合之前項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn),針對(duì)不同類(lèi)型項(xiàng)目進(jìn)行GPS 控制網(wǎng)布設(shè)方式及觀測(cè)調(diào)度方式的研究。

2 GPS 控制網(wǎng)圖設(shè)計(jì)

GPS 控制網(wǎng)圖形設(shè)計(jì)時(shí),由于無(wú)需考慮控制點(diǎn)之間的相互通視,無(wú)需考慮控制點(diǎn)之間的高差變化,所以控制網(wǎng)圖的形式非常的靈活。GPS 控制網(wǎng)圖的形式主要取決于控制網(wǎng)的等級(jí),投入的經(jīng)費(fèi)、時(shí)間和人力,以及準(zhǔn)備采用的接收機(jī)數(shù)量和標(biāo)稱(chēng)精度等情況。

依據(jù)規(guī)范要求并結(jié)合日常作業(yè)習(xí)慣,可以將GPS 控制網(wǎng)的圖形總結(jié)為四種形式：即點(diǎn)連式、邊連式、網(wǎng)連式和邊點(diǎn)混合式。當(dāng)然在實(shí)際工作中,可能因?yàn)槠鹚泓c(diǎn)、地形、距離、交通路線等條件限制,在一個(gè)大的控制網(wǎng)中形成分級(jí)布設(shè),按照邊點(diǎn)混合連接,或部分邊連式配合部分點(diǎn)連式,來(lái)提高控制網(wǎng)的精度和外業(yè)觀測(cè)效率。

工程控制網(wǎng)一般相對(duì)較為簡(jiǎn)單,控制點(diǎn)數(shù)量不會(huì)太多,控制網(wǎng)的布設(shè)形式可分為三種。第一種為控制點(diǎn)位集中形。即控制網(wǎng)所涉及的控制點(diǎn)點(diǎn)位集中在一個(gè)區(qū)域、這個(gè)控制網(wǎng)一般適用于小型的獨(dú)立工程。第二種為控制點(diǎn)位分區(qū)域集中形。即控制網(wǎng)所涉及的控制點(diǎn)點(diǎn)位分別集中在幾個(gè)區(qū)域,每個(gè)區(qū)域距離相對(duì)較遠(yuǎn),這種控制網(wǎng)適用于多區(qū)域共同進(jìn)行的工程。第三種為控制點(diǎn)位呈線狀形。即控制網(wǎng)所涉及的控制點(diǎn)點(diǎn)位沿某條線路分布,整體呈線狀,這種控制網(wǎng)一般應(yīng)用于引水管線工程。

2.1 不同類(lèi)型項(xiàng)目控制網(wǎng)的布設(shè)

本文主要從引水工程、水庫(kù)工程、中小河流治理工程、水生態(tài)水景觀綜合治理工程、庫(kù)區(qū)泥沙淤積測(cè)驗(yàn)斷面維護(hù)及重建工程等項(xiàng)目的GPS 測(cè)量任務(wù)來(lái)論述實(shí)際工作中的控制網(wǎng)布設(shè)。

（1）在很多項(xiàng)目實(shí)施的工程中,工期的要求都是非常緊張的,我們也可以把控制網(wǎng)布設(shè)和其他碎部測(cè)量統(tǒng)籌的結(jié)合起來(lái)進(jìn)行開(kāi)展工作。例如引水管線工程,一般在首級(jí)控制網(wǎng)布設(shè)完成后,測(cè)區(qū)內(nèi)控制點(diǎn)的數(shù)量就能滿足地形圖、縱橫斷面等測(cè)量?jī)?nèi)容的需要,我們可以根據(jù)成果需要的輕重緩急,先開(kāi)展急需成果的測(cè)量工作,最后進(jìn)行控制網(wǎng)加密工作,這樣一來(lái)既滿足了工期的需要,又保證了工作的有序進(jìn)行。

某縣骨干供水工程項(xiàng)目初步設(shè)計(jì)測(cè)量項(xiàng)目在施測(cè)過(guò)程中就采用分級(jí)布設(shè)控制網(wǎng)的措施。該項(xiàng)目屬于引水工程,線路長(zhǎng)度約44.1 km,測(cè)區(qū)內(nèi)高差約210 m,工程沿線經(jīng)過(guò)溝壑20 余處,溝深約70 m～90 m,按照測(cè)量技術(shù)要求地形圖為急需成果資料,結(jié)合項(xiàng)目戰(zhàn)線長(zhǎng)、跨度大、工期緊、任務(wù)急的特點(diǎn),控制測(cè)量采用分級(jí)控制的方法,先施測(cè)四等首級(jí)控制,點(diǎn)位密度滿足地形圖測(cè)量需要,待地形圖工作完成后,再在四等網(wǎng)基礎(chǔ)上進(jìn)行五等加密控制測(cè)量。首級(jí)控制網(wǎng)布設(shè)：在測(cè)區(qū)沿工程布設(shè)方向每4 km～5 km 埋設(shè)1 個(gè)控制樁志,并兼顧在出水口、蓄水池、較大溝壑兩端各布設(shè)1 個(gè)樁志,共埋設(shè)14 個(gè)樁志,采用6 臺(tái)GPS 接收機(jī)按四等精度要求進(jìn)行靜態(tài)觀測(cè),以測(cè)區(qū)附近的3 個(gè)國(guó)家已知點(diǎn)為起算點(diǎn),按邊連式布網(wǎng),整個(gè)控制網(wǎng)共17 個(gè)點(diǎn)位,共觀測(cè)4 個(gè)時(shí)段,每個(gè)時(shí)段觀測(cè)時(shí)間為60 min。控制網(wǎng)形式見(jiàn)圖1。

圖1 首級(jí)控制網(wǎng)示意圖

該首級(jí)控制網(wǎng)共組成同步環(huán)80 個(gè),異步環(huán)42 個(gè),最弱邊相對(duì)中誤差為1/1459481,最弱點(diǎn)位中誤差為0.003 m；加密控制網(wǎng)是結(jié)合工程本身情況和首級(jí)控制網(wǎng)布設(shè)情況,按照每2 km 布設(shè)一組樁志,共埋設(shè)33 個(gè)樁志。因3 個(gè)國(guó)家已知點(diǎn)距離測(cè)區(qū)比較近且使用方便,加密控制網(wǎng)約束點(diǎn)與首級(jí)控制網(wǎng)相同,另外從首級(jí)網(wǎng)中選取4 個(gè)點(diǎn)聯(lián)測(cè)作為檢核,控制網(wǎng)形式見(jiàn)圖2。

圖2 加密控制網(wǎng)示意圖

加密控制網(wǎng)采用6 臺(tái)GPS 接收機(jī)進(jìn)行觀測(cè),共觀測(cè)10個(gè)時(shí)段,每個(gè)時(shí)段觀測(cè)時(shí)間不少于45 min,約束平差最弱邊相對(duì)中誤差為1/202192,最弱點(diǎn)位中誤差為0.003 m,各項(xiàng)限差均符合《水利水電工程測(cè)量規(guī)范》（SL 197-2013）要求。

加密控制平差完成后與4 個(gè)檢核點(diǎn)比較結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 同點(diǎn)位兩次平差結(jié)果檢核統(tǒng)計(jì)表

依據(jù)《水利水電工程測(cè)量規(guī)范》（SL 197-2013）中基本平面控制最弱相鄰點(diǎn)位允許中誤差為圖上±5 cm 的要求,均滿足規(guī)范要求,由此可見(jiàn)該方法是可行的。

（2）水庫(kù)工程控制網(wǎng)形狀相對(duì)規(guī)則,控制面積相對(duì)較小,屬于點(diǎn)位集中在一個(gè)區(qū)域的網(wǎng)形,但是水庫(kù)工程控制等級(jí)要求相對(duì)較高,一般首級(jí)控制要滿足四等GPS 精度要求。因?yàn)樗畮?kù)工程多修建在山高溝深地形起伏較大的地區(qū),布設(shè)控制網(wǎng)時(shí)在滿足基本原則的同時(shí),還應(yīng)考慮所布設(shè)的控制點(diǎn)能夠滿足并方便水準(zhǔn)測(cè)量或三角高程測(cè)量的要求。

（3）中小河流治理工程、水生態(tài)水景觀綜合治理工程控制網(wǎng)形狀相對(duì)規(guī)則,屬于點(diǎn)位集中在一個(gè)或分布在幾個(gè)區(qū)域的網(wǎng)形,特別是中小河流工程,一個(gè)項(xiàng)目經(jīng)常分好幾段組成,有的距離較近,如3 km～5 km,有的距離較遠(yuǎn),在布設(shè)這樣的控制網(wǎng)時(shí),應(yīng)該根據(jù)測(cè)區(qū)附近起算點(diǎn)的分布情況以及實(shí)際交通情況進(jìn)行布設(shè)網(wǎng)形。一般情況下盡量布設(shè)一個(gè)大網(wǎng),方便調(diào)度,方便觀測(cè),也有利于數(shù)據(jù)處理和平差,但是在各段工程相聚較遠(yuǎn)時(shí),在控制點(diǎn)分布能滿足要求時(shí),為了降低外業(yè)操作難度,減少外業(yè)觀測(cè)過(guò)程中路途時(shí)間的耽擱,建議分段布設(shè)控制網(wǎng)。

（4）庫(kù)區(qū)泥沙淤積測(cè)驗(yàn)斷面維護(hù)及重建工程控制網(wǎng)的點(diǎn)位成線狀分布,控制點(diǎn)數(shù)量多,此類(lèi)控制網(wǎng)在布設(shè)時(shí)應(yīng)充分考慮測(cè)區(qū)沿線的國(guó)家起算點(diǎn),使起算點(diǎn)均勻的分布于控制網(wǎng)附近,另外還需考慮已知點(diǎn)獲取高精度起算數(shù)據(jù)進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)段觀測(cè)的網(wǎng)形布設(shè)。某庫(kù)區(qū)淤積斷面設(shè)施測(cè)量項(xiàng)目,全網(wǎng)共306 點(diǎn),其中起算點(diǎn)6 個(gè),采用6 臺(tái)高精度GPS 按同步環(huán)方法、E 級(jí)GPS 網(wǎng)精度聯(lián)測(cè),共計(jì)測(cè)設(shè)95 個(gè)同步環(huán),每個(gè)同步環(huán)1個(gè)時(shí)段,每個(gè)時(shí)段60 分鐘。為了獲得高精度的起算數(shù)據(jù),該網(wǎng)用4 臺(tái)GPS 分4 個(gè)同步環(huán)聯(lián)測(cè)4 個(gè)國(guó)家高等級(jí)控制點(diǎn),每個(gè)時(shí)段觀測(cè)4 h。

2.2 起算點(diǎn)分布不均勻時(shí)GPS 控制網(wǎng)的布設(shè)

工程控制網(wǎng)需要聯(lián)測(cè)高等級(jí)控制點(diǎn),并進(jìn)行約束平差。用于控制網(wǎng)的已知點(diǎn)至少應(yīng)達(dá)到3 個(gè),也可以聯(lián)測(cè)多個(gè)已知點(diǎn)作為檢核。已知點(diǎn)應(yīng)較均勻地布設(shè)在測(cè)區(qū)或測(cè)區(qū)的周?chē)?盡可能形成等邊三角形,已知點(diǎn)的分布應(yīng)避免成線狀,其點(diǎn)間距離應(yīng)大于工程控制網(wǎng)中所布設(shè)的點(diǎn)與點(diǎn)之間的最大距離,這樣可保證控制網(wǎng)不發(fā)生扭曲,保證整個(gè)控制網(wǎng)點(diǎn)精度的統(tǒng)一。

但是,隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,城鎮(zhèn)化的不斷建設(shè),國(guó)家高等級(jí)控制點(diǎn)缺失嚴(yán)重,常常出現(xiàn)高等級(jí)控制點(diǎn)不夠用的現(xiàn)象,大部分工程的控制網(wǎng)起算點(diǎn)都是要跑很遠(yuǎn)才能促夠,何談控制點(diǎn)的均勻分布、形成等邊三角形等要求,面對(duì)這樣的現(xiàn)實(shí)情況,我們只有通過(guò)盡可能布設(shè)合理的控制網(wǎng)形來(lái)減少起算點(diǎn)分布不均勻帶來(lái)的精度影響。

以某水庫(kù)工程可行性研究測(cè)量項(xiàng)目為例子進(jìn)行探討研究。該工程項(xiàng)目的3 個(gè)起算點(diǎn)距離測(cè)區(qū)直線距離均在20 km以上,起算點(diǎn)全部位于測(cè)區(qū)東側(cè),且?guī)缀鯓?gòu)成直線型,具體位置分布見(jiàn)圖3～圖5。

圖3 控制網(wǎng)方案一

圖4 控制網(wǎng)方案二

圖5 控制網(wǎng)方案三

圖3～圖5 中最右邊一排三個(gè)點(diǎn)位控制網(wǎng)起算點(diǎn),從圖3、圖4 中更能直觀地看到其分布的不科學(xué)性。圖3 和圖4 的網(wǎng)形圖形強(qiáng)度較弱,控制網(wǎng)形沒(méi)有閉合,容易發(fā)生扭曲,難以保證整個(gè)控制網(wǎng)點(diǎn)精度的統(tǒng)一,圖5 的網(wǎng)形在實(shí)際條件的限制下,盡可能地提高控制網(wǎng)圖形強(qiáng)度,相對(duì)圖3 和圖4 該控制網(wǎng)形是比較合理的,按照?qǐng)D5 全網(wǎng)共11 點(diǎn),采用5 臺(tái)GPS 接收機(jī),共觀測(cè)4 個(gè)時(shí)段,平均觀測(cè)時(shí)段數(shù)為1.8,全網(wǎng)共組成同步環(huán)40 個(gè),異步環(huán)60 個(gè),最弱邊相對(duì)中誤差為1/668885,最弱點(diǎn)位中誤差為0.0064 m。

3 GPS 靜態(tài)觀測(cè)的調(diào)度方式

1）靜態(tài)觀測(cè)的調(diào)度工作應(yīng)結(jié)合觀測(cè)時(shí)采用接收機(jī)的數(shù)量、車(chē)輛配備情況、各點(diǎn)位交通情況、觀測(cè)時(shí)段長(zhǎng)度情況等統(tǒng)籌安排,合理科學(xué)的編制GPS 靜態(tài)觀測(cè)調(diào)度表,調(diào)度表的內(nèi)容應(yīng)具體到人、具體到時(shí)間點(diǎn)、具體到點(diǎn)位、具體到測(cè)站。

2）對(duì)于個(gè)別通訊有困難的的點(diǎn)位,應(yīng)提前約定時(shí)間,盡量安排充裕的時(shí)間,以保證有效觀測(cè)時(shí)間能夠滿足要求。

3）在觀測(cè)調(diào)度過(guò)程中,偶爾會(huì)出現(xiàn)不可預(yù)測(cè)的突發(fā)情況,調(diào)度者應(yīng)提前做好應(yīng)急預(yù)案,熟知控制網(wǎng)形,以備關(guān)鍵時(shí)能夠合理的調(diào)整網(wǎng)形。

4 結(jié)語(yǔ)

GPS 控制網(wǎng)布設(shè)在實(shí)際工作中非常的靈活,在滿足布網(wǎng)基本原則的同時(shí),可根據(jù)實(shí)際條件和測(cè)區(qū)具體情況進(jìn)行布設(shè),合理的控制網(wǎng)圖形能增強(qiáng)圖形強(qiáng)度,減少精度損失,保證控制網(wǎng)精度統(tǒng)一,同時(shí)還能降低內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理的難度。

GPS 測(cè)量調(diào)度工作更是靈活多變的,但是每個(gè)項(xiàng)目都有其具體的特點(diǎn),調(diào)度計(jì)劃應(yīng)因地制宜,科學(xué)合理的調(diào)度可以減少路途耽擱,提高作業(yè)效率,達(dá)到事半功倍。