湘桂運(yùn)河技術(shù)性課題研究階段控制測(cè)量實(shí)施探討

文章從起算點(diǎn)概況、控制網(wǎng)布網(wǎng)形式、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理與精度檢驗(yàn)等方面，詳細(xì)介紹了湘桂運(yùn)河技術(shù)性課題研究階段控制測(cè)量實(shí)施情況，以期為長(zhǎng)距離帶狀項(xiàng)目高精度平面控制測(cè)量和高程控制測(cè)量的實(shí)施提供參考和借鑒。

控制測(cè)量；基線(xiàn)解算；網(wǎng)平差；水準(zhǔn)測(cè)量

U612.1+3A642094

作者簡(jiǎn)介：

薛武申（1981—），高級(jí)工程師，主要從事測(cè)量專(zhuān)業(yè)生產(chǎn)和技術(shù)管理工作。

0" 引言

湘桂運(yùn)河是國(guó)家規(guī)劃“四縱四橫兩網(wǎng)”高等級(jí)航道網(wǎng)中縱向“漢-湘-桂”通道的南段組成部分，打通湘桂運(yùn)河通道，對(duì)縮短湖南等地區(qū)貨物至廣西沿海的水運(yùn)里程及降低運(yùn)送時(shí)間成本，具有重要的意義。

本文通過(guò)湘桂運(yùn)河技術(shù)性課題研究階段控制測(cè)量實(shí)施案例，重點(diǎn)對(duì)測(cè)量控制網(wǎng)的起算點(diǎn)概況、布網(wǎng)形式、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和精度檢驗(yàn)等步驟進(jìn)行了詳細(xì)闡述。

1" 項(xiàng)目概況

1.1" 測(cè)區(qū)概述

湘桂運(yùn)河是連接長(zhǎng)江水系與珠江水系的水系連通工程，自長(zhǎng)江的城陵磯起，溯湘江而上，沿瀟水上至兩江口入永明河，在江永縣附近的白令崗起經(jīng)過(guò)人工河跨越分水嶺，經(jīng)恭城河至平樂(lè)縣入桂江，后經(jīng)桂江從平樂(lè)縣至梧州進(jìn)西江航運(yùn)干線(xiàn)，全長(zhǎng)約1 262 km，其中湖南省境內(nèi)長(zhǎng)約934 km，廣西壯族自治區(qū)境內(nèi)長(zhǎng)約328 km。線(xiàn)路方案共有5個(gè)，分別為東1線(xiàn)、東2線(xiàn)、新東2線(xiàn)、東3線(xiàn)和東2-東3線(xiàn)連接線(xiàn)。

根據(jù)項(xiàng)目課題研究需要，需對(duì)推薦方案東1線(xiàn)廣西段（省界（龍虎關(guān)）經(jīng)恭城河至平樂(lè)縣）區(qū)域進(jìn)行測(cè)量，全長(zhǎng)約90 km，測(cè)圖比例尺為1∶2 000。故需布設(shè)測(cè)量控制網(wǎng)，作為地形圖測(cè)量的依據(jù)。

1.2" 控制測(cè)量目的

控制測(cè)量的目的是建立準(zhǔn)確、可靠、統(tǒng)一的測(cè)量基準(zhǔn)，對(duì)控制全局，限制測(cè)量誤差累積具有重要作用。提供可靠的控制測(cè)量成果，是保證地形圖測(cè)量精度的前提，亦是后續(xù)勘察、征拆調(diào)查、規(guī)劃設(shè)計(jì)與建設(shè)順利開(kāi)展的重要保障。

2" 控制測(cè)量實(shí)施

控制測(cè)量的實(shí)質(zhì)是測(cè)量控制點(diǎn)的平面位置和高程，測(cè)定控制點(diǎn)的平面位置工作，稱(chēng)為平面控制測(cè)量，測(cè)定控制點(diǎn)的高程工作，稱(chēng)為高程控制測(cè)量。需遵循的原則是：從整體到局部，先控制后碎部，平面控制網(wǎng)與高程控制網(wǎng)一般分別單獨(dú)布設(shè)，也可以布設(shè)成三維控制網(wǎng)［1］。

此外，還應(yīng)綜合考慮項(xiàng)目實(shí)際如起算點(diǎn)距離、聯(lián)測(cè)方式、點(diǎn)位密度、成果精度及經(jīng)費(fèi)節(jié)約等因素。

2.1" 起算點(diǎn)概況

平面控制起算點(diǎn)按GPS-D級(jí)，共有“X001、X002、X003、X004、X005”5點(diǎn)，主要通過(guò)聯(lián)測(cè)廣西GXCORS基準(zhǔn)站點(diǎn)，由廣西壯族自治區(qū)自然資源信息中心負(fù)責(zé)解算并提供，精度滿(mǎn)足平面坐標(biāo)的起算點(diǎn)。高程控制起算點(diǎn)由廣西壯族自治區(qū)自然資源檔案博物館處申領(lǐng)，主要有“Ⅰ荔梧10-1、Ⅰ荔梧9-1、Ⅱ全二57、Ⅱ全二54、Ⅱ全二47、Ⅲ平道11”共6點(diǎn)，均勻分布且能覆蓋測(cè)區(qū)，滿(mǎn)足高程起算點(diǎn)的要求。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)踏勘，均保存完好。

2.2" 控制網(wǎng)網(wǎng)型布設(shè)

控制網(wǎng)的網(wǎng)型設(shè)計(jì)，是保證控制網(wǎng)精度的基礎(chǔ)。控制點(diǎn)位置通?？紤]網(wǎng)型強(qiáng)度、點(diǎn)位均勻和引測(cè)方案等因素，在天地影像圖上進(jìn)行預(yù)布設(shè)（見(jiàn)圖1）。埋設(shè)時(shí)到實(shí)地確認(rèn)選定點(diǎn)位位置，主要原則如下：（1）易于安裝設(shè)備、視野開(kāi)闊；（2）目標(biāo)顯著，視場(chǎng)周?chē)?5°以上無(wú)障礙物；（3）遠(yuǎn)離大功率無(wú)線(xiàn)電發(fā)射源，其距離≥200 m，遠(yuǎn)離高壓輸電線(xiàn)，其距離≥50 m；（4）交通方便，有利于其他觀測(cè)手段擴(kuò)展與聯(lián)測(cè)的地方；（5）基礎(chǔ)穩(wěn)固，便于保存［2］。標(biāo)心采用不銹鋼釘，點(diǎn)面規(guī)格為300 mm×300 mm［3］。首級(jí)GPS-D級(jí)點(diǎn)布設(shè)間距約為12 km，次級(jí)GPS-E級(jí)點(diǎn)在GPS-D級(jí)點(diǎn)基礎(chǔ)上進(jìn)行加密，平均點(diǎn)間距約為2.5 km。

高程控制點(diǎn)與平面點(diǎn)共用標(biāo)石，不單獨(dú)埋設(shè)高程控制點(diǎn)。

2.3" 平面控制測(cè)量

GPS衛(wèi)星定位具有高精度、高效率和低成本的優(yōu)點(diǎn)［4］。通過(guò)同步觀測(cè)相同GPS衛(wèi)星來(lái)確定多條基線(xiàn)向量，利用這些觀測(cè)量的不同結(jié)合（求差）進(jìn)行相對(duì)定位，可有效消除或減弱相關(guān)誤差（如衛(wèi)星鈡差、衛(wèi)星星歷誤差、電離層延遲、對(duì)流層延遲等）的影響，故可提高相對(duì)位置的精度，從而使這種方法成為精密測(cè)量定位中主要的工作方法［5］。

平面控制測(cè)量采用GPS靜態(tài)模式，同步環(huán)間采用邊連式。

湘桂運(yùn)河技術(shù)性課題研究階段控制測(cè)量實(shí)施探討/薛武申，鄧華貴

2.3.1" 外業(yè)數(shù)據(jù)采集

外業(yè)觀測(cè)采用5臺(tái)南方銀河1雙頻接收機(jī)進(jìn)行，觀測(cè)時(shí)段數(shù)≥1.6；D級(jí)點(diǎn)觀測(cè)時(shí)段長(zhǎng)度≥2 h（參照廣西壯族自治區(qū)自然資源信息中心解算相關(guān)要求）；E級(jí)點(diǎn)觀測(cè)時(shí)段長(zhǎng)度≥40 min；衛(wèi)星高度角≥15°，有效觀測(cè)衛(wèi)星數(shù)≥4；數(shù)據(jù)采樣間隔10 s；天線(xiàn)安置的對(duì)中誤差≤2 mm；兩次丈量天線(xiàn)高度差≤3 mm［6］。

2.3.2" GPS-D級(jí)網(wǎng)數(shù)據(jù)處理

GPS-D級(jí)點(diǎn)X001、X002、X003、X004、X005與GXCORS系統(tǒng)基準(zhǔn)站JZ18、JZ85、JZ88、JZ92、JZ95和J102的同步觀測(cè)數(shù)據(jù)組成GPS控制網(wǎng)，采用TBC V5.0進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，COSAGPS V6.0進(jìn)行平差解算，平面精度準(zhǔn)確可靠，最終提供GPS-D級(jí)點(diǎn)平差成果。在此不作詳述。

2.3.3" GPS-E級(jí)網(wǎng)數(shù)據(jù)處理與精度檢驗(yàn)

2.3.3.1" 基線(xiàn)解算

GPS-E級(jí)網(wǎng)基線(xiàn)處理采用南方GNSS數(shù)據(jù)處理軟件V4.05。數(shù)據(jù)處理前對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)文件進(jìn)行檢查，輸入各測(cè)站的實(shí)際天線(xiàn)高，并禁止觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量較差的時(shí)段參與解算。合格標(biāo)準(zhǔn)為外業(yè)數(shù)據(jù)剔除率應(yīng)＜10%；復(fù)測(cè)基線(xiàn)長(zhǎng)度較差σ≤22σ；相鄰點(diǎn)間基線(xiàn)向量的弦長(zhǎng)中誤差應(yīng)按式（1）計(jì)算：

σ=±a2+（b·D）2（1）

式中：

σ——基線(xiàn)向量的弦長(zhǎng)中誤差（mm）；

a——接收機(jī)標(biāo)稱(chēng)精度固定誤差（mm）；

b——接收機(jī)標(biāo)稱(chēng)精度比例誤差系數(shù)（mm/km）；

D——相鄰點(diǎn)間基線(xiàn)長(zhǎng)度（km）。

靜態(tài)基線(xiàn)解算前對(duì)采樣間隔、高度截止角，參考衛(wèi)星對(duì)流層電離層改正模型的標(biāo)準(zhǔn)氣象元素進(jìn)行常規(guī)設(shè)置，方差比設(shè)置＞3，中誤差＜0.04，在此設(shè)置下進(jìn)行基線(xiàn)解算。初步解算結(jié)束后，對(duì)部分不合格的基線(xiàn)調(diào)整參數(shù)后進(jìn)行重新處理直至合格，由于多余觀測(cè)較多，對(duì)部分難以調(diào)整合格的基線(xiàn)可以直接剔除（剔除基線(xiàn)后最簡(jiǎn)閉合環(huán)仍為3條），其余基線(xiàn)精度指標(biāo)均在規(guī)范要求的限差范圍內(nèi)。本項(xiàng)目重復(fù)基線(xiàn)總數(shù)為25條，剔除了3條不合格基線(xiàn)，其余22條基線(xiàn)均滿(mǎn)足限差要求。其中，重復(fù)基線(xiàn)較差最大值見(jiàn)表1。

異步環(huán)是保證控制網(wǎng)可靠性的重要指標(biāo)，本項(xiàng)目共有39個(gè)異步環(huán)，各坐標(biāo)分量閉合差統(tǒng)計(jì)情況見(jiàn)表2。

其中，閉合差最大的環(huán)為交X039-X030-X029，環(huán)平均邊長(zhǎng)為5.29 km，WX=-23 mm，WY=-32 mm，WZ=-18 mm，限差為38 mm，滿(mǎn)足規(guī)范要求。異步環(huán)相對(duì)誤差最大的環(huán)為X040-X030-X029，環(huán)平均邊長(zhǎng)為3.87 km，相對(duì)誤差為5.55 ppm，滿(mǎn)足要求。

2.3.3.2" GPS網(wǎng)平差

首先在WGS-84坐標(biāo)系中進(jìn)行三維自由網(wǎng)平差，通過(guò)三維自由網(wǎng)平差可發(fā)現(xiàn)觀測(cè)中的粗差并消除其影響。另外，可檢驗(yàn)和評(píng)估控制網(wǎng)的內(nèi)部精度。三維自由網(wǎng)無(wú)約束平差后，基線(xiàn)分量改正數(shù)絕對(duì)值見(jiàn)表3，均滿(mǎn)足限差要求。

其中，基線(xiàn)分量改正數(shù)最大的基線(xiàn)為X027-X005，基線(xiàn)長(zhǎng)7.1 km，基線(xiàn)分量改正數(shù)VΔX=11.44 mm，VΔY=-22.7 mm，VΔZ=-8 mm，限差為26 mm。

約束平差前對(duì)D級(jí)GPS點(diǎn)進(jìn)行內(nèi)部符合性檢驗(yàn)，選取X001、X003、X005作為約束點(diǎn)，X004、X002作為檢核點(diǎn)，平差后的值與已知點(diǎn)值進(jìn)行比對(duì)，X004：dx=+1.2 cm，dy=-1.8 cm；X002：dx=+1.2 cm，dy=-0.2 cm。

最后，將所有已知點(diǎn)進(jìn)行強(qiáng)制約束平差，平差后相鄰點(diǎn)基線(xiàn)水平分量中誤差平均為2.0 mm，最大為16.4 mm（規(guī)范要求相鄰點(diǎn)基線(xiàn)水平分量中誤差應(yīng)≤20 mm），基線(xiàn)相對(duì)中誤差最大為1/149 093，約束平差后各基線(xiàn)相對(duì)中誤差精度統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表4。

約束后GPS-E級(jí)點(diǎn)平面精度統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表5。

由表5可知，約束平差后各未知E級(jí)點(diǎn)的平均點(diǎn)位中誤差為6.1 mm，最弱點(diǎn)“X038”點(diǎn)位中誤差為10.1 mm（限差為50 mm）。

2.4" 高程控制測(cè)量

高程基準(zhǔn)采用1985國(guó)家高程基準(zhǔn)。高程控制測(cè)量按四等（或三等）水準(zhǔn)測(cè)量的方式作業(yè)。水準(zhǔn)測(cè)量是高程測(cè)量中最常用、最精密的測(cè)量［7］。

沿測(cè)區(qū)布設(shè)一條四等水準(zhǔn)路線(xiàn)，沿線(xiàn)控制點(diǎn)聯(lián)測(cè)國(guó)家高等級(jí)水準(zhǔn)點(diǎn)。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)踏勘，根據(jù)點(diǎn)位分布的情況，平樂(lè)縣城至沙子鎮(zhèn)沿線(xiàn)起算點(diǎn)分布不滿(mǎn)足四等水準(zhǔn)觀測(cè)要求，故本段引測(cè)1條三等水準(zhǔn)線(xiàn)路，起算點(diǎn)為Ⅰ荔梧10-1和Ⅰ荔梧9-1，水準(zhǔn)結(jié)點(diǎn)為X002，引測(cè)的三等水準(zhǔn)成果X002作為本工程四等水準(zhǔn)的起算點(diǎn)。

2.4.1" 數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集使用徠卡數(shù)字水準(zhǔn)儀，它是以傳統(tǒng)光學(xué)水準(zhǔn)儀為基礎(chǔ)，應(yīng)用現(xiàn)代電子技術(shù)和微型傳感器等先進(jìn)工藝發(fā)展起來(lái)的，融合電子技術(shù)、圖像處理技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)于一體，能夠進(jìn)行幾何水準(zhǔn)測(cè)量的數(shù)據(jù)采集與處理的儀器。它利用數(shù)字圖像處理技術(shù)，人工完成照準(zhǔn)和調(diào)焦之后，把由條紋標(biāo)尺進(jìn)入望遠(yuǎn)鏡的條碼分劃影像，成像在光電傳感器，即線(xiàn)陣CCD器件上，利用圖像處理技術(shù)在相對(duì)較短的時(shí)間內(nèi)完成包括條碼尺的讀數(shù)、數(shù)據(jù)記錄、計(jì)算和處理［8］。

測(cè)量前按規(guī)范要求對(duì)Ⅰ角進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)＜20″后投入使用。外業(yè)觀測(cè)采用中絲法，三等水準(zhǔn)測(cè)量按“后前前后”的順序觀測(cè)，最大視線(xiàn)長(zhǎng)度為75 m，前后視距差＜3 m，前后視距累積差＜6 m，間歇前后高差之差＜3 mm；四等水準(zhǔn)測(cè)量按“后后前前”的順序觀測(cè)，最大視線(xiàn)長(zhǎng)度為100 m，前后視距差＜5 m，前后視距累積差＜10 m，間歇前后高差之差＜5 mm。

使用的水準(zhǔn)儀經(jīng)法定檢定機(jī)構(gòu)檢校，并在有效期內(nèi)使用。本次引測(cè)2段三等閉合水準(zhǔn)路線(xiàn)，6段四等附合水準(zhǔn)線(xiàn)路，均為常規(guī)水準(zhǔn)路線(xiàn)無(wú)跨河，共聯(lián)測(cè)6個(gè)已知等級(jí)控制點(diǎn)，聯(lián)測(cè)40個(gè)未知平面控制點(diǎn)。部分水準(zhǔn)線(xiàn)路圖見(jiàn)圖2。

2.4.2" 數(shù)據(jù)處理

閉合差是判斷水準(zhǔn)測(cè)量外業(yè)觀測(cè)成果質(zhì)量的主要依據(jù)，本項(xiàng)目8段水準(zhǔn)路線(xiàn)閉合差均在限差要求內(nèi)，詳見(jiàn)表6。最終將閉合差按照測(cè)段距離定權(quán)進(jìn)行高程改正，得到未知點(diǎn)高程。

2.4.3" 精度檢驗(yàn)

水準(zhǔn)測(cè)量中每公里高差全中誤差是衡量觀測(cè)精度的一項(xiàng)重要指標(biāo)。本次三等水準(zhǔn)路線(xiàn)全長(zhǎng)53.4 km，計(jì)算得水準(zhǔn)線(xiàn)路每公里高差全中誤差為3.56 mm，小于±6 mm；四等水準(zhǔn)線(xiàn)路全長(zhǎng)190.5 km，水準(zhǔn)線(xiàn)路每公里高差全中誤差為8.14 mm，小于±10 mm，滿(mǎn)足規(guī)范要求。

2.5" 應(yīng)用成效評(píng)價(jià)

上述通過(guò)對(duì)平面控制測(cè)量和高程控制測(cè)量的實(shí)施進(jìn)行介紹，重點(diǎn)闡述起算點(diǎn)分布及網(wǎng)形布設(shè)的合理性，介紹了平面、高程控制測(cè)量的實(shí)施流程、技術(shù)要點(diǎn)和精度評(píng)定方式，各項(xiàng)指標(biāo)均符合相關(guān)規(guī)范的要求，解決了湘桂運(yùn)河技術(shù)性課題研究階段地形圖測(cè)量對(duì)控制點(diǎn)可靠精度的需求，保障了項(xiàng)目前期調(diào)查研究、勘察設(shè)計(jì)等各項(xiàng)工作的有序開(kāi)展。

3" 結(jié)語(yǔ)

測(cè)量控制網(wǎng)作為工程項(xiàng)目的起算基準(zhǔn)，是確保測(cè)量精度，保證測(cè)繪成果質(zhì)量的基礎(chǔ)。本次湘桂運(yùn)河技術(shù)性課題研究階段控制測(cè)量的成功實(shí)施，為今后類(lèi)似項(xiàng)目的測(cè)量控制提供了成功的借鑒參考。

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20240408