浅谈水利工程控制测量

李 宁

(新疆伊犁州水利电力勘测设计研究院，新疆 伊宁 835000)

控制测量的目的是为地面的大比例成图、施工放样、变型观测和地下控制测量传递地面坐标，建立整体的控制基础，从而控制全局、限制测量误差的传递和积累，保障测量工作的相对精度。在测区内，按测量任务所要求的精度，测定一系列控制点的平面位置和高程，建立起测量控制网，作为各种测量的基础，这种工作称为控制测量。控制网具有控制全局、限制测量误差累积的作用，是各项测量工作的依据。对于水利工程测量，常需布设专用控制网，作为施工放样和变形观测的依据。

1 项目概述

麻杆沟水库Ⅱ库位于伊犁河谷西部北岸的果子沟牧场东侧麻杆沟之中，地理位置在东经80°56'～81°00'，北纬 44°11'～44°20'之间，隶属霍城县境内，仅能通过路况较差的乡村土路到达，交通条件较差。

2 作业执行技术标准

a.《工程测量规范》(GB 50026—2007)。

b.《三四等水准测量规范》(GBT 12898—2009)。

c.《全球定位系统(GPS)测量规范》(GB/T 18314—2009)。

3 设计方案

3.1 等级及主要精度指标

此次测量目的主要是为了建立库区主坝址及库区内的施工控制网。平面控制工作量:布设测量E级精度的GPS点6个需联测GPS等级点3个;平面控制工作量:施测四等水准路线长度32km需联测国家四等水准点以上的基准点。

3.2 已有测绘成果资料及其利用

经收集资料及实地踏勘，发现在测区西部分布有1个国家一等水准点，点名为五库31，距离测区约12km左右，将其作为该项目高程控制(四等水准)测量的起算点。测区南部有一个GPS控制点(JH02)，北部有两个GPS控制点(GB09、DB02)，分布比较均匀，几何图形强度及精度指标较好。该次E级GPS网测量起算点采用这三个点，成果精度高、质量可靠。

3.3 测绘仪器

使用s82双频GPS接收机(5mm+5ppm)进行静态观测，水准测量使用Sprinter 250型电子水准仪观测，并确保所使用的测量仪器在检定有效期内。

4 平面控制测量

4.1 GPS控制点的选埋及观测

斜井及通风井布设E级GPS控制网点，以满足矿井建设需要。点位应选在基础稳定、土质坚实的位置，以便长期保存利用。周围应便于操作和安置接收机设备，并保证视野开阔，视场内障碍物的高度角小于15°。应远离大功率无线电发射源［如电视台、微波站等］，其距离大于400m;远离高压输电线，其距离不得小于200m。附近应避免有强干扰卫星信号接收的物体，并尽量避开大面积水域和大型建筑物。GPS待定点具体位置由技术人员现场选定，每点均应保证至少与一个邻近点通视。

GPS作业时应采用静态模式(常规静态或快速静态)观测。观测的基本要求如下表1所示。

测区以GB09、DB02、JH02为起算点，沿矿区主副

表1 E级GPS静态相对定位测量的技术指标

观测时应量取仪器高两次，两次读数差不大于5mm，并记录于观测手簿中。

观测点的标志面中心至天线垂直距离采用特制专用测高弯尺上的白式指标线直接读数，读取至1mm。每测站观测前后应各量取天线高一次，两次量高之差不应大于3mm，取平均值作为最后天线高。GPS测量作业基本技术规定应符合《GPS规范》的要求。

4.2 E级GPS网外业数据采集

以GB09、DB02、JH02三个 GPS点作为起算点，在测区均匀布设6个 E级 GPS点，点名分别为 Z1、Z2、Z3、F1、F2、F3。该网由 58个同步环构成，平均边长2km。观测采用的技术指标包括:有效观测卫星总数≥4;观测时段中任意卫星有效观测时间≥15min;时间段长度≥50min;位置精度衰减因子(PDOP)≤6;观测卫星高度角≥15°;数据采样间隔10s。

E级GPS相关精度要求见表2。

表2 E级GPS网的精度要求

4.3 外业观测遵循的操作规程

观测人员严格遵守调度命令，按时段要求一个时段记录一个“观测文件外业手薄”;接收机在开机前和作业过程中，及时逐项填写测量手簿中的记录项目，基座上气泡居中;开机后及时观察各指示灯的变化，判断观测数据记录是否正常，电量是否充足，内存储器是否已满。

4.4 E级GPS网外业数据的处理计算及检核

GPS网外业数据平差处理软件采用GPS数据处理软件包GPSPro Ver4.0平差软件。为了避免选取不相互独立的基线，造成平差结果与真实状况不符情况的发生，此次基线解算都选取相互独立的基线。由于E级GPS网由多个时段观测组成，因此，所选取的独立基线均构成闭合的几何图形。对于基线质量的好坏，依据RMS、RDOP、RATIO值来判定，并尽量选取边长较短的基线向量。此次GPS网基线解算，首先将所有基线向量按多基线解算模式进行基线解算，然后依据上述质量控制指标对所有基线向量进行优化(如删除时间段，改变卫星高度角、删除卫星等)，剔除不合格的基线，最后在处理合格的基线中选择独立基线重新用多基线解算模式处理，因此，本次GPS网基线解算的结果是可靠的。

4.4.1 GPS网无约束平差的作用

无约束平差能够评定GPS网的内部符合精度，发现并剔除GPS观测值中可能存在的粗差;通过无约束平差可求得GPS网中各个点在WGS—84系下的三维空间直角坐标;为将来进行的高程拟合，提供了经过平差处理的大地高数据。

4.4.2 E级GPS网无约束平差的过程

依据设计好的GPS控制网形选择好独立基线，构成由独立基线组成的GPS控制网;将独立基线拖入网平差栏中;先按缺省设置运行平差计算，经分析，闭合环和重复基线测试全部通过，说明观测的基线是可靠的，按照系统提示将先验单位权中误差设置为1.85重新运行;查看后验单位权中误差，判断观测值的随机误差和先验方差的匹配程度，其值理论上应为1，此次无约束平差值为0.95，最小二乘平差测试通过。

4.4.3 无约束平差的数据检核

计算同步边平差值的中误差和相对中误差，按照《全球定位系统(GPS)测量规范》要求，同步边每一时段平差值的中误差应小于0.1m，基于平差软件可以自动进行该项测试，此次GPS网无约束平差，在环闭合差和重复基线测试的参数栏内平面输入为“e=0.05m，a=8ppm”，高程输入为“e=0.1m，a=16ppm”，程序检核测试通过。

4.4.4 同步环、异步环闭合差的检核

随着定位技术的迅速发展，GPS测量数据处理软件的功能和自动化程度不断增强和提高，此次GPS网无约束平差的同步环检核由平差软件自动完成并通过测试。在GPS外业数据处理后，依据所计算的限差对各时段构成的同步环进行了全面的检验，其精度符合要求。

4.4.5 三维约束平差

采用GPS作业方式施测控制网，首先根据外业采集的数据解算出基线，利用基线组成WGS-84坐标系统中的自由网，进行无约束平差，在网本身的内符合精度达到要求后，确定有效的观测量，选定起算数据，使用1954年北京坐标系81°带的数据模型计算出尺度比、平移和旋转参数并得到GPS网中未知点在万分之一坐标系中的成果。由于整个GPS网所用的基线均为GPS静态解，因此可使用等权平差完成。E级GPS网在高斯平面上的三维约束平差后，对重复基线、环闭合差也进行了统计测试，高程精度略低，但各项精度指标均符合规范要求。

5 高程控制测量

高程控制点与平面控制点共用埋石标志。水准测量采用电子水准仪进行观测，并出具有效鉴定证书。高程测量成果的概算及检验高程概算中须加入水准尺每米真长误差及正常水准面不平行性误差的改正并进行水准测量路线闭合差及限差的检查。水准高程网采用《附闭合水准路线平差程序》进行平差计算。成果包括:路线闭合差及其限差、环线闭合差及其限差、各测段高差中误差、各测段高差平差值及各点高程平差值。

高程系统的确定及布设方案:已知点与GPS点之间联测全部采用四等水准观测。高程系统为1956黄海高程基准。四等水准测量观测采用徕卡电子型水准仪进行往返观测。使用的水准仪及标尺，观测前均经测绘仪器计量检定维修站进行全面的检定。对使用的水准仪i角每天观测前进行实地检查。四等水准测量每测站照准标尺的顺序为:ⓐ后视标尺;ⓑ后视标尺;ⓒ前视标尺;ⓓ前视标尺。水准测量观测的高差中高差较小故未进行尺长改正。对往返测高差超限的，全部进行返工重测，确保其高差的正确。水准平差检核:闭合差容许值

测量控制成果质量可靠、精度优良，完全能满足国家四等水准测量精度。

6 成果说明

平面控制测量采用8台S82GPS接收机(标称精度:5mm+5ppm×D)进行;高程控制测量采用电子水准仪Sprinter 250施测。GPS基线解算及网平差采用随机软件《南方测绘GPSPro Ver4.0》进行。

平面控制网中最弱点为“F003”，其点位中误差为±0.380mm，规范限差为±10mm;四等水准测量为一条支水准路线;高差闭合0.0065mm，限差=±20×SQRT(L)=±81mm，每 km偶然中误差为±4.2980mm，小于规范规定 ±5mm，符合规范要求。成果中控制点均为标石顶部高程，各控制网点均为混凝土埋石。作业中所使用仪器均经测绘质量技术监督部门检定合格，成果质量满足规范要求。■

1 孔祥元，梅是义.控制测量学(上册)［M］.武汉:武汉大学出版社，1996.

2 华锡生，黄腾.精密工程测量技术及应用［M］.南京:河海大学出版社，2002.