水利工程GPS平面控制测量技术要求的确定

向垂规

(云南省红河州水利水电勘察设计研究院，云南蒙自 661100)

1 引言

目前，GPS测量技术在水利工程测量领域已得到广泛应用，是进行控制测量的主要方法。进行水利工程控制测量时，涉及到GPS控制测量技术要求的规范主要有:《全球定位系统(GPS)测量规范》(GB/T 18314—2009)、《工程测量规范》(GB 50026—2007)、《水利水电工程测量规范》(SL 197—2013)、《水电水利工程施工测量规范》(DL/T 5173—2003)。然而，四种规范对GPS测量的技术要求及等级分类不一致，进行水利工程控制测量的技术设计、施测、成果解算及精度评定时，测量人员由于选用过高或过低的技术要求，而导致控制测量成果精度过高浪费成本，或精度过低不能满足实际需要。本文结合中小型水利工程平面控制测量的实践，对四种规范中GPS平面控制测量技术要求的内容进行了对比分析，以便在工程应用中能选用合适的技术要求进行数据处理及成果精度分析。

2 四种规范中GPS测量的技术要求

2.1 全球定位系统(GPS)测量规范［1］

《全球定位系统(GPS)测量规范》适用于国家和局部GPS控制网的设计、布设和数据处理，按精度和用途分为 A、B、C、D、E 五个等级，涉及工程测量的有 C、D、E级。其中，C级GPS测量主要用于建立三等大地控制网，以及区域、城市及工程测量的基本控制网;D级GPS测量主要用于建立四等大地控制网;E级GPS测量主要用于测图、施工等控制测量。布网时测区范围内点位应均匀分布，相邻点间最大距离不应超过该网平均点间距的2倍，各等级GPS网的主要技术指标见表1。

表1 全球定位系统(GPS)测量规范中各等级GPS网的主要技术要求

2.2 工程测量规范［2］

《工程测量规范》主要用于大、中型工程测量项目的控制测量，规范中GPS测量按精度分为二等、三等、四等、一级、二级五个等级。进行中、小型工程测图或施工GPS控制测量时可采用四等及以下等级。各等级GPS网的主要技术指标见表2。

表2 工程测量规范中各等级GPS网的主要技术要求

2.3 水利水电工程测量规范［3］

《水利水电工程测量规范》主要针对水利水电工程测量，可用于大、中型水利工程测量项目的控制测量。该规范是2013年版，现时性最好，其中GPS测量按精度分为二等、三等、四等、五等、图根五个等级，进行中、小型水利工程测图及施工控制测量时可采用四等及以下等级。布网时相邻点最小距离不应小于平均点间距的1/3，最大距离不应大于平均点间距的3倍，各等级GPS网的主要技术指标见表3。

表3 水利水电工程测量规范中各等级GPS网的主要技术要求

2.4 水电水利工程施工测量规范［4］

《水电水利工程施工测量规范》主要用于水电水利工程施工阶段的GPS控制测量，按相邻点的平均距离和精度分为二等、三等、四等三个等级。布网时相邻点间最小距离可取平均距离的1/2～1/3，最大距离可取平均距离的2～3倍。对于中型水电水利工程，GPS网平差后，首级平面控制网的点位中误差应满足±(7～10)mm，各等级GPS网的主要技术指标见表4。

表4 水电水利工程施工测量规范中各等级GPS网的主要技术要求

3 水利工程GPS平面控制网平差流程

应用GPS静态测量建立平面控制网，得到基于WGS—84大地坐标系中的基线向量，通过基线解算及引入参照坐标系的起算数据进行网平差计算，可得到参照坐标系中的平面坐标［5］。GPS控制网的静态数据处理采用南方测绘GNSS4.4数据处理软件进行时，主要计算步骤包括:ⓐ工程项目的建立;ⓑ导入原始观测数据;ⓒ外业数据的检查与修改;ⓓ基线解算及质量检查;ⓔ平差计算(无约束平差和约束平差计算)及精度分析与评定;ⓕ平差成果输出。下面就涉及技术要求选择的几个步骤说明如下。

3.1 控制网等级参数的设置

建立工程项目时首先要进行控制网的等级、坐标系统的椭球参数、投影参数及项目名称等项的设置。如下图所示，由于该软件控制网等级列表中没有水利工程测量GPS控制网等级选项，所以在控制网等级设置时可根据软件中的列表选择其他相近的等级参数，或根据水利工程控制测量的规范要求进行自定义设置固定误差a、比例误差b、最弱边相对中误差及平均距离。

南方测绘GNSS4.4数据处理软件中控制网等级设置图

3.2 外业观测数据的质量检查

3.2.1 基线长度中误差

基线长度中误差是衡量相邻点基线长度观测精度的标准差，在四种规范中都用下式表示。

式中 σ——基线长度中误差，mm;

a——固定误差，mm;

b——比例误差系数，mm/km;

D ——平均边长，km。

各规范中不同等级的a、b限差值不同，实践中a、b值一般取仪器的标称精度或在标称精度和限差值之间取值，D值取控制网中的平均边长。

3.2.2 闭合环质量检查

闭合环包括同步环和异步环，是检验基线质量、控制网布网粗差的指标。四种规范对闭合环的坐标分量限差及全长闭合差限差都不相同，具体介绍如下:

在《全球定位系统(GPS)测量规范》中，规定异步环坐标闭合差Ws和各坐标分量闭合差(Wx、Wy、Wz)应满足公式(2)要求，同步环闭合差应满足公式(4)的要求。

在《水利水电工程测量规范》中，规定异步环各坐标分量闭合差及环线全长闭合差满足公式(2)要求，而对于同步环各坐标分量闭合差的限差值为异步环闭合差限差值的1/2。

在《工程测量规范》中，规定异步环各坐标分量闭合差及环线全长闭合差满足公式(3)的要求，同步环各坐标分量闭合差及环线全长闭合差满足公式(5)的要求。

在《水电水利工程施工测量规范》中，规定异步环各坐标分量闭合差及环线全长闭合差满足公式(3)的要求，而对于同步环坐标分量及环线全长闭合差的限差为固定值，如表5所列。

式中 n——闭合环边数(南方GNSS数据处理软件中闭合环均由三条基线边组成);

σ——基线长度中误差，mm;

表5 水电水利工程施工测量规范中同步环坐标分量及环线全长闭合差的规定

在水利工程GPS控制测量时闭合环质量检查可按《水利水电工程测量规范》要求进行，兼顾《水电水利工程施工测量规范》中同步环坐标分量及环线全长闭合差限差的规定。

3.2.3 重复基线长度较差

重复基线的长度较差和重复基线相对误差是衡量基线质量的一个必要的因素，在四种规范中重复基线长度较差均应满足公式(6)的要求

式中 σ——基线长度中误差，mm;

Δd——两次观测基线的长度较差。

3.2.4 控制网观测精度评定

在《工程测量规范》中，对外业观测数据校验合格后，要依据公式(7)对GPS网的观测精度进行评定，得到控制网的测量中误差m值，并满足m≤σ，而其他规范中无此要求。进行中小型水利工程GPS控制测量时，可参照此公式进行控制网观测精度的评定。

式中 m——控制网的测量中误差，mm;

N——控制网中异步环的个数;

n——异步环的边数;

W——异步环环线全长闭合差。

3.3 平差计算

基线向量检验合格后，可进行无约束平差和约束平差。无约束平差用来评定GPS网的内符合精度和粗差探测，而约束平差则能够确定点在指定参照系下的坐标。

3.3.1 无约束平差

无约束平差通常在WGS—84大地坐标系中进行，采用的观测量为GPS基线向量，除了引入一个提供位置基准信息的起算点坐标外，不再引入其他的外部起算数据。在四种规范中，无约束平差时，基线向量的改正数绝对值 (VΔX、VΔY、VΔZ)可按《全球定位系统(GPS)测量规范》的规定满足公式(8)的要求。

VΔX≤ 3σ VΔY≤ 3σ VΔZ≤ 3σ (8)

式中 σ——基线长度中误差，mm。

3.3.2 约束平差

GPS约束平差可实现GPS控制网与用户坐标之间的转换，平差时，对已知点坐标、已知距离和已知方位，可以强制约束，也可以加权约束，平差结果输出观测点在相应坐标系中的三维或二维坐标、基线向量改正数、基线边长、方位、转换参数及其精度信息。在四种规范中，约束平差时，基线分量的改正数与经过粗差剔除后的无约束平差结果的同一基线相应改正数较差的绝对值(dVΔX、dVΔY、dVΔZ)可按《全球定位系统(GPS)测量规范》的规定满足公式(9)的要求。在中小型水利工程测量中，GPS控制网约束平差的最弱边相对中误差还应满足表3中相应等级的规定。

dVΔX≤ 2σ dVΔY≤ 2σ dVΔZ≤ 2σ (9)

式中 σ——基线长度中误差，mm。

4 结语

进行水利工程GPS控制网的技术设计、数据采集、数据处理和精度分析时，应根据工程规模、精度要求、项目所处阶段正确选择相应等级的技术要求。

a.对于勘察设计阶段的中小型水利工程的首级控制网，一般可按《水利水电工程测量规范》布设四等或五等GPS控制网。与国家高等级控制网联测时，可根据联测点的等级及距离远近，先布设等级较高的控制网，再在测区内进行同级扩展、加密或越级布设。对于施工阶段的GPS平面控制网，可布设成与勘察设计阶段控制网有联系的独立网。

b.进行外业数据质量检查及控制网平差精度分析时，可首选《水利水电工程测量规范》中的技术要求，为满足施工测量需要，应兼顾《水电水利工程施工测量规范》的技术要求，如控制点联测基线长度大于20km时，则采用《全球定位系统(GPS)测量规范》的技术要求进行数据处理。

c.利用南方测绘GNSS4.4数据处理软件进行静态数据处理时，在解算前建立工程项目时要进行正确的参数设置。对于有较短基线边时，基线长度中误差σ值计算、固定误差a值和比例误差b值可适当高于标称精度，D的取值可用平均边长值。■

［1］ GB/T 18314—2009全球定位系统(GPS)测量规范［S］．北京:中国标准出版社，2009．

［2］ GB 50026—2007工程测量规范［S］．北京:中国计划出版社，2008．

［3］ SL 197—2013水利水电工程测量规范［S］．北京:中国水利水电出版社，2013．

［4］ DL/T 5173—2003水电水利工程施工测量规范［S］．北京:中国电力出版社，2003．

［5］ 黄丁发，熊永良，周乐韬，等．GPS卫星导航定位技术与方法［M］．北京:科学出版社，2009．