渭河下游GPS控制网的建立及其在淤积断面测量中的应用

2017-08-01张宇

陕西水利 2017年3期

关键词：渭河淤积测验

张宇

（陕西水环境工程勘测设计研究院，陕西西安710018）

渭河下游GPS控制网的建立及其在淤积断面测量中的应用

张宇

（陕西水环境工程勘测设计研究院，陕西西安710018）

渭河下游GPS控制网是渭河下游重要的淤积测验设施，近年来，渭河下游原有GPS控制点受到严重破坏，给渭河下游测量工作带来了较大困难。本文结合渭河下游D级GPS控制网重建项目，较细致的阐述了GPS控制网的布设和测量方法，以及GPS控制网在河道淤积断面测量中的应用，为类似项目提供了借鉴经验。

GPS控制网，淤积测验，GPS-RTK技术

1 概述

渭河，古称渭水，发源于甘肃省渭源县鸟鼠山，流经甘肃、陕西两省汇入黄河，是黄河最大的支流。渭河流域面积134766 km2，陕西境内面积33784 km2。渭河下游从咸阳至潼关吊桥全长208 km，本文所建立的控制网正处于这一区域。

近年来，随着渭河全线整治工程的陆续实施，渭河下游原有GPS控制点受到严重破坏，给淤积断面测量及相关工作带来严重的困难。

为保障渭河下游淤积断面测量及相关工作的正常开展，陕西水环境工程勘测设计研究院于2016年对渭河下游GPS控制网进行了重建，为渭河下游的淤积断面测量带来了便利。

本文将详细说明渭河下游D级GPS控制网的建立过程，对控制网成果进行分析。并介绍如何利用该控制网成果进行渭河下游淤积断面测量。

2 GPS控制网的建立

2.1 测区概况

工程概略位置为东经108°45'~110°18'，北纬34°21'~34°42'，上起渭河咸阳水文站，下至潼关入黄口，涵盖渭河淤积测验断面51条，涉及咸阳、西安、渭南三市。

2.2 平面系统与高程系统

本控制网等级为D级，分别采用了三套平面系统：2000国家大地坐标系、1980西安坐标系和三角山独立坐标系。

高程等级为三等，分别采用了1985国家高程基准、1956黄海高程系统和大沽高程系统。

本文仅以2000国家大地坐标系、1985国家高程基准为例，说明GPS控制网的建立过程。

2.3 控制点布设

在每条淤积测验断面线附近的左右大堤临（背）水堤肩上埋设GPS桩志1对。GPS桩志相邻平均间距2~4 km，相邻点最小距离不小于平均间距的1/3，最大距离不大于平均间距的3倍，且尽量保证通视[1]。断面间距较小的测验断面，每两条断面共用1对GPS控制点。此次，共布设GPS控制标石174个。

2.4 外业观测

渭河下游GPS控制网平面测量采用天宝R8、R6和5700等6台GPS接收机按D级精度施测，采用边连式组网，连测国家高等级起算点0031（敷水）、1347（豁口）、1345（双照镇），1339（渭南）、1336（碨峪乡）。控制网示意图详见图1。

图1渭河下游GPS控制网示意图

2.5 数据处理

渭河下游GPS控制网主要为渭河下游淤积断面测量提供基础数据，故控制网相关技术规定严格遵守《水利水电工程测量规范》（SL197-2013）。

采用天宝TBC软件进行基线解算，采用科傻GPS测量数据处理通用软件包进行平差处理和坐标转换。

（1）基线处理

解算前，对外业全部资料进行检查和验收，重点包括成果是否符合规范要求，观测数据质量分析是否合理等。

基线处理时，采用广播星历；观测值均加入对流层延迟修正，对流层延迟修正模型中的气象元素采用标准气象元素；基线解算按同步观测时段为单位进行；采用双差固定解。

（2）质量检验

①重复基线检核

GPS网基线处理结果，重复基线测量的差值ds应满足公式（1）、（2）的规定：

式中：σ为相应基线长度中误差，mm；a为相应等级控制网的固定误差，mm；b为相应等级控制网的比例误差系数，mm/km；D为平均边长，km。

《水利水电工程测量规范》（SL197-2013）D级GPS测量控制网，a=10 mm，b=10 mm，取平均边长为3 km，σ=31.6 mm，ds≤89.4 mm。

本次GPS控制网重复基线共141条，dsmax=22.3750 mm，dsmin=0.1625 mm，均满足限差要求。

②环线全长闭合差

异步环各坐标分量闭合差WX、WY、WZ及环线全长闭合差W应满足公式（3）的规定：

式中：n为闭合环中的边数；W为环线全长闭合差，单位为mm。

经计算，W≤284.4 mm。本控制网闭合环437个，Wmax= 133.01 mm，Wmin=0.32 mm，满足限差要求。

2.6 网平差计算

①无约束平差

基线向量检核符合要求后进行无约束平差，并提供各观测点在2000国家大地坐标系中的三维坐标、各基线向量三个坐标差观测值的改正数、基线长度、基线方位及相关的精度信息。

无约束平差的基线向量改正数绝对值（VΔX、VΔY、VΔZ），不应超过相应等级的基线长度允许中误差的3倍。即：

经计算，VΔX=VΔY=VΔZ≤94.8 mm。无约束平差结果，VΔXmax=3.71 mm，VΔYmax=9.64 mm，VΔZmax=5.89 mm，满足限差要求。

无约束平差边长相对中误差最小为1/9305000，边长相对中误差最大为1/277000。

②GPS网约束平差

利用无约束平差后的观测量，在2000国家大地坐标系下进行二维约束平差。经过对起算点的兼容性及正确性分析，以国家级控制点0031（敷水）、1347（豁口）、1345（双照镇），1339（渭南）、1336（碨峪乡）为起算数据进行二维约束平差，获得中央子午线为东经111°的6°分带19带2000国家大地坐标系的平面坐标。

将6°带2000国家大地坐标系成果采用科傻GPS数据处理系统软件进行换带计算，可以获得中央子午线为东经108°的3°分带第36带2000国家大地坐标系的平面坐标成果。

约束平差中，基线向量改正数与剔除粗差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），应满足公式（5）的要求[2]。

经计算，dVΔx=dVΔy≤63.2 mm。约束平差结果，dVΔxmax= 2.63 mm，dVΔymax=2 mm，满足限差要求。

约束平差边长相对中误差最小为1/6950000，边长相对中误差最大为1/207000。

3 高程控制测量

根据测区实际情况，在测区布设环线水准网，按三等水准测量要求联测各GPS控制点。以1339、Ⅰ豁灵26基上、Ⅰ西郑19、Ⅰ蒲渭13-1、Ⅰ永乐环19基上、1347为高程控制起算点。

本次三等水准测量共施测199个测段，共863.6公里，经统计测段往返测较差在1/3限差以内的有150个测段，占总数的75.4%；较差在1/3～2/3的测段有42测段，占总数的21.1%；大于2/3的测段有7个测段，占总数的3.5%。

计算所得每公里水准测量偶然中误差M△＝±1.88 mm（小于3.0 mm），每公里水准测量全中误差MW＝±3.87 mm（小于6.0 mm），满足《国家三、四等水准测量规范》要求。

4 渭河GPS控制网在淤积断面测量中的应用

淤积断面测量是在河道上布设的固定断面上进行陆地和水下地形测量。传统淤积断面测量采用全站仪测量，需要在断面线上布设大量的断面观测桩，耗资较大，精度低，且观测桩的保存也给淤积测验单位带来了一定的困难。

渭河下游GPS控制网的重建，使得GPS-RTK技术在渭河下游淤积断面测量中的应用成为了可能，为淤积断面测量带来了极大便利。

GPS-RTK测量的基本思想是：在基准站上安置一台GPS接收机，对所有可见的GPS卫星进行连续的跟踪观测，同时将观测数据利用无线电传输设备实时地传送给用户观测站。在用户观测站上利用GPS接收机在对GPS卫星信号进行接收观测的同时，也通过无线电接收设备接收基准站传输过来的观测数据。然后根据相对定位的原理，实时地计算并显示用户观测站的三维坐标和高程。

GPS-RTK技术具有精确导航、放线及测量功能，可以直接将测量人员导航至断面线上并测量出地形碎部点的三维坐标和高程。通过GPS导航功能，可以将测船精确导航到断面位置，并实时测量水面坐标，再配合测深工具，可以精确测量出水面测量点的水深，从而得到河底高程。

使用GPS-RTK技术进行淤积断面测量提高了淤积测量工作效率，降低了一线测验职工的劳动强度，减少了淤积断面设施的建设量，对于淤积测量工作来说，具有良好的社会效益和经济效益。

2016年渭河下游汛后淤积测量中，基于新建的渭河下游GPS控制网使用GPS-RTK技术进行了汛后淤积测量，极大的方便了测验人员的测量工作，保证了渭河淤积测验工作顺利完成，为研究三门峡库区河道冲淤变化提供了真实、实时的第一手资料。