南水北调东线鲁北段建筑物变形观测网建设

张运保，任泽俭，杨文绪

（1.南水北调东线山东干线有限责任公司，山东 济南 250109；2.山东扬华地理信息有限公司，山东 济南 250000）

南水北调东线一期工程山东段主体工程于2013年底完工，目前处于工程运行初期。山东段设计上缺乏全线统一的高精度控制网，各设计单元没有高精度基准点或者基准点点位选择离建筑物太近，导致工作基点无法校核，不能按安全监测相关技术要求开展安全监测工作，需要对南水北调山东段重点建筑物变形观测网进行土工建设和初始值观测。

1 项目建设主要内容

1.1 土建部分

涉及1座水库工程、13座渠道建筑物工程变形观测网的完善和建设。主要包括：平面高程基准网建设，包括选点、埋石、整饰；工作基网建设，包括工作基点的建设、改造及监测点的改造。

1.2 初始值观测部分

GNSS控制测量：15个B级GNSS基准点观测、平差计算，54个C级GNSS工作基准点观测、平差计算。

水准测量：15个基准点、共235.2km一等水准路线观测、平差计算，54个工作基点、共33km一等水准路线观测、平差计算。

2 初始值观测

2.1 平面观测已有资料分析

山东省连续运行GNSS基准站（SDCORS）在山东范围内共建设104站，2010年通过国家验收，精度为±0.5mm，等级为A级。国内IGS永久站：佘山、房山、泰山、武汉、西安等，精度属于国家A级控制点。上述SDCORS站、IGS永久站，等级高、稳定性强且部分为基岩点，经综合分析：本项目平面基准网计划采用基于山东省连续运行GNSS基准站（SDCORS）和IGS永久站的GNSS点观测模式进行测量，将SDCORS站点：平阴（基岩）、柳埠（基岩）、聊城、临清、夏津、武城、章丘、莘县、高唐等点约10～15座CORS站与国家IGS站佘山（基岩）、房山（基岩）、泰山（基岩）、武汉（基岩）、西安（基岩）等作为起算数据。平面工作基网计划采用GNSS点观测模式，以本项目基准网中的基准点作为起算数据，SDCORS站参与联测；监测网计划采用直接在基准点、工作基点上施测观测点或者以部分工作基点作为起算数据，设置临时测站施测观测点。

2.2 高程观测已有资料分析

能够搜集到的高程资料有：1）国家现代测绘基准一期工程资料（2016年成果，尚未公开发布）；2）山东省测绘基准体系优化升级成果（2014年成果，2017年发布，以下简称优化升级成果）；3）2006年华东、华中区域似大地水准面精化成果。经查涉及鲁北段的一等水准路线有Ⅰ邯兖线、Ⅰ石济线，为国家现代测绘基准一期工程所测，2016年完成，通过国家验收，可以使用。但距离测区较远，于山东省地理信息中心无法搜集到公开发布的成果资料，难以利用。测区附近有Ⅱ德禹线、Ⅱ临聊线、Ⅱ莘聊线、Ⅱ德临线、等优化升级成果53点，经实地踏勘有40个保存完好可以使用，该成果为山东省地理信息中心现有的最新成果，拟选择部分点作为本次高程测量的起算点使用。搜集到大地水准面精化二等水准点64个、三等水准点34个，可选择部分标石保存完好的水准点作为水准测量的沿途水准点使用。

2.3 精度控制

基准点按GNSSB级静态观测，工作基点采用GNSSC级静态观测，高程观测按一等水准测量方法观测。

2.4 水准线路设计

项目基准点、工作基点均按一等水准精度观测，为提高观测的精度，应增加多余观测，同时避免出现支水准路线的情况。布设该样式水准路线，沿途水准点密度不足时，利用沿途其它等级水准点、GNSS点。

2.5 数据处理

2.5.1 参考依据

1）2000 国家大地坐标系；2）ITRF2014 参考框架、2018.832参考历元；3）采用1985国家高程基准；4）正常重力椭球采用CGCS2000参考椭球；5）坐标系统采用2000国家大地坐标系。

2.5.2 技术指标控制

1）B级GNSS点相邻点基线水平分量中误差不低于±5mm；2）B级GNSS点相邻点基线垂直分量中误差不低于±10mm；3）一等水准测量每千米偶然中误差不应超过±0.45mm；4）一等水准测量每千米全中误差不应超过±1.0mm。

2.5.3 数据处理工艺流程

采用高性能数据存储和处理服务器，高精度数据处理软件，确保数据处理工作正常、高效进行及处理结果的准确性和可靠性。

2.5.4 GNSS数据平差方案

GNSS数据处理采用美国麻省理工学院的GAMIT/GLOBK软件10.60版本。

2.5.4.1 三维无约束平差

为检查GNSS观测是否含有粗差及系统误差，考察和评定GNSS网的内部精度和基线向量观测精度，在2000国家大地坐标系下，约束所选取周边国家基准站，对B级GNSS网做三维无约束平差。

2.5.4.2 基线向量改正数检验

三维无约束平差，基线分量的改正数绝对值（VΔN、VΔE、VΔU）应满足以下公式的要求：

其中：σ为B级GNSS网基线测量中误差。

2.5.4.3 平差原则

1）2000国家大地坐标系成果平差方案。在2000国家大地坐标系下，约束本项目所选取的LNDD、LNHL、BJFS、HELY、HAHB、HAQS、AHAQ、TAIN、JSLY、SDRC共10个国家基准站，做三维约束平差，获得本项目B级GNSS点2000国家大地坐标系坐标。

2）ITRF14参考框架、2018.832参考历元成果平差方案。首先，在ITRF14参考框架、2018.832参考 历 元 下 ， 约 束 CHUM、IRKJ、YSSK、LHAZ、WUHN、SHAO、IISC、PIMO、CHAN、BJFS10 个 GPS连续运行站，做三维约束平差，获得本项目所选取10个国家站ITRF14参考框架、2018.832参考历元下坐标。其次，在ITRF14参考框架、2018.832参考历元下，约束本项目所选取的LNDD、LNHL、BJFS、HELY、HAHB、HAQS、AHAQ、TAIN、JSLY、SDRC共10个国家基准站，做三维约束平差，获得本项目B级GNSS点ITRF14参考框架、2018.832参考历元下坐标。

2.5.5 一等水准网数据平差方案

一等水准网数据处理采用自然资源部大地测量数据处理中心自主开发的“精密水准测量数据处理软件”。

2.5.5.1 平差模型

1）误差方程式：

V＝BX－L

式中：V改正数矩阵；B系数矩阵；X未知数矩阵；L常数项矩阵。

2）法方程式矩阵：

BT＝PBX－BTPL=0

式中：P为观测值权矩阵。

3）线性方程组的解算及校验：

解算：

a：结点高程计算 X＝（BTPB）-1BTPL

b：测线改正数计算V＝BX-L

校验：

4）权的确定：

P＝C/N

式中：C为一选定常数；N为一条水准路线测站总数。

5）精度估计：

式中：r为多余观测量个数。

式中：Qii为第i个结点的协因数。

2.5.5.2 平差方法

一等水准网平差采用间接平差法，以加过标尺长度改正、正常水准面不平行改正、重力异常改正、固体潮改正、海潮负荷改正后的往返测高差中数为元素、待定结点高程为未知数，按路线测站数定权进行结点平差。当结点高程及路线高差平差改正量计算完成后，采用附合路线平差的方法推求其他各水准点的高程。

3 结语

项目建设历时1年，新建基准点16处，工作基点52处，观测点改造140处，开展了相应观测及数据处理工作，完成了重点建筑物变形观测网建设工作，为南水北调东线鲁北段工程变形观测和工程的安全运行打下了坚实的基础，也为类似线型工程变形观测网建设提供了较好的经验。