四等控制网在宜(宾)威(信)高速公路初测中的建立

2020-01-05冯玉全

中国新技术新产品 2020年1期

冯玉全

（四川省交通勘察设计研究院有限公司，四川成都 610000）

0 引言

宜宾至威信高速公路（四川境）A 标段起于四川省宜宾市高县来复镇，止于长宁县宜叙高速，全长约30 km。该高速是川滇两省重要的交通纽带，该高速公路建成后，将和宜叙高速、宜威高速长宁至威信段衔接起来，连接起四川宜宾和云南威信，将对沿线地区的交通和经济社会发展起到很大的推动作用。在高速公路初步设计阶段，建立控制网将对以后的测图、纵横断面测量乃至施工测量提供基础数据。控制测量出了问题，对以后的其它测量甚至设计、施工都会带来较大的损失。文章通过探讨3个方面的内容，意义在于分享一些控制测量的经验，提出一些观点、意见，希望能够给相关的工程项目带来一些参考价值。

1 奥维地图选点，全设GPS点

传统选点方法为手拿小比例尺地形图和手持GPS，把地图和现场地形地物进行比对，使用手持GPS 来量距、存点，按设计线路来选点。而使用奥维互动地图，选点者在手机上就能够进行定位、定向、发送资料、聊天，在Google卫星混合图界面下，选点者可以找路、量距、存点等。小比例地形图精度不高，时效性不强，初学者很难判读，手持GPS 功能单一，不够直观。但是，奥维地图精度高，及时更新，易学易用，功能全面，非常直观，完全颠覆了传统。

传统公路控制测量往往需要布设一级附合导线。在受植被影响，通视条件困难的情况下，强行布设附合导线往往出现一段附合导线导线点数量过多，长边接短边的现象。导致了导线精度低，不合格。而全部布设GPS 点方案，只需两两通视，这样既方便选点又保证了平面精度。在工作效率上和导线测量差不多。

2 四等平面控制网的建立

按照《公路勘测规范》的要求，沿线路平均约500 m 布设一个GPS 控制点。同步观测时，同步时间≥45min，设置接收机数据采样间隔为10 s，卫星高度截止角为15°。进行观测时，由于使用的是4 台三星双频GPS 接收机，故采用边联的方式依次向前推进。最终建立起测区的GPS 自由网，首尾控制点直线距离约29 km。

通过在奥维上展点，分析国家点的位置，C 级国家点G519 、G522 分别在自由网的首尾，直线距离36 km 左右，能够有效的约束整个自由网。国家点G521 位于线路的中部，距离线路垂直距离约9 km。此次，接测了G519、G522。G519、G522、G001、G052 四点同步观测2 h 以上。

按照《公路勘测规范》的要求，“选择路线平面控制测量坐标系时，应使测区内投影长度变形值不大于2.5cm/km”[1]，即小于1/40000。为什么会有这样的要求呢？如果达不到这样的要求，会对工程造成怎样的影响呢？有这样的要求是因为想把测量误差控制在一定的范围以内。如果达不到这样的要求，使用全站仪作业时就会出现矛盾。

由于参考椭球面是球面，通过高斯投影，把球面线段投影到平面上必然会产生误差。而全站仪是基于当地水平面操作的。如果长约1 km 的一线段的投影误差较大，例如达到10 cm/km，那么，使用全站仪测得该线段的距离和投影坐标反算的距离是对不上的。误差可能达到10 cm。这样，使用全站仪在线段两端的控制点上分别放样同一坐标点，现场的位置误差是很大的。特别是在高海拔地区，如果不考虑投影变形误差，而直接采用国家标准坐标系，使用全站仪进行施工测量时会出现错误。

因此，在国家标准坐标系不能满足1/40000 投影变形要求时，需建立工程独立坐标系。其建立过程如下：在GPS 平差软件里建立一个标准CGCS2000 坐标系工程，通过平差得到平面坐标；把平差坐标放入编写好的小程序，查看由中央子午线和投影面联合变形产生的误差值。如果小于1/40000，则达到要求，反之，需调整中央子午线和投影面来建立工程独立坐标系。重复上面的步骤。

在小程序里面，主要使用到的公式：

式中：△S/S为高斯平面上长度变形相对误差；ym为两端点的平均横坐标值；R为地球曲率半径；D归为归算高程面的平距；D测为施测高程面的平距边长；H测为施测高程面高程；H归为归算面高程；R归为归算高程面相应纬度的地球曲率半径加上归算面高程。

小程序截图如图1 所示。

据相关理论，选择中央子午线和投影面时，可以按照以下3 种方法考虑。1）单考虑中央子午线时，如果测区位于中央子午线左右45 km 以内时，投影变形不大于1/40000。2）单考虑投影高程面时，测区最高或最低高程与投影面高程之差不大于159 m 时，投影变形不大于1/40000。3）当测区东西走向大于90 km 时，需要考虑多个中央子午线；当测区最高或最低高程与投影面高程之差大于159 m 时，需要考虑多个投影面。需要把二者结合起来计算。当建立一个独立坐标不能满足要求时，需要建立多个独立坐标系。

通过小程序计算，该项目选择高斯投影、CGCS2000 椭球、中央子午线105°、投影高为0 m 的国家标准坐标系时，投影变形值均＞1/40000；当选择中央子午线105°、投影高为400 m 的工程独立坐标系时，投影变形值基本满足要求。

针对国家点，两国家点G519、G522 的Y 值带号为18，表明其中央子午线为105°。因此其坐标无需换代，可以直接参与平差计算。平差计算的步骤有3 个。1）在国家标准坐标系下平差，以一个国家点为起算点，检查另外一个点的坐标。经检查，该项目另外一个国家点坐标差值在mm 级，表明国家点坐标无错误。2）用2 个国家点进行约束平差，得到国家标准坐标系下的GPS 点平面坐标，输出标准坐标。3）把标准坐标再投影到400 m 投影面上。也可以先把国家点换算到400 m 的投影面上，然后在GPS 平差软件里建立中央子午线105°、投影高为400 m 的工程独立坐标，用换算过后的国家点坐标直接进行平差，得到独立坐标系坐标成果。

值得考虑的是，在未接测第三个国家点时，如何避免国家点的粗差，保证国家点的精度？

3 高程控制测量

按照《公路勘测规范》的要求，“高程控制测量应采用水准测量或三角高程测量的方法进行”[1]。本控制网每一个控制点兼有平面坐标和高程，大部分段落通视条件较好。在进行高程控制测量时，故决定采用三角高程测量。此法工作效率更高。

通过收集测区高等级水准资料，已知点G519、G522 具有国家二等水准高程，两点直线距离36km，测区附近再无其他水准资料。通过初步估算，三角高程路线长度将达到50 km 以上。按照《公路勘测细则》的要求，当附合水准路线长度超过规定时，应采用双摆站的方法进行测量，路线长度不得超过50 km。该次三角高程测量路线长度50.1 km，高程闭合差-135.0 mm，每公里高差中误差9.79 mm，达到全长闭合差小于20mm,每公里高差中误差小于10mm的规范要求。

根据《公路勘测细则》，四等水准高程控制测量每公里高差中数全中误差需小于10 mm[2]。三角高程控制网的精度指标虽然达到规范的要求，但误差值已经接近临界值。为了提升三角高程测量的精度，作者对于优化水准网的意见是，在路线的中部加测1 个三等水准点，缩短路线长度。