河南省新密煤田某详查区平面控制测量方法

王志武

(河南省煤田地质局一队 河南新郑 451100)

河南省新密煤田某详查区平面控制测量方法

王志武

(河南省煤田地质局一队 河南新郑 451100)

为了满足大比例尺测图和煤田地质勘探工程测量的需要,本文讨论了在煤田地质详查区建立控制点的精度要求,根据该精度要求和相关规范建立了控制网,平差和精度评定表明GPS定位是建立煤田地质详查区平面控制网的最优方法之一,同时指出了 GPS测量应注意的问题,得出了有益的结论。

煤田地质 控制测量 GPS

1 引言

某详查区位于河南省新郑市、长葛市和尉氏县三个县市的交界处,地理坐标为东径113°42′24″～113°52′50″,北纬34°19′04″～34°22′45″。京广铁路、京珠高速公路在区内南北穿过,107国道和郑(州)—平(顶山)—南(阳)省道在测区西部南北经过,登杞地方铁路在测区北部东西向擦边而过。郑州国际机场在测区北部约23公里处,交通十分方便,进出测区方便快捷。本区属暖温带大陆性干旱性季风气候,年均气温15.7℃,冻土期为每年的12月至次年的3月份,冻结深度10～15cm,积雪最大厚度20cm。区内有双洎河呈南东流向穿过,总体地势西高东低,比较平坦,平均海拔标高110m。

本区平面控制测量的任务是完成E级 GPS点25个(其中包括5个已知点),埋设标石16座,利用旧点 4个,控制面积 100km2;施测四等水准97.6km,四等水准点3个(其中埋设新点两座,利用旧点1个),E级GPS点联测四等水准15点。

2 煤田地质详查对平面控制测量精度的要求

煤田地质详查工程的测量工作主要是进行地表工程位置的布设和测定,这些工程位置的定位放样,其相关位置误差和它对邻近已知点的位置误差,一般工程不超过±20cm,主要工程不超过±10cm。如果按一般工程±20cm考虑,则工程位置点 P1的相对点位中误差和它对邻近已知点 P2的相对点位中误差为

P1或 P2的点位中误差应为:

如果工程位置是在最低一级基本控制点上进行,一般多采用经纬仪或全站仪极坐标法,将工程位置的设计坐标放到实地,或测定地面工程位置的坐标,这样其工程位置的总误差,一般是由起始误差和测量本身误差所组成,按照误差累积定律,则有:

式中:m控——最低一级基本控制点的点位中误差;

m放——工程位置点的放样中误差(一般工程要求为±5cm,主要工程要求为±2.5cm)。

对于主要工程要求更高一些,应按工程位置放样点 P1,P2的相对点位允许±10cm考虑,由上述关系式同理可得:

根据以上论证和分析,勘探区的一般工程施工放样和定线定位所需的控制精度,应以最低一级控制点的点位中误差不超过 ±5cm(相对误差 1/ 20000)的精度指标较为适合,这样,其相邻点间的相对点位中误差为7.07cm.这个精度对一般勘探区各阶段的测量工作都能满足。对于重要的工程施工放样和定线定位所需的控制精度,应以最低一级基本控制点的点位中误差不超过±2.5cm(相对误差1/ 40000)的精度指标较为适合。这样,其相邻点间对点位中误差为±3.54cm。

3 已有成果、成图资料

3.1 已有地形图

区内的地形图有以下3种,均系1954年北京坐标系和1956年黄海高程系,作为本次控制网设计、选点等施工使用。

(1)1971年总参测绘局出版的1/2.5万地形图;

(2)河南煤田地质局制印厂1988年编绘的1/万地形图;

(3)河南煤田地质局物测队1978年航测法所成的1/5千地形图。

3.2 已有平面控制点

(1)本区所用一、二等三角点系国家测绘总局所作,执行规范为《一、二、三、四等三角测量细则》。

(2)三、四等三角网由原河南煤田地质局大地测量组,总参大地三队相继于1958～1959年所作。分南、北部两次施测,作业中分别依据原地质部制定的规范和国家测绘总局制定的三角测量细则进行,北部三等网测角中误差为±0.79″,平差后方向中误差为0.66″,最弱边相对误差(未考虑起算边)为 1/ 214500。南部三等网测角中误差为±1.13″平差后为±1.52″,最弱边相对误差为(未考虑起始边)为1/86000。四等点均构成网或典型图形,平差计算采用条件分组平差,进行严密平差,各项限差均符合规范要求。1963年原国家测绘总局一分局将该区三等观测资料收集并参与统一平差,1965年出版正式成果,部分四等点经总参测绘局重新观测计算,于1965年一同出版。

4 作业依据与平面控制测量布网方案

4.1 作业依据

(1)《全球定位系统测量规范》,GB/T 18314-2001;

(2)《煤炭资源勘探工程测量规程》,1987;

(3)《测绘产品检查验收规定》,CH1002-95;

(4)《本测区技术设计书》。

4.2 坐标系选择及长度测量投影变形值估算

采用1954年北京坐标系,三度分带,高斯正形投影,带号为“38”,中央子午线114°。

(1)1000m地表长度投影到参考椭球面上的变形:

上式中:测区大地水准面与参考椭球面差距 hm= 39m;测区平均曲率半经R≈6370445m;测区平均高程 H=105m。

(2)参考椭球面上1000m长度归算到高斯平面上的变形:

△Y为测区测站点到中央子午线的垂直距离(横坐标自然值)。

(3)投影变形值:

依式(3)～(5)估算,测区东、西投影变形值见表1。

表1计算数据说明,本测区地表长度投影变形值符合规范规定的(±2.5cm)的要求。

表1 测区东、西投影变形值

4.3 平面控制布网方案

如图1所示,根据勘探设计对控制网的要求,选用E级GPS控制网。共选定了20个GPS点,GPS控制网平均边长为4.5km(勘探区内平均边长则为1.9km)。且每个点都有1～2个通视方向,便于常规测量观测时利用。

图1 平面控制布网方案

4.4 控制网选点、埋石

(1)选点

在野外进行实地选点时,均依据设计布网方案选定GPS点位,力求点位均匀分布。同时考虑点位的稳固性,便于长期保存和利用。根据 GPS测量的自身特点,避免对 GPS信号产生多路径误差的影响,点位周围比较开阔,没有大型建筑物及反射物体,同时远离大功率无线电发射源。点名与村名一致,便于寻找,与旧点重合者,其点名不变。

(2)埋石

埋设预制混凝土普通标石,顶面刻制“GPS、E、2005”等字样,中心标志用φ14×300mm钢筋,下端制成“L”形,上端制成弧状,中心钻一个 φ2×5mm小孔,标石埋置时,各层标石的标志中心在同一垂线上,其偏差不大于2mm进行分层夯实,使其稳固,并及时作了登记和委托保管书。

5 控制网观测实施

5.1 外业观测技术要求

(1)使用的仪器和精度:本次使用4台中海达GPS接收机,其中两台为 HD-5800N型双频接收机,两台为 HD-8200E型单频接收机。其仪器标称精度均为:平面精度,±(5mm+1ppm×D);垂直精度,±(10mm+2ppm×D)。

(2)GPS外业观测技术指标(见表2)

表2 GPS外业观测技术指标

5.2 外业观测的措施

在外业观测中,卫星接收很稳定,一般能接收6～7颗卫星信号,最少能接收6颗,最多时能收到8颗卫星信号。

E级GPS网外业观测采取由东向西边连接方式。测前已对光学对点器进行校正,作业中精密对中,其对中误差小于3mm。测站上天线架设高度距地表面大于0.5m,仪器高测前测后各量一次,互差不大于3mm,取中数为最终仪器高,记入记录表中。

测区内原有6m寻常钢标一座(小楼黄),橹柱是角钢,对信号影响不大,天线放置在标石中心观测。

吴岗和吴庄两已知点,附近有树,对其进行了修剪,减弱或消除了对GPS信号的影响。吴庄已知点已被围在村庄内,但附近是低矮的平房,且离点较远,都在10m以外,对GPS信号影响较小。

由于整网平均边长较短,外业数据采集时间在较远的已知点吴岗、小楼黄为120分钟,其余点为60分钟。

为了评估外业观测成果质量,确保外业成果的真实可靠,当天的数据都进行了处理和检核。从解算后基线质量看,精度较好。

E级GPS网主要条件特征如表3所示。

w表3 控制网主要条件特征

6 GPS网标准差与数据检验

6.1 GPS网标准差

本测区施测的E级GPS网平均边长4.5km,因此E级GPS网相邻点间基线长度精度,即标准差为:

式中:固定误差 a=10mm;比例误差 b=20ppm;d为平均边长。

6.2 GPS网数据检验

(1)同步环检验:由于每个时段有4台 GPS接收机进行同步观测,共检验33个同步环。对组成GPS网的基线向量所在的同步环进行了检验,坐标增量最大闭合差(绝对值)分别为△X=0.010m;△Y=0.014m;△Z=0.013m。见附件“E级GPS控制网平差报告”。

规范规定三边同步环坐标增量闭合差为:

式中:n—闭合环边数,σ—标准差。

因为n=3,所以WX=WY=WZ=31mm,W=54mm

根据统计结果知,同步环闭合差都小于限差,且绝大部分在限差1/3以内,充分证明外业仪器性能稳定,采集的数据质量可靠。

(2)异步环检验:该网中共检验25个异步环,异步环能较好的反映出 GPS网内部结构强度。异步环坐标增量最大闭合差之绝对值分别为 △X= 0.009m;△Y=0.016m;△Z=0.009m。

依规范的公式估算,异步环坐标增量闭合差允许值为:

式中:n—闭合环边数,σ—标准差。

当 n分别为3、4条时,闭合差允许值分别是: 0.468m、0.540m。

根据统计结果知,全网异步环坐标增量闭合差不超过允许值的1/3,进一步证明 GPS外业数据采集质量是准确的。

(3)重复边观测质量的检验:为检验外业观测条件和作业质量,对网中重复观测边进行检验,见表4。

表4 重复边观测质量的检验结果

7 结论

通过E级GPS网三维无约束平差(WGS-84系中)表明,GPS网内符合精度最低为1/20万,最弱点位中误差为11.4mm。通过二维约束平差(54北京坐标系)各控制点精度很高,优于规范要求。河南省某煤田地质详查区平面控制测量还证明了以下结论:

采用GPS技术进行高等级控制网的测量具有高精度、全天候、高效率、多功能、操作简便等优点。

GPS技术用于煤田地质详查区控制测量在资金和时间上有明显优势。用较短的作业时间达到了预期的目的。为保证按时完成其他测绘工程打下了坚实的基础。

2009年11月18日)