基于河北省CORS网的高层建筑轴线投测质量研究

任镇生 李志鹏 何晓晨

(1.石家庄铁道大学，河北 石家庄 050043; 2.河北省建筑科学研究院，河北 石家庄 050022)

1 项目背景、国内外现状及意义

1.1 研究背景

随着我国经济的快速发展，为了提高土地利用率、增强城市集约化管理等需求，高层、超高层建筑如雨后春笋层出不穷。

GPS是当今控制测量的主要方法之一,已成功应用于工程测量、工程变形测量等相关领域。近年来GPS接收机的体积逐渐变小、重量逐渐变轻及导航卫星精准度的不断提高,RTK技术的发展和CORS的全国覆盖，相关软硬件的发展给GPS用于各种工程测量提供了有利的条件。实践证明,在简化操作、提高精度、缩短测量时间方面,GPS测量的优势更加明显。GPS测量技术以定位速度快，可以减少工程基本控制网点密度等特点在交通、水利等工程测量中有广泛应用。

希望GPS技术在高层建筑主轴线交点放样和轴线投测上能够较好的应用。

1.2 国内外现状

由于GPS定位技术的优越性，观测受环境影响较小，相对定位精度可以达到10-7～10-8次方，在测绘领域得到广泛应用。近年来国家大力推行CORS定位系统，将卫星定位推向新的高潮。国内已有学者作了一些该方面的研究工作，如开发CORS在线坐标转换服务软件，定制测区的CORS转换参数，建立高精度坐标转换格网模型等。在高层建筑工程GPS定位控制上也有一些学者做了相关研究工作。国内研究由于各类工程较多因此相对于国外更加活跃一些。

1.3 意义

WGS84与CGCS2000均为地心坐标系，1954北京坐标系和1980西安坐标系均属于参心坐标系。“参心”即参考椭球的中心，地心坐标系则是以地球质量为中心。两者各有自己的优点：参心坐标系和某一区域的大地水准面最接近，成图方便；而地心坐标系所选用的是与整个大地水准面最接近，适合描述空间位置和运动。由于工作中存在多个坐标系，必然使得点位在不同的坐标系统中的坐标不同，导致测绘成果应用受限，因此必须要坐标转换。工程实践中对控制网的精度要求很高，研究坐标转换精度在实践工程中具有重要意义。

大部分工程中采用的是任意坐标系,该坐标系将城市的平均高程面选为基准面,坐标定向为当地的正北方向。这样形成的坐标系使投影形变为最小。要想利用GPS进行工程测量，必须将获得的WGS-84坐标转换为当地坐标,这就需要确定坐标变换参数和进行坐标变换。因此在若干已知原坐标系的点上进行重合观测,用布尔莎7参数模型通过平差计算求定坐标变换参数。坐标经过平移、旋转、尺度缩放等变换才能应用于相应的工程中。

目前高层建筑的轴线投测方法主要有以下几种:

第一，锤球铅直投测法。该方法使用时间已经很长，由于精度较低，易受外部影响，在高层或超高层建筑中极其不便，所以使用较少。

第二，经纬仪斜向投测法。经纬仪斜向投测法要求控制点远离建筑物，城市内的施工场地由于范围小，楼层之间影响较大，且经纬仪对于温度有一定要求，所以使用不多。

第三，激光垂准仪法及经纬天顶仪、天底仪竖向投测法。这些方法精度高，施测方便，是目前高层建筑施工中常用的方法。但这些方法要求在楼板上留设空洞，且须保持通视孔畅通，随着建筑物高度增加，由于外界条件的影响会增大测量难度。

第四，GPS测量技术。GPS定位精度高、速度快、施测方法简单、受外界条件影响较小，可以实时提供任一点的坐标，是建筑施工的理想测量方法。

将GPS测量得到的坐标值转换为地方独立坐标值，转换参数的精度是关键，坐标转换的精度除受坐标转换的数学模型和进行重合观测的公共点坐标精度和公共点的数量影响外,还和公共点的几何图形结构有关。所以,在具体操作中应有足够数量和足够精度的公共点，同时应考虑其几何图形，另还应注意起算点的匹配问题等。不同的计算软件有不同的算法，导致不同的计算质量,进而导致不同的转换参数质量。

目前石家庄的房建施工单位现状是由于缺乏测绘专业技术人员、相关成果数据和软件，主要利用CORS网和GPS接收机，河北省测绘资料档案馆CORS中心给定的转换参数，获取CGCS2000坐标，然后利用工程独立坐标点，通过点校正，解算转换参数，直接在工程中使用，并没有研究转化质量。也很少有施工单位能自主进行较高精度的坐标转换。不同的情况下比较点的放样质量也会不同，不同地区例如海拔不同的地区的影响，以及椭球面法线与铅垂线角度对建筑物垂直度的影响问题，涉及的相关计算是很复杂的。很多因素都会导致点位放样质量的不同，使CORS放样结果不能满足规范的垂直度等要求。因此，设计常见高层住宅(约23层，高度70 m左右)用CORS直接放样和传统的全站仪、激光垂准仪放样和轴线投测在石家庄地区的对比实验，总结规律，形成CORS在高层建筑工程中的主轴线交点和轴线投测工法，对高层建筑测量是非常有实用意义的。

2 项目实施内容及过程

由于问题复杂，难于分析和精度计算推导，所以为了检测此项技术是否能够满足应用,设计基于石家庄的房建施工单位现状的测量对比试验如下：

在石家庄地区找一栋主体完工的在建高层(约23层，高度70 m左右)，分别在12层约35 m处和顶层约70 m处设计安装脚手架搭设的悬挑支架，保证悬挑支架的刚度和与建筑连接的稳固。在悬挑支架下方地面上做一个点位，在悬挑支架上安置透明的激光标靶板用来标明点位位置。

测量方案一：采用高精度激光铅垂仪竖向投点，在35 m处和70 m处悬挑支架的激光标靶处留下光斑，标明了点位投测位置，作为与其他方案的比对基准。

测量方案二：用全站仪(中纬ZT80按照DB11T 446—2015建筑施工测量技术规程做二级边角网)和水准仪(S3作三等水准)在地面围绕建筑物做一个3个～4个点的控制网，场地较平坦，控制点间距300 m左右，做独立坐标系获取控制点独立坐标系坐标，用GPS接收机(南方RTK系列S82)利用CORS网测这些控制点的CGCS2000坐标。试验点独立坐标系坐标用全站仪测出，利用GPS作点校正后(即用随机软件7参数模型平差解算转换参数)进行地面试验点点位放样，比较放样点的位置。然后在35 m处和70 m处利用GPS进行地面试验点X,Y坐标放样，在悬挑支架处标明点位，见图1，图2。

比较测量方案的点位放样结果，总结规律，得出结论，编写工法。

连续运行卫星定位参考站网(CORS)能提供实时差分信息服务，还能提供后差分解算等其他服务。河北CORS系统采用虚拟参考站(VRS)技术。VRS技术模式是一种双向通信模式，流动站用户需要将包含自己坐标的信息，发送至CORS数据中心，数据中心根据概略坐标计算出差分改正信息发送给用户，用户利用修正概略值得到厘米级的精确坐标。

将一个点在一个三维坐标系中转换到另一个三维坐标系中常见的三维转换模型有武测模型、布尔莎模型，此外还有范式模型、莫洛金斯基模型和维斯模型等，以上模型都是七参数模型，七个参数分别是三个坐标平移量、三个坐标轴的旋转角和一个尺度参数，七参数的模型很多但都可以明确的解析关系进行相互换算，因此实质上是等价的。其中布尔莎(Buras)模型三维空间的直角坐标的转换模型，没有投影变形和模型误差，最为广泛的应用，任何区域的坐标转换都可使用。七参数转换模型如下：

其中，(ΔX,ΔY,ΔZ)为平移参数;(α，β，γ)为旋转角参数；K为尺度参数。

根据DB11/T 446—2015建筑施工测量技术规程，轴线竖向投测允许误差见表1。

表1 轴线竖向投测允许误差表

外廓主轴线长度L(m)放线允许误差见表2。

表2 外廓主轴线长度L(m)放线允许误差

点位放样采用多次放样求平均位置的方式获取放样点位置，按方案二放样的点位满足轴线投测垂直度要求，距离方案一点位均在10 mm以内。由此得出结论，河北省CORS系统和转换参数结算软件满足点位放样和投测需求。

3 结语

RTK技术可以快速、准确、实时、自动提供某一建网地区的高精度三维坐标和时间信息,是一个城市地区实现现代化管理的重要组成部分。日渐成熟的虚拟参考站(VRS)已成为最流行的一种技术,其应用面广，可以满足不同行业用户对精密定位、快速和实时定位的需求。随着CORS服务中心的服务不断升级，由中心整合数据解算的转换参数质量会更好，点位放样和轴线投测会更好。

[1] 李 东，毛之琳，王文利，等.CGCS2000独立坐标系与原城市独立坐标系融合问题的研究[J].测绘通报，2014(6):17-19，38.

[2] 姚 刚，张希黔.高层建筑施工GPS测量的实施[J]．施工技术,2002(3):19-21.

[3] 张其光，李光信.应力路径和强度指标对基坑支护结构上水土压力计算的影响[J].岩石力学与工程学报，2001，20(A01):952-957.

[4] 蔡周平．测区CORS坐标转换参数定制测绘的理论和方法[J]．中国新技术新产品，2013(6):8-9.

[5] 吕志平，魏子卿，李 军，等．CGCS2000高精度坐标转换格网模型的建立[J]．测绘学报，2013，42(6):791-797.

[6] 鄂栋臣，詹必伟，姜卫平，等．应用GAMIT/GLOBK软件进行高精度GPS数据处理[J]．极地研究，2005(3):173-182.