不同地形情况下GPS 控制网布设方式及观测调度方式的研究

王海涛，赵彤彬

（陕西水环境工程勘测设计研究院,陕西 西安 710018）

1 前言

GPS 测量技术已成为测绘项目生产的主导技术,同时也是因为该项技术的应用,作业效率比常规测量方法提高数倍,测绘成果精度比之前提高数倍,成果出错率比以前大有下降。为了更好的将GPS 技术应用于生产中,更加充分的发挥GPS技术的优越性,结合之前项目经验,针对不同类型项目进行GPS 控制网布设方式及观测调度方式的研究。

2 GPS 控制网图设计

GPS 控制网图形设计时,由于无需考虑控制点之间的相互通视,无需考虑控制点之间的高差变化,所以控制网图的形式非常的灵活。GPS 控制网图的形式主要取决于控制网的等级,投入的经费、时间和人力,以及准备采用的接收机数量和标称精度等情况。

依据规范要求并结合日常作业习惯,可以将GPS 控制网的图形总结为四种形式：即点连式、边连式、网连式和边点混合式。当然在实际工作中,可能因为起算点、地形、距离、交通路线等条件限制,在一个大的控制网中形成分级布设,按照边点混合连接,或部分边连式配合部分点连式,来提高控制网的精度和外业观测效率。

工程控制网一般相对较为简单,控制点数量不会太多,控制网的布设形式可分为三种。第一种为控制点位集中形。即控制网所涉及的控制点点位集中在一个区域、这个控制网一般适用于小型的独立工程。第二种为控制点位分区域集中形。即控制网所涉及的控制点点位分别集中在几个区域,每个区域距离相对较远,这种控制网适用于多区域共同进行的工程。第三种为控制点位呈线状形。即控制网所涉及的控制点点位沿某条线路分布,整体呈线状,这种控制网一般应用于引水管线工程。

2.1 不同类型项目控制网的布设

本文主要从引水工程、水库工程、中小河流治理工程、水生态水景观综合治理工程、库区泥沙淤积测验断面维护及重建工程等项目的GPS 测量任务来论述实际工作中的控制网布设。

（1）在很多项目实施的工程中,工期的要求都是非常紧张的,我们也可以把控制网布设和其他碎部测量统筹的结合起来进行开展工作。例如引水管线工程,一般在首级控制网布设完成后,测区内控制点的数量就能满足地形图、纵横断面等测量内容的需要,我们可以根据成果需要的轻重缓急,先开展急需成果的测量工作,最后进行控制网加密工作,这样一来既满足了工期的需要,又保证了工作的有序进行。

某县骨干供水工程项目初步设计测量项目在施测过程中就采用分级布设控制网的措施。该项目属于引水工程,线路长度约44.1 km,测区内高差约210 m,工程沿线经过沟壑20 余处,沟深约70 m～90 m,按照测量技术要求地形图为急需成果资料,结合项目战线长、跨度大、工期紧、任务急的特点,控制测量采用分级控制的方法,先施测四等首级控制,点位密度满足地形图测量需要,待地形图工作完成后,再在四等网基础上进行五等加密控制测量。首级控制网布设：在测区沿工程布设方向每4 km～5 km 埋设1 个控制桩志,并兼顾在出水口、蓄水池、较大沟壑两端各布设1 个桩志,共埋设14 个桩志,采用6 台GPS 接收机按四等精度要求进行静态观测,以测区附近的3 个国家已知点为起算点,按边连式布网,整个控制网共17 个点位,共观测4 个时段,每个时段观测时间为60 min。控制网形式见图1。

图1 首级控制网示意图

该首级控制网共组成同步环80 个,异步环42 个,最弱边相对中误差为1/1459481,最弱点位中误差为0.003 m；加密控制网是结合工程本身情况和首级控制网布设情况,按照每2 km 布设一组桩志,共埋设33 个桩志。因3 个国家已知点距离测区比较近且使用方便,加密控制网约束点与首级控制网相同,另外从首级网中选取4 个点联测作为检核,控制网形式见图2。

图2 加密控制网示意图

加密控制网采用6 台GPS 接收机进行观测,共观测10个时段,每个时段观测时间不少于45 min,约束平差最弱边相对中误差为1/202192,最弱点位中误差为0.003 m,各项限差均符合《水利水电工程测量规范》（SL 197-2013）要求。

加密控制平差完成后与4 个检核点比较结果见表1。

表1 同点位两次平差结果检核统计表

依据《水利水电工程测量规范》（SL 197-2013）中基本平面控制最弱相邻点位允许中误差为图上±5 cm 的要求,均满足规范要求,由此可见该方法是可行的。

（2）水库工程控制网形状相对规则,控制面积相对较小,属于点位集中在一个区域的网形,但是水库工程控制等级要求相对较高,一般首级控制要满足四等GPS 精度要求。因为水库工程多修建在山高沟深地形起伏较大的地区,布设控制网时在满足基本原则的同时,还应考虑所布设的控制点能够满足并方便水准测量或三角高程测量的要求。

（3）中小河流治理工程、水生态水景观综合治理工程控制网形状相对规则,属于点位集中在一个或分布在几个区域的网形,特别是中小河流工程,一个项目经常分好几段组成,有的距离较近,如3 km～5 km,有的距离较远,在布设这样的控制网时,应该根据测区附近起算点的分布情况以及实际交通情况进行布设网形。一般情况下尽量布设一个大网,方便调度,方便观测,也有利于数据处理和平差,但是在各段工程相聚较远时,在控制点分布能满足要求时,为了降低外业操作难度,减少外业观测过程中路途时间的耽搁,建议分段布设控制网。

（4）库区泥沙淤积测验断面维护及重建工程控制网的点位成线状分布,控制点数量多,此类控制网在布设时应充分考虑测区沿线的国家起算点,使起算点均匀的分布于控制网附近,另外还需考虑已知点获取高精度起算数据进行长时段观测的网形布设。某库区淤积断面设施测量项目,全网共306 点,其中起算点6 个,采用6 台高精度GPS 按同步环方法、E 级GPS 网精度联测,共计测设95 个同步环,每个同步环1个时段,每个时段60 分钟。为了获得高精度的起算数据,该网用4 台GPS 分4 个同步环联测4 个国家高等级控制点,每个时段观测4 h。

2.2 起算点分布不均匀时GPS 控制网的布设

工程控制网需要联测高等级控制点,并进行约束平差。用于控制网的已知点至少应达到3 个,也可以联测多个已知点作为检核。已知点应较均匀地布设在测区或测区的周围,尽可能形成等边三角形,已知点的分布应避免成线状,其点间距离应大于工程控制网中所布设的点与点之间的最大距离,这样可保证控制网不发生扭曲,保证整个控制网点精度的统一。

但是,随着国民经济的发展,城镇化的不断建设,国家高等级控制点缺失严重,常常出现高等级控制点不够用的现象,大部分工程的控制网起算点都是要跑很远才能促够,何谈控制点的均匀分布、形成等边三角形等要求,面对这样的现实情况,我们只有通过尽可能布设合理的控制网形来减少起算点分布不均匀带来的精度影响。

以某水库工程可行性研究测量项目为例子进行探讨研究。该工程项目的3 个起算点距离测区直线距离均在20 km以上,起算点全部位于测区东侧,且几乎构成直线型,具体位置分布见图3～图5。

图3 控制网方案一

图4 控制网方案二

图5 控制网方案三

图3～图5 中最右边一排三个点位控制网起算点,从图3、图4 中更能直观地看到其分布的不科学性。图3 和图4 的网形图形强度较弱,控制网形没有闭合,容易发生扭曲,难以保证整个控制网点精度的统一,图5 的网形在实际条件的限制下,尽可能地提高控制网图形强度,相对图3 和图4 该控制网形是比较合理的,按照图5 全网共11 点,采用5 台GPS 接收机,共观测4 个时段,平均观测时段数为1.8,全网共组成同步环40 个,异步环60 个,最弱边相对中误差为1/668885,最弱点位中误差为0.0064 m。

3 GPS 静态观测的调度方式

1）静态观测的调度工作应结合观测时采用接收机的数量、车辆配备情况、各点位交通情况、观测时段长度情况等统筹安排,合理科学的编制GPS 静态观测调度表,调度表的内容应具体到人、具体到时间点、具体到点位、具体到测站。

2）对于个别通讯有困难的的点位,应提前约定时间,尽量安排充裕的时间,以保证有效观测时间能够满足要求。

3）在观测调度过程中,偶尔会出现不可预测的突发情况,调度者应提前做好应急预案,熟知控制网形,以备关键时能够合理的调整网形。

4 结语

GPS 控制网布设在实际工作中非常的灵活,在满足布网基本原则的同时,可根据实际条件和测区具体情况进行布设,合理的控制网图形能增强图形强度,减少精度损失,保证控制网精度统一,同时还能降低内业数据处理的难度。

GPS 测量调度工作更是灵活多变的,但是每个项目都有其具体的特点,调度计划应因地制宜,科学合理的调度可以减少路途耽搁,提高作业效率,达到事半功倍。